Struktura rewolucji relatywistycznej i kwantowej w fizyce. Wojciech Sady

względności: „O elektrodynamice ciał w ruchu”. Przyjrzyjmy się więc historii powstania elektrodynamiki, znów zaczynając od pierwszych lat XIX w.

      Rozdział 3

      NARODZINY ELEKTRODYNAMIKI MAXWELLA I ELEKTROMAGNETYCZNEJ TEORII ŚWIATŁA

      3.1. Odkrycie magnetycznych własności prądów

      W trakcie badań eksperymentalnych prowadzonych do pierwszych lat XIX w. wciąż stwierdzano, że między ciałami naelektryzowanymi a znajdującymi się w ich sąsiedztwie magnesami siły nie działają. Wprawdzie żeglarze donosili, że igły kompasów czasem ulegają przebiegunowaniu, gdy w pobliżu uderza piorun, zauważono też, że po uderzeniu pioruna niektóre przedmioty z żelaza wykazują własności magnetyczne – ale uderzenie pioruna to zjawisko przypadkowe i chwilowe, nie sposób więc było poddać wspomnianych efektów systematycznym badaniom. Franklin magnetyzował stalowe igły, rozładowując przez nie butelki lejdejskie, ale wyrażał przekonanie, że elektryczność i magnetyzm nie mają ze sobą nic wspólnego. (Nie mylił się, jak dziś uważamy, co do tego, że gwałtowny przepływ prądu przez igłę sam przez się jej nie magnetyzuje).

      Sytuacja zmieniła się, gdy w 1800 Alessandro Volta, zainspirowany badaniami Luigiego Galvaniego, zbudował pierwsze stosy. Umożliwiło to badania nad stałymi prądami elektrycznymi, a te szybko zaowocowały ważnymi odkryciami. Już w tym samym roku William Nicholson i Anthony Carlisle dokonali elektrolizy wody. W tym miejscu szczególnie interesujące jest to, że w 1801 Nicholas Gautherot, a nieco później Laplace i Biot zauważyli, iż dwa równoległe i umieszczone blisko jeden drugiego przewody, połączone z biegunami stosu Volty, przywierają do siebie. Jednak te obserwacje zostały zlekceważone zarówno przez „odkrywców”, jak i przez czytelników komunikatu Gautherota. W 1819 Biot, kończąc obszerny artykuł o magnetyzmie dla Edinburgh Encyclopedia, stwierdzał, że choć zachodzą analogie między prawami dla sił elektrycznych i magnetycznych, to

      […] niezależność, jaka zachodzi między działaniami [magnetycznymi] a działaniami elektrycznymi, nie pozwala nam przypuścić, że mają one tę samą naturę co elektryczność (Biot 1819).

      Inni jednak szukali jakiegoś związku między elektrycznością i magnetyzmem. W 1805 Jean-Nicholas Hachette i Charles-Bernard Désormes umieścili stos Volty na pływaku w zbiorniku z wodą, by dowiedzieć się, czy ustawi się on jakoś w stosunku do magnetycznego południka Ziemi – niczego jednak nie zaobserwowali.

      Wreszcie w 1820 ukazał się artykuł o działaniu „konfliktu” elektrycznego na magnesy. Jego autor, Hans Ørsted, z pierwszego wykształcenia farmaceuta, uzyskał w 1799 doktorat na podstawie pracy z metafizyki przyrody Kanta. Filozoficznie przekonany, że w przyrodzie wszystko wiąże się ze wszystkim, a pozornie rozbieżne zjawiska są przejawami ukrytej, jednoczącej je zasady, przez wiele lat poszukiwał eksperymentalnie ukrytych związków między różnego typu zjawiskami. We Francji i Niemczech słuchał wykładów z fizyki i chemii, a w Berlinie m.in. z dynamicznej Naturphilosophie Schellinga. Zaprzyjaźnił się wtedy ze wspomnianym już Ritterem, poszukiwaczem ukrytej za przeciwieństwami jedności bytu. Ritter twierdził m.in., że jest w stanie wytworzyć elektrolizę za pomocą samych magnesów, bez użycia stosu Volty, i że zaobserwował oddziaływanie między stosem Volty, z którego nie płynął prąd, a magnesem. Ørsted początkowo te „odkrycia” potwierdzał (po latach pisał jednak, że Rittera zwiodły przypadkowe zbiegi okoliczności). Wkrótce po przedwczesnej śmierci przyjaciela Ørsted opublikował pracę Ansichten der chemischen Naturgesetze (1812), pełną niejasnych spekulacji na temat ukrytych związków między elektrycznością, ciepłem, światłem, magnetyzmem i reakcjami chemicznymi. Eksperymentalnie starał się, bez skutku, znaleźć te związki przez następne osiem lat.

      Wreszcie spróbował odtworzyć w laboratorium wspomnianą sytuację relacjonowaną przez żeglarzy. Piorun zastąpił cienkim drutem z platyny rozżarzonym przez przepływ prądu. Gdy zbliżył do niego igłę magnetyczną, zaobserwował pewien efekt, ale tak słaby, że obawiając się popełnienia błędu, zawiesił prace na trzy miesiące. Gdy użył silniejszej baterii i grubszego drutu, wyraźnie zaobserwował – choć drut tym razem nie świecił – że igła odchyla się w jedną stronę, gdy znajduje się pod biegnącym poziomo przewodnikiem, a w drugą, gdy znajduje się nad nim (cały czas na igłę działał też magnetyzm ziemski). Odchylenie rosło w miarę zbliżania igły do przewodnika i zwiększania mocy baterii. Nienależący do ezoterycznego kręgu fizyków klasycznych uczony nie używał terminu „siła”, niemniej w trakcie dalszych systematycznych badań stwierdził m.in., że działanie nie zależy od tego, z jakiego metalu wykonany jest drut, a „konflikt” nie działa na igły z materiałów niemagnetycznych. Wyniki innej serii eksperymentów świadczyły o tym, że działanie nie ma natury elektrycznej:

      Wpływ łączącego drutu przenika do igły przez szkło, metale, drewno, wodę, żywicę, kamionkę, kamienie […]. Rzecz jasna transmisji efektów przez wszystkie te materie nigdy wcześniej nie obserwowano w dziedzinie elektryczności i galwanizmu (Ørsted 1820).

      Pod koniec artykułu znajdujemy produkt gry wyobraźni podsumowujący uzyskane wyniki:

      Wszystkie wyżej wymienione oddziaływania na biegun północny można łatwo zrozumieć, zakładając, że ujemna elektryczność porusza się po linii spiralnej wygiętej w prawo i popycha biegun północny, ale nie działa na biegun południowy. Wpływ na biegun południowy wyjaśnimy w podobny sposób, jeśli przypiszemy elektryczności dodatniej przeciwny ruch i zdolność działania na biegun południowy, ale nie na północny (Ørsted 1820).

      Tekst kończy próba rozciągnięcia odkrytego związku na zjawiska cieplne i optyczne:

      Dodam tylko do powyższego, że wykazałem w książce opublikowanej pięć lat temu, iż ciepło i światło polegają na konflikcie elektryczności. Z podanych obecnie obserwacji możemy wywnioskować, że w tych efektach występuje również ruch kołowy (Ørsted 1820).

      Pobudzeni doniesieniem Ørsteda badacze jeszcze w tym samym roku dokonali szeregu odkryć. Będąc fizykami, nieznającymi Naturphilosophie, a doskonale obeznanymi z mechaniką klasyczną, badali oni siły działające między prądami i magnesami. Końcowe fragmenty artykułu Ørsteda ignorowali, natomiast wcześniejsze partie przetłumaczyli na język mechaniki klasycznej. Wymagało to zmierzenia, od czego i w jaki sposób zależą siły między prądami a biegunami magnesów.

      Do badań błyskawicznie – wbrew cytowanej opinii z 1819 – włączył się Biot. Wraz z Félixem Savartem mierzyli okresy drgań igły magnetycznej umieszczonej w różnych odległościach od prostoliniowego przewodnika łączącego przeciwne bieguny stosu Volty. W niektórych seriach pomiarowych wpływ magnetyzmu ziemskiego był kompensowany przez odpowiednio umieszczony magnes stały.

      Za pomocą tych procedur panowie Biot i Savart doszli do następującego wyniku, który rygorystycznie przedstawia działanie cząsteczki południowego lub północnego magnetyzmu umieszczonego w pewnej odległości od cienkiego i nieograniczenie [długiego] cylindrycznego drutu, który prąd galwaniczny uczynił magnetycznym. Jeśli wykreślimy prostopadłą do osi drutu od punktu, w którym znajduje się cząsteczka magnetyczna, to siła działająca na cząsteczkę będzie prostopadła do tej linii i do osi drutu. Jej natężenie jest odwrotnie proporcjonalne do odległości (Biot & Savart 1820).

      Podobnie jak w przypadku odkryć Coulomba, prawo Biota-Savarta zostało dedukcyjnie wywnioskowane z praw mechaniki klasycznej, twierdzeń na temat układu eksperymentalnego pochodzących z innych udanych zastosowań mechaniki i z wyników eksperymentów wspomnianych przed chwilą.

      Z prawa Biota-Savarta kolejny wniosek wyprowadził Laplace: mały element prądu wywiera na biegun magnesu siłę