Wróblewski A - Prawda i mity w fizyce.pdf

Prawda i mity w fizyce Andrzej K. Wróblewski Spis treści Przedmowa do drugiego wydania........................................................................................................... 3 Wstęp ...................................................................................................................................................... 3 1. Pseudohistoria nauki........................................................................................................................... 6 2. Nauka na manowcach ....................................................................................................................... 34 Promienie N....................................................................................................................................... 38 Subelektrony ..................................................................................................................................... 41 Efekt Barnesa-Davisa......................................................................................................................... 44 Efekt Allisona..................................................................................................................................... 46 Kanały na Marsie............................................................................................................................... 48 Ogniskowanie neutronów ................................................................................................................. 53 Zmienność prędkości światła w czasie .............................................................................................. 53 Waritrony .......................................................................................................................................... 55 Rozszczepienie mezonu A2 ................................................................................................................ 58 3. Nauka przeciw autorytetom.............................................................................................................. 59 4. Nauka wobec nieznanego.................................................................................................................. 82 Biorytmy .......................................................................................................................................... 108 Wrażliwość roślin............................................................................................................................. 109 Różdżkarstwo .................................................................................................................................. 111 5. Nauka i pseudonauka ...................................................................................................................... 114 Literatura............................................................................................................................................. 140 Fotografie ............................................................................................................................................ 151

Przedmowa do drugiego wydania Niski, pięciotysięczny nakład pierwszego wydania tej książki przez Ossolineum w 1982 r. oraz bardzo życzliwe przyjęcie jej przez Czytelników sprawiły, że stała się ona zupełnie niedostępna. Reakcje krytyków i recenzentów były bardzo przychylne. Te przyczyny sprawiły, że z radością przyjąłem propozycję Wydawnictwa „Iskry” przygotowania drugiego, rozszerzonego wydania. Drugie wydanie zachowuje bez zmian układ rozdziałów książki, jest jednak znacznie rozszerzone w stosunku do wydania pierwszego. Uzupełnienia zostały wprowadzone do wszystkich rozdziałów. Wprowadzając do pierwszego rozdziału obszerną dyskusję fałszywych interpretacji odkrycia Roemera miałem na celu lepsze objaśnienie źródeł pseudohistorii nauki. W rozdziale drugim dodałem kilka przykładów fałszywych odkryć. Elementy historii odkrycia Neptuna i poszukiwań Wulkana dodane w rozdziale trzecim ilustrują tradycjonalizm w nauce; sądzę, że Czytelnicy z zaciekawieniem przyjmą też fragment o numerologii Keplera i Huygensa. W rozdziale czwartym dodałem dyskusję paru głośnych zagadnień, a mianowicie biorytmów, wrażliwości roślin i różdżkarstwa. Wreszcie rozdział piąty został uzupełniony o komentarze na temat piramidologii, astrologii, ufologii i innych pseudonauk. W drugim wydaniu zostały też poprawione drobne błędy, które zakradły się do pierwszego wydania. Mam nadzieję, że rozszerzone wydanie książki Prawda i mity w fizyce posłuży wielu osobom, podobnie jak wydanie pierwsze, w lepszym zrozumieniu złożonego procesu postępu w nauce, będzie też mogło być odtrutką na szerzącą się u nas pseudonaukę. Andrzej Kajetan Wróblewski Warszawa, grudzień 1983 r. Wstęp Chciałbym przede wszystkim wyrazić wdzięczność dyrektorowi Wszechnicy PAN, prof. dr. Włodzimierzowi Michajłowowi, za zaproszenie do wygłoszenia w 1980 r. w ramach Wszechnicy cyklu wykładów pt. „Prawda i mity w fizyce”, z których powstała niniejsza książka. Zaproszenie to umożliwiło mi bowiem przedstawienie zagadnień, które rzadko stają się przedmiotem popularyzacji, koncentrującej się raczej wokół spektakularnych odkryć i wynalazków i stroniącej od tego, co można by ogólnie nazwać duchem nauki. Zdefiniujmy na wstępie słowa składające się na tytuł cyklu. W encyklopediach i słownikach [1,2] znajdujemy stwierdzenie, że prawda to treść słów zgodna z rzeczywistością, z tym, co rzeczywiście jest, było, zdarzyło się; jest to obiektywna rzeczywistość. Powstaje pytanie, w jaki sposób sprawdzamy, czy dany sąd jest zgodny z rzeczywistością. Odpowiedź na to brzmi, że weryfikacja prawdziwości sądów następuje przez ich konfrontację z faktami szeroko pojętego doświadczenia. Stąd wynika, że prawda jest względna, może zmieniać się w czasie, jest to tylko przybliżone, niepełne odbicie rzeczywistości, dostatecznie jednak wierne, aby mogło spełniać wymogi praktyki ludzkiej w danym etapie jej rozwoju.

Słowo mit jest pojęciem wieloznacznym. Jeśli pominiemy pierwotne, oryginalne znaczenie, które mówi, że mit jest to opowieść o charakterze religijnym, mówiące np. o początkach rodzaju ludzkiego czy o początkach świata, to pozostanie inne, zgodnie z którym mit to z reguły fałszywe, uznawane bez dowodu mniemanie o czymś, o kimś, o jakimś fakcie lub wydarzeniu; jest to wymysł, legenda, bajka, fantastyczna historia. Wreszcie słowo fizyka. W tej książce chcę mówić o fizyce w jej pierwotnym znaczeniu, pochodzącym od greckiego physis - natura. Fizyka oznacza więc naukę o poznawaniu natury. Przytoczmy tu piękny Wyjątek ze wstępu do podręcznika fizyki napisanego w 1825 r. przez Feliksa Drzewińskiego, profesora Uniwersytetu Wileńskiego [3]: „Fizyka nazwisko nauki pochodzące od wyrazu greckiego Physis, natura, przyrodzenie, oznacza naukę poznawania natury. Przyrodzeniem, albo naturą zmysłową, zowiemy to wszystko cokolwiek dziafci na zmysły nasze, i sprawuje w nas czucie. Wszystkie więc rzeczy nas otaczające, których się dotykamy, na które patrzymy, to co słyszymy, co działa na zmysły smaku, i powonienia, wszystko to stanowi naturę zmysłową, i poznawanie tego wszystkiego do Fizyki należy. Przeto Fizyka jest nauką poznawania rzeczy świat składających, badania i dochodzenia ich własności. Rzeczy składające świat fizyczny, to jest zmysłom naszym dostępny, są niezmiernie liczne, i rozmaitemi własnościami obdarzone. Cała ziemia i części ją składające, istoty na niey i wewnątrz jey umieszczone, niebo i to co niem postrzegamy, powietrze w którem żyjemy, budowa nas samych i innych podobnych nam jestestw, to wszystko stanowi świat zmysłowy. W epokach zaczęcia nauk, badania tych wszystkich rzeczy stanowiły jedną naukę, mającą ogólne nazwisko Fizyki: taką miały fizykę starożytne narody Egipcyan, Greków i Rzymian. Poznawaniem coraz bliżey tylu rozlicznych przedmiotów, i odkrywaniem w nich coraz więcey nowych własności, gdy nauka z czasem wzrosła, i stała się bardzo obszerną, uczeni wieków późnieyszych podzielili ją na wiele odnóg, albo części, z których głównieysze są następujące: lód Nauka uważania nieba, albo raczey położeń, ruchów i postaci brył światłych widzianych, w przestrzenie niebios; tę część fizyki Astronomiją nazywamy. 2re Oznaczanie kształtów istot znaydujących się na ziemi i w ziemi, w wodzie i powietrzu, należy do oddziału Fizyki zwanego Historyą naturalną. 3cie Uważanie wewnętrzney budowy tych istot, stanowi naukę zwaną Anatomiją. 4te Dochodzenie pierwiastków, czyli nayprostszych części, z jakich się składają istoty w naturze, i na jakie ostatecznie rozebrać się, rozdzielić, albo rozłożyć mogą, jest przedmiotem Chemii”. Będziemy więc zajmowali się fizyką jako szeroko pojętą filozofią przyrody, sięgając często do tych jej działów, które nazywa się również astronomią, chemią itp. Na zakończenie tych wstępnych uwag chciałbym przytoczyć piękny przykład, chyba znakomicie ilustrujący charakter zagadnień, o których w tej książce będzie mowa. Przykład ten wzięto z bardzo starej historii fizyki, tej ogólnej nauki o przyrodzie. Otóż Egipt starożytny był w zasadzie państwem Jednowymiarowym”, rozciągającym się wąskim pasmem wzdłuż Nilu, który płynie z południa na północ. Natomiast wiatry wieją w tej okolicy przeważnie z północy na południe. Wobec tego podróżny udający się rzeką na północ mógł płynąć z silnym prądem, natomiast udając się na południe musiał używać żagla. W piśmie hieroglificznym te dwie sytuacje były zatem oznaczane odmiennie. Hieroglif oznaczający „płynąć na północ” (a więc

z prądem rzeki) przedstawiał łódź bez żagla, natomiast hieroglif o znaczeniu „płynąć na południe” - łódź z żaglem (rys. 1). Ponieważ Nil był jedyną dużą rzeką znaną Egipcjanom przez wiele stuleci, uznano za prawo przyrody, że woda w rzece płynie z południa na północ. Pojęcia i słowa północ - z prądem i południe - przeciw prądowi stopiły się z biegiem czasu. Wielkie więc było zdziwienie, gdy za panowania faraona Totmesa I armia egipska doszła do brzegów Eufratu, który akurat płynie z północy na południe. To zdziwienie udokumentowane zostało napisem wyrytym na steli Totmesa I ustawionej nad brzegiem tej „dziwnej” rzeki. Napis ten głosił mniej więcej tak: „Ta odwrócona woda, która płynąc w dół (na północ) płynie na południe (w górę)” [4]. W taki oto sposób uznawane przez stulecia prawo przyrody okazało się mitem. Rysunek 1 Hieroglify egipskie: „płynąć na północ” „płynąć na południe” Bardzo dawno temu Chińczycy zauważyli, że ich wielkie rzeki Jangtse-kiang, Si-kiang i Huang-ho płyną z zachodu na wschód. Pochodzenie tego „prawa przyrody” tłumaczyli mitem kosmogonicznym, według którego, gdy „...podtrzymująca nieboskłon góra rozleciała się na drobniutkie kawałki, niebo ze wszystkimi świecącymi na nim ciałami... zaczęło się pochylać ku zachodowi... ziemia zaś pochyliła się ku wschodowi, przez co wszystkie wody rzek popłynęły w tym właśnie kierunku...” [5]. Nie znane mi są doniesienia o tym, kiedy Chińczycy przekonali się, że ich „prawo przyrody” nie obowiązuje wszędzie. I jeszcze jeden przykład. W 1775 r. Akademia Nauk w Paryżu ogłosiła, że w przyszłości nie będzie więcej badała żadnego rozwiązania zagadnień podwojenia sześcianu, podziału kąta na trzy części lub kwadratury koła ani też żadnej maszyny ogłaszanej jako przykład ruchu wiecznego (perpetuum mobile). A trzy lata wcześniej, w 1772 r., słynny uczony Antoine Lavoisier (o którym będzie tu jeszcze mowa) podpisał memoriał uczonych do tejże Akademii Nauk, w którym stwierdzono, że kamienie, którym przypisuje się pochodzenie „z nieba”, są zwykłymi kamieniami ziemskimi o strukturze zmienionej przez uderzenia piorunów, gdyż przecież spadki „kamieni z nieba” są niemożliwe. Gdy w 1790 r. w Gaskonii spadł deszcz meteorytów i zeznania kilkuset naocznych świadków przesłano do Akademii Nauk w Paryżu, ta postanowiła nie wydawać żadnego orzeczenia. A jeden z fizyków stwierdził na łamach „Journal des Sciences Utiles”, że żałosne jest, gdy zarząd miejski próbuje poświadczyć formalnym protokółem bajania ludowe o faktach oczywiście, nieprawdziwych i niemożliwych fizycznie. Minęło niewiele lat i jedno z tych stwierdzeń Paryskiej Akademii Nauk trzeba było uznać za fałszywe, gdyż przekonano się ponad wszelką wątpliwość o spadkach meteorytów. Drugie orzeczenie zachowujemy do dziś, nie próbując rozważać perpetuum mobile. Jakie są więc właściwe kryteria w fizyce uznawania czegoś za prawdę czy za nieprawdę? To zagadnienie będzie centralnym tematem dalszych moich rozważań.

1. Pseudohistoria nauki Gdy weźmiemy do ręki książki o fizyce, czy to będą podręczniki, czy nawet książki traktujące o historii fizyki, znajdziemy tam bardzo wiele błędów i przeinaczeń. Oto szereg przykładów. 1. Co pisze się o Duńczyku Olausie Roemerze, który pierwszy mierzył prędkość światła? Pomijając nawet to, że daty jego osiągnięcia podawane przez różnych autorów różnią się o kilka czy kilkanaście lat, można spotkać różne wartości prędkości światła, które Roemer miał podać w swej pracy: od mniej więcej 190 000 do 350 000 km/s, a więc różniące się niemal o czynnik 2. Powstaje pytanie, co naprawdę Roemer zmierzył i jaką wartość podał światu. Gdy się dotrze do oryginalnej pracy Roemera, to okazuje się, że nie podał on żadnej wartości prędkości światła, lecz mówił wyłącznie o tym, że światło musi zużyć skończony czas na przebycie określonej odległości. Problem, który wówczas stał przed uczonymi, sprowadzał się do rozstrzygnięcia, czy prędkość światła jest skończona czy nieskończenie wielka. Wszystkie przypisywane Roemerowi wartości prędkości światła są po prostu wymysłem późniejszych autorów, którzy zapomnieli, o co naprawdę chodziło w fizyce XVII wieku [6]. 2. Wszyscy zapewne przypominają sobie ze szkoły prawo gazowe, które Anglosasi nazywają prawem Boyle'a, Francuzi - prawem Mariotte'a, a my i większość innych narodów - prawem Boyle'a-Mariotte'a. Otóż w rzeczywistości prawo to zostało odkryte przez Powera i Towneleya mniej więcej dwa lata przed pierwszym opisaniem go przez Boyle'a w 1662 r., znał je wcześniej także Robert Hooke (o tym wszystkim pisał Boyle w swym dziele New Experiments Physico-Mechanical Touching the Spring of the Air wydanym w Oxfordzie w 1662 r.). W kilkanaście lat później Francuz Mariotte ogłosił i rozpropagował to prawo na kontynencie europejskim (i nie jest jasne, czy doszedł doń niezależnie). Wobec tego powinno się mówić: prawo Powera-Towneleya-Hooke'a, ugruntowane i rozpropagowane przez Boyle'a i Mariotte'a [7]. 3. Pamiętamy też ze szkoły, że o innych prawach gazowych mówi się wymieniając nazwiska Charlesa i Gay-Lussaca. Nie wspomina się jednak, że wcześniej lub równocześnie to samo zrobili Alessandro Volta i John Dalton, którzy wyniki swe opublikowali [8]. 4. W fizyce bryły sztywnej mówi się o tzw. twierdzeniu Steinera. Steiner był matematykiem i fizykiem z XIX wieku, zaś wymienione twierdzenie po raz pierwszy ogłosił Christiaan Huygens już w połowie XVII wieku! 5. Mówi się, że Newton podał teorię korpuskularną światła i przeciwstawia się ją „dobrej” teorii falowej Huygensa, Younga i Fresnela. Gdy jednak zajrzymy do dzieł Newtona, możemy przekonać się, że sprawa wcale nie wygląda tak prosto, że Newton mówił też o drganiach i że jego teoria światła jest może najbliższa naszemu dualistycznemu wyobrażeniu [9] (patrz str. 99). 6. Mówi się często, że Yukawa wymyślił ideę mezonu, co dało impuls do poszukiwania takich cząstek przez fizyków eksperymentatorów. Okazuje się to mitem, gdyż w pierwszej pracy donoszącej o odkryciu mezonu nazwisko Yukawy w ogóle się nie pojawia. Jego praca była bowiem ogłoszona w mało znanym i trudno dostępnym japońskim periodyku matematycznym i dopiero odkrycie mezonu zwróciło uwagę na wcześniejsze przewidywania Yukawy [10] .

7. Mitem okazuje się też opowieść o eksperymentach Galileusza, który ponoć rzucał różne przedmioty z krzywej wieży w Pizie [11]. 8. Wiele podręczników podaje, jakoby Maxwell uzupełnił równania elektromagnetyzmu o tzw. prąd przesunięcia, gdyż chciał usunąć niezgodność między prawem Ampére'a i równaniem ciągłości. W rzeczywistości cel badań Maxwella był prozaiczny (i dawno zapomniany): chodziło mu o obliczenie sprężystości eteru kosmicznego [10]. 9. Szczytem wszystkiego jest przepisywanie historii fizyki tak, aby lepiej zgadzała się z naszymi obecnymi wyobrażeniami. I tak np. według niektórych autorów Max Planck podał swój słynny wzór na rozkład energii w widmie ciała doskonale czarnego jako odpowiedź na nieudane próby w ramach fizyki klasycznej podejmowane przez Rayleigha i Jeansa. Tylko że w rzeczywistości Planck podał swój wzór w 1900 r., a wzór Rayleigha-Jeansa w ostatecznej postaci pochodzi z 1905 r. [10]. Na razie tych przykładów wystarczy. Nasuwa się pytanie: Dlaczego materiał historyczny w zwykłych podręcznikach czy wykładach fizyki zawiera tak wiele fałszu i jest w znacznej mierze pseudohistorią nauki? Niektórzy autorzy sądzą zapewne, że wzmianki historyczne są tylko materiałem ubarwiającym wykład, który ma na celu nauczyć studentów rozumienia fizyki, jej zasad, technik i zastosowań. Mniejsza zatem o ścisłość informacji. Zdarza się też, jak widzieliśmy, że historię niektórych zagadnień przepisuje się tak, aby ugruntowywała przekazywane idee. Jeśli bowiem fizyka odznacza się porządkiem logicznym, to tak samo ma wyglądać jej historia. Jest to szczególnie niebezpieczne w tych przypadkach, gdy porządek logiczny jest akurat odwrotny do porządku chronologicznego. Innym spotykanym czasem podejściem autorów współczesnych jest pobłażliwe traktowanie starych osiągnięć i wręcz przeciwstawianie obecnych „dobrych” poglądów tym starym, naiwnym i błędnym [10]. Błędy zdarzają się, jak powiedziałem, nie tylko w podręcznikach fizyki, lecz także w książkach o historii fizyki, gdzie widocznie też autorzy starają się pokazać „logiczną” historię rozwoju idei. Jaka jest na to rada dla kogoś, kto chce poznać historię rzeczywistą? Otóż trzeba oprzeć się tylko na dziełach oryginalnych lub na tych pracach z historii nauki, które są na takich dziełach oparte i zawierają z nich cytaty. Znany fizyk i astrofizyk amerykański Samuel Langley w 1889 r. zajął się w swoim wykładzie sprawą właściwego rozumienia historii nauki. „Często porównuje się postęp nauki do marszu armii do określonego celu” - pisał Langley, ale „(...) Wydaje mi się, że nie jest to droga, którą zwykle kroczy nauka, lecz tylko droga, jaką zdaje się ona kroczyć, gdy patrzy nań kompilator, który prawdopodobnie nie wie nic o rzeczywistym braku zrozumienia, różnorodności posunięć, a nawet cofaniu się ludzi składających się na ciało nauki, droga pokazująca zaledwie te etapy rozwoju, które kompilator z obecnego punktu widzenia traktuje jako prowadzące we właściwym kierunku. Sądzę, że to porównanie rozwoju nauki do marszu armii, która kierowana jest rozkazami jednej głowy, ma w sobie więcej fałszu niż prawdy. Chociaż więc wszelkie porównania są mniej lub bardziej mylące, wolałbym, abyście raczej wyobrazili sobie poruszający się tłum, kiedy to kierunek całości jest wypadkową niezależnych zamiarów składających się nań ludzi; albo stado psów myśliwskich, które

w końcu może dosięgnąć swą ofiarę, w którym jednak, gdy trop jest zgubiony, każdy członek stada porusza się własną drogą, kierując się raczej węchem niż wzrokiem, w którym bardziej hałaśliwy prowadzi za sobą wiele innych niemal równie często w błędnym kierunku jak w kierunku właściwym, że czasem całość sfory biegnie po fałszywym tropie. Choć jest to mniej dostojne porównanie, wydaje mi się zawierać w sobie prawdę, nie dostrzeganą przez autorów podręczników. W każdym razie rzeczywisty rozwój nauki był zawiły i kręty, często zawierał kroki do tyłu i to w takim stopniu, o którym nie można by się nic dowiedzieć z opisu w podręcznikach czy encyklopediach, które podają głównie tylko wypadkową tych wszystkich niezdecydowanych posunięć. Z rzadkimi wyjątkami kroki wstecz, tzn. błędy i omyłki, które w rzeczywistości stanowią niemal połowę, czasem ponad połowę całości, są opuszczane w historii nauki. Czytelnik, chociaż wie, że błędy się zdarzały, nie ma właściwego pojęcia o tym, jak ściśle błędy i prawda przeplatają się, niby w związku chemicznym, nawet w pracach wielkich odkrywców, jak również o tym, że to przeważnie czas pozwala nam stwierdzić, co naprawdę jest postępem, gdy sam człowiek tego nie potrafi. Jeżeli zdaje się to truizmem, to w każdym razie często zapominanym, ale o którym trzeba zawsze pamiętać” [12]. Ten cytat wydaje mi się bardzo właściwym wstępem do naszych rozważań. Sądzę, że tylko wtedy, gdy zdamy sobie sprawę z tego, jak skomplikowana jest historia nauki, będziemy mogli właściwie ocenić to, co reprezentuje nauka dzisiejsza, co w niej można uznać za prawdę już rzeczywiście dowiedzioną, a co za prawdę względną, z której być może jakiś przyszły wykładowca za lat 50 czy 100 będzie się wyśmiewał. A może nie będzie się wyśmiewał, jeśli będzie pojmował historię nauki właściwie, w sposób, który chciałbym spopularyzować. Jako główny temat tego rozdziału, jako przykład, który świetnie ilustruje tę niezwykłą złożoność rozwoju nauki, jej kręte ścieżki, wahania i częste kroki wstecz, obrałem ważny epizod z historii rozwoju nauki o cieple. Jest to dziedzina wyjątkowo wdzięczna, gdyż wydaje mi się, że obecnie wiemy już, na czym ciepło polega i że jest to wiedza prawdziwa. Natomiast w przeszłości bywały na ten temat różne opinie, prawdziwe i fałszywe, które przeplatały się tak, że nie zawsze porządek chronologiczny odpowiadał obecnemu porządkowi logicznemu w wykładzie z tej dziedziny fizyki. Opanowanie ognia, tzn. umiejętność jego rozniecania, kontrolowania i podtrzymywania, było wielkim odkryciem, które stanowiło przełom w postępie cywilizacji. Toteż ogień od bardzo dawna zajmuje ważne miejsce w poglądach człowieka na przyrodę, a pojęcia ciepła i zimna należą do tych, które człowiek poznał najdawniej. Spory o naturę ciepła rozpoczęły się już w starożytności. Tacy uczeni jak Heraklit z Efezu, Empedokles z Agrigento, Arystoteles i Platon sądzili, że istnieje w przyrodzie materia ognia, jeden z podstawowych elementów budowy świata. Platon był przekonany nawet, że atomy ognia mają kształt czworościanów foremnych. Natomiast atomiści, jak np. Lukrecjusz, mówili o związku ciepła z ruchem atomów zwykłej materii, a nie specjalnej materii ognia i ciepła. Na przełomie XVI i XVII wieku Galileusz konstruuje termoskop i to wydarzenie początkuje nowoczesną naukę o cieple, która bardzo powoli przekształca się w naukę ilościową. Jeden z pierwszych siedemnastowiecznych traktatów o naturze ciepła to De forma calidi Francisa Bacona z 1620 r. Bacon w traktacie tym wyliczył wszystkie znane mu fakty na temat ciepła i jego wytwarzania i doszedł do wniosku, że ciepło to rodzaj ruchu. Wniosek ten oparł głównie na rozważaniu takich

sposobów wytwarzania ciepła, jak np. przez tarcie i uderzenie, kiedy ciepło pojawia się w ciałach nie stykających się z innymi, lecz podległych działaniu siły mechanicznej. Robert Boyle w jednym ze swych traktatów też sądził, że ciepło jest rodzajem ruchu. Później jednak, gdy zważył ogrzany metal I stwierdził przyrost jego ciężaru (ta obserwacja była oczywiście błędna!), uznał, że przemawia to za istnieniem materii ciepła (ognia), której cząstki wnikają do ogrzewanego ciała. W latach sześćdziesiątych XVII wieku odkryto prawo stałości iloczynu ciśnienia i objętości powietrza (nazywane dziś najczęściej prawem Boyle'a-Mariotte'a). Izaak Newton w swych Zasadach matematycznych filozofii naturalnej poświęcił jeden z ustępów temu zagadnieniu. Dowiódł mianowicie, że jeśli atomy odpychają się siłą odwrotnie proporcjonalną do odległości między ich środkami, to tworzą „fluid sprężysty”, którego gęstość jest proporcjonalna do ciśnienia (a więc objętość odwrotnie proporcjonalna do ciśnienia). Newton dodał jednak starannie, że: „(...) czy fluidy sprężyste rzeczywiście składają się z drobnych cząstek odpychających się wzajemnie, to już jest pytanie fizyczne. Udowodniliśmy matematycznie właściwość fluidów składających się z drobnych cząstek takiego rodzaju, aby dostarczyć filozofom przyrody punktu wyjścia do badania tego pytania” (Principia, Księga II, Prop. XXII). W modelu matematycznym Newtona pominięty został zupełnie ruch atomów. Obecnie wiemy, że ciśnienie gazu jest uwarunkowane niemal całkowicie uderzeniami atomów o ścianki naczynia, a nie stale działającymi siłami międzyatomowymi. Jednak ze względu na wielki autorytet Newtona większość fizyków trzymała się przedstawionego przez niego modelu, chociaż, jak widzieliśmy, dla Newtona była to tylko możliwa hipoteza. W XVIII wieku popularność tego poglądu nawet wzrosła, gdy pojawiła się idea, że z siłami odpychania międzyatomowego jest związane ciepło. W wielu podręcznikach, nawet jeszcze z początku XIX wieku, podawano, że zasugerowane przez Newtona prawo siły odpychającej między cząstkami gazu zostało udowodnione ponad wszelką wątpliwość. Do wyjątków należał Daniel Bernoulli (fot. 1), który w swym dziele Hydrodynamica (1738 r.) rozwinął kinetyczny model cząstek gazu uderzających sprężyście o ścianki naczynia i udowodnił, że w takim wypadku ciśnienie będzie odwrotnie proporcjonalne do objętości. To wyjaśnienie prawa Boyle'a- Mariotte'a nie zrobiło jednak wielkiego wrażenia na współczesnych i zostało szybko zapomniane. Pamiętajmy, że nauka o gazach i cieple była jeszcze wówczas w powijakach i Bernoulli nie mógł dać odpowiedzi na szereg podstawowych pytań, np.: 1) Jak ciepło wpływa na ruch cząstek gazu (jaki jest związek temperatury z energią kinetyczną cząstek)? 2) Jeśli ciepło jest ruchem cząstek, to jak może być przekazywane w pustej przestrzeni, np. od Słońca? W połowie XVII wieku dokonano w nauce o cieple przełomowego odkrycia. Joseph Black z Edynburga (fot. 2) rozróżnił mianowicie pojęcia ilości ciepła i temperatury. Odkrycie to było wynikiem badań Blacka nad zmianami stanu skupienia. Jak wiadomo, przy takich procesach (np. przemiana lodu w wodę lub odwrotnie) następuje pobieranie (lub oddawanie) pewnej ilości ciepła, tzw. ciepła przemiany (dawniej zwanego też ciepłem utajonym) bez zmiany temperatury ciała. Z wykładów Blacka na uniwersytecie w Edynburgu [13] dowiadujemy się o ważnym kroku w kierunku opracowania teorii fluidu ciepła, zwanego później cieplikiem. Mówiąc o cieple Black omawia najpierw poglądy Francisa Bacona (patrz wyżej), a następnie pisze:

„Ale większość francuskich i niemieckich filozofów przyrody i dr Boerhaave było zdania, że ruch składający się na ciepło nie jest drganiem samych cząstek gorącego ciała, lecz cząstek subtelnego, bardzo sprężystego i przenikającego wszystko fluidu, który jest zawarty w porach gorących ciał, między ich cząstkami, fluidu, który, jak sobie wyobrażali, jest rozproszony w całym wszechświecie i przenika nawet najgęstsze ciała. Niektórzy uważają, że ta materia, zmieniona w różny sposób, wytwarza światło i zjawiska elektryczne. Lecz żadne z tych przypuszczeń nie było rozważane przez tych autorów w pełni dokładnie ani też nie było zastosowane do wyjaśnienia wszystkich faktów i zjawisk odnoszących się do ciepła. Nie dostarczyli więc nam oni właściwej teorii ani wyjaśnienia natury ciepła. Bardziej pomysłowa próba została podjęta ostatnio. Jej pierwszy zarys podał zmarły już dr Cleghorn w swej dysertacji na temat ciepła tutaj ogłoszonej [Uniwersytet w Edynburgu, 1779 r.]. Przyjął on, że ciepło zależy od obecności tego subtelnego i sprężystego fluidu, który według wyobrażeń innych filozofów jest obecny w całym wszechświecie i jest przyczyną ciepła. Ale ci inni filozofowie przyjmowali tylko jedną właściwość tej subtelnej materii, a mianowicie jej wielką sprężystość, czyli silne odpychanie wzajemne jej cząstek. Natomiast dr Cleghorn założył jeszcze inną jej właściwość, a mianowicie silne przyciąganie między jej cząstkami i innymi rodzajami materii w przyrodzie, które ogólnie wykazują mniejsze lub większe wzajemne przyciąganie grawitacyjne. Przyjął on zatem, że zwykłe rodzaje materii składają się z cząstek obdarzonych własnością silnego przyciągania się wzajemnego, i przyciągania materii ciepła; natomiast subtelna, sprężysta materia ciepła ma własność odpychania, jej cząstki wzajemnie się odpychają, chociaż są przyciągane przez inne rodzaje materii (...) Taka idea o naturze ciepła jest najbardziej prawdopodobna ze wszystkich, jakie znam. Bardzo pomysłowy z niej użytek zrobił dr Higgins w swej książce o kwasie roślinnym i innych zagadnieniach. Jest to jednak nadal tylko przypuszczenie”. Obok fluidu ciepła rozważano inny fluid sprężysty, flogiston. Pomysł pochodził od Johanna Joachima Bechera (1669 r.), a właściwą teorię podał w 1697 r. Georg Ernst Stahl. Oto co o tym fluidzie pisał Stahl [14j: „Ten materiał ognia sam przez się, inaczej niż inne rzeczy (specjalnie powietrze i woda), nie znajduje się zjednoczony i aktywny, ani jako ciecz, ani w stanie rozrzedzonym. Ale jeśli przez ruch ognia, przy dodatku powietrza, staje się rozrzedzony i ulatnia się, wtedy pozostaje rozproszony dzięki swej niepojętej subtelności i niemierzalnemu rozrzedzeniu i żadna wiedza znana człowiekowi, żadna ludzka umiejętność nie może go zebrać ponownie i zamknąć w małej przestrzeni, zwłaszcza jeśli zaszło to szybko na dużą skalę. Doświadczenie poucza nas o tym, jak niezmiernie rozrzedzonym i subtelnym staje się ten materiał wskutek ruchu ognia; daje nam to pole do rozmyślań i napawa zadowoleniem. Wobec tych jego własności, uważam, że zasługuje on na swą nazwę własną, jako pierwsza, jedyna, podstawowa zasada palności. Ale ponieważ dotychczas nie może być wyodrębniony sam, poza związkami i połączeniami z innymi materiałami i nie ma wobec tego podstaw, by nadać mu nazwę opisową wyjaśniającą własności, sądziłem, że najlepiej nadać mu nazwę od ogólnego działania, które

zwykle pokazuje we wszystkich swych związkach. Dlatego wybrałem dlań grecką nazwę flogiston (...)”. A oto wyjątek z traktatu o elektryczności Tiberiusa Cavallo [15]: „Element ognia można rozważać biorąc pod uwagę jego sprężystość, różne stany jego występowania i jego efekty. Jeśli chodzi o jego pochodzenie, to zwykle rozróżnia się ogień niebieski, ogień podziemny i ogień kulinarny. Ogień niebieski to ten, który rozchodzi się ze Słońca i będąc rozproszony w całym wszechświecie jest źródłem życia i ruchu niemal wszystkiego, co istnieje. Ogień podziemny jest przyczyną wulkanów, gorących źródeł itd. Wreszcie ogniem kulinarnym nazywamy ogień wytwarzany na ziemi przez spalanie różnych substancji. To rozróżnienie rodzajów ognia jest jednak mało użyteczne, gdyż niezależnie od pochodzenia efekty ognia są zawsze takie same. Jeśli chodzi o różne stany jego istnienia, to Chemicy znają tylko dwa: pierwszy, oczywisty i w zasadzie ten, któremu wyłącznie nadaje się nazwę Ogień, to rzeczywiste poruszenia cząstek tego elementu, które wytwarzają złożone idee jasności, gorąca itd., czyli tego, co powszechnie rozumie się pod nazwą Ognia; drugi stan - to rzeczywista zasada ognia istniejąca jako składnik szeregu, być może nawet wszystkich substancji, czyli ta materia, której cząstki, poruszone w szczególny i gwałtowny sposób, produkują zwykły, odczuwalny ogień. To zatem, co możemy nazwać ogniem w jego nieaktywnym stanie, jest Flogistonem Chemików; to właśnie on połączony w dostatecznej ilości z innymi substancjami czyni je palnymi. Nie ma wątpliwości, że ta zasada rzeczywiście istnieje, gdyż możemy ją przenosić z jednego ciała do innego, przez nasycenie flogistonem możemy uczynić palnym ciało, które ze swej natury palnym nie jest, możemy także zabierając flogiston ciału palnemu z natury, uczynić je niepalnym”. Flogiston miał więc być odpowiedzialny za procesy spalania. Ciała zawierające dużo flogistonu paliły się dobrze, a ciała pozbawione flogistonu były niepalne. Każde ciało palne (np. węgiel, wosk, olej) mogło przekazywać flogiston np. rudzie żelaza, która przez napełnienie flogistonem zamieniała się w metaliczne żelazo. Żelazo metaliczne przy podgrzewaniu oddawało flogiston zamieniając się w „metal zwapniały” (lub „popiół”). Procesy te można przedstawić więc schematycznie równaniem metal  metal zwapniały + flogiston. Flogiston został szybko usunięty z chemii i fizyki, a dokonał tego sławny chemik francuski Antoine Lavoisier (fot. 3). Przeprowadzając szereg prób z wieloma substancjami doszedł on do wniosku, że proces spalania polega nie na oddawaniu flogistonu, lecz na łączeniu się z tlenem, czyli utlenianiu. I tak np. jedna z reakcji, którą zajmował się Lavoisier, przejście od tlenku rtęci do rtęci i tlenu (lub odwrotnie, zależnie od temperatury) przebiega wg schematu 2HgO  2Hg+ O2 Współczesny historyk nauki John Bernal tak komentuje sprawę flogistonu [16]: „Jesteśmy skłonni, spoglądając z punktu widzenia bezpośrednio następnej teorii - teorii spalania jako utleniania - uważać teorię flogistonu za absurd; w rzeczywistości była to bardzo wartościowa teoria, skoordynowała ona dużo różnych zagadnień w chemii (...)

Centralną koncepcją, na której opierała się logika flogistonu, była uniwersalność przeciwstawnych procesów - flogistykacji i deflogistykacji (...) Tak jak to widzieli jej przeciwnicy, deflogistykacja nie polegała na usunięciu metafizycznej substancji flogistonu, było to dodanie materialnej substancji tlenu - utlenianie, podczas gdy flogistykacja była jego usunięciem, czyli redukcją (...) Obecnie w dwudziestym stuleciu możemy odwrócić tę myśl i powrócić do flogistonu traktowanego pomimo jego dużej lekkości jako materiał; w dzisiejszym języku mówilibyśmy o elektronach. Te substancje, które mają nadmiar łatwo usuwalnych elektronów, jak wodór, metale, węgiel są to te, o których sądzono, że są bogate, we flogiston; te, w których istnieje równowaga elektronów, jak sole i tlenki, są zdeflogistykowane, wreszcie te, które chciwie wchłaniają elektrony, jak tlen, będą wybitnie zdeflogistykowane. Niepowodzenie teorii flogistonu nie polegało na jej wewnętrznej nielogiczności, lecz na tym, że w tej postaci nie mogła być zgodna z faktami”. Tę obszerną dygresję o flogistonie1 zamieściliśmy nie tylko dlatego, że sprawa flogistonu to typowy przykład siedemnastowiecznego sposobu myślenia, ale też, ponieważ koniec flogistonu to jednocześnie początek największej sławy fluidu ciepła. Lavoisier wypędził z chemii flogiston, ale niemal jednocześnie nobilitował fluid ciepła - cieplik - na czołowym miejscu wśród pierwiastków chemicznych (fot. 4). W słynnej rozprawie o cieple, którą Lavoisier ogłosił wraz z Laplacem w 1783 r., nie zajmował jeszcze wyraźnego stanowiska w sporze o naturę ciepła, jak to widać z poniższego wyjątku [18]: „Fizycy nie są jednomyślni co do istoty ciepła. Wielu z nich uważa je za fluid, który jest rozpowszechniony w całej przyrodzie i który mniej lub więcej przenika ciała, stosownie do stopnia ich temperatury i właściwej im zdolności zatrzymywania ciepła; może się on łączyć z ciałami i wtedy przestaje działać na termometr i przechodzić z jednego ciała do drugiego. Jedynie w stanie swobody pozwalającej temu fluidowi dojść w ciałach do równowagi, stanowi on to, co nazywamy „ciepłem swobodnym”. Inni fizycy sądzą, że ciepło nie jest niczym innym, jak tylko skutkiem niedostrzegalnych ruchów cząstek materii. Wiadomo, że ciała, nawet najgęstsze, są wypełnione wielką ilością por, czyli małych próżni, których objętość może znacznie przewyższać objętość zawierającej je materii. Te puste przestrzenie pozwalają cząstkom drgać swobodnie w rozmaitych kierunkach i to naprowadza na myśl, że cząstki znajdują się w ustawicznym ruchu, który wzrastając do oznaczonej granicy, może nawet rozłączyć małe cząstki i tym sposobem rozkładać ciała. Ten ruch wewnętrzny jest według poglądów fizyków, o których mówimy, tym, co stanowi ciepło (...) Nie chcemy rozstrzygać między dwiema wyżej przytoczonymi hipotezami. Wiele zjawisk przemawia na korzyść ostatniej hipotezy, np. to, że ciepło powstaje przez tarcie dwóch ciał stałych. Ale są inne, które łatwiej objaśnić na zasadzie pierwszej hipotezy: być może, że obydwie są jednocześnie słuszne. W każdym razie, ponieważ co do istoty ciepła można postawić tylko te dwie hipotezy, więc należy przyjąć zasady wspólne dla nich obu. Otóż zarówno według jednej, jak i drugiej, swobodna ilość ciepła pozostaje zawsze ta sama, gdy zachodzi zwyczajne mieszanie ciał. To jest oczywiste, jeżeli ciepło jest fluidem, który dąży do stanu równowagi, jeżeli zaś jest siłą żywą wewnętrznych ruchów materii, wówczas zasada, o którą chodzi, jest wnioskiem z zachowania siły żywej (...)”. 1 Bardziej szczegółowe wiadomości o teorii flogistonu można znaleźć np. w pracach [17].

Ale sześć lat później w swym największym dziele Traité élémentaire de chimie Lavoisier pozbywa się wszystkich wątpliwości. Oto wyjątek, w którym po przypomnieniu, że wzrost temperatury powoduje stopniową przemianę lodu w wodę, a tej w parę, Lavoisier mówi [19]: „To samo można powiedzieć o wszystkich ciałach w przyrodzie. Są one w stanie stałym, ciekłym lub w stanie sprężystego gazu, zależnie od stosunku między siłą przyciągania właściwą ich cząstkom i siłą odpychania ciepła; inaczej mówiąc, zależnie od stopnia ciepła, jakiemu podlegają. Trudno jest zrozumieć te zjawiska nie przypisując ich działaniu realnej, materialnej substancji, bardzo subtelnego fluidu, który wnikając między cząstki ciał oddziela je od siebie. Nawet gdyby zgodzić się, że istnienie tego fluidu jest hipotetyczne, to jednak wyjaśnia ono w zadowalający sposób zjawiska przyrody. Czymkolwiek jest ta substancja będąca powodem ciepła lub, inaczej mówiąc, uczucia, które nazywamy ciepłem, a które jest spowodowane nagromadzeniem tej substancji, nie możemy jej nazwać ciepłem, gdyż ta sama nazwa niewłaściwie oznaczałaby zarówno przyczynę, jak i skutek. Z tego powodu w memoriale, który opublikowałem w 1777 r., nadałem jej nazwę fluidu ognistego i materii ciepła. Następnie w pracy o reformie nomenklatury chemicznej, którą ogłosiłem wraz z panami de Morveau, Berthollet i de Fourcroy uznaliśmy za konieczne zlikwidowanie wszystkich wyrażeń peryfrastycznych, które zarówno wydłużają język fizyczny, jak czynią go mniej precyzyjnym i bardziej nużącym, a także często niewłaściwie wyrażają idee przedmiotu. W pracy tej zatem wyróżniliśmy przyczynę ciepła, czyli tworzący ją niezmiernie sprężysty fluid, nadając jej nazwę cieplik (...) To, co powiedziałem dotąd, może wystarczyć dla wyjaśnienia idei przypisanej słowu cieplik, pozostaje jednak sprawa trudniejsza, a mianowicie wyjaśnić sposób, w jaki cieplik działa na ciało. Ponieważ ta materia subtelna przenika pory wszystkich znanych substancji, ponieważ nie ma naczyń, z których by nie mogła się wydostać, i wobec tego żadnych naczyń, w których można by ją przechować, możemy poznać jej właściwości jedynie na podstawie zjawisk ulotnych i trudnych do stwierdzenia. W tych rzeczach, których nie widzimy ani nie czujemy, trzeba nam szczególnie strzec się ekstrawagancji w naszej wyobraźni, zawsze skłaniającej się do przestępowania granic ustalonej prawdy i trudnej do utrzymania w wąskim zakresie faktów. Widzieliśmy już, że to samo ciało występuje w stanie stałym lubo jako ciecz, lub gaz, zależnie od zawartości przenikającego je cieplika, lub ściślej mówiąc, zależnie od tego, czy siła odpychająca wywierana przez cieplik jest równa, większa lub mniejsza od przyciągania wzajemnego cząstek ciała”. W ostatnich zdaniach tego wyjątku widać już wyraźnie przekształcanie się teorii cieplika z hipotezy słabo sprecyzowanej i czysto jakościowej w teorię ilościową, która, jak zobaczymy poniżej, mogła zadowalająco wyjaśnić wiele faktów doświadczalnych i stała się na pewien czas motorem postępu w fizyce2 . Całkowite zarzucenie pod koniec XVIII wieku prymitywnej wówczas teorii kinetycznej ciepła i triumf teorii cieplika są też związane z ogólnym trendem fizyki tego stulecia. Fizykę osiemnastowieczną 2 Dodajmy jako ciekawostkę, że jednym z tych, którzy rozwijali teorię cieplika był fizyk francuski, późniejszy słynny działacz okresu rewolucji, Jean Paul Marat; podał on wyczerpujący wykład tej teorii w dziele Recherches physiques sur le feu (Paryż, 1780 r.)

można określić jako naukę o subtelnych nieważkich fluidach. Poza flogistonem i cieplikiem rozważano wówczas inne nieważkie fluidy - elektryczny i magnetyczny, a także fluidy związane z organizmami żywymi: fluid elektryczności zwierzęcej (Galvani), fluid nerwowy (Lamarck) i fluid magnetyzmu zwierzęcego (Mesmer). Poniższy urywek z pracy Benjamina Franklina z 1750 r. o fluidzie elektrycznym [20] wykazuje, jak bardzo podobne były wyobrażenia ó fluidzie ciepła i fluidzie elektrycznym: „Materia elektryczna składa się z cząstek niezmiernie subtelnych, ponieważ może przenikać przez materię zwykłą, nawet przez najgęstsze metale z taką swobodą, jakby nie doznawała widocznego oporu. Jeśli ktokolwiek wątpiłby w to, że materia elektryczna przenika przez substancję ciał, a rozchodzi się tylko po ich powierzchniach, to przekona go prawdopodobnie uderzenie przy dotknięciu dużej naładowanej butelki lejdejskiej. Materia elektryczna różni się tym od materii zwykłej, że cząstki tej ostatniej nawzajem się przyciągają, a cząstki pierwszej nawzajem się odpychają. To właśnie powoduje widoczną rozbieżność wypływów elektrycznych. Chociaż cząstki materii elektrycznej odpychają się nawzajem, to jednak są one silnie przyciągane przez każdą inną materię. Z tych trzech rzeczy: nadzwyczajnej subtelności materii elektrycznej, wzajemnego odpychania się jej cząstek i silnego przyciągania między nimi i inną materią, wynika, że jeśli udzielić pewnej ilości materii elektrycznej masie materii zwykłej, o jakiejkolwiek wielkości czy długości (która nie posiada w sobie elektryczności), to materia elektryczna rozejdzie się natychmiast równomiernie w całej masie. Zatem materia zwykła jest rodzajem gąbki dla fluidu elektrycznego. Gąbka nie nasiąkałaby wodą, gdyby cząstki wody nie były mniejsze niż pory gąbki, nasiąkałaby powoli, gdyby nie istniało przyciąganie między cząstkami wody i cząstkami gąbki, nasiąkałaby szybciej, gdyby przyciąganie wzajemne między cząstkami wody nie stawało temu na przeszkodzie, gdyż trzeba użyć pewnej siły, aby je od siebie odłączyć; wreszcie nasiąkanie byłoby szybsze, gdyby zamiast przyciągania zachodziło wzajemne odpychanie między cząstkami wody, które współdziałałoby przyciąganiu przez gąbkę. Tak właśnie ma się rzecz z materią zwykłą i materią elektryczną. Ale materia zwykła zawiera ogólnie tyle materii elektrycznej, ile może się pomieścić w jej substancji. Jeśli dodać jej więcej, to nadmiar pozostaje na powierzchni i tworzy to, co nazywamy atmosferą elektryczną; mówimy wtedy, że ciało jest naelektryzowane. Wiemy, że fluid elektryczny jest zawarty w materii zwykłej, ponieważ możemy go stamtąd wypompować za pomocą kuli lub rury. Wiemy, że materia zwykła zawiera tego fluidu tyle mniej więcej, ile może go utrzymać, gdyż jeżeli dodamy go nieco więcej, to nadwyżka nie wchodzi wewnątrz materii, lecz tworzy atmosferę elektryczną. Wiemy wreszcie, że materia zwykła nie posiada (ogólnie) więcej materii elektrycznej, niż może zawierać, gdyż inaczej cząstki niewiązane odpychałyby się wzajemnie, co czynią stale, gdy mają atmosferę elektryczną”. Widzimy więc, że teoria fluidu cieplnego Cleghorna była zbudowana na obraz i podobieństwo teorii fluidu elektrycznego. I w jednej, i w drugiej teorii cząstki fluidu nawzajem się odpychały, natomiast były przyciągane przez materię zwykłą. Dlatego też cieplik został tak bardzo chętnie przyjęty do fizyki.

Na przełomie XVIII i XIX wieku następuje bardzo dramatyczny okres walki pojęciowej w fizyce. Z jednej strony pojawiają się prace eksperymentalne zaprzeczające teorii cieplika, ale przez ówczesnych fizyków ignorowane lub tłumaczone opacznie, z drugiej zaś strony - ważne prace oparte na teorii cieplika i posuwające w sposób istotny zrozumienie wielu zjawisk. Chcę tu najpierw wspomnieć prace Johna Daltona, ojca współczesnej atomistycznej teorii materii. To właśnie Dalton (fot. 5) pierwszy od czasu luźnych przypuszczeń filozofów greckich i równie mało uzasadnionych hipotez wieku XVII (Boyle'a, Newtona, Gassendiego i in.) wprowadził do nauki ilościową teorię atomistyczną, podał pierwsze wzory budowy cząsteczek chemicznych. Stosunkowo mało jednak jest rozpowszechniona wiedza o wpływie teorii cieplika na teorię Daltona. Tymczasem, jak się wydaje, bez teorii cieplika teoria Daltona mogłaby w ogóle nie powstać. Jednym z zainteresowań Daltona była meteorologia. Wiadomo już było wtedy, że w atmosferze występują różne gazy: tlen, azot, dwutlenek węgla i para wodna. Dalton nie mógł zrozumieć, dlaczego te gazy mające różną gęstość nie rozdzielają się w atmosferze tak, że gęstsze gazy nie są bliżej powierzchni, a lżejsze - wyżej. Prawdę mówiąc, niezrozumiałe też było, dlaczego w ogóle cząstki gazu mogą wypełniać całą objętość naczynia zamiast skupiać się na jego dnie. Jak pisze Dalton, w 1801 r. znalazł wreszcie wyjaśnienie tego zjawiska właśnie na gruncie teorii cieplika (fot. 6). Jeżeli się przyjmie, że każda cząstką gazu jest otoczona atmosferą cieplika - podobnie jak Ziemia atmosferą - i że atmosfera ta jest najgęstsza w pobliżu cząstki I staje się coraz rzadsza w miarę wzrostu odległości, to odpychanie się wzajemne atmosfer cieplika daje właśnie tę siłę przeciwstawiającą się skupianiu wszystkich gazów przy powierzchni Ziemi i pozwalającą gazom wypełniać całe naczynia i pomieszczenia. Według teorii cieplika, każdy rodzaj atomów ma właściwą sobie móc przyciągania ciepła, więc w podobnych okolicznościach atomy będą miały wokół siebie mniej lub więcej ciepła, co tłumaczyło różnice pojemności cieplnych ciał. Jeżeli umieścimy w ośrodku dwa ciała o różnej pojemności cieplnej, to przyjmą one jednakową temperaturę, co teoria cieplika wyjaśniała tym, że poszczególne atmosfery cieplika przybierają jednakową gęstość na swych zewnętrznych powierzchniach, gdzie się z sobą stykają. Dodajmy, że Dalton nie mógł się pogodzić z poglądem Newtona o oddziaływaniu na odległość. Dlatego też model Daltona jest modelem statycznym, w którym cząstki są w spoczynku i ich otoczki cieplika dotykają się [21]. Przejdźmy teraz do omówienia prac dwóch wybitnych uczonych, Benjamina Thompsona, czyli hrabiego Rumforda, oraz Humphry Davy'ego. Pierwszy z nich (fot. 7), fizyk amerykański, jako rojalista był przeciwny oderwaniu się Stanów Zjednoczonych od Anglii i w 1776 r. przeniósł się do Londynu. Następnie długie lata spędził w służbie elektora bawarskiego i tam właśnie dokonał swych ważnych odkryć dotyczących ciepła. Oto co pisze w swym traktacie z 1798 r. [22]: „Gdy ostatnio nadzorowałem wiercenie dział w arsenale wojskowym w Monachium, zwróciło moją uwagę bardzo znaczne podnoszenie się temperatury brązu w bardzo krótkim czasie wiercenia oraz znacznie jeszcze większe ciepło opiłków i wiórów metalowych wyrzucanych przez świder (ciepło większe niż wrzącej wody, co sprawdziłem eksperymentalnie). Im więcej medytowałem nad tymi zjawiskami, tym bardziej wydawały się one dziwne i interesujące. Wydało mi się, że dokładne ich zbadanie może dać lepszy wgląd w ukrytą naturę ciepła i pozwoli na

sformułowanie rozsądnych przypuszczeń na temat istnienia czy nieistnienia fluidu ognia, a więc kwestii, w której zdania filozofów przyrody wszystkich czasów były podzielone. (...) Skąd bierze się ciepło wywiązujące się we wspomnianym mechanicznym wierceniu? Czy jest ono dostarczane przez wióry metalowe, które oddziela świder od masy metalu? Jeśliby tak miało być, to według nowoczesnych doktryn ciepła utajonego i cieplika ciepło właściwe części metalu zamienionych na wióry i opiłki nie tylko powinno się zmienić, lecz zmiana ta byłaby tak znaczna, że winna wyjaśniać całe wytworzone ciepło. Tymczasem stwierdziłem, że żadna taka zmiana nie nastąpiła, gdyż biorąc jednakowe ciężary tych opiłków i cienkich plasterków metalu odciętych od tego samego bloku za pomocą cienkiej piły i wkładając je w tej samej temperaturze (wrzącej wody) do jednakowych ilości wody zimnej (o temperaturze 59,5°F), nie mogłem zauważyć, by woda, do której włożone zostały opiłki, ogrzała się mniej lub więcej niż woda, do której zostały wrzucone plasterki metalu. Powtarzałem ten eksperyment kilkakrotnie i za każdym razem uzyskiwałem tak podobne wyniki, że nie mogłem stwierdzić żadnej zmiany ciepła właściwego metalu przy jego zamianie w opiłki przez świder”. Rumford zauważa następnie, że ponieważ powyższy eksperyment ma duże znaczenie, więc warto podać do wiadomości członków Towarzystwa Królewskiego szczegóły ilościowe.- Opuścimy te szczegóły, przechodząc do dalszych rozważań. „(...) Jest oczywiste, że wywiązujące się ciepło nie mogło być dostarczone przez ubytek ciepła utajonego opiłków metalu. Ale nie chcąc się zadowolić wynikami tych prób, jakkolwiek rozstrzygające były one dla mnie, postanowiłem wykonać jeszcze bardziej przekonywające doświadczenia”. Rumford użył do doświadczeń walca ważącego 113,13 funta obracanego wokół osi końmi. Na dno walca naciskał mocno (z siłą około 10 000 funtów) tępy, zaokrąglony świder. Świder był obracany około 32 razy na minutę. Był to kawałek stali hartowanej 0,63 cala grubości, 4 cale długości, stykał się z dnem walca na powierzchni około 2,5 cala kwadratowego. Do pomiaru wywiązującego się ciepła wywiercono w walcu otwór, w którym można było umieszczać termometr rtęciowy. Przed rozpoczęciem doświadczenia temperatura powietrza w cieniu i samego walca była 60°F. Po półgodzinie, gdy walec obrócił się 960 razy dokoła osi, wstawiono do otworu termometr, w którym rtęć natychmiast podniosła się do 130°F. Po wyjęciu świdra wydobyto opiłki i starannie je zważono. Ważyły 837 granów3 , zaledwie 1/948 część masy walca. „Czy jest możliwe [pisze Rumford], żeby cała tak wielka ilość ciepła wywiązana w eksperymencie (podnosząca temperaturę 113 funtów brązu o co najmniej 70°F i zdolna stopić 6,5 funta lodu) mogła być dostarczona przez tak niewielką ilość opiłków metalowych? I to tylko wskutek zmiany ich ciepła właściwego? (...) Nie zaprzeczając jednak możliwości temu przypuszczeniu, musimy tylko przypomnieć sobie wyniki rozstrzygających doświadczeń wykonanych jedynie w celu przekonania się, że ciepło właściwe metalu, z którego odkuwane są duże działa, nie zmienia się w widoczny sposób, gdy metal ten zamienimy w wióry po wierceniu działa; nie ma żadnego powodu przypuszczać, by ciepło to mogło zmienić się bardziej, gdyby używając tępego świdra zamienić meta] w drobniejsze opiłki”. 3 Gran równa się około 64,8 mg.

W następnym eksperymencie (rys. 2) Rumford umieścił swój walec w podłużnej skrzyni drewnianej i napełnił ją wodą, tak że cały świder był zanurzony. W skrzyni zmieściło się około 2 galonów wody (18,77 funta). Temperatura wody przed rozpoczęciem doświadczenia wynosiła 60°F. Obracany świder, jak poprzednio, naciskał mocno na dno walca. Rysunek 2 Rysunek Rumforda przedstawiający eksperyment „Wynik tego pięknego doświadczenia [pisze Rumford] był zdumiewający. Uciecha moja wynagrodziła mi sowicie trudy, jakie poniosłem przy wynalezieniu i zbudowaniu tak skomplikowanego mechanizmu. Oto po godzinie temperatura wody podniosła się o całe 47°F, a w następne pół godziny do 142°F. Po dwóch godzinach temperatura wody w skrzyni była równa 178°F, po 2 godzinach 20 minutach już 200°F, a po 2,5 godzinach od rozpoczęcia doświadczenia woda zawrzała. Trudno wysłowić [pisze Rumford] podziw i zachwyt, jakie się malowały na twarzach obecnych, kiedy zobaczyli, że tak wielka masa zimnej wody ogrzała się i zawrzała bez ognia. I jakkolwiek nie było w tym doświadczeniu niczego, co można by uznać za naprawdę dziwne, przyznać muszę, że mnie samego opanowała dziecinna radość. Gdybym pragnął zyskać reputację poważnego filozofa, musiałbym raczej tę radość ukryć niż wyjawiać”. Rumford zmierzył następnie ilość ciepła wywiązanego we wszystkich częściach mechanizmu i doszedł do wniosku, że taką ilość dostarczyłoby spalenie 2300 granów wosku. Wobec tego: „(...) ilość ciepła wywiązującego się w tym eksperymencie w sposób ciągły przy tarciu tępego świdra o dno wydrążonego walca metalowego była większa niż z palenia naraz dziesięciu świec woskowych o średnicy 3/4 cala każda. Jakkolwiek użyłem w tym doświadczeniu dwóch koni do obracania świdra, jeden także by wystarczył. Z rachunku wynika dalej, jak wielką ilość ciepła można wywiązywać siłą jednego konia przy użyciu odpowiedniego mechanizmu, bez ognia, światła, spalania lub rozkładu chemicznego; ciepło to w razie potrzeby można by użyć do warzenia potraw. Trudno jednak wyobrazić sobie warunki, w których ta metoda wytwarzania ciepła mogłaby być korzystna, gdyż ze spalania paszy niezbędnej do wyżywienia jednego konia można by uzyskać więcej ciepła (..”)”. Po opisie kolejnego podobnego eksperymentu Rumford ciągnie dalej:

„Gdy zastanowimy się nad wynikami tych wszystkich doświadczeń, to w sposób naturalny jawi się nam to wielkie pytanie, które tak często było przedmiotem spekulacji filozofów: Co to jest ciepło? Czy istnieje coś takiego jak fluid ogniowy? I czy jest coś, co można by nazwać właściwie cieplikiem? Widzieliśmy, że można wywiązywać bardzo znaczną ilość ciepła przez tarcie dwóch powierzchni metalowych, i to w ten sposób, że rozchodzi się w postaci strumienia we wszystkich kierunkach bez przerwy i bez żadnych oznak zmniejszania się lub wyczerpania. Skąd wzięło się to ciepło?” Pisząc, że jego zdaniem nie mogło być ono dostarczone ani przez opiłki, ani przez powietrze, ani przez wodę Rumford podkreśla, że: „(...) nie należy zapominać najważniejszej okoliczności, że w tych doświadczeniach źródło ciepła powstającego przez tarcie zdaje się oczywiście być niewyczerpane (...) Zbyteczne jest dodawać, że coś, co może być dostarczane bez końca przez jakiekolwiek izolowane ciało lub układ ciał, nie może przecież być substancją materialną. Co do mnie, to jest mi nadzwyczaj trudno, że nie powiem niemożliwe, pojąć, aby coś, co się wytwarzało w tych doświadczeniach, mogło być czymś innym, jak tylko ruchem. Daleki jestem od tego, że wiem, jak, jakim mechanicznym sposobem, wznieca się, podtrzymuje i rozchodzi ten osobliwy rodzaj ruchu, który - jak sądzę - stanowi ciepło. Nie mam zamiaru nużyć Towarzystwa samymi tylko przypuszczeniami, zwłaszcza że chodzi o przedmiot, który przez tyle tysięcy lat próbowali bezskutecznie zrozumieć najbardziej światli filozofowie. Lecz nawet jeżeli w istocie mechanizm ciepła okaże się jedną z tych tajemnic natury, które są poza zasięgiem inteligencji ludzkiej, nie powinno to nas odstraszać ani osłabiać naszego zapału do prób zbadania praw rządzących tymi zjawiskami. Jak daleko możemy się posunąć którąkolwiek z dróg otwartych przez naukę, zanim znajdziemy się otoczeni tą gęstą mgłą, która ogranicza z każdej strony horyzont intelektu ludzkiego? Ale jak obiecujące i interesujące jest to pole, które dane jest nam badać! Na pewno nikt przy zdrowych zmysłach nie pretendował nigdy do zrozumienia mechanizmu grawitacji. A przecież jakich głębokich odkryć dokonał nieśmiertelny Newton badając tylko prawa jej działania. Efekty, które powoduje w świecie ciepło, są przypuszczalnie równie rozległe i równie ważne jak te, które wynikają z dążenia cząstek materii do skupiania się. I nie ma wątpliwości, że działania ciepła są we wszystkich przypadkach określone przez prawa równie niewzruszone”. Eksperymenty Rumforda nie stanowiły jednak zaprzeczenia teorii cieplika. Wykazanie, że ciepło właściwe opiłków jest takie samo jak pozostałego metalu, było konieczne dla odrzucenia cieplika, ale niedostateczne. Trzeba było bowiem wykazać, że jednakowe masy opiłków i metalu zawierają jednakowe ilości ciepła w tej samej temperaturze. Przy jednakowej wartości ciepła właściwego metal mógł bowiem zawierać więcej ciepła utajonego niż opiłki ze względu na zmiany zaszłe przy świdrowaniu. Rumford musiałby np. zmierzyć ilości ciepła potrzebne do stopienia jednakowych mas opiłków i bryły metalu; gdyby okazały się one jednakowe, a ciecze pozostałe ze stopienia były pod każdym względem takie same, to można by stąd wyciągnąć wniosek o jednakowej zawartości ciepła w jednakowej temperaturze. Przytoczmy tu krytykę wniosków Rumforda wypowiedzianą przez zwolennika teorii cieplika Emmeta- („Annals of Philosophy” 16, 137, 1820) [23].

„Na początku tego rozumowania czyni się bardzo nieszczęśliwe założenie, a mianowicie, że jeśli ciepło będąc fluidem sprężystym wywiązuje się przy ściskaniu materii w stanie stałym, to pojemność cieplna tego ciała ma zostać zmniejszona w stosunku do ilości ciepła, która została wydzielona. Niewątpliwie cała ilość ciepła zawartego w ciele stałym zostaje zmniejszona, ale dlaczego ma się zmieniać pojemność cieplna? (...) Bez wątpienia ilość ciepła wywiązanego w tym eksperymencie była wielka, ale to nie wystarcza do zapewnienia wniosków, które wyciągnięto (:..) W tych eksperymentach bardzo duża masa metalu została poddana podwyższonemu ciśnieniu i w masie tej, przez stopniowe ścieranie się brązu, stale coraz to nowe warstwy były wystawiane na naciskanie. Zatem kolejno z każdej warstwy oddzielana była określona ilość ciepła. Jeżeli przyjmiemy, że w metalach występuje cieplik w stanie dużej gęstości, to wymieniona przyczyna zupełnie wystarcza do wytworzenia obserwowanego efektu. Największym błędem okazuje się założenie, że źródło ciepła w ten sposób wytwarzanego jest niewyczerpane, tymczasem ilość ciepła, która może być w ten sposób wytwarzana, jest skończona”. Zatem wydzielanie ciepła nie ustanie, dopóki nie zetrze się cały brąz. I jest to prawda! Ponadto u podstaw teorii cieplika leżało twierdzenie, że cieplik przenikał całą materię i wobec tego mógł być dostarczany przez wszystkie te źródła, które Rumford starał się zaniedbywać, jak powietrze, woda otaczająca aparaturę. Przecież cała aparatura Rumforda była skąpana w atmosferze cieplika. Zacytujmy tu jeszcze jednego zwolennika teorii cieplika („Phil. Mag.”48, 29, 1816) [23]: „Jeżeli ciepło jest fluidem materialnym, to działanie siły na ciało zawierające ciepło będzie dawało efekt podobny do działania siły na ciało zawierające jakiś inny fluid rozprowadzony w jego porach. Fluidem dającym w wielu przypadkach efekty podobne do dawanych przez ciepło jest woda, wydaje się więc ona najodpowiedniejsza do ilustracji wytwarzania ciepła przez tarcie. Postarałem się o kawałek lekkiego i porowatego drewna i trzymałem je zanurzone w wodzie, aż zostało nią nasycone; następnie umocowałem je porządnie ponad naczyniem wypełnionym wodą, przy czym dolny koniec był pod powierzchnią wody. Następnie działałem ze znacznym ciśnieniem na górny koniec, przesuwając po nim tam i z powrotem kawałkiem twardego drewna, i stwierdziłem, że mogę w ten sposób tarciem podnosić poziom wody przez pory. Proces ten łatwo zrozumieć: kawałek twardego drewna wyciska wodę z porów i zamyka je przemieszczając wyciśniętą wodę, wtedy jednak woda z dołu spieszy, by przywrócić równowagę. Działanie tępego świdra w eksperymencie hr. Rumforda zdaje się wywoływać podobny efekt: ciepło jest wyciskane przez świder z porów metalu i na jego miejsce wchodzi ciepło dostarczane z części sąsiednich. Brąz jest dobrym przewodnikiem ciepła, więc szyjka brązowa łącząca walec z armatą mogła ułatwiać przejście ciepła z działa i innych przedmiotów, z którymi ono się stykało”. Być może pewien wpływ na lekceważenie poglądów Rumforda przez współczesnych miało jego dalsze życie i poglądy. Przyjechawszy do Paryża ożenił się z piękną wdową po Lavoisierze (A. Lavoisier został w 1794 r. ścięty na gilotynie z wyroku sądu rewolucyjnego), ale małżeństwo to było nieudane i trwało krótko. Rumford odrzucał pogląd, że zimno - to brak ciepła. Ze swych doświadczeń nad skupianiem zimna przy użyciu zwierciadła parabolicznego wyciągnął Wniosek o istnieniu „.promieni zimna”, dla których odbijania zalecał noszenie w zimie białego ubrania. Poglądy te wywoływały wiele uciech i kpin wśród śmietanki towarzyskiej Paryża.

Humphry Davy (fot. 8), znakomity chemik i fizyk brytyjski, późniejszy prezes Royal Society i wychowawca Faradaya zaczął swe doświadczenia nad ciepłem już jako młodzieniaszek, gdy był praktykantem w aptece. W 1799 r. ogłosił rozprawę O cieple, świetle i połączeniach światła [24], w której pisał: „Materia jest obdarzona siłą przyciągania. Dzięki temu przyciąganiu cząstki ciał dążą do zbliżenia się i istnieją w stanie zwartym. Cząstki wszystkich znanych nam ciał można zbliżać do siebie szczególnymi sposobami, albowiem ciężar właściwy każdego ciała można zwiększać obniżając jego temperaturę. Stąd wynika, jeśli zakładamy, że materia jest nieprzenikliwa, że cząstki ciał nie stykają się z sobą. Zatem na cząstki te musi działać jakaś inna siła, która uniemożliwia ich stykanie się; możemy to nazwać odpychaniem się cząstek. Zjawiska odpychania większość filozofów chemii przypisuje pewnemu nieważkiemu fluidowi, który otrzymał nazwę «ciepła utajonego» lub «cieplika». Rozmaity stan ciał: stały, ciekły i lotny, zależą - według mniemania zwolenników teorii cieplika - od ilości cieplika, który wchodzi w ich skład. Ten fluid wciskając się między cząstki ich ciał, rozdziela je i zapobiega ich bezpośredniemu stykaniu się, co jest według zwolenników cieplika przyczyną siły odpychającej. Inni znów filozofowie przyrody, nie zadowalając się argumentami za istnieniem tego nieważkiego fluidu, a widząc, że ciepło wywiązuje się przez tarcie i uderzenie, uważają, iż jest ono ruchem. Przekonany, że odkrycie rzeczywistej przyczyny siły odpychającej byłoby bardzo ważne dla filozofii przyrody, podjąłem próbę zbadania drogą doświadczeń tej części nauki chemii. I na podstawie tych doświadczeń, które poniżej opiszę, wnioskuję, że ciepło, albo przyczyna odpychania, nie jest materią. Nie rozważając wpływu działania siły odpychającej na ciała ani też starając się udowodnić, że wpływy te wynikają z ruchu, zamierzam wykazać za pomocą doświadczeń, że nie są one wynikiem istnienia szczególnej materii. W dowodzeniach swoich użyję metody, którą matematycy nazywają reductio ad absurdum. Załóżmy na chwilę, że ciepło jest materią i niech nie można zwiększyć temperatury ciała, jeśli nie zmniejszy się jego ciepła właściwego ani nie doda mu ciepła przez zetknięcie z innymi ciałami. Ale temperaturę wszystkich ciał można zwiększyć przez tarcie. Zatem wzrost temperatury musi wynikać z jednej z trzech możliwości: 1) albo przez zmniejszenie ciepła właściwego pocieranych o siebie ciał, wywołane jakąś zmianą powstałą w nich przez tarcie, zmianą wywołującą w nich wzrost temperatury, 2) albo przez przekazanie ciepła jako wyniku rozkładu tlenu w zetknięciu z jednym lub oboma pocieranymi ciałami (tzn. tarcie ma wywoływać zmiany w ciałach podobne do wzrostu temperatury, co pozwala na rozkład tlenu i powinno powodować ich częściowe albo całkowite utlenianie się), 3) lub wreszcie przez cieplik przekazywany pocieranym ciałom przez inne stykające się z nimi ciała (tzn. tarcie wywołuje w ciałach zmiany pozwalające im przyciągać cieplik z ciał otaczających). Przypuśćmy więc, że podnoszenie się temperatury przez tarcie lub uderzenie powstaje wskutek zmniejszenia się ciepła właściwego pocieranych ciał. W takim razie jest oczywiste, że tarcie winno wywoływać w tych ciałach jakieś zmiany, które powodują zmniejszanie się ich ciepła właściwego i wzrost temperatury.

Doświadczenie: Wziąłem dwa prostopadłościany z lodu (ten sam wynik otrzymamy biorąc zamiast lodu wosk, łój, żywicę lub jakąkolwiek inną substancję topliwą w dość niskiej temperaturze; nawet żelazo można stopić przez uderzanie) 6 cali długie, 2 cale szerokie i 2/3 cala grube, w temperaturze 29°F i przywiązałem drutami do dwóch żelaznych sztabek. Za pomocą specjalnego mechanizmu powierzchnie lodu stykały się ze sobą i tarły gwałtownie przez kilka minut. Prawie całkowicie stopiły się, przy czym wodę zebrałem i okazało się, że miała temperaturę 35°F, chociaż stała kilka minut w niższej temperaturze otoczenia. Stopienie nastąpiło tylko na tych powierzchniach, którymi oba kawałki lodu się tarły. Dodać trzeba, że poza lodem nie było tarcia między innymi ciałami. Z tego doświadczenia jest oczywiste, że lód przez tarcie zamienia się w wodę, a więc według zwolenników cieplika jego ciepło właściwe się zmniejsza. Tymczasem dobrze wiadomo, że ciepło właściwe lodu jest dużo mniejsze niż wody i że chcąc zamienić lód w wodę trzeba mu dodać określoną ilość ciepła. Zatem tarcie nie zmniejsza ciepła właściwego ciał. Doświadczenie to wykazuje zarazem, że wzrost temperatury wskutek tarcia nie może powstawać z rozkładu tlenu stykającego się z lodem, ponieważ lód nie ma powinowactwa do tlenu. Jeżeli więc podwyższenie temperatury wskutek tarcia nie pochodzi ze zmniejszenia się ciepła właściwego ani też z utlenienia trących się ciał, to musi pochodzić z dodania im pewnej ilości ciepła odjętego innym ciałom w kontakcie z rozważanymi. Tarcie więc musiałoby wytwarzać w ciałach jakieś zmiany, że mogą to ciepło przyciągać do innych. Doświadczenie: Postarałem się o mechanizm zegarowy urządzony w taki sposób, że można go było wprawiać w ruch w opróżnionym z powietrza naczyniu. Jedno z zewnętrznych kółek mechanizmu dotykało cienkiej płytki metalowej. Gdy wprawiano w ruch mechanizm, wskutek tarcia tego kółka o płytkę powstawała znaczna ilość ciepła, lecz tym razem przyrząd nie był izolowany od ciał mogących mu je udzielić. Wziąłem następnie kawałek lodu, wyżłobiłem w nim rowek wzdłuż górnych brzegów, napełniłem go wodą i postawiłem mechanizm na lodzie nie dotykając nim wody. Tak przygotowany przyrząd wstawiłem do naczynia połączonego z pompą próżniową i wypełnionego kwasem węglowym, gdzie wrzuciłem jeszcze trochę żrącego potażu. Następnie zacząłem wypompowywać powietrze i to, łącznie z pochłanianiem kwasu węglowego przez potaż, wytworzyło, jak sądzę, niemal doskonałą próżnię. Teraz mechanizm puściłem w ruch i wosk4 stykający się z płytką stopił się raptownie, co dowodziło podniesienia się temperatury5 . Tarcie zatem skupia cieplik, który według przyjętej hipotezy powinien być wzięty od ciał stykających się z mechanizmem. Ale w tym doświadczeniu jedynym ciałem, z którym się stykał mechanizm, był lód, a że woda w wydrążeniu lodu nie zamarzła, lód nie oddał swego cieplika. Ponadto cieplik nie mógł też pochodzić od innych ciał stykających się z lodem, gdyż aby dostać się do mechanizmu musiałby on przejść przez lód, a to przejście, czyli dodanie cieplika do lodu, byłoby go stopiło. 4 Davy używał wosku, chociaż we wcześniejszej części opisu pisał o lodzie. 5 Temperatura lodu, całego mechanizmu i otaczającego powietrza wynosiła na początku doświadczenia 32°F. Pod koniec temperatura najzimniejszej części przyrządu była blisko 33°F, zaś lodu i powietrza tyle co na początku. Zatem ciepło wytworzone przez tarcie różnych części mechanizmu wystarczyło, by podnieść o 1°F temperaturę blisko pół funta metalu i stopić 18 gramów wosku.

Tak więc ciepło wytworzone przez tarcie nie może być zbierane od ciał otaczających. Co więcej, poprzednie doświadczenie wykazało, że wzrost temperatury wskutek tarcia nie mógł wyniknąć ani ze zmniejszenia ciepła właściwego, ani z utlenienia. Jeśli jednak ciepło traktujemy jako materię, to musiało ono powstać w jeden z wymienionych trzech sposobów. A ponieważ doświadczenia powyższe wykazują, że żadna z tych przyczyn nie wywołała ciepła, nie może ono być uważane za materię. Jednym słowem, doświadczenia udowodniły, że cieplik, czyli materia ciepła, nie istnieje. Ciała stałe wskutek długiego i silnego tarcia rozszerzają się (rozszerzanie się przy tarciu zachodzi dla wszystkich niemal ciał; ponieważ wyjątków jest bardzo niewiele, można to uznać za regułę), a jeżeli ich temperatura jest wyższa od temperatury naszego ciała, to działając na nasze zmysły budzą to szczególne uczucie, znane pod nazwą ciepła. Ponieważ ciała rozszerzają się wskutek tarcia, więc ich cząstki muszą się poruszać i oddalać od siebie. Ponadto tarcie i uderzenie muszą koniecznie wzniecać ruch czy drganie cząstek ciał. Możemy zatem wyciągnąć wniosek, że właśnie ten ruch czy drganie jest ciepłem, czyli czynnikiem odpychającym. Ciepło zatem albo tę siłę, która przeszkadza bezpośredniemu stykaniu się cząstek ciał, która jest przyczyną tych szczególnych uczuć, zwanych ciepłem i zimnem, można uważać za osobliwy ruch cząstek ciał, przypuszczalnie drganie starające się je rozłączyć. I dlatego właściwie można by je nazwać „ruchem odpychającym”. Krytyka wniosków Davy'ego z jego doświadczeń była bardzo prosta. Przecież Rumford wykazał, że ciepło może przenosić się przez próżnię, więc nie jest ona taką barierą, jak myślał Davy. Ponadto wykazano, że po zastosowaniu ciśnienia temperatura topnienia lodu spada poniżej 32°F. Tarcie nie może odbywać się bez przyłożenia ciśnienia, tak więc bloki lodu utrzymywały na powierzchni temperaturę 32°F, co było powyżej temperatury topnienia przy zwiększonym ciśnieniu; wobec tego zupełnie zrozumiałe było stopienie lodu bez odwoływania się do jakiejkolwiek teorii o naturze ciepła. W 1935 r. fizyk brytyjski Andrade przeanalizował krytycznie opisy doświadczeń Davy'ego i udowodnił, że wnioski wyciągane z tych doświadczeń były błędne [25]. Otóż - dowodzi Andrade - jeżeli lód jest pokryty cienką warstwą wody, to tarcie jest bardzo niewielkie i praca wykonana przy tarciu kawałków lodu - bardzo mała. Davy twierdził, że już po kilku minutach temperatura podniosła się tak, że niemal cały lód się stopił. Jeżeli długość ruchu przy pocieraniu wynosiła 5 cm, to przy 100 posunięciach na minutę i współczynniku tarcia równym nawet 0,5 trzeba by około 10 minut (a nie kilku), żeby stopić lód, i to gdyby ściskać kawałki tak, by dodatkowe ciśnienie było czterokrotnie większe od atmosferycznego. Cały eksperyment wygląda zupełnie fantastycznie - konkluduje Andrade. Niewątpliwie cały efekt topienia lodu nastąpił wskutek przewodnictwa ciepła. W drugim doświadczeniu chodziło o topienie wosku przymocowanego do płytki metalowej, o którą tarło koło poruszane mechanizmem zegarowym stojącym na kawałku lodu (w którym był rowek wypełniony wodą). Całość była w próżni. Davy dowodził, że jeśli ciepło potrzebne do stopienia wosku przeszło od lodu do mechanizmu zegarowego, to woda musiałaby zamarznąć. Ale Andrade oblicza, że ciepło potrzebne do wytworzenia odpowiedniego przyrostu temperatury mechanizmu zegarowego to tylko 12 kalorii, a więc zamarzłoby zaledwie 0,15 cm3 wody, czego nie można zauważyć gołym okiem w nierównym rowku wyciętym w lodzie. Cały więc eksperyment Davy'ego nie dowodzi absolutnie niczego. Pamiętajmy - pisze dalej Andrade - że Davy był wówczas młodym chłopakiem bez doświadczenia i krytycyzmu. Ale z podręczników należałoby czym prędzej usunąć wzmianki mówiące o doświadczeniach Davy'ego, obalających rzekomo teorię cieplika.

Współcześni nie przejęli się - jak widzieliśmy - buńczucznymi stwierdzeniami Davy'ego, ale powód tego był zupełnie inny. W tym czasie teoria cieplika stała się teorią ilościową, bardzo dobrze tłumaczącą wiele zjawisk. Nie mogła z nią wówczas konkurować naiwna teoria kinetyczna. Bardzo przekonywająco widać to z następującego wyjątku z polskiego podręcznika chemii Ignacego Fonberga z 1827 r. [26]: Rysunek 3 Zależność przyciągania grawitacyjnego (linia ciągła) i odpychania cieplikowego (linie przerywane) od odległości między atomami w stanie równowagi. Wzrostowi temperatury (T3>T2>T1) odpowiada rozszerzalność cieplna ciała (wg S. G. Browna [23]) „Kończąc naukę o ciepliku, wspomnimy o mniemaniu niektórych fizyków, co przyczynę ciepła i zimna od szczególnego ruchu cząstek ciał wyprowadzają. Mniemanie to niegdyś od Bakona i Rumforda ogłaszane, znalazło dziś w H. Davy gorliwego stronnika. Według niego atomy wszystkich ciał zostają w nieprzerwanym ruchu, z tą różnicą, że ruch ten i iego chyżość nie wszędzie iednostayne. Cząstki albowiem ciał stałych, lubo się chwieią, czyli oscylluią bezprzestannie, ruch ten przecież dosyć iest powolny. Daleko prędsze kołysanie się cząstek panuie w ciałach stałych rozegrzanych do czerwoności. W rozciekach, oprócz ruchu oscyllacyynego przyymuie H. Davy kręcenie się cząstek około własnych osi; a w gazach wirowy ten ruch z kołysaniem połączony ma bydź ieszcze gwałtowniejszy. Nakoniec istoty, eterowemi od niego nazwane, czyli nasze ciała promieniste, maią powstawać z cząstek kręcących się około swey osi w największych odległościach, i poruszających się z niezmierną szybkością w kierunkach liniy prostych. Ruch ten cząstek, sposobem głosu ma się od iednych ciał przenosić do drugich, tak dalece, że prędsze poruszenia iednych, mogą się przelewać do innych;

a następnie ciała nieiednostaynie ogrzane, mogą się tym sposobem układać do równowagi, i do iednostaynego stopnia ogrzania przechodzić. Aże kołysania te nie inaczey, tylko za pośrednictwem innego ciała przelewać się mogą: za środek ten przeto uznaie Davy, powietrze. Doświadczenia atoli uczą, że ciała, równie dobrze daią się ogrzewać w czczości, iak i w naygestszem powietrzu; i dla tego Rumford uprzedzając zarzut, iaki z tego względu wynika, przypuścił w całey naturze rozlany szczególny płyn eterowy, barzo subtelny, który ku temu iedynie miał służyć, żeby ruch cząstek z iednych ciał przenosił do innych. Davy zaś zbywa ten zarzut odpowiedzią, że w naturze nie masz doskonałej czczości. Gdyby iednak odpowiedź ta była słuszna, tedy według mniemania pomienionego chemika, ciała powinnyby się przynaymniey z trudnością w rozrzedzonem ogrzewać powietrzu; czego doświadczenia nie potwierdzaią. Oprócz tego, autor pomienioney opinii nie tłumaczy wcale, co za istotę ciała ogrzanć z siebie wyziewaią; dla czego iey służy własność łamania się w ciałach przezroczystych, a odbiianja od gładkich wypolerowanych. Powtóre, ieżeli w ciałach nie masz cieplika, iako osobney istoty, wręcz przeciw ąttrakcyi działaiącey, i równoważącey się z nią: tedy czemu cząstki tych ciał nie kupią się razem, i w iedną nie zlewaią bryłę. Nakoniec, iak poiąć w tem rozumieniu odmianę stanu skupienia ciał? Prawda, że podług H. Davy, żeby ciało stałe na płyn zamienić, potrzebą tylko, żeby się cząstki iego zaczęły obracać na około swych osi ruchem wirowym; ale co te cząstki do ruchu wprawia? co pobudza je do chyższego obrotu, kiedy płyny do stanu pary przechodzą? Długo potrzebaby rozprawiać, żeby wszystkie zarżuty, o które się rozbiia opinia chemika angielskiego, przywodzić. Powiem tylko, że mimo ruchu cząstek, który w mniemaniu tem zastępuie cieplik, wypada koniecznie stworzyć iakąś istotę, którąby w nas obudzała czucie ciepła; sam albowiem ruch cząstek, nie łatwo ie obiaśnia”. Szczegółowe wyjaśnienie wielu zjawisk w teorii cieplika opierało się na założeniu, że każdy atom materii jest otoczony atmosferą cieplika, której gęstość maleje wykładniczo z odległością od środka atomu, a więc szybciej niż przyciąganie grawitacyjne, malejące jak kwadrat odległości od środka atomu. W pewnej zatem odległości od środka atomu występowała równość sił przyciągania grawitacyjnego i odpychania cieplikowego - punkt ten odpowiadał odległości między atomami w stanie równowagi (rys. 3). Przy wzroście temperatury zwiększała się atmosfera cieplika wokół każdego atomu i punkty równowagi przesuwały się dalej od środków atomów, co odpowiadało rozszerzaniu cieplnemu ciał. Dokładna analiza wykazała, że rozszerzalność cieplna nie może być równomierna ze wzrostem temperatury, co rzeczywiście wykazały doświadczenia Dulonga i Petita. Z tej teorii wynikały też różnice rozszerzalności cieplnej ciał stałych, cieczy i gazów oraz różnice w wartościach ciepła właściwego między nimi. Wiedziano już wówczas, że w dostatecznie niskiej temperaturze wszystkie znane substancje będą w stanie stałym i różnice stanu skupienia (zależnie od temperatury) tłumaczono przez wchłanianie przez ciała różnych ilości cieplika. Ze względu na znikomo mały wpływ przyciągania grawitacyjnego między atomami w gazach teoria cieplika przewidywała, że współczynnik rozszerzalności wszystkich gazów powinien być jednakowy i niezależny od temperatury, co zostało wykazane doświadczalnie. Inne zgodne z doświadczeniem przewidywania teorii cieplika to: wzrost ciepła właściwego ciał stałych z temperaturą, zależność temperatury wrzenia od ciśnienia zewnętrznego, możliwość przenoszenia ciepła przez próżnię (co było ciężkim orzechem do zgryzienia dla innych teorii ciepła, a w teorii wszystko przenikającego fluidu było trywialne), związek między zdolnością odbijania przez powierzchnię i promieniowania przez nią ciepła (ciała o powierzchni wypolerowanej i błyszczącej winny być złymi promiennikami). Jednym z dobrych testów doświadczalnych teorii cieplika było odkształcanie ciał stałych. Pokazywano np., że pręt żelazny, ogrzany do czerwoności przez uderzanie weń młotem, nie mógł być ponownie tak silnie

rozgrzany przez uderzanie, zanim nie poddano go rozgrzaniu w ogniu. Tłumaczenie tego zjawiska w teorii cieplika było proste: fluid ciepła utracony przez ciało podczas uderzeń młotem musiał być odzyskany w ogniu. Przypomnijmy wreszcie, że w ramach teorii cieplika Fourier opracował teorię przewodnictwa ciepła, L.aplace i Poisson wyjaśnili związek między stosunkiem Cp/Cv i prędkością dźwięku, wreszcie Carnot (fot. 9) opracował zasady maszyn cieplnych. Teraz mało kto wie i pamięta o tych sukcesach teorii cieplika i jej pozytywnym wpływie na rozwój nauki. Gdy bowiem w XIX wieku znaleziono dla wymienionych zjawisk wyjaśnienie w ramach teorii kinetycznej ciepła, zmieniła się jedynie terminologia, a fakty odkryte i opisane w języku starych idei pozostały prawdziwe. I tak np. Carnot oparł oryginalnie swą teorię maszyn cieplnych na zasadzie zachowania cieplika, który był niezniszczalny, ale przepływając między ciałami o różnej temperaturze dawał pracę; dziś teorię Carnota wykładamy korzystając z zasady zachowania energii. Mamy tu po prostu przekład znanej cechy nauki, że fakty naukowe pozostają niezależnie od tego co się dzieje z teoriami. Z powyższego opisu wynika niezbicie, że nieprawdziwy jest dość rozpowszechniony w podręcznikach mit, jakoby teoria kinetyczna ciepła została wprowadzona na początku XIX wieku przez Rumforda i Davy'ego, którzy obalili swymi doświadczeniami teorię cieplika. Jakie więc były dalsze losy teorii cieplika, która mniej więcej w 20 lat po doświadczeniach Rumforda i Davy'ego przeżywała okres największego rozkwitu? Dość rozpowszechniony mitem jest to, że większość uczonych akceptowała teorię cieplika aż do połowy XIX wieku, kiedy to została ona zastąpiona, przez teorię kinetyczną i termodynamikę. Okazuje się jednak, że w rzeczywistości między teorią cieplika i i teorią kinetyczną był jeszcze krótki okres panowania teorii falowej ciepła [27]. Otóż po odkryciu promieniowania podczerwonego (William Herschel, 1800 r.), nazywanego wówczas ciepłem promienistym, okazało się, że ma ono własności podobne do światła (odbicie, załamanie, skupianie itp.), wobec czego powstał pogląd, że ciepło i światło są różnymi przejawami tego samego zjawiska (przypomnijmy, że cieplik i świetlik otwierały wówczas listę pierwiastków chemicznych podaną przez Lavoisiera). Tymczasem w pierwszym ćwierćwieczu XIX wieku teoria falowa światła Fresnela-Younga wyparła teorię emisyjną Newtona. Wobec tego zaczęła być popularna teoria falowa ciepła, w której nie zrywano jednak całkowicie ze starą teorią cieplika, gdyż można było utrzymywać, że ciepło polega raczej na drganiach niż na ilości tego fluidu i w ten sposób zachować wiele wyjaśnień starej teorii. Począwszy od 1840 r. trwają badania, które doprowadziły do zasady zachowania energii i znalezienia mechanicznego równoważnika ciepła. Falowa teoria ciepła zostawała więc stopniowo zastępowana przez teorię kinetyczną. Wreszcie, po unifikacji Maxwella, okazało się, że tzw. ciepło promieniste jest częścią widma fal elektromagnetycznych, a więc jego natura fizyczna jest i odmienna od natury ciepła.