Struktura rewolucji relatywistycznej i kwantowej w fizyce. Wojciech Sady

filozoficznych i religijnych, na rozwój nauki, a w szczególności na przeobrażenia zwane rewolucyjnymi.

      Kuhn (1962, rozdz. VIII) twierdzi, że nauka normalna zazwyczaj trzyma się z dala od filozofii, natomiast naukowcy, którzy udręczeni kryzysem prowadzą badania nadzwyczajne, dość często uciekają się do analiz i poglądów filozoficznych. Wymienione przed chwilą odkrycia nie zostały jednak dokonane w Kuhnowskich sytuacjach kryzysowych. Z kolei żaden z bohaterów rozdziału I – a to oni pracowali w dziedzinie, w której uporczywych i ważnych „anomalii” było w bród – nie uciekał się do refleksji filozoficznych. Wygląda na to, że Kuhn się mylił. Ale tak czy inaczej, z uwagi na centralny temat tej książki, należy się zastanowić, czy źródłem teoretycznych nowości skutkujących rewolucjami naukowymi nie bywają poglądy czerpane spoza nauki.

      Należy najpierw podkreślić, że choć Ritter i Ørsted byli do pewnego stopnia – z uwagi na Schellingowskie inspiracje – outsiderami, to nie zupełnymi. Przyswoili sobie niemałą porcję oficjalnej – podzielanej przez zdecydowaną większość uczonych pierwszych lat XIX w. – fizyki. Mało tego, korzystali ze standardowych w ich czasach przyrządów laboratoryjnych, co silnie wiązało ich z większością. A wreszcie, ich odkrycia weszły do naukowego obrazu świata wtedy, gdy grupa zasadnicza uczonych wyraziła je w języku fizyki klasycznej – i zamieniła promienie chemiczne Rittera na promienie nadfioletowe, a moce wywierane na magnes przez konflikt elektryczny Ørsteda na siły między prądami i magnesami.

      Do pytania o wpływ koncepcji filozoficznych na myślenie naukowców, dokonujących rewolucji naukowej, wrócimy w § 4.22.

      3.3. Narodziny elektrodynamiki

      Na początku września 1820 Arago zdał w Królewskiej Akademii Nauk w Paryżu raport o odkryciu Ørsteda. Pobudzony tym 45-letni matematyk (a także chemik, psycholog, filozof i naukoznawca, w żadnej z tych dziedzin niemający formalnego wykształcenia), André-Marie Ampère, przystąpił do badań, które trwały do stycznia następnego roku. Prowadził je, niezręcznie manipulując zamawianymi u rzemieślników przyrządami i poddając uzyskiwane rezultaty analizie matematycznej. Już po tygodniu przedstawił w Akademii pierwsze wyniki.

      Najważniejsze było odkrycie, że prądy elektryczne działają na siebie siłami. W najprostszym przypadku dwóch równoległych przewodów występuje przyciąganie, gdy prądy w obu płyną w tym samym kierunku, a odpychanie, gdy płyną w kierunkach przeciwnych. Jeszcze we wrześniu uczony wywnioskował stąd – i potwierdził ten wniosek eksperymentalnie – że solenoid z prądem wywiera takie samo działanie jak magnes stały. Na tej podstawie twierdził, że magnesy zawdzięczają swoje działanie prądom elektrycznym, które płyną w nich w płaszczyznach prostopadłych do ich osi.

      Rozważmy teraz oddziaływanie prądu elektrycznego i magnesu oraz oddziaływanie dwóch magnesów; zobaczymy, że oba podlegają temu samemu prawu rządzącemu oddziaływaniem dwóch prądów, jeżeli założymy, że prąd płynie w każdym punkcie linii narysowanej na powierzchni magnesu od jednego bieguna do drugiego w płaszczyznach prostopadłych do osi tego magnesu; z uwagi na wszystkie fakty nie wydaje mi się możliwe wątpić, że takie prądy istnieją wokół osi magnesu (Ampère 1820, § I.4).

      Od tej chwili płyny magnetyczne zaczęły znikać z fizycznego obrazu świata: akceptacja twierdzeń Ampère’a oznaczała redukcję teorii magnetyzmu do teorii elektryczności.

      Ostateczne podsumowanie swoich prac uczony dał w (1826). Twierdził w tytule, że wydedukował prawa – jak to nazwał – elektrodynamiki z samych wyników eksperymentów. Faktycznie były to dedukcje z wyników eksperymentów, praw mechaniki klasycznej, wiedzy towarzyszącej, a także pewnych założeń, najwyraźniej przyjętych przez analogię z prawami (1.2), (1.3) i (1.4). Założenie pierwsze brzmiało, że siły elektrodynamiczne są centralne: działają wzdłuż linii łączących elementy prądów. Drugie, że siły są proporcjonalne do natężeń prądów. Ale same natężenia były definiowane przez wartości sił:

      Wyjaśnię teraz, jak z tych przypadków równowagi rygorystycznie wywnioskować wzór, za pomocą którego przedstawiam wzajemne oddziaływanie dwóch elementów prądu galwanicznego, pokazując, że jest to jedyna siła, która, działając wzdłuż linii prostej łączącej ich punkty środkowe, może zgadzać się z faktami eksperymentalnymi. Przede wszystkim jest oczywiste, że wzajemne oddziaływanie dwóch elementów prądu elektrycznego jest proporcjonalne do ich długości; ponieważ przy założeniu, że podzielono je na nieskończenie małe równe części wzdłuż ich długości, wszystkie przyciągania i odpychania tych części można uznać za skierowane wzdłuż tej samej linii prostej, tak że koniecznie się one sumują. To działanie musi być również proporcjonalne do natężeń obu prądów. Aby wyrazić natężenie prądu liczbowo, załóżmy, że do porównania wybrano inny arbitralny prąd, że z każdego prądu pobrano dwa równe elementy i że wyznacza się stosunek działań, które wywierają one z tej samej odległości na podobny element jakiegoś innego prądu do nich równoległego […]. Ten stosunek będzie miarą natężenia jednego prądu, jeśli drugi przyjmiemy za jednostkę (Ampère 1826).

      Ostateczny wzór na przyciągającą bądź odpychającą siłę między elementami dwóch przewodników ds₁ i ds₂, przez które płyną prądy o natężeniach i₁ i i₂, miał postać:

(3.1)

      gdzie α, β, γ – kąty między ds₁ i ds₂ i między ds₁ i ds₂ a łączącym je odcinkiem. Zawarte w tym wzorze twierdzenie o proporcjonalności siły do natężeń prądów miało – o czym świadczą trzy ostatnie zdania cytowanego przed chwilą fragmentu – charakter analityczny. (Na zdefiniowanie natężenia prądu jako stosunku przepływającego ładunku do czasu trzeba było jeszcze poczekać). Natomiast z praw mechaniki, wiedzy towarzyszącej i wyników eksperymentów Ampère wywnioskował, że siły między elementami prądów maleją proporcjonalnie do kwadratu odległości i są zależne od wymienionych przed chwilą kątów (podaną w równaniu (3.1) zależność trzeba było poprawić).

      Tym i innym badaniom towarzyszyły rozliczne spekulacje na temat natury magnetyzmu, elektryczności i prądów elektrycznych. Biot spekulował, że powierzchnia przewodnika pod wpływem prądu zyskuje kołowe własności magnetyczne (a zatem nie prąd elektryczny, ale magnes działa na magnes). Humphry Davy pisał o wirze magnetyzmu wokół drutu, natomiast Ørsted o prądzie elektrycznym jako o serii zaburzeń rozchodzących się w sposób falowy. Ampère spekulował, że prąd elektryczny jest łańcuchem chwilowych polaryzacji dwóch płynów elektrycznych, a następnie, że siły elektrodynamiczne są przekazywane przez prostopadłe do kierunku prądu periodyczne polaryzacje cząstek eteru otaczających przewody. Wszystkie te twory wyobraźni – podobnie jak te wspomniane w komentarzu 1.8 – pozostały prywatnymi własnościami swych twórców i grup ich zwolenników. Natomiast równania – wyprowadzone z praw mechaniki klasycznej, wiedzy towarzyszącej i wyników eksperymentów – określające wartości sił między prądami i biegunami magnesu oraz między elementami prądów weszły do trwałego dorobku nauki.

      Do badań nad oddziaływaniem prądów i magnesów włączył się Michael Faraday. Syn wiejskiego kowala nie odebrał formalnego wykształcenia, ale, zatrudniony przez Davy’ego jako asystent, odbył z nim w latach 1813–1815 podróż po Europie, w trakcie której poznał wielu