Struktura rewolucji relatywistycznej i kwantowej w fizyce. Wojciech Sady

się po liniach prostych, znano prawa odbicia i załamania, wiedziano, że współczynnik załamania różni się nieco dla różnych barw, a światło białe jest mieszaniną barw tęczy. Znano podwójne załamanie w szpacie islandzkim. Opisano zjawiska dyfrakcji. Z dobrym przybliżeniem znano prędkość światła.

      Z modelu Kopernika wynikało, że w cyklu rocznym będziemy obserwowali paralaksę gwiezdną. Poszukując jej, James Bradley odkrył w 1728 coś innego: aberrację światła gwiazd, będącą skutkiem – jak zrozumiał – wektorowego zsumowania prędkości światła i prędkości orbitalnego ruchu Ziemi.

      Eksperymentalnym badaniom nad światłem towarzyszyły spekulacje na temat jego natury. Jedni twierdzili, że jest ono zjawiskiem falowym, inni, że jest strumieniem mikroskopijnych korpuskuł. W XVIII w. zdecydowaną przewagę zyskała teoria korpuskularna. Ruch korpuskuł świetlnych, tak jak wszystko inne, miał podlegać prawom mechaniki (np. załamanie wyjaśniano siłami, jakie miały działać na korpuskuły świetlne na granicy ośrodków), ale konkretnych rezultatów w tym zakresie nie uzyskano.

      W 1800 William Herschel, w trakcie badań nad cieplnymi własnościami widma słonecznego, odkrył „promienie cieplne”. Pobudzony tymi wieściami Johann W. Ritter, zwolennik romantycznej Naturphilosophie, podjął poszukiwania przeciwnie – chłodząco – działających promieni po przeciwnej stronie widma („uniwersalny dualizm” miał być, według Schellinga, zasadą wszelkich wyjaśnień przyrodniczych). Nie znalazł ich, ale przy tej okazji stwierdził, że chlorek srebra najszybciej ciemnieje, gdy wystawiony jest na działanie „chemicznych promieni” znajdujących się poza fioletową granicą widma. Te same promienie odkrył niezależnie William Wollaston. Choć wkrótce ustalono eksperymentalnie, że jedne i drugie promienie, podobnie jak światło, odbijają się i załamują, to panujące wtedy teoria cieplika i korpuskularna teoria światła nie pozwalały stwierdzić, że mamy do czynienia z promieniami tej samej natury. Trzeba było trzydziestu lat badań, aby promienie cieplne i chemiczne stały się promieniami podczerwonymi i nadfioletowymi.

      2.2. M-falowa teoria światła

      Thomas Young w 1799, a Augustin Fresnel w 1815 ogłosili prace, w których wskrzesili falową teorię światła. Wskazywali na analogie między własnościami światła a tym, co widziano, patrząc m.in. na zachowanie fal na powierzchni wody. Na przykład fale wodne rozchodzą się zawsze z taką samą prędkością – podczas gdy dla zwolenników korpuskularnej teorii pozostawało tajemnicą, dlaczego np. Słońce i świeca wyrzucają z siebie świetlne drobinki zawsze z identycznymi prędkościami. Fale na wodzie uginają się na brzegu przeszkody, podobnie jak światło omijające krawędź przedmiotu. A wreszcie na powierzchni wody można zaobserwować interferencję fal, analogiczną do obrazów, jakie tworzy światło np. odbite od miejsca, gdzie soczewka styka się ze szklaną płytką. Prosta analiza tych obrazów pozwoliła określić długości fal świetlnych, różne dla różnych barw. Gdy dodatkowo Fresnel, sprowokowany uwagą Poissona, w 1818 zademonstrował, że w środku cienia niewielkiej tarczy pojawia się jasna plamka, falowa teoria światła zyskała szybko powszechną akceptację.

      Oczekiwano, że fale świetlne, podobnie jak wszystko inne, podlegają prawom mechaniki klasycznej. Jest zatem coś, w czym te fale powstają, a co nazwano „eterem”. Ponieważ światło dociera do nas od gwiazd, prowadziło to do wniosku, że eter wypełnia całą przestrzeń (z wyjątkiem może miejsc zajętych przez ciała nieprzezroczyste).

      Kuhn pisze o „niewidoczności rewolucji”, biorącej się stąd, że naukowcy nieświadomie interpretują dokonania swoich poprzedników tak, jak gdyby borykali się oni z tymi problemami badawczymi, jakie by podejmowali, pracując w ramach współcześnie panującego stylu myślowego. Jednym z takich rozpowszechnionych nieporozumień jest traktowanie dwóch falowych teorii światła – mechanicznej i elektromagnetycznej – rozwijanych w XIX w. niczym jednej. Na czym różnica między nimi polegała, stanie się jasne poniżej, od razu zacznę natomiast określać tę pierwszą mianem „m-falowej”.

      2.3. „Anomalie” i „hipotezy ad hoc”

      Akurat gdy rodziła się m-falowa teoria światła, dokonano dwóch odkryć, których nigdy – jak dziś wiemy – nie udało się włączyć w zakres jej udanych zastosowań. Dochodziły do tego problemy z wyjaśnieniem wspomnianego już zjawiska aberracji gwiezdnej. Przyjrzyjmy się tym trudnościom i reakcjom na nie.

      W 1808 Étienne Louis Malus – który wcześniej spekulował, że światło jest związkiem tlenu i cieplika, o różnych proporcjach dla różnych barw – odkrył zjawisko polaryzacji światła. Malus, Laplace i Jean-Baptiste Biot przedstawili hipotetyczne wyjaśnienia tego zjawiska w ramach teorii korpuskularnej, których nie będziemy tu omawiać (słowo „polaryzacja” wzięło się stąd, że wyposażali korpuskuły świetlne w bieguny). Natomiast David Brewster, François Dominique Arago i Biot stwierdzili, na podstawie systematycznych badań eksperymentalnych, że promienie spolaryzowane w tej samej płaszczyźnie interferują ze sobą, a spolaryzowane w płaszczyznach prostopadłych obrazu interferencyjnego nie dają. Te odkrycia zmusiły Younga w 1817 do przyjęcia, że fale świetlne mają składową poprzeczną do kierunku ich rozchodzenia się. Wkrótce potem Fresnel, pod presją wyników eksperymentów, stwierdził, że światło jest falą całkowicie poprzeczną. Takie fale mogą, zgodnie z zasadami mechaniki, powstawać tylko we wnętrzach ciał mających sprężystość kształtu, a takimi są ciała stałe. Jednak we wszystkich znanych nam ciałach stałych mogą ponadto powstawać fale podłużne – a w przypadku światła istnienia takowych odkryć się eksperymentalnie nie udawało.

      Próbowano nieistnienie podłużnych fal świetlnych wyjaśnić, dodając do mechanicznego programu badawczego rozmaite hipotezy ad hoc. Fresnel twierdził, że eter jest ciałem całkowicie nieściśliwym. Ale gdy teoretycznie analizował zjawisko załamania światła na granicy dwóch ośrodków, to – by otrzymać formuły zgodne z wynikami eksperymentów – musiał porzucić to założenie. Nigdy mechanicznie niesprzecznej teorii zjawisk świetlnych nie przedstawił. W 1839 Augustin Cauchy zauważył, że – zgodnie z prawami mechaniki – takie fale by nie powstawały, gdyby współczynnik sprężystości objętości wynosił –4/3 współczynnika sprężystości kształtu (fizycznie oznaczało to, że eter na ucisk reaguje dalszym skurczem, co z kolei groziło jego mechaniczną niestabilnością). W tym samym roku James MacCullagh stwierdził, że – znów zgodnie z klasycznymi prawami ruchów ciał – fale podłużne nie powstawałyby w ośrodku, który reaguje sprężyście jedynie na skręcenia. Jak to możliwe, tego nie wyjaśnił. Jego pomysł rozwinął William Rankine w 1850, większość raziła jednak dziwaczność takiej hipotezy.

      Kolejny problem pojawił się, gdy w 1810 Arago, używając teorii korpuskularnej, chciał zbadać eksperymentalnie, czy gwiazdy emitują światło z tą samą prędkością. Współczynnik załamania światła miał, według wspomnianej teorii, zależeć od prędkości, z jaką światło dociera do granicy ośrodków. Nikt nie wątpił w to, że Ziemia porusza się wokół Słońca z prędkością v_z ≈ 30 km/s, a zatem światło gwiazd, do których Ziemia właśnie zbliża się w swym ruchu orbitalnym, powinno docierać z prędkością większą o ok. 60 km/s niż światło gwiazd, od których Ziemia się oddala. Okazało się, że (w granicach dokładności pomiarów) światło załamuje się w pryzmacie tak, jak gdyby docierało do niego z tą samą prędkością ze wszystkich kierunków. Można było sądzić, że tej różnicy nie ma dlatego, iż cały Układ Słoneczny porusza się akurat względem eteru w stronę przeciwną do orbitalnego ruchu Ziemi z podobną prędkością. Wtedy jednak przewidywany efekt wystąpiłby po pół roku dwukrotnie powiększony – co się nie stało.

      Znów pojawiły się hipotezy ad hoc. Fresnel (1818) rozumował, jak można przypuścić, następująco: