Rothman T. - Wiedza w pigułce - Fizyka.pdf

WIEDZA W PIGUŁCE FIZYKA TONY ROTHMAN

Spis treści Podziękowania................................................................................................ Wstęp Czego uczy nas fizyka?........................................ Prolog Cienie zapomnianych przodków: To dla mnie greczyzna............................................................ Rozdział 1 W stronę mechanicznego wszechświata: Zie­ mia wraca na swoje m iejsce........................... Rozdział 2 Ulotny atom: G azu!............................................... Rozdział 3 Kryzys energetyczny: Ciepło, ciepło.................. Rozdział 4 Elektromagnetyzm: Igraszki z prądem ............. Rozdział 5 Szczególna teoria względności: Einsteina wi­ dzenie ś w ia t(ł)a ............................................... Rozdział 6 Wewnątrz jądra atomowego: Kuriozum pań­ stwa Curie............................................................ Rozdział 7 Mechanika kwantowa: Plank! Plank! Fizyka skacze w n iezn an e...........................................

Rozdział 8 Różnorodność ijedność: Warzenie zupy na cząst­ kach ...................................................................... 207 Rozdział 9 Ogólna teoria względności: Grawitacyjne wiel­ kie przyciąganie.................................................. 228 Rozdział 10 Koniec..........................................................................253 Indeks ...............................................................................................................261

Podziękowania W literaturze od wieków trwa konflikt między formą a tre­ ścią. W nauce nie ulega wątpliwości, że idee są ważniejsze niż słowa. Choć zdania w Fizyce są, jak mniemam, mojego autorstwa, to treść, która się za nimi kryje, wiele zawdzięcza moim kolegom. W szczególności chciałbym podziękować profesorom Sheldonowi Glashowowi, Royowi Galuberowi i Robertowi Kirshnerowi, którym mogłem pomagać przy pro­ wadzeniu wykładów z podstaw fizyki na Uniwersytecie Har- varda. Idee poruszane w tej książce stale się podczas nich przewijały. Przede wszystkim jednak dziękuję wszystkim moim byłym i obecnym uczniom, którym dedykuję tę książkę.

Wstęp Czego uczy nas fizyka? 11

Nasz cel Kiedy kartkując zawartość tej książki, tamujesz przejście między regałami w swojej ulubionej księgami, oznacza to, że padłeś jej ofiarą. Prawdopodobnie stało się tak dlatego, że w czasach swej młodości starałeś się czegoś nauczyć z fizyki. Być może teraz chcesz odświeżyć swoje wiadomości albo, wiedząc, jak ważną rolę odgrywa nauka we współczesnym życiu, i zdając sobie sprawę z własnej ignorancji, korzystasz z okazji, aby się nieco dokształcić. Tak czy owak, twoje wia­ domości z fizyki są żenująco skromne i mogę się założyć, że z ławy szkolnej wyniosłeś przekonanie, że słowo „fizyka”jest synonimem słowa „plaga”, a więc czegoś, czego za wszelką cenę należy unikać. To nieporozumienie. Słowo „fizyka” wywodzi się z grec­ kiego physike i oznacza przyrodę lub ściślej - przyrodę nieo­ żywioną. W naszym rozumieniu fizyka to wyodrębniona ga­ łąź wiedzy, która zajmuje się fundamentalnymi prawami przy­ rody. Z tego powodu atom, grawitacja, elektromagnetyzm wchodzą w zakres zainteresowania fizyki; natomiast zacho­ wanie EWisa - nie. O fizyce najlepiej myśleć jak o poszukiwaniu praw rządzą­ cych wszechświatem. Pomni wielkiej tradycji postanowili­ śmy, że podczas przyrządzania Fizyki prześledzimy chwile epifanii (zajrzyjcie do słownika), które sprawiły, że fizycy odkryli pewne uniwersalne reguły rządzące naszym światem. Krocząc wesoło ku Oświeceniu, staniecie się gorliwymi wy­ znawcami owych reguł. Do najbardziej fundamentalnych z nich należą te, które można uznać za odpowiedniki dziesię­ ciu przykazań: „Nie przekraczaj prędkości światła”, „Zacho­ wuj energię”, „Zawsze zwiększaj entropię” itd. Jednak prawa przyrody są zarazem i bardziej surowe, i bardziej łagodne niż przykazania Mojżeszowe. Jeśli złamiesz któreś z tych ostat­ nich, czeka cię wieczne potępienie. Prawa przyrody są bar­ dziej surowe - nie możesz ich złamać. Z drugiej jednak stro­ ny, ta ich gwarantowana nienaruszalność chroni cię przed konsekwencjami ich złamania. 12

Pozwólcie mi na chwilę filozoficznej refleksji. Odetchnij­ cie głęboko. Aby fizycy mogli odkrywać prawa przyrody - prawa rządzące wszechświatem - muszą wychodzić z założe­ nia, że takie prawa w ogóle istnieją. Samo założenie, że ist­ nieją pewne reguły, jest bodajże najważniejszą cechą różnią­ cą naukę od, na przykład, polityki. Z samej swej natury regu­ ły nakładają bowiem pewne ograniczenia na to, co jest dozwolone. Nie dziwi mnie, jeśli na przyjęciu spotkaliście fi­ zyka, który drwił z UFO, twierdząc, że „podróżowanie z pręd­ kością większą od światła jest niemożliwe”. To bardzo praw­ dopodobne. Słowo „niemożliwe” jest drugim pod względem ważności w słowniku fizyka (pierwszym jest słowo „non­ sens”). Takie podejście do życia wyjaśnia, dlaczego fizycy tak rzadko bywają na przyjęciach. Pogląd, że pewne rzeczy są z gruntu niemożliwe, nie należy do popularnych, jednak jest to jeden z najważniejszych komu­ nikatów, jakie wysyła nam przyroda. Ten aspekt rzeczywisto­ ści wielokrotnie będzie podkreślany wnaszej książce. Nie wie­ rzycie? Myślicie, że to zbyt pesymistyczny obraz świata? Nie­ stety, taka naprawdę jest nasza rzeczywistość. Jeszcze się wahacie? Wciąż wierzycie w samonapędzający się silnik, w perpetuum mobile? Zatem nie macie wyboru i musicie prze­ czytać następne strony tej książki. Pod przewodem praw natu­ ry, które będą waszymi pasterzami, sami dostrzeżecie błąd w waszym rozumowaniu i wejdziecie na drogę Prawdy. Czyżby więc Fizyka była kluczem do ezoterycznej wiedzy i materialnego sukcesu? Na pewno nie to drugie. Mówiąc szczerze, określenie „fizyka w pigułce” jest oksymoronem. Choćbyście nie wiem jak chcieli, nie można podgrzać fizyki w ciągu siedmiu minut w mikrofalówce, połknąć w całości i przetrawić. W odróżnieniu od innych przedmiotów, na przy­ kład historii, poznawanie fizyki wymaga systematyczności. Jej studiowanie należy zacząć od samego początku. Podczas zdobywania wykształcenia adepci fizyki w kółko wałkują ten sam temat, za każdym jednak razem na trochę wyższym po­ ziomie, by po dziesięciu latach nauki stwierdzić, że nie ma dla nich pracy. Tak brzmi zatem nasza pierwsza 13

przewodnia zasada: Aby poznać fizykę, należy stosować ją w praktyce. Powiedzmy to jednak jasno: książka ta nie ma nauczyć praktycznego wykorzystania wiedzy z zakresu fizyki. Jeśli to jest twoim pragnieniem, wróć do szkoły; rezultat będzie taki, jak wspomnieliśmy wyżej. Stawiamy sobie skromniejszy cel: Chcemy wyjaśnić czytelnikom, dlaczego fizycy wierzą w to, w co wierzą, i przygotować ich do wykorzystania tej świętej wiedzy w wojnie z niewiernymi. Środki Jaką ścieżkę najlepiej wybrać, by dołączyć do Oświeco­ nych? Aby ułatwić przełknięcie Fizyki, podzielono ją na mniejsze porcje. Sąone zresztąiście dietetyczne. Osoby, które duszą się na widok równań matematycznych, z przyjemno­ ścią stwierdzą, że główny tekst zawiera ledwie garść dziecin­ nie prostych wzorów. Zamiast na matematykę nacisk położo­ no przede wszystkim na przedstawienie podstawowych zasad fizyki okraszonych paradą wybitnych uczonych, którzy do­ konali przełomowych odkryć. Wyboru poszczególnych te­ matów dokonano ze względu na ich znaczenie oraz wygodę autora, który pomagał przygotowywać kilka takich przekro­ jowych wykładów dla Uniwersytetu Harvarda. Można więc powiedzieć, że opatrzone sąone uznanym w świecie certyfi­ katem Ivy League. Wychodząc z panującego dziś niepodzielnie redukcjonizmu i naśladując znane z dzienników telewizyj­ nych „Przeglądy tematów dnia”, na końcu każdego rozdziału zamieszczono „Skrót głównych wydarzeń” (tutaj zwany po prostu „Podsumowaniem”) oraz najważniejsze słowa, defini­ cje oraz pojęcia. Kluczowe pojęcia starano się zawrzeć w jed­ nym zdaniu, tak aby nie obciążać zbytnio pamięci czytelnika oraz nie zwiększać objętości książki. Słowo na temat ujęcia historycznego. W typowych podręcz­ nikach fizyki zwykle czyta się: „Ten i ten odkrył to i to, tam­ 14

ten udowodnił tamto, w tym a tym roku”. Takie podejście można określić jako historię w ujęciu fizyków, a więc sposób, w jaki współczesny fizyk posługujący się współczesnymi, dobrze zdefiniowanymi pojęciami rozumie to, czego dokona­ li jego znamienici poprzednicy. Nie odzwierciedla to wcale prawdziwej historii, która jest daleko bardziej skomplikowa­ na i pouczająca. Nauka nie zawsze posuwa się tylko do przo­ du prowadzona żelazną logiką; czasem zdarza się, że się cofa. Najeden olśniewający pomysł przypada tysiące lichych. Czę­ sto uczeni dokonujący przełomowych odkryć wcale nie zdają sobie z tego sprawy, a na każdą osobę, której praca znalazła uznanie, przypada dziesięć niedocenionych. Powyższe spo­ strzeżenia podsumowuje zasada podręcznikowego uproszczenia: Pod­ ręczniki przedstawiają sprawę prosto i zwięźle, lecz rozwój nauki postępował nierzadko w spo­ sób pokrętny i kosztował uczonych wiele trudu. W książce takiej jak ta z konieczności pominięto wiele za­ gadnień (na przykład wkład, jaki wnieśli do fizyki uczeni chińscy i arabscy). Dlatego też autor nie rości sobie prawa do przedstawienia prawdziwej historii fizyki. Czytelnik tej dietetycznej fizyki z pewnością zauważy, że szczególnie kilka pierwszych rozdziałów zawiera sporą daw­ kę filozofii. Jak wiadomo, fizyka wyrosła z rozważań filo­ zoficznych, które nawet obecnie mają na nią silny wpływ. W istocie to, czym zajmuje się fizyka, zostało nazwane fizyką zaledwie sto lat temu. Przedtem była to gałąź filozofii natury. Jak zobaczycie, niektóre filozoficzne idee hamowały rozwój fizyki. Odrzucono je dopiero po wielu uważnych obserwa­ cjach i doświadczeniach. Niech więc następujący kodeks fizyka: Jedna udana obserwacja jest więcej warta niż nie kończące się jałowe filozofowanie stanie się wnioskiem pod adresem fundamentalnej zasady nauki, o której będzie mowa w rozdziale 1. 15

Jak powiedzieliśmy wyżej, książka ta została podzielona na mniejsze dawki. Z myślą o zwolennikach treściwego jadła lekkostrawny tekst został wzbogacony o wiele przykładów nadzianych MATMĄ w środku. Zwolennik dietetycznego odżywiania może je zupełnie zignorować. Uczniowie często po lekcjach błagają nauczyciela, aby mówił im raczej o „poję­ ciach”, pomijając matematykę, jednak dla fizyka takie roz­ graniczenie nie zawsze jest wykonalne. Choć zasadnicze po­ jęcia fizyki można omówić bez posługiwania się wzorami, to jednak matematyka jest językiem fizyki i wielu praw nie da się ściśle sformułować wyłącznie słowami. Zatem ci, którzy zapamiętali co nieco z matematyki na po­ ziomie szkoły podstawowej, znajdąw przykładach rozszerzo­ ne omówienia najważniejszych pojęć fizycznych z podstawo­ wego kursu fizyki. Poza dodawaniem, odejmowaniem, mno­ żeniem i dzieleniem nie znajdziecie tam bardziej skompli­ kowanych działań (no, może czasem wyciągniemy jakiś pier­ wiastek) - obiecuję! Czytelnicy, którzy w przerwie na rekla­ mę wezmą kartkę i ołówek i przepiszą zamieszczone w przy­ kładach wyprowadzenia, stwierdzą mile zaskoczeni, że mo­ gą dokonać wspaniałych rzeczy - nawet wyprowadzić wzór E = mc2. Rozumiejąc, jak wiele trudności czeka adepta nowej wiary, wasz przewodnik oznaczył każdy przykład jednym, dwoma lub trzeba wykrzyknikami: !- łagodne, !! - pikantne, !!! - pali. Aby strawić bardziej egzotyczne dania naszej kuchni, czy­ telnik musi przyswajać sobie pojęcia w takiej kolejności, w jakiej się pojawiają. Wymaga to od niego ścisłego rozu­ mienia każdego słowa. Jest to niezwykle ważne. Kiedy fizyk mówi „siła”, ma na myśli jedną i tylko jedną rzecz: pchnięcie lub pociągnięcie równe liczbowo iloczynowi masy i przyspie­ szenia. W ustach laika słowo „siła” może na przykład odnosić się do Sił Ciemności. O „energii” często mówi się dziś w kon­ tekście harmonicznej konwergencji. Wbrew temu, co mówi Humpty Dumpty, słowa mają określone znaczenie. Jaki stąd płynie morał? Wielu laików uważa, że jeśli nau­ czą się obco brzmiących słów, to poznają fizykę. Błąd! Kar­ 16

dynalny, niewybaczalny błąd. Dlaczego? Strzeżcie się: Zna­ jomość fizyki polega nie tyle na opanowaniu poszczególnych pojęć, ile na zrozumieniu zw iązków między nimi. Można nauczyć się na pamięć wszystkich definicji, twierdzeń i do­ wodów, lecz jeśli nie zna się związków między jednymi - i braku zw iązku m iędzy innym i - łatwo się pogubić. Gdy będziecie się przedzierać przez gąszcz, który zarasta dro­ gę ku Oświeceniu, warto byście pamiętali o zasadzie wielostronności: Pojęcia fizyczne są często powiązane ze sobą. Fizyka jest wewnętrz­ nie spójna; żadne z pojęć nie może być sprzeczne z innym pojęciem. Ale trzeba pamiętać też o zasadzie rozłączności: Nie wszystkie pojęcia są jednakowe. Nie każdego z nich da się użyć do roz­ wiązania określonego problemu. Trawestując powiedzenie Gertrudy Stein: siła to nie ener­ gia, nie pęd, nie moc... Abyście stale pamiętali o zasadzie roz­ łączności, w każdym rozdziale znajdziecie Słowniczek termi­ nów ezoterycznych. Każdy z nich to skarbczyk, kryjący pra­ widłowe definicje poszczególnych terminów. Na koniec naczelna zasada, o której nigdy nie wolno wam zapomnieć: Nie ucz się na pamięć, staraj się zrozum ieć. I dwie mantry: Działaniejest ważniejsze od wyników. Twórcze podejściejest ważniejsze niż wiedza. Jeśli po przeczytaniu tej książki zasady fizyki staną się czę­ ścią waszego światopoglądu, będzie to oznaczać, że Fizyka spełniła swoje zadgtflE, A Im ^ d o dzieła! Oświecenie czeka na was. NapySódjnarsz. 17

Prolog Cienie zapomnianych przodków To dla mnie greczyzna Zapamiętaj ♦ Żeby znaleźć prawidło« wszystkie możliwe błęd Grecy. ią odpowiedź, trzeba popełnić /. Pierwsi zaczęli je popełniać 18

Fizycy szanują swoich starców Sokrates, Platon, Arystoteles: dla laika to wspaniała trójca greckich filozofów. „Sokrates to najmądrzejszy człowiek na świecie” - pisze Milton. Lepiej, żeby Cyceron mylił się co do Platona. Faust dobrze czułby się w świecie Arystotelesa. Zróbcie jednak prosty eksperyment. Dopadnijcie jakiegoś fizyka i pod byle jakim pretekstem wypowiedzcie kilka po­ chwał pod adresem tej trójki znamienitych Greków. Bardzo możliwe, że wasz królik doświadczalny jedynie mruknie: „Fi­ lozofia... hmmm... Nie znam się na tym” i odejdzie. Jeśli nie, istnieje duża szansa, że ujrzycie, jak nikły uśmiech na twarzy dobrodusznego uczonego zastępuje najpierw gniew, a potem wściekłość. Następnie z poczerwieniałą twarzą i wzrokiem wzniesionym do nieba zaleje was potokiem niezrozumiałych słów, których wymowa będzie sprowadzać się do mniej wię­ cej jednego: Czemu tracicie czas na czytanie tych bandytów, Platona iArystotelesa? To oni są odpowiedzialni za cofnięcie cywilizacji w rozwoju o tysiąc lat! Kiedy wasz fizyk nieco ochłonie, prawdopodobnie poradzi wam, abyście spalili wszy­ stkie dzieła Platona, a zainteresowali się Talesem, Anaksy- mandrem, Empedoklesem, Parmenidesem, których imiona wam z kolei nic nie mówią. „To przedsokratejczycy” - rzuci niedwuznacznie uczony i na tym rozmowa się skończy. Dlaczego, skoro niemal wszystkie uniwersyteckie wykłady z filozofii koncentrują się na tej „wielkiej trójce”, fizyk po­ traktował ich z pogardą a z podziwem wyraził się o kilku osobnikach o nie znanych wam nazwiskach i poglądach? Aby zrozumieć przyczynę tej kulturalnej schizmy, zadajmy jedno z odwiecznych pytań: Jaka jest natura świata? Jest to zasadni­ cze pytanie, jakie stawia sobie nauka, i ludzie zastanawiali się nad nim już na wiele lat przed starożytnymi Grekami. Interesujące jest jednak nie tyle samo pytanie, ile odpo­ wiedź na nie. Wszystkie starożytne cywilizacje genezę świata upatrywały w ingerencji bogów. Na przykład starożytni Egip­ cjanie wierzyli, że na początku był Praocean - Nun - nie­ 19

zmierzony, bezczasowy. W jednej z wersji tego mitu* z Nun wyłoniło się Prawzgórze -A tum - czyli „Doskonały”. Będąc sam i wszystkim, Atum musiał stworzyć świat, chwytając się raczej niekonwencjonalnych metod. Jedne podania głoszą, że wyrzygał boginię Szu (powietrze) i jej siostrę Tefnut (Wil­ goć), inne - że nie mając partnerki, współżył z własną dłonią. Tak czy owak, ze związku Szu i Tefnut narodzili się Geb i Nut, ziemia i niebo. Od tego momentu kolejni bogowie ro­ dzili się z bardziej konwencjonalnych - choć kazirodczych - związków. Podobne mity o stworzeniu pochodzą z innych kultur w różnych częściach świata. Również w starożytnej Grecji. Hezjod w swojej Teogonii, napisanej około 700 r. p.n.e., opo­ wiada historię stworzenia, która jako żywo przypomina tę egipską. Homer, prawdopodobnie nieco wcześniej, zapełnił swoją///¿u/ę i Odyseję bogami i boginiami, których knowania w dużej mierze były odpowiedzialne za wszystkie ludzkie nie­ szczęścia. (Tak przy okazji, Homer wprowadził pierwsząjed- nostkę miary: milihelenę - jednostkę piękności konieczną do wysłania w morze jednego statku.) Herodot, podobnie jak wielu ludzi dzisiaj, uważał zaćmienie Słońca za zjawisko nad­ przyrodzone. We wszystkich tych wczesnych dziełach zja­ wiska przyrodnicze są personifikowane lub przypisywane bóstwom. Tales odkrywa wodę Nagle, mniej więcej około VI w. p.n.e., coś się zmieniło. W greckim mieście Milet, leżącym w Azji Mniejszej na tere­ nie dzisiejszej Turcji, pojawiła się grupka mężczyzn, którzy oddawali się bez reszty stawianiu bezużytecznych pytań i udzielaniu niemądrych odpowiedzi. To właśnie ci physikoi, * Patrz naprzykiad Ancient Cosmologies, Carmen Blacker, Michael Loewe (red.), George Allen & Unwin, London 1975 [W jęz. polskim: J. Lipińska, M. Marciniak, Mitologia starożytnego Egiptu, WAiF, Warszawa 1980 - przyp. tłum.] 20

K to je s t i M Tales z Miletu (ok. 625-ok. 545 p.n.e.) Narobił dużo szumu, twierdząc, że woda jest podsta­ wową substancją we wszechświecie. Anaksymander z Miletu (ok. 610-ok. 545 p.n.e.) Za pierwotne tworzywo kosmosu uważał tzw. apeiron- „nieokreśloną” materię. Bardzo to niejasne, ale brzmi złowieszczo współcześnie. Pitagoras z Samos (działał ok. 530 r. p.n.e.) Przywódca sekty religijnej, który uważał liczby za pod­ stawę rzeczywistości. Odpowiedzialny za torturowanie niezliczonych uczniów podstawówki twierdzeniem Pi­ tagorasa. Parmenides z Elei (działał ok. 470 r. p.n.e.) Głosił koncepcję jedynego, wiecznego bytu, na której opierał pogląd, że jakakolwiek zmienność jest niemoż­ liwa. Zły wybór na seminarium o samodoskonaleniu. Empedokles z Akragas (działał ok. 440 r. p.n.e.) Mówił, że korzeniami wszechświata są cztery podsta­ wowe żywioły: ogień, powietrze, woda i ziemia. Wrócił do swoich korzeni, skoczywszy do czynnego wulkanu. Arystarch z Samos (działał w pierwszej połowie III w. p.n.e.) Według Archimedesa jako pierwszy sformułował helio- centryczny model Układu Słonecznego, ale nie poszedł tym tropem. I to tyle, co można powiedzieć o jego do­ konaniach. Archimedes z Syrakuz (ok. 287-212 p.n.e.) Człowiek o wielu twarzach - matematyk, wynalazca, fizyk. Odkrywca prawa Archimedesa, prekursor rachun­ ku różniczkowego i autor zawołania „Eureka!” 21

jak później nazwał ich Arystoteles, przez swe jałowe spekula­ cje skierowali zachodnią naukę na tory, którymi porusza się do dnia dzisiejszego. Pierwszymphysikoi, na którego temat zachowały się jakieś wzmianki, był Tales z Miletu. Talesowi przypisuje się zmie­ rzenie wysokości piramidy za pomocą długości jej cienia. Prawdopodobnie prowadził on również obserwacje astrono­ miczne i przewidział zaćmienie Słońca w 585 r. p.n.e. Bardzo możliwe, że swoje proroctwo oparł na odkryciu starożytnych Chaldejczyków, którzy zauważyli, że zaćmienia Słońca na danym obszarze pojawiają się co 54 lata i 34 dni. Okres ten, który nazwano saros, pomaga przewidywać czas wystąpienia kolejnego zaćmienia Słońca. Platon przytacza taką opowieść o Talesie: „Teodora, dowcipna i ponętna służka rodem z Tra- cji, miała zwyczaj drwić z Talesa, że wpada do studni, kiedy patrzy w niebo i obserwuje gwiazdy; twierdziła, że tak jest ciekaw rzeczy na niebie, ale to, co znajduje się tuż za nim lub pod jego nogami, uchodzi jego uwagi*. Na podstawie tego opisu Tales jawi się nam jako pierwszy roztargniony profe­ sor. Ale czy można wierzyć Platonowi? Talesa pamięta się głównie jako filozofa, który na pytanie: „Co jest podstawową substancją we wszechświecie?”, odpo­ wiadał: „Woda”. Nie mamy zielonego pojęcia, co sprawiło, że Tales uznał wodę za coś, z czego powstało wszystko inne, ale jego odpowiedź jest tyleż zaskakująca, co bezsensowna. Natomiast na uwagę zasługuje pogląd, że istnieje jeden i tylko jeden pierwotny żywioł. Poszukiwanie pramaterii z uporem kontynuowali następcy Talesa. Anaksymander z Miletu (uczeń lub kolega Talesa, nie wiemy tego dokładnie) znany jest głównie z poglądu, że pra- substancjąjest coś, co określił słowem, na którym można so­ bie język połamać, a które oznacza „bezkres” albo „bezmiar” - apeiron. Zauważywszy, że substancje, które go otaczają na * G. S. Kirk and J. E. Raven, The Presoctratic Philosophers, Cambridge Univer­ sity Press, Cambridge 1971, s. 78. [W jęz. polskim K. Leśniak, Materialiści greccy w epoce przedsokratejskiej, 1972 - przyp. tłum.] 22

co dzień, podlegająustawicznym zmianom, wyciągnął logicz­ ny wniosek, że pramaterią musi być coś zupełnie innego. Co dokładnie Anaksymander rozumiał przez apeiron, nie jest do końca jasne, ale przypuszczalnie miał na myśli coś, co jest zarówno nieskończone, jak ijednolite. Zapeiron powstał cały wszechświat. Czymkolwiek miał być apeiron, idea ta brzmi zadziwiająco nowocześnie, o czym przekonamy się w roz­ dziale 5. Aby w pełni unaocznić panującą wówczas niezgodę, trzeba wspomnieć, że inni przedsokratejczycy za pierwotny żywioł uważali ogień. Lub wodę. Nie odkryte jak dotąd zapisy poka­ zują też, że niektórzy przedsokratejczycy byli przekonani o prymacie coca-coli, wywnioskowawszy słusznie, że „gdzie jest życie, tam jest coca-cola”. Co z tego mamy? Orzeźwiającą colę? Po pierwsze, jak już wspomnieliśmy, przedstawiciele jońskiej filozofii przyrody zdradzali skłonności do redukowania wszystkich obserwowa­ nych zjawisk do kilku albo nawet tylko jednej możliwości. Równie ważne jest to, żephysikoi nie wspominają ojednej rze­ czy w swoich wyjaśnieniach: o nadprzyrodzonych lub boskich przyczynach. Możemy więc powiedzieć, że Tales i jego na­ stępcy wprowadzili dwie naczelne zasady do metodologii ba­ dań naukowych, których odtąd fizycy z uporem przestrzegają: Redukcjonizm: Świat opiera się na kilku podsta­ wowych zasadach. Mechanicyzm: Świat działa jak maszyna i nie ma w nim miejsca na siły nadprzyrodzone. Ech, ta zmienność Czas leci jak strzała. Owoce dojrzewają. Jedno i drugie jest przykładem otaczającej nas zmienności. Pojęcie zmienności okazało się szczególnie ciężko strawne - choć owocne - dla przedsokratejczyków. Parmenides z Elei zauważył zagadko­ 23

wo, że nie można wyobrazić sobie, że coś powstaje z niczego. („Bo nie da się udowodnić, że rzeczy, których nie ma, są”. Przeczytaj to jeszcze raz.) W ten sposób przekonał siebie, że świat jest niezmienny, bo tak dyktuje logika i - jak za do­ tknięciem czarodziejskiej różdżki - otaczająca nas zmienność powędrowała do krainy iluzji. Demokryt i Lukippos podjęli próbę pogodzenia logiki Par- menidesa z oczywistymi zjawiskami znanymi z codziennego życia, twierdząc, że świat składa się z atomów, które są nie­ podzielne, niezmienne i jednorodne, ale które poruszają się, zderzają i łączą ze sobą, i ta frenetyczna aktywność jest przy­ czyną zmienności obserwowanego świata. Zatem spekulacje Parmenidesa doprowadziły do powstania idei, która dwa ty­ siące lat później zmieniła bieg naszej cywilizacji. Poglądy Parmenidesa, że ruch i zmienność są niemożliwe, wywarły głęboki wpływ na Empedoklesa, który jako pierwszy ogłosił, że tylko głupcy (a więc ludzie o ograniczonym umyśle) wierzą, że coś może powstać z niczego, ale który później zmie­ nił front i stał się fizykiem w nowoczesnym wydaniu, głosząc, że przyrodę możemy poznawać jedynie za pośrednictwem na­ szych zmysłów. Nie wiedząc, jak wybrnąć z kłopotów związa­ nych ze zmiennością, twierdził, że istniejącztery żywioły - zie­ mia, powietrze, ogień i woda - które same w sobie są niezmien­ ne, a widoczna zmienność jest spowodowana ich ruchem wywołanym oczywiście przez Miłość i Nienawiść. Idea czterech żywiołów, którą splagiatował Arystoteles, mą­ ciła w nauce przez niemal dwa tysiące lat. Ale Empedokles nie poprzestał na tym. Zademonstrował, że powietrze jest realnie istniejącą substancją, zwracając uwagę, że woda nie może do­ stać się do zatopionego statku, dopóki nie ujdzie z niego powie­ trze. Tym sposobem wpisał się do historii jako twórca pierw­ szej demonstracji do wykładu z fizyki. Empedokles wysunął również przypuszczenie, że światło podróżuje ze skończoną prędkością, co - jak wiemy - jest prawdą. Wszystkie te doko­ nania prezentują się całkiem nieźle jak na człowieka, o którym mówi się, że zakończył życie, skacząc do czynnego wulkanu. 24

Pojawia się matematyka. Och nie, wszystko, byle nie to Gdy Parmenides i Empedokles debato­ wali na temat zmienności, pitagorejczycy dumali nad liczbami. (O co chodzi? Każdy musi sobie znaleźć jakieś zajęcie.) O Pita­ gorasie z Samos nie wiemy nic oprócz tego, że szczyt jego działalności przypadł około 530 r. p.n.e. O jego pierwszych uczniach nie wiemy nawet i tego. Wiemy jednak, że na początku V stulecia wokół tej półlegen- darnej postaci powstała tajemnicza sekta religijna (coś jak Hare Kriszna), której członkowie uważali, że realną podstawą wszystkich rzeczy jest „liczba”. Nie wia­ domo do końca, czy uważali, że przedmio­ ty materialne rzeczywiście składają się z liczb, czy że mogą być za ich pomocą opisywane. Tak czy owak, odkryli wiele związków między liczbami, które natchnęły ich wiarą w potę­ gę liczb. „Liczba, liczba, Hare liczba...” Pitagorejczycy sfor­ mułowali, na przykład, podstawy matematyczne muzycznych interwałów i składali przysięgę na tetraktys dekady. Słynne twierdzenie Pitagorasa o trójkącie prostokątnym było znane już w Mezopotamii. Nie wiadomo, czy Pitagoras dopuścił się plagiatu, czy dokonał swojego odkrycia samodzielnie, w każ­ dym razie historia jego twierdzenia może służyć za pierwszy przykład słuszności pewnego powiedzonka dotyczącego nau­ ki, które można określić jako zasadę naukowego marketingu: Albo pracujesz, albo zbierasz zasługi. Mówiąc inaczej, i tak zawsze znajdzie się ktoś, kto zrobił to samo przed tobą. Pitagoras. Nie wiemy, jak wyglądaj ale wiemy, że to nie on pierwszy sformułował twierdzenie Pitagorasa. Czym jednak byłaby geometria bez niego? 25

Tetraktys dekady. Na rysunku tym widać, że 4 + 3+ 2 + 1 = 1 0 . Dlatego swoją najbardziej wiążącą przysięgę pitagorejczycy składali na tetraktys: „Przysięgam na tego, który ofiarował naszemu pokoleniu tetraktys, źródło i podstawę wiekuistej przyrody". Tak czy owak, przyjmując założenie, że świat może być opisany językiem matematyki, pitagorejczycy wprowadzili dwie następne naczelne zasady, od tej pory bardzo drogie ser­ cu każdego filozofa przyrody: zasadę tetraktysu: To, że matematyka tak dobrze opisuje rzeczywisty świat, nie może być dziełem przypadku. Matematyka jest właściwym językiem fizyki. zasadę kwantyfikacji: Nic nie wiemy, dopóki nie przeprowadzimy pomiaru i nie przypiszemy wy­ nikowi liczby. To, czy powyższe zasady są absolutnie prawdziwe, jest sprawą dyskusyjną. Być może na następnym przyjęciu ze­ chcesz skonfrontować swoją opinię na ten temat ze zdaniem fizyka; możesz zagadać do niego słowami z ramki. Tak czy inaczej, widzimy, że przedsokratejczycy mieli znaczne osią­ gnięcia. W ich wizji świata chaos - mityczny nieporządek, z którego powstało wszystko inne - został zastąpiony przez logos (prawo) i kosmos (porządek i wszechświat). To właś­ nie logos i kosmos stały się celem poszukiwań naukowych i naczelną zasadą fizyki. Akcja się zagęszcza Na nieszczęście w sprawę wtrącili się Platon i Arystoteles. W każdym dreszczowcu musi występować czarny charakter. Fizykom obaj filozofowie jak ulał pasują do tej roli, choć większość z nich nie raczyła nawet sięgnąć po dzieła owych 26

Rozmowa na przyjęciu Fizyka ubranego w koszulkę z napisem: „Tetraktys deka­ dy” otacza wianuszek wielbicieli. Ty, w koszulce z napisem: „Anonimowy Alchemik", podchodzisz do niego. Ty: Czy naprawdę wierzysz, że matematyka opisuje rze­ czywisty świat? F iz y k : Na pewno lepiej niż poezja. T y : T o dlaczego w dowodach matematycznych często pojawiają się takie zwroty: „Załóżmy, że krowa ma kształt kuli". F iz y k : Cóż... czasem trzeba... hmm... problem nieco upro­ ścić. Ty: Krowa w kształcie kuli? Czyżby matematyka mogła opisywać tylko rzeczy nie istniejące w rzeczywistości? F iz y k : Hmm, na tetraktys, temu nie można zaprzeczyć. Ty: Poza tym słyszałem, że większość równań opisu­ jących rzeczywiste układy nie ma dokładnych roz­ wiązań. F iz y k : Cóż, to prawda. Zazwyczaj znajdujemy rozwiązanie przybliżone. Ty: A więc niby jakim cudem matematyka może tak wspaniale opisywać prawdziwy świat? Z jednej stro­ ny możecie opisywać rzeczy, które w rzeczywisto­ ści nie istnieją, z drugiej nie potraficie opisywać rze­ czy istniejących. Dla mnie to brzmi jak poezja. F iz y k : Ale nasze przybliżone rozwiązania są otrzymywane z założoną dokładnością. Ty: Czy to nie Einstein powiedział: „Jak długo prawa ma­ tematyczne odnoszą się do rzeczywistości, tak dłu­ go obarczone są niepewnością, a jak długo są pew­ ne, tak długo nie odnoszą się do rzeczywistości". F iz y k : Tak powiedział? Przepraszam cię, ale widzę, że po­ dano nektar i ambrozję. (Fizyk znika w tłumie.) 27

słynnych Greków, toteż ich niechęć może się wydawać nieco irracjonalna. Nie da się jednak zaprzeczyć, że Platon zboczył ze Ścieżki Prawdy. Drwiąc z przedsokratejczyków oraz ich mechanistycznych interpretacji stworzenia i uważając je za czysty nonsens, wprowadził powtórnie na scenę Boga, De­ miurga. W swej słynnej koncepcji głosił istnienie „świata idei”, idealnego królestwa składającego się z doskonałych wzorców wszystkich niedoskonałych rzeczy istniejących na Ziemi. Świat idei - według Platona jedyny „prawdziwy świat” - leży poza zasięgiem zmysłów, więc jest niedostępny dla em­ pirycznego poznania. Można go poznawać jedynie za pomo­ cą logicznego rozumowania. Takie podejście jest całkowicie antynaukowe. Nie zadowoliwszy się odrzuceniem dokonań swych poprze­ dników, Platon w Timajosie rzucił klątwę na fizykę: Wszech­ świat został stworzony jako idealna sfera, a planety podróżują ze stałą prędkością po idealnych okręgach. Jak zobaczymy w rozdziale 1, z chwilą obalenia tej koncepcji narodziła się nowoczesna fizyka. Uczeń Platona, Arystoteles, powiedział: „Zasady każdej nauki wywodzą się z doświadczenia”. Kupilibyście od takie­ go faceta używany samochód? Wbrew temu oświadczeniu Arystoteles nie przywiązywał większej wagi do obserwacji, preferując raczej logikę. Co ważniejsze, jego koncepcja czyn­ nika sprawczego wydaje się zupełnie niemechanistyczna: zda­ rzenia zachodzą celowo, a nie na skutek przypadku czy zde­ rzeń atomów. Przykładem takiego myślenia są jego słynne stwierdzenia w rodzaju: „Natura nie znosi próżni” i „Natural­ ną tendencjąZiemi jest ruch w kierunku centrum wszechświa­ ta”, i chyba najgłośniejsze: „Ruch po okręgu jest najbardziej naturalną formą ruchu”. Ta ostatnia doktryna utrwaliła platońską klątwę i na wieki przystopowała rozwój fizyki. Gwoli sprawiedliwości trzeba jednak nadmienić, że najwięcej szkody wyrządzili neoplatoń- czycy, czyli ci następcy Platona i Arystotelesa, którzy wyryli słowa mistrzów w kamieniu i wzbraniali się przed formuło­ waniem jakichkolwiek własnych krytycznych sądów. Tak czy 28

owak, nawet dzisiaj wielu uczniów wyznaje poglądy Arysto­ telesa. W trakcie naszego wykładu będziecie mieli możliwość sprawdzić, czy wasze umysły należą do świata nowoczesne­ go czy starożytnego. Ale nie martwcie się, wbrew temu, co powiedział Parmenides, zmiana jest możliwa. Srebrny wiek Na szczęście nauka grecka nie kończy się na Platonie iAry­ stotelesie. Tradycja przedsokratejska przetrwała do okresu hellenistycznego i po 300 r. p.n.e. centrum jej myśli przenio­ sło się do Aleksandrii, gdzie działało wiele słynnych postaci. Nazwiska Euklidesa i Archimedesa zna prawie każdy uczeń. Euklides, autor słynnych Elementów, usystematyzował ów­ czesną wiedzę na temat geometrii. O Eudoksosie z Kniodos iArchimedesie z Syrakuz bez przesady można powiedzieć, że stworzyli coś w rodzaju rachunku różniczkowego ponad ty­ siąc lat przed Newtonem i Leibnizem. Archimedes nie tylko rozwiązał wiele zagadnień z matematyki, odkrył również pra­ wo, które nosi jego imię i które pozwala wyznaczyć gęstość różnych ciał. Eureka! W swoim traktacie O liczbie piasku Archimedes pisze, że większość astronomów uważa Ziemię za centrum wszech­ świata, a następnie przytacza hipotezę Arystarcha z Samos, jakoby „gwiazdy i Słońce były nieruchome, Ziemia krążyła wokół Słońca po obwodzie koła, a Słońce leżało w środku jej orbity*. Ponieważ prace samego Arystarcha na ten temat się nie za­ chowały, nie wiadomo, czy dysponował on konkretnymi ob­ serwacjami na poparcie swojej hipotezy. Bez wątpienia jed­ nak trzy wieki przed naszą erą Arystarch z Samos sformuło­ wał heliocentryczny model - ze Słońcem pośrodku - układu planetarnego, wyprzedzając Kopernika o ponad tysiąc osiem­ * Sir Thomas Heath, Aristarchus o f Samos, Dover, New York, 1981, s. 302. 29

set lat. Sformułował, ale nie potrafił go sprzedać. Mamy tu więc do czynienia z pierwszorzędnym przykładem zasady naukowego marketingu. Do astronomii wielki wkład wniósł kolega Archimedesa, Eratostenes, który za pomocą trygonometrii zmierzył obwód Ziemi. Wśród fizyków panuje przekonanie, że otrzymał wy­ nik bardzo bliski prawdy. Zapominają oni jednak, że nie wia­ domo dokładnie, ile liczył stadion, jednostka użyta przez Era- tostenesa. Nie ma zatem pewności, czy jego pomiar rzeczy­ wiście był doskonały, czy też do kitu. Ważne jest to, że jego metoda była poprawna i że Grecy wiedzieli, iż Ziemia jest kulą. Hellenistyczni uczeni nie bali się więc użyć potężnego narzędzia, jakim jest matematyka, żeby wydrzeć naturze jej tajemnice. I to należy poczytać im za zasługę. Na nieszczęście dla nauki, będąc o krok od stworzenia no­ woczesnej astronomii - i jednocześnie fizyki - Grecy od­ wrócili się do niej plecami. Winę za to ponosi Arystoteles. Jego uporczywe powtarzanie, że Ziemia jest centrum kosmo­ su i że planety mogą poruszać się tylko po orbitach kołowych, doprowadziło do powstania niesławnego geocentrycznego modelu układu planetarnego, któremu ostateczny kształt nadał Ptolemeusz z Aleksandrii w drugim stuleciu naszej ery. To monstrum z Ziemią pośrodku przez stulecia trwało w najlep­ sze, dopóki Kopernik nie wrócił do zapomnianej heliocen- trycznej koncepcji Arystarcha. Zostawmy teraz chylącą się ku upadkowi cywilizację Greków i zajmijmy się dalszymi losa­ mi układu Ptolemeuszowego. 30

Słow niczek term inów ezoterycznych ♦ Geocentryzm - Krańcowy przypadek narcyzmu: Zie­ mia jest pępkiem wszechświata. ♦ Mechanicyzm - Pogląd, w myśl którego wszech­ świat zachowuje się jak gigantyczna maszyna. Moż­ na powiedzieć, że jego wyznawcą był Rube Gold­ berg. ♦ Presliocentryzm - Elvis Presley jest pępkiem wszechświata. ♦ Redukcjonizm - Przekonanie, że u podstaw różno­ rodności leży kilka ogólnych zasad. Podsumowanie ►Kluczowe słowa: Redukcjonizm, mechanicyzm. ►Kluczowe definicje: Redukcjonizm, mechanicyzm. ►Kluczowe pojęcia: Redukcjonizm, mechanicyzm.