Fale radiowe. Tajemnice eteru, którego nie ma

James Clerk Maxwell (1831–1879) był szkockim fizykiem i matematykiem, którego prace teoretyczne doprowadziły do odkrycia fal radiowych. Doniosłość skutków tego odkrycia obserwujemy na każdym kroku. Maxwell odkrył fale radiowe w dość nietypowy sposób. Fal tych nie można przecież zobaczyć, dotknąć, wyczuć jakimkolwiek zmysłem, dlatego ich odkrycie nie mogło być dziełem przypadkowej obserwacji czy następstwem badan empirycznych. Mało tego: fale elektromagnetyczne jako fizyczny obiekt możliwy do odkrycia jedynie za pomocą przyrządów pomiarowych do połowy XIX w. praktycznie nie istniały, ponieważ naturalne źródła tych fal (np. kosmiczne) są niewiarygodnie słabe, a sztucznych nie było. Tak więc jeszcze 150 lat temu były znikome szanse na to, że ludzie odkryją ich istnienie. Łatwo jest bowiem szczęśliwym trafem (albo mozolnym szperaniem) wykryć coś poznawalnego zmysłami, dotykalnego, a przynajmniej przewidywalnego. Na to jednak, by odkryć coś niewidzialnego, coś, co w dodatku trzeba stworzyć, żeby to potem zaobserwować, a nie zwyczajnie znaleźć, potrzeba przebłysku geniuszu.

Ujmijmy to tak: każdy może zostać bogaczem, znalazłszy bryłę złota, bo jest ona widoczna. Na to jednak, aby dostrzec cenniejszą od złota postać Dawida w nieforemnej bryle marmuru, trzeba oka i umysłu Michała Anioła. Musiał on najpierw wyobrazić sobie tę rzeźbę, a potem – jak sam żartował – trzeba było tylko obtłuc niepotrzebne kawałki marmuru, które ją ukrywały.

Czytaj więcej

Historia świata

Jak powstawał kalendarz?

Wiele obiektów na świecie ubiega się o miano najstarszego kalendarza. Obecnie przyjmuje się, że najstarszy jest kamienny układ Wurdi Youang sprzed 11 tys. lat znajdujący się w Australii. Ale do tego miana aspirują także pewne zabytki w Szkocji, Bułgarii i Chorwacji. Nie ulega jednak wątpliwości: ludzie już w epoce kamiennej odczuwali potrzebę odmierzania czasu i tworzenia kalendarzy.

Aby odkryć fale radiowe, trzeba je było najpierw przewidzieć, stworzyć w idealnej postaci we własnym umyśle i wydobyć je – najpierw z własnego intelektu, a dopiero potem z zakamarków zazdrosnej przyrody.

Tworzenie teorii elektromagnetyzmu

Zaczęło się od tego, że Maxwella zdenerwował bałagan panujący w nauce o elektryczności i magnetyzmie. Temat był wówczas modny, ukazywało się wiele prac, ale każdy badacz inaczej opisywał swoje odkrycia. Osobno opisywano ładunki elektryczne, osobno doświadczenia z magnesami wywołującymi napięcie w cewce i zupełnie osobno brewerie, jakie wyczynia kompas w towarzystwie kabla z prądem. Pisali na ten temat najwięksi uczeni tamtej epoki: Gauss, Ampere, Oersted, Faraday. Maxwell spróbował zebrać to wszystko razem.

Starał się ująć związki pomiędzy zjawiskami elektrycznymi i magnetycznymi w formę wzorów matematycznych. Owe związki dzisiaj każdy z nas codziennie wykorzystuje, nie mając oczywiście o tym pojęcia. Ale np. włączając odkurzacz, zamieniam prąd na pole magnetyczne w silniku odkurzacza, dzięki czemu napędza on wentylator wciągający śmieci. Z kolei czytając przy elektrycznej lampie, korzystam z tego, że w elektrowni przetworzono wirujące pole magnetyczne na prąd. Dzisiaj to codzienność. Jednak 100 lat temu te zjawiska dopiero poznawano, Maxwell zaś postanowił zbudować matematyczne wzory, które je opiszą. Nie było to łatwe, gdyż okazało się, że jeden z wcześniejszych wzorów, powszechnie wówczas uznawany wzór Oersteda, zawierał niezauważony przez nikogo błąd. Maxwell najpierw więc skorygował prawo Oersteda, a potem zbudował swoje słynne cztery równania. Tylko cztery – a zawarty jest w nich cały Kosmos!

Czytaj więcej

Plus Minus

Przełomowego odkrycia nie będzie bez złamania norm

W społeczności fizyków teoretyków można obecnie wyczuć atmosferę rozczarowania, dojmujące przekonanie, że nie udało nam się dokonać przełomu równie ważnego jak badania, które na początku ubiegłego wieku doprowadziły do rewolucji kwantowej i relatywistycznej.

Równania Maxwella, wymyślone w 1864 r., są mądre, ale także piękne. Może nie każdy jest w stanie to piękno docenić, ale one naprawdę są piękne. Krótkie i zwięzłe, zbudowane według zasady symetrii, która wydaje się jedną z fundamentalnych cech Natury, ale z minimalnym naruszeniem tejże symetrii – podobnie jak w pięknej twarzy, którą prawdziwie zdobi dopiero niesforny pukiel włosów przełamujący jej posągowość. Równania Maxwella są także trudne zarówno do zrozumienia, jak i do rozwiązania. Jednak podjęcie tego trudu się opłaca, gdyż zrozumienie elektrodynamiki Maxwella jest warunkiem głębszego zrozumienia świata, w którym żyjemy.

Odkrycie fal radiowych

Maxwell stwierdził, że rozwiązanie stworzonych przez niego równań ma postać fali. Było to dla niego zadziwiające. No bo niby co tu ma falować? Fale na wodzie – to rzecz zrozumiała, drgania struny – to też coś namacalnego. Ale jak pojąć falę, która jest niedostrzegalna dla zmysłów, a w dodatku może się rozchodzić w absolutnej próżni?

Poszukiwania odpowiedzi na te pytania wykazały, że nie wszystkie zjawiska przyrody dadzą się sprowadzić do wyobrażeń opartych na codziennym doświadczeniu: dotykalnych przedmiotów, ruchów i oddziaływań. Dziś już wiemy, że usiłowania zmierzające do stworzenia dostępnego naszym zmysłom modelu wielu zjawisk są skazane na niepowodzenie. Świat wnętrza atomu, czarne dziury w Kosmosie, fale elektromagnetyczne... Jest wiele zjawisk i procesów, które piętrzą przed ludzką wyobraźnią nieprzebyty próg. Próby pokonania tego progu doprowadziły Maxwella do największego błędu jego życia. Zawiodła go wyobraźnia.

Wyobraźnia geniusza

Maxwell nie mógł się pogodzić z tym, że próżnia może falować. Musiał coś wymyślić! Trzeba dodać, że miał genialną wyobraźnię. Warto przypomnieć, że wcześniej dwukrotnie udało mu się właśnie tą wyobraźnią rozwiązać problemy naukowe, nad którymi bezskutecznie biedzili się inni uczeni. W 1859 r. stworzył teorię objaśniającą naturę najbardziej zagadkowego, a jednocześnie urzekająco pięknego tworu: gigantycznych pierścieni otaczających ogromny, lodowato zimny i zbudowany niemal wyłącznie z gazów glob Saturna. Pierścienie te, tak cienkie, że oglądane z boku stają się niewidoczne nawet w największych teleskopach, są tak szerokie, że widział je już Galileusz w swojej prymitywnej lunecie. Potem obserwowali je – dziwiąc się coraz bardziej – kolejni astronomowie przez blisko 300 lat. Uchodziły za najbardziej tajemniczy obiekt w Kosmosie, nikt bowiem nie domyślał się, czym one są. Wyjaśniły to dopiero prace Maxwella. Skupmy na chwilę uwagę na sposobie wyjaśnienia fenomenu Saturna, gdyż echo tego rozumowania pojawi się dość nieoczekiwanie w związku z falami radiowymi.

Teoria Maxwella zakładała, że pierścienie zbudowane są z bardzo dużej liczby stosunkowo małych (około metrowej średnicy) luźnych brył lodowych. Na poparcie swojej teorii Maxwell miał wyłącznie matematykę, ale wykazał, że tylko w ten sposób – zgodnie z mechaniką nieba – może istnieć taki zagadkowy twór. Dziś, gdy do Saturna docierają sondy kosmiczne, możemy się przekonać, że Maxwell miał rację!

Czytaj więcej

Historia

Maxwell napisał równania i odkrył fale radiowe

Pisałem już o osiągnięciu Oersteda, który w 1820 r. odkrył, że płynący prąd wytwarza pole magnetyczne. Pisałem też o odkryciu Faradaya, który w 1831 r. wykazał, że zmienne pole magnetyczne indukuje prąd elektryczny. Tym razem chcę opowiedzieć o genialnej syntezie wszystkich tych odkryć w postaci jednej teorii.

Teoria wirującego w otchłani Kosmosu lodowego cyklonu przyniosła mu natychmiast sławę, posadę w Kings College i... niechęć innych uczonych. Mówiło się (skąd my to znamy?), że... skoro prosto i zrozumiale wykłada najtrudniejsze zagadnienia, to zapewne je spłyca...

Co się dzieje w gazie?

Maxwell w odpowiedzi podjął i rozwiązał kolejne trudne zagadnienie. Opisał za pomocą wzoru matematycznego ruch miliardów cząsteczek gazu. Był to pierwszy przypadek wykorzystania atomowej teorii materii do wyjaśnienia natury zjawisk fizycznych znanych z codziennego doświadczenia. Popatrzmy, co zrobił Maxwell, bo to znowu – mimo bardzo odległych skojarzeń – miało wpływ na jego wizję fal radiowych.

Fizycy badający gazy stwierdzili, że ciśnienie gazu wzrasta, gdy jest on podgrzewany. Przypuszczano, że ma to związek z ruchem cząsteczek gazu. Ale jak ten ruch opisać? Przecież cząsteczki ustawicznie się zderzają, „pędzą” w różne strony, zyskują albo tracą energię. Maxwell zdołał znaleźć formułę matematyczną, która to skomplikowane zjawisko opisywała.

Wzór, jaki otrzymał, był skomplikowany, ale interpretacja – jak to u Maxwella! – była prosta i zrozumiała dla każdego: gdy w zbiorniku z gazem jest wyższa temperatura, wówczas cząsteczki szybciej się poruszają; szybsze cząsteczki częściej i mocniej uderzają o ściany naczynia, dlatego podgrzany gaz wywiera wyższe ciśnienie.

Czytaj więcej

Kosmos

Per aspera ad astra!

Po okresie odkrywania wszystkich zakamarków naszej planety (bieguny, szczyty najwyższych gór, głębie oceanów) ludzie postanowili sięgnąć dalej. Chcieli wyrwać się z Ziemi, żeby sięgnąć Kosmosu! Pierwsze kroki w tym zakresie realizowano, wysyłając sondy bezzałogowe.

Zauważmy podobieństwo teorii gazu i pierścieni Saturna. Tu i tam kluczem do rozwiązania okazała się wizja ogromnej liczby drobnych elementów, które – poruszając się niezależnie – wytwarzają dzięki prawom fizyki pewien obraz generalnego porządku.

Jak rozchodzą się fale radiowe?

Jak wspomniałem, Maxwell nie dopuszczał myśli, że fale radiowe mogą się rozprzestrzeniać w próżni. To mu się nie mieściło w głowie! Dlatego zaczął wyobrażać sobie niewidzialne, przenikające wszystko, idealnie sprężyste środowisko, w którym mogą rozchodzić się te fale. Środowisko to nazwał eterem.

Ponieważ teoria fal elektromagnetycznych zakładała, że pola elektryczne i magnetyczne wirują, a w dodatku są ze sobą powiązane, Maxwell zaczął w swoich pracach opisywać systemy niewidzialnych, powiązanych między sobą elementów (kul? trybików?), których ruchy i drgania są właśnie istotą fal radiowych. Bardzo to było podobne do wizji brył lodowych ścierających się w swoim odwiecznym biegu wokół Saturna i bardzo przypominało wypełniony zderzającymi się cząsteczkami zbiornik gazu!

Potwierdziła się znana prawda, że największym wrogiem uczonego jest sukces. Powoduje on wyoranie intelektualnej koleiny, która mimo woli ściąga wszystkie dalsze myśli, odwracając je od trudniej dostrzegalnej, niewytyczonej jeszcze ścieżki nowego odkrycia. Czytając ówczesne prace Maxwella, analizując te – rozczulające dziś swą naiwnością – pomysły i dywagacje, ma się świadomość stąpania po pobojowisku. Czytelnik wyczuwa, jak umysł tego tytana myśli zmagał się z niemożnością wyobrażenia sobie rzeczy niewyobrażalnej. I rodzi się współczucie dla twórcy, który tak dalece wyprzedził swoją epokę, że nawet sam nie dorósł do swojego dzieła.

Eter a teoria względności

Maxwell postulował istnienie eteru – nieważkiej i wszechobecnej substancji, która rzekomo miała wypełniać Kosmos i być „medium”, w którym rozchodziły się fale radiowe. Wizja eteru była piękna i trwa ona do dziś, chociaż dobrze wiemy, że żadnego eteru nie ma. Jednak wciąż mówi się o falach eteru, spotkaniach w eterze, a nawet o eterycznej urodzie.