Struktura rewolucji relatywistycznej i kwantowej w fizyce recenzja

Słowo ‘rewolucja’, jeśli już ma być odniesione do jakiegokolwiek elementu postępu w wyjaśnianiu mechanizmów świat fizykalnego, kojarzone jest z trzema przemianami w myśleniu. Mechanika klasyczna Galileusza i Newtona ufundowała naukę nowożytną, teoria względności zerwała z absolutnym rozumieniem czasu i przestrzeni, mechanika kwantowa naruszała paradygmat determinizmu opisując lokalne i nielokalne właściwości mikroświata. Można takie spojrzenie nawet odrzucić dysponując na przykład jasno sprecyzowanym rozumieniem pojęcia ‘rewolucja’, wciąż jednak pozostaje faktem, że rozwój nauki nie odbywa się liniowo, niezależnie czy po drodze nam z pojęciami filozofów nauki. W istocie tę ostatnią uprawia się by lepiej (pełniej, spójniej, precyzyjniej) opisywać świat zastany. Sam proces kumulowania wiedzy przyrodniczej jest lekcją niejednoznaczną i niekoniecznie absorbuje ‘poszukiwaczy wyjaśnienia’. Niezależnie od tych wszystkich uwag, historyczno-filozoficzna książka „Struktura rewolucji relatywistycznej i kwantowej w fizyce” ciekawie odtwarza ewolucję w myśleniu fizyków, które doprowadziły do dwóch z trzech wspomnianych jakościowych zmian redefiniujących nasze rozumienie fundamentów. Wojciech Sady to filozof nauki z dobrym przygotowaniem fizycznym, który zmierzył się z ‘Popperami-Lakatosami-Kuhnami’ oferując osobiste odczytanie fizyki epoki elektryczności, która sto lat temu wydała owoce w postaci plastycznej wizji czasoprzestrzeni, jako sceny na której rozgrywa się korpuskularno-falowe życie atomów i ich składników. Szukając zasad i schematów w procesie rozwoju nauk fizycznych, poddaje dyskusji pojęcia ‘rewolucja’ i ‘geniusz’, stawiając raczej na zbiorowość i intelektualne powinowactwa, które w społeczności naukowców miałyby definiować ramy dla możliwych przemian. Jest w tym sporo wartościowego namysłu i nieszablonowego spojrzenia na ‘wzloty i potknięcia’ fizyków, choć z dużym marginesem na moje wątpliwości i odmienne perspektywy. Lektura dość ‘zwarta’ i wymagająca skupienia od czytelnika.

Książka jest opowieścią o fizyce w zasadzie XIX-wiecznej. W pewnym zakresie sięga do wieku XVIII i XX, jeśli wymaga tego spójność przekazu. Sam tytuł jest trochę mylący, bo główna narracja procesu tworzenia fizyki urywa się na 1905 roku dla procesów relatywistycznych (gdy Einstein sformułował szczególną teorię względności), i na 1913 dla mechaniki kwantowej, gdy Bohr stworzył model atomu konsekwentnie korzystając z postulatu kwantowości Plancka. Sady porusza się głównie wokół elektryczności i magnetyzmu, jako zbioru zjawisk, które wymagały ilościowego i jakościowego opisania. Jest to jedyny trafny wybór, bo to na nim wyrosła późniejsza XX-wieczna rewolucyjność. Daje to miejsce na spekulacje wokół różnych koncepcji rozumienia oddziaływania. Czy jest natychmiastowe, czy wymaga ośrodka, w jaki sposób realizowane jest przekazywanie energii, czy coś różni materię od energii i, kontynuując wiekowy spór od czasu Newtona i Huygensa, co jest korpuskułą a co falą? Tak fundamentalne pytania, jak pokazał filozof, pozwoliły społeczności fizyków okiełznać elektryczność, rozwinąć zastosowania statystyki do termodynamiki i w konsekwencji do nauk przyrodniczych, odrzucić eter, cieplik czy wiry materii jako mechanizm transportu materii-energii. W tym całym burzliwym okresie, fizyka wydała wiele osobowości, które błądząc, wypracowując błyskotliwe koncepcje, szukając analogii, potwierdzając eksperymenty teorią i teorie przez eksperymenty, dochodziły do prawdy.

Choć nie z wszystkimi wnioskami się zgadzam, to całość tekstu jest pewnym projektem odczytania źródeł fizyki współczesnej, które dały nam wygodne życie poprzez jej technologiczne realizacje. Rozwój myśli, która stanowiła podstawę do zrozumienia rewolucyjności kwantowo-relatywistycznej, to konsekwencja pracy pokoleń wcześniejszych badaczy (to banał, który w książce jest nietrywialnie rozbudowany). Sady bardzo ciekawie pokazał pewien mechanizm i sposób uprawiania nauki, który dotyczył największych – Maxwella, Lorentza, Plancka czy Bohra. Często błędnie interpretowali konsekwencje własnych myśli, choć pracując w reżimie ilościowej logiki matematyki i języka, dochodzili do prawidłowych wniosków, które stanowiły w istocie ‘glebę’ dla przełomów (np. str. 77, 80, 87, 106-107, 118, 141). Powiązana z tą obserwacją ogólniejsza hipoteza, wypadła również ciekawie. Chodzi o mechanistyczne podejście do nauki. Geniusz Newtona i jego dominacja sprawiły, że każde odstępstwo od paradygmatu sir Izaaka trzeba było uwzględniać czasem wbrew sobie. Sady pokazał, jak to myślenie kierunkowało badaczy nowych zjawisk, nawet w okresie, gdy wykazano niemożliwość natychmiastowej komunikacji separowanych układów, a każdy kawałek materii w pewnych okolicznościach miał i cechy falowe. Świat deterministycznych punktowych mas zderzających się sprężyście w jednoznacznie zdefiniowanym czasie i przestrzeni zanim upadał, długo rezonował w myśleniu naukowców. Nieco gorzej, choć wciąż dobrze oddał profesor napięcie myślowe między równolegle rozwijanymi koncepcjami zjawisk elektrycznych (przewodniki, wpływ magnesów na indukcję,…) i zjawisk czysto świetlnych, głównie rozważanych językiem falowym (z genialnym opisem efektu fotoelektrycznego Einsteina jako kontrprzykładem). Sam fakt uzmysłowiania sobie (co było procesem trwającym kilka dekad), że elektryczność i światło (a szerzej fale elektromagnetyczne) łączy fundamentalna przyrodnicza właściwość, zasługuje na opisanie jako ‘rewolucyjnej idei zbiorowego geniuszu’. Galeria nazwisk - od Fresnela, Faradaya, Maxwella, po Hertza, Thomsona, Roentgena, Rutherforda – była niezbędna by wypracować spójną wizję ogarniającą ogrom obserwacji, czasem jakby sprzecznych, czasem pozornie nieskorelowanych.

Równolegle z krytyką, głównie Kuhna i jego ‘rewolucyjności’, ‘paradygmatu’, ‘anomalii’ i ‘normalnej nauki’, Sady buduje wnioski na podstawie akceptowanej przez siebie filozofii Ludwika Flecka. Nie znając prac Flecka, mogę jedynie odnosić się do tego, co zawarł z jego przemyśleń autor „Struktury rewolucji …”. Nie zgadzam się z rozkładem akcentów, w wyniku których ważne zagadnienia zostały nieuwzględnione. Nauki nie uprawia się (a już na pewno nie tylko) dla społecznego i kulturowego rezonansu. W przyrodniczym dociekaniu prawdy rozwój odbywa się nie tyko poprzez zmianę, ale i kumulację. Czasem do tego zbyt często myli się nowy uogólniający proces narracyjny z odrzuceniem tego, co było kiedyś (*). Stąd uważam, że zbyt jednostronnie autor wpisał pracę naukową w kulturowy kontekst (str. 19, 147, 222). Sprowadził naukę do wymiaru społecznego, co może w odbiorze części czytelników stwarzać wrażenie, że dowolność jest głównym wyznacznikiem laboratoriów i publikacji (tych dobrych). Akcentowanie wspólnotowego wkładu nie oddaje jednak stanu faktycznego w pełni. W poł. XIX wieku rynek czasopism raczkował, było sporo barier językowych (są liczne przykłady, gdy ważne publikacje czekały na ‘odkrycie’ przez dekady, bo ukazały się na przykład po niderlandzku czy rosyjsku), nie było struktur i sformalizowanych międzynarodowych sympozjów. Społeczność fizyków była mała (jeszcze pod koniec XIX wieku zawodowych fizyków było ok. 1000, z czego najwyżej 10% to były jednostki rozpoznawalne). W porównaniu ze zjawiskami społecznego przepływu myśli obecnie, w okresie który referuje Sady, zdecydowanie częściej występowały ‘samotne wyspy’ niż ‘burza mózgów’.

To, na co zwracam uwagę w tego typu publikacjach, to równy poziom tekstu. W zasadzie on dominuje w opiniowanej pracy, w tym sensie, że spójnie współgra z założonym odbiorcą. Tylko w przypadku opisu konkretnych eksperymentów zabrakło konsekwencji. Kluczowe eksperymenty tej epoki wykonano przy użyciu bolometru i rury katodowej (przydałby się jeszcze opis spektrometru). Pierwszy instrument doczekał się niewspółmiernie nikłego opisu w porównaniu do drugiego (str. 131, 147).

W kilku miejscach Sady dokonał ogólnych spostrzeżeń różnej natury. Czasem to należy zapisać na plus, a czasem wręcz przeciwnie. Na przykład, zdecydowanie nie docenił i nie zaakcentował krytycznego znaczenia przełomowych eksperymentów duetu doświadczalnika i teoretyka, wprowadzając tylko puentę (str. 124):

Sporo ogólników stanowi dla mnie tak wyrwane z kontekstu sądy, że z jednej strony wydają się oczywiste z drugiej łatwe do podważenia bez precyzyjnego rozpisania znaczenia kluczowych słów, na przykład (str. 177):

Może to detal, ale Sady kilkukrotnie stwierdził, że mariaż szczególnej teorii względności z mechaniką kwantową jest dziełem dalekim od zupełności. Ponieważ jednak nie wyjaśnił w jakim sensie, muszę zaprotestować. Elektrodynamika kwantowa (QE) jest właśnie w pełni relatywistycznym opisem oddziaływań elektronu z fotonem, i jak powiedział Freeman Dyson, człowiek który matematycznie połączył dwie wersje QE zapostulowane przez Feynmana i Schwingera, eksperymenty są zgodne z QE z niebywałą dokładnością. (**)

Książka wymaga pewnego przygotowania pojęciowego z zakresu fizyki i zaznajomienia z ilościowymi relacjami, głównie wykorzystywanymi w elektrodynamice klasycznej (***). Sady operuje technicznym językiem, na szczęście wzory rozpisuje we współczesnej notacji i tłumaczy ich sens. Na pewno książka jest skierowana do studentów fizyki czy doktorantów filozofii, którzy chcieliby specjalizować się w fizyce. ‘Zwykły’ czytelnik może z powodzeniem śledzić kluczowe fragmenty, szczególnie że najważniejsze podsumowania i uwagi wyróżniono pogrubioną czcionką. Sam z kilkoma takimi resumé mam kłopot, który wynika z różnych przesłanek. Rozumiem, że głównym zadaniem autora było pokazanie procesu wykluwania się pewnych myśli na krętej drodze poznania. Zabrakło mi więc kilku elementów, które w XX-wiecznej fizyce stanowią jej atut i są jej cechą formującą, choć to już w stuleciu wcześniejszym istniały jednoznacznie, wręcz budowały postęp. Chodzi o unifikację i matematyzację. Uważam, że zasługiwały na jaśniejsze wyeksponowanie. Obie są, ale jakby w ukryciu i w porównaniu do kilku bardzo oczywistych stwierdzeń, powinno się znaleźć i miejsce dla nich. Połączenie optyki i elektromagnetyzmu w elektrodynamikę oraz mechaniki Newtona z teorią ciepła w fizykę statystyczną (oba zjawiska ok. 1870) to pierwsze wielkie ujednolicenia dużych grup zjawisk i teoretycznych modeli. Zaś te procesy były możliwe poprzez solidne uwzględnienie matematycznego języka. Szkoda, że Sady nie poświecił temu więcej uwagi. Z drugiej strony dużym plusem jest układ rozdziałów. Te z kolei podzielono na paragrafy, których tytuły dobrze oddają treść i emocjonalny status rozwoju fizyki. Są akcentowane podsumowania, które czytelnik dostaje jako kierujące jego dalszym myśleniem ‘kapsułki’. Dobrym zabiegiem było również podkreślenie relacji pracy doświadczalników i teoretyków. Przez całą książkę powraca waga interakcji tych dwóch dróg poszukiwań; przy okazji widać, że w tamtym okresie jeszcze można było być jednym i drugim typem naukowca.

Na koniec o ‘geniuszu’ i ‘rewolucji’. Z reguły Sady ma rację, że czasem przesadza się z przypisywaniem komuś statusu geniusza. Fizyka od dawna jest nauką kolektywną, gdzie 1% dobrych pomysłów poprzedza 99% błędnych. Być może geniusz ma tych ostatnich nieco mniej. Unikalność, według profesora, to sytuacja, gdy naukowiec z układanki faktów wyciąga poprawne wnioski (str. 160). Paradoks „Struktury rewolucji …” polega na tym, że potwierdzając rewolucyjność tytułowych teorii, rozważył filozof wyłącznie poprzedzające je burzliwe czasy błądzenia i ślepych uliczek, czasem sygnalizowane ‘przebłyskami geniuszu’ konkretnego eksperymentu czy trafnego artykułu. W wersji nieco okrojonej z ‘nadludzkiej wyjątkowości’ pozostał geniusz Einsteina, który założył to, czego bali się wprost wnioskować starsi koledzy. Podobnie było z Bohrem, który zaakceptował kwantowość światła i dyskretną budowę orbit elektronów w atomie. Jednocześnie stworzył pomost między światem klasycznym i kwantowym postulując zasadę korespondencji, ale to już zupełnie inna historia.

DOBRE – 7/10

=======

* Społeczność akademicka nie jest tożsama z jej przedstawicielami, a ci mają różne podejście do nauki, która jako proces odkrywania zasad rządzących światem jest czymś jeszcze innym. Nikt nie uczy się z „Principiów” Newtona mechaniki, nie tylko z powodu archaicznego język i w związku z wiedzą, którą posiada dziś każdy, ale głównie z powodów pragmatycznych. Po prostu można to zrobić zdecydowanie efektywniej używając narządzi, które ostatnie setki lat udostępniły ludziom. Ale z drugiej strony nie oznacza to, że w pracy Newtona są błędy (z punktu wiedzenia mechaniki klasycznej). W przypadku uogólnień, które w bardzo ograniczonym sensie można określić jako ‘kulturowy i niszowo-fachowy’ sposób pokazania tego samego zjawiska, łatwo zwerbalizować ten problem na przykładzie elektrodynamiki klasycznej. Równania Maxwella można sformułować w wersji różniczkowej, w wersji całkowej (co właściwie daje dodatkowy wgląd w istotę definicji operatorów różniczkowych), przy pomocy tensorów, przy pomocy form różniczkowych, a w skrajnym i najbardziej zwartym przypadku za pomocą operatora gwiazdkowego Hodge’a. Każda jest dobra, każda wykorzystuje pewne relacje między różnymi tworami teoretycznymi. Inżynier szukając oporu w przewodzie zastosuje inne formuły, niż matematyk, dla którego 1-formy są czymś zrozumiałym. Jeśli więc w tym sensie rozumieć kulturowe konteksty różnych specjalistów, to jestem w stanie zaakceptować użycie tego pojęcia przez autora. Mam jednak przekonanie, że chodziło mu o zdecydowanie szersze odniesienie.

** Wypowiedź F. Dysona przytacza A. K. Wróblewski w „Historii fizyki” (PWN, 2006) na str. 580.

*** Nie powiem, że wymagany jest uniwersytecki kurs fizyki ogólnej (choć z takim bagażem czyta się całość zdecydowanie lepiej), to jednak w związku z uwiądem edukacyjnego poziomu w liceach (wykorzystywany kiedyś podręcznik do III LO napisany przez prof. Ginter idealnie pasuje do poziomu fizyki w książce), nie do końca wiem jak pozycjonować zaawansowanie treści. Wymagana wiedza matematyczna jest z reguły na poziomie szkolnym, choć warto znać podstawy rachunku operatorowego i różniczkowania, by zrozumieć pojawiające się wzory z elektromagnetyzmu. Jeśli więc ktoś wie, że dywergencja z rotacji dowolnego wektora wynosi zero, to jest na 120% ‘przygotowany do lektury’ (a dokładnie, ta własność jest wykorzystana w pewnym przejściu ilościowego opisu równań Maxwella).