Struktura rewolucji relatywistycznej i kwantowej w fizyce. Wojciech Sady

i bynajmniej nie trywialne, również w okresie Kuhnowskich badań normalnych – są prace zmierzające do włączenia kolejnych zjawisk do zakresu udanych zastosowań programu badawczego.

      Badania naukowe charakteryzują się wielką systematycznością. Hoyningen-Huene (2013) podniósł systematyczność do rangi kryterium naukowości badań: „Wiedza naukowa różni się od innych rodzajów wiedzy, a w szczególności od wiedzy potocznej, przede wszystkim tym, że jest bardziej systematyczna” (2008). Myślę, że trafił w sedno. On jednak używa słowa „nauka” (Wissenschaft) w bardzo szerokim sensie, obejmującym nauki przyrodnicze, społeczne, a także np. literaturoznawstwo, ja natomiast w tej książce piszę tylko o fizyce.

      Naukowa systematyczność polega, z mojego punktu widzenia, po pierwsze na tym, aby w każdej dziedzinie zaczynać badania od zjawisk najprostszych – a przynajmniej takich, które wydają się najprostsze. Po drugie na tym, aby przeprowadzać zawsze wiele eksperymentów, w których te same obiekty lub rodzaje obiektów występują w rozmaitych konfiguracjach – co pozwala przypisać im odpowiednie własności teoretyczne, a także uwiarygodnia uzyskane rezultaty. W miarę zdobywania wiedzy w danej dziedzinie przechodzi się, krok po kroku, do badań nad zjawiskami bardziej złożonymi. Nieustannie, o czym już była mowa, uściśla się wszelkie wartości już zmierzone, a do obliczeń wprowadza się, w miarę postępów badań, kolejne poprawki. Jeśli udanie zbadano pewne obiekty czy procesy, podejmuje się podobne badania dotyczące obiektów czy procesów jakoś tamte przypominających. Używam tu samych ogólników, ale sens obecnych uwag stanie się jasny w miarę lektury historycznych partii tej książki.

      Chciałbym szczególnie podkreślić jedną funkcję systematyczności, która ma kluczowe znaczenie dla rozwoju wiedzy, a zwykle w tekstach z zakresu metodologii i filozofii nauki jest ignorowana. Powiada się, że np. promienie X czy penicylina zostały odkryte za sprawą szczęśliwego przypadku. Takie opinie są mylące. Po pierwsze, aby dokonać tego rodzaju odkrycia, niezbędny jest umysł należycie przygotowany – który będzie w stanie rozpoznać, że ma do czynienia z czymś, co nie mieści się w ramach zastanego obrazu świata. Po drugie, systematyczność badań przesądza o tym, że w pewnych sytuacjach niedokonanie odkrycia powinno się określić mianem (niefortunnego) przypadku. Jeśli rzucam na oślep kamieniem, to jest mało prawdopodobne, że wpadnie on do znajdującego się nieopodal dołka. Ale piasek niesiony przez wiatr nieubłaganie wypełnia wszystkie zagłębienia, jakie napotka na swej drodze (porównanie to przejąłem od Flecka). Skoro naukowcy przeprowadzają tysiące eksperymentów, badają pod pewnym względem wszystko, czym tylko dysponują i na wszelkie sposoby, jakie znają, to z czasem staje się mało prawdopodobne, by któryś nie dokonał odkrycia, które mogło być dokonane z uwagi na dostępne w danym czasie przyrządy laboratoryjne, posiadaną już wiedzę teoretyczną, a wreszcie problematykę badawczą skupiającą na sobie uwagę dostatecznie wielu uczonych.

      1.4. CENTRALNE PYTANIE TEJ KSIĄŻKI

      Uwagi poczynione w trzech ostatnich paragrafach rodzą pytanie, wokół którego koncentrować się będą dociekania prowadzone poniżej: jeśli przyswojony system warunkuje działalność badawczą, podsuwa tematykę badań i narzuca sposoby ich prowadzenia, to jak to możliwe, aby uczeni zaczęli myśleć inaczej, niż ich myśleć nauczono? W szczególności, jak to się stało, że – wbrew przymusom myślowym narzucanym przez mechanikę klasyczną – wymyślono teorię względności i mechanikę kwantową?

      By na nie odpowiedzieć, przyjrzyjmy się obrazowi świata wczesnej mechaniki klasycznej, by następnie, w rozdziałach 2–7, śledzić stopniowe przeobrażenia, jakim ten obraz podlegał.

      1.5. Obraz świata mechaniki klasycznej

      W 1750 Leonhard Euler zapisał najważniejszą z zasad mechaniki Newtona w postaci:

(1.1)

      (Dla prostoty użyłem notacji wektorowej. Wszędzie dalej będę zapisywał wzory w formie używanej dzisiaj, przy użyciu wektorów i operatorów). W tym równaniu występują cztery zmienne, a skoro „istnieć to być wartością zmiennej” (Quine 1953), to świat z punktu widzenia mechaniki klasycznej miał być zbudowany z bytów czterech rodzajów. Wszystko miało zdarzać się w przestrzeni (trójwymiarowej, nieskończonej, euklidesowej, jednorodnej i izotropowej) oraz w czasie (płynącym jednostajnie i wszędzie jednakowo). Ciała, z których każde posiadało masę, miały działać na siebie siłami.

      Newton udanie zastosował zasady mechaniki i prawo grawitacji do opisu ruchów planet, księżyców i komet, wahadeł (w dobrym przybliżeniu) matematycznych, ciał spadających swobodnie czy pocisków poruszających się przy powierzchni Ziemi. Jakościowo wyjaśnił przypływy i odpływy mórz. Dość szybko udanie opisano w języku mechaniki drgania sprężyste o niewielkiej amplitudzie, zdefiniowano też ciśnienie jako stosunek siły do powierzchni.

      Newton próbował wprowadzić do mechanicznego obrazu świata zjawiska akustyczne, ale obliczona – na postawie praw mechaniki oraz dostępnej wiedzy o masie właściwej i współczynniku sprężystości powietrza – prędkość dźwięku była prawie o 1/5 mniejsza niż zmierzona doświadczalnie. Kolejne nieudane próby pogodzenia wartości teoretycznych i doświadczalnych trwały ponad sto lat. Dopiero badania nad przemianami adiabatycznymi gazów pozwoliły na początku XIX w., w sposób zgodny z wynikami eksperymentów, opisać dźwięki jako fale podłużne spełniające równania mechaniki.

      Wśród zjawisk niewprowadzonych do obrazu świata mechaniki klasycznej były zjawiska cieplne i optyczne. Spodziewano się, że jedne i drugie są przejawami ukrytych procesów podległych prawom mechaniki, ale co to za procesy, pozostawało tajemnicą. Wiedziano więc, czego się szuka, tyle że nie było jasne, jak to znaleźć. Wiele na te tematy spekulowano, formułowano jakościowe modele mechaniczne. O tych próbach – i ich niezamierzonych związkach z rewolucjami relatywistyczną i kwantową – opowiemy poniżej.

      1.6. Siły działające na odległość a siły działające przez kontakt

      Newton w III Księdze Philosophiae naturalis principia mathematica z zasad mechaniki i praw Keplera dotyczących ruchów planet wokół Słońca, Księżyca wokół Ziemi i satelitów Jowisza wokół niego, a także z wyników eksperymentów z wahadłami, wydedukował prawo grawitacji, które w późniejszych sformułowaniach przybrało (dla punktów materialnych) postać:

(1.2)

      gdzie G – stała, m₁, m₂ – masy ciał, r – odległość między nimi.

      Ponieważ pod koniec Księgi II Newton odrzucił Kartezjańskie twierdzenia o wirach unoszących planety, to powstawał obraz, w którym przestrzeń między Słońcem a planetami była pusta. W tym czasie myślenie większości uczonych kształtowane było przez fizykę Arystotelesa lub fizykę Kartezjusza, a w obu siły działać mogły – na wzór „zwykłych” popchnięć czy pociągnięć – jedynie przez kontakt. Sam Newton próbował dodać do swego obrazu eteryczny ośrodek przekazujący siłę grawitacji między ciałami, ale gdy mu się to nie udało, w II wydaniu Principia stwierdził:

      Pewne jest, że [siła grawitacji] zależy od ilości materii, jaką zawierają [ciała], a jej działanie rozchodzi się we wszystkie strony na ogromne dystanse, malejąc zawsze odwrotnie proporcjonalnie do kwadratu odległości. […] Jednak jak dotąd nie zdołałem odkryć na podstawie zjawisk przyczyny tych własności ciążenia, hipotez zaś nie formułuję; wszystko bowiem, co nie zostało wydedukowane ze zjawisk, należy nazwać hipotezą; a na hipotezy […] w filozofii doświadczalnej miejsca nie ma. W tej filozofii