Architekt nowej fizyki cz.3: tułaczka Einsteina

Dobiegamy do końca naszej opowieści o największym fizyku teoretycznym w historii nauki. Trzecia i ostatnia część cyklu obejmuje nie mniej fascynującą część życiorysu Alberta Einsteina, choć może nie obfitującą już w tak spektakularne sukcesy, jak wielkie odkrycia 1905 i 1915 roku.

Noblowskie perypetie Einsteina

Za każdym razem kiedy o tym myślę, nie mogę wyjść ze zdumienia. Szczególna teoria względności, stanowiąca przewrót naukowy niewiele mniejszy od kopernikańskiego, nigdy nie doczekała się uhonorowania nagrodą Nobla. Naszkicowana dekadę później ogólna teoria względności, dająca podstawy pod nowe rozumienie wszechobecnej grawitacji, czasu i przestrzeni, również nie dostąpiła tego zaszczytu. Dla kontrastu, teoretycy pracujący nad drugim filarem współczesnej fizyki, czyli mechaniką kwantową, byli regularnie ozłacani przez komisję noblowską, niemal po każdym drobnym kroczku. I bardzo dobrze, bo te kilkanaście nagród należało się zdolnym pionierom zgłębiającym tajemnice mikroświata, jak mało komu! Ale czy w tym układzie postulaty fizyki relatywistycznej, reprezentujące podobny kaliber naukowy, nie zasłużyły na równie szczodre docenienie?

Dla sporej części środowiska naukowego ukoronowanie nowego mistrza nauk przyrodniczych było czymś oczywistym, w związku z czym od 1910 roku młodego Alberta Einsteina systematycznie zgłaszano jako kandydata do nagrody Nobla. Mimo jedenastu szans (!) faworyt prawie zawsze ustępował miejsca innym badaczom. STW i OTW okazywały się mniej donośne niż choćby pomiary anomalii w stopach niklowo-stalowych czy automatyczne regulatory do zasilania światłem latarni morskich. Przyczyna wyraźnej niechęci komitetu noblowskiego do Einsteina ciągle pozostaje przedmiotem kontrowersji. Możemy spekulować czy obiekt wrogości stanowił sam uczony czy jedynie jego teoria względności, której “wartość może być potwierdzona w przyszłości”. Uzasadnienie to jest o tyle słabe, iż po 1919 roku – gdy Arthur Eddington przeprowadził obserwację potwierdzającą założenia OTW – pozostawało bez pokrycia. Eleganckie modele Einsteina ani po tym, ani po żadnym innym doświadczeniu weryfikującym ich poprawność, nie zostały należycie docenione.

Do dziesięciu razy sztuka

Królewska Akademia Nauk złamała się dopiero w 1921 roku, ale w uzasadnieniu znów nie wspomniała o przełomie spowodowanym przez STW i OTW. Oficjalnie Albert otrzymał nagrodę Nobla za opisanie efektu fotoelektrycznego i bliżej nieokreślone “zasługi dla fizyki teoretycznej”. Zaiste, młody naukowiec musiał komuś naprawdę mocno zaleźć za skórę, skoro tak uparcie ignorowano publikacje podcinające samego Izaaka Newtona i rozbijające w pył dotychczasowy gmach fizyki. Przyjrzyjmy się jednak pracy, dzięki której słynny fizyk wreszcie sięgnął naukowego nieboskłonu.

Efekt fotoelektryczny doczekał się rozwiązania w artykule O pewnym heurystycznym punkcie widzenia na wytwarzanie i przemiany światła, wydanym wśród innych rewolucyjnych tekstów w “szczęśliwym” 1905 roku. W przerwach między rozmyślaniami nad czasem i przestrzenią, 26-latek snuł rozważania na temat struktury światła. 

Obserwacje promieniowania ciała doskonale czarnego, fotoluminescencji, promieni katodowych przez światło ultrafioletowe i inne zjawiska związane z emisją i przemianą światła, są łatwiej zrozumiałe, jeśli się założy, że energia światła jest w przestrzeni rozłożona nierównomiernie. (…) Jego energia nie jest rozłożona w sposób ciągły w stale zwiększającej się objętości przestrzeni, lecz składa się ze skończonej liczby kwantów energii, które są lokalizowane w punktach przestrzeni.

Samo zjawisko fotoelektryczne znane było od wielu lat. Już odkrywca fal elektromagnetycznych Heinrich Hertz, zauważył w czasie naświetlania metalowej aparatury ultrafioletem, że iskry przeskakują jakby chętniej. Jakiś czas później urodzony w Bratysławie Philipp Lenard dostrzegł, że światło wybija elektrony z kawałka metalu w ilości proporcjonalnej do natężenia tejże wiązki światła. Im mocniej Austriak oświetlał fotokomórkę, tym większe natężenie elektronów otrzymywał. Istotne w tym doświadczeniu było to, iż więcej światła wybijało więcej elektronów, ale nie zwiększało wcale – jak przewidywało ówcześnie wielu fizyków – ich energii. Właśnie na tę pracę powołał się Einstein. Zabawnie splatają się ludzkie losy, bowiem w niedalekiej przyszłości Lenard stanie się gorącym orędownikiem nazizmu i bodaj najgłośniejszym krytykiem twórcy fizyki relatywistycznej.

Einstein wiedział, że gdyby światło przejawiało wyłącznie naturę falową, to wynik obserwacji Lenarda byłby przeciwny. Intensywniejsze światło wybijałoby bardziej energetyczne fotoelektrony, zaś zmiana częstotliwości nie powinna robić tu żadnej różnicy. Nasz bohater, jak to miał w zwyczaju, rozpatrzył zagadkę rozumując dokładnie na opak. W jego modelu, zgodnie z eksperymentem Lenarda, ilość światła nie wpływała na energię elektronów, za to jego częstotliwość już jak najbardziej. Światło podczerwone wybijało więc słabe fotoelektrony, światło widzialne mocniejsze, a najsilniejsze ultrafiolet. Pasowało to do ukutych przez Einsteina równań, opartych na istniejącej od niedawna stałej Plancka i koncepcji kwantu. Po raz kolejny dała o sobie znać wyjątkowa pewność siebie i śmiałość geniusza, który potraktował kwanty światła jak najbardziej dosłownie, inaczej niż sam Max Planck, widzący w nich początkowo zaledwie użyteczną sztuczkę matematyczną.
 
Zjawisko fotoelektryczne po kilkudziesięciu latach doczekało się pełnego i zgodnego z praktyką opisu. Publikacja była jednocześnie kolejnym argumentem w klasycznej dyskusji na temat korpuskularno-falowej natury światła, wprowadziła do naukowych słowników fotony (choć sama nazwa pojawi się trochę później) i przygotowała grunt pod zbliżającą się wielkimi krokami rewolucję kwantowo-mechaniczną. Nie szokuje zatem, że za tę zasługę Einstein otrzymał nagrodę Nobla, dziwi natomiast, że wyróżniono go tylko za nią.

Naukowy bunkier

Równolegle do zdobywanej sławy i prestiżu, życie rodzinne Alberta popadało w ruinę. Pracował w Berlinie, natomiast Milevę wraz z synami pozostawił w Szwajcarii, odwiedzając ich najrzadziej jak tylko mógł. Wiemy o tym okresie całkiem sporo dzięki setkom zachowanych listów. Nie ma co ukrywać, że genialny fizyk okazał się fatalnym partnerem i niewiele lepszym rodzicem. Żonę, którą do niedawna wielbił za żarliwą inteligencję i zamiłowanie do nauki, po przejęciu przez nią roli kury domowej bez ogródek nazywał wiedźmą. Nawet kiedy uczony łaskawie przybył do Zurychu, to robił wszystko aby nie trafić na dawną miłość, co bardzo irytowało starszego syna Hansa. Choć Einstein stale zapewniał wszystkich o swym przywiązaniu do dzieci, zawsze trzymał je na dystans. Sam rzadko zabiegał o widzenia, a jeśli już do takich miało dojść, to bezwzględnie na jego warunkach. Co charakterystyczne, nasz bohater widząc na horyzoncie jakiekolwiek osobiste problemy bądź rodzinne obowiązki, niezmiennie wskakiwał do swych uczelnianych okopów. Bez chwili zawahania, mając do wyboru wyjazd rodzinny i pracę naukową, wybierał to drugie i wcale tego nie ukrywał. 

Po ukończeniu OTW w korespondencji coraz częściej pojawiał się temat rozwodu. Można powiedzieć, że wraz z końcem I wojny światowej, dla uczonego rozpoczęła się osobista batalia o wolność. Albert naciskał na Milevę, a na Alberta, opiekująca się nim kuzynka Elsa. Dla świętego spokoju fizyk obiecał Maric, że poza standardowymi alimentami, ona i dzieci mogą liczyć na całą nagrodę pieniężną jaką otrzyma w razie zdobycia Nobla. A jak już wiemy, stało się to faktem już po kilku latach. Einstein ponoć wcale nie palił się do nowego związku, ale praktyczne korzyści płynące z posiadania małżonki w końcu przekonały go do porzucenia matki swoich dzieci i szybkiego przyjęcia Elsy – kobiety znacznie prostszej niż Słowianka, nie lubiącej się zanadto wychylać i potulnie usługującej głowie rodziny. Kuzynka miała jednak swoją dumę i wymagania, co objawiało się przede wszystkim w odciąganiu męża od poprzedniej rodziny. Na jej żądanie fizyk nie opuścił Berlina, mimo bardzo kuszącej oferty pracy blisko dzieci, w ukochanym przez siebie Zurychu.

W ramach ciekawostki warto odnotować skandalik z Ilsą… córką Elsy. Jeśli wierzyć słowom 21-latki, starszy o dwie dekady naukowiec był nią żywo zainteresowany i mógł nawet wahać się co do wyboru kandydatki na drugą żonę! Jej matka rzekomo wiedziała o dwuznacznych uczuciach między wujem i siostrzenicą i gdyby zaszła taka potrzeba, dałaby parze swoje błogosławieństwo. Ostatecznie jednak sprawa bardzo szybko ucichła.

Albert Einstein kontra Hitler

Jak pewnie zauważyliście, w całym cyklu niechętnie wspomniałem o narodowości wielkiego fizyka. Cóż, to swego rodzaju asekuracja bo w tym przypadku żadna odpowiedź nie będzie w pełni satysfakcjonująca. Pewne jest, że Einstein pochodził z rodziny żydowskiej. Bezspornym faktem pozostaje również, że urodził się w Ulm na terytorium Cesarstwa Niemieckiego. Później wszystko się gmatwało: geniusz już jako nastolatek odciął się od ojczyzny zostając apatrydą i ubiegając o obywatelstwo szwajcarskie, by po latach wrócić i zamieszkać w Berlinie. Rozczochrany włóczykij naprawdę polubił niemiecką stolicę, będącą ówczesną Mekką światowej fizyki, jednak kolejna dziejowa zawierucha zmusiła go do dalszej wędrówki.

W 1933 roku urząd kanclerza Rzeszy objął Adolf Hitler i nie muszę tłumaczyć czego w tej sytuacji obawiał się Einstein. Żydowski profesor cieszący się światową sławą nie mógł być tolerowany przez nowy reżim. Nastały mroczne czasy, gdy nazistowskie urojenia sprowadzały na manowce nawet najtęższe umysły. Światło dzienne ujrzała chociażby haniebna książka 100 autorów przeciw Einsteinowi. Wbrew tytułowi manifest podpisało prawie stu dwudziestu naukowców, w tym Arvid Reuterdahl i oczywiście noblista Philipp Lenard. Sceptycy potrafili uciekać się nawet do tak żałosnych zarzutów jak tłumaczenie idei relatywizmu żydowskim sposobem rozumowania, mającym na celu obalanie wszelkich odwiecznych tradycji i wartości. Sam zainteresowany odpowiedział na niemerytoryczny bełkot w swoim stylu: “Gdyby teoria względności była błędna, nie potrzebowaliby aż stu autorów. Wystarczyłby jeden”.

Podczas gdy publikacje Szwajcara zyskiwały na całym świecie status naukowych relikwii, w Niemczech – tych samych, które do niedawna miłowały racjonalizm i fizykę – zostały zakazane i płonęły na stosach wraz z innymi dziełami semickich autorów. Nastała zbiorowa amnezja. Zaledwie 4 lata wcześniej, ukochany przez berlińczyków sympatyczny profesor, z okazji pięćdziesiątych urodzin otrzymał od władz miasta spory majątek ziemski w pobliskim Caputh, a wszystkie niemieckie uniwersytety niemal błagały go o przyjęcie zaproszenia na gościnne wykłady. Po zwycięstwie NSDAP nawet głos takich autorytetów jak Max Planck niknął w ideologicznym szumie. Na szczęście celebryta tego formatu, nie mógł pozostawać bezdomnym zbyt długo. Ku zdziwieniu wielu znajomych nie tylko opuścił Europę, ale przyjął ofertę świeżo otwartego Instytutu Badań Zaawansowanych w Princeton. Ceniącego autonomię Einsteina przekonała niepowtarzalna organizacja amerykańskiej placówki. Dowolne regulowanie czasu pracy, brak konieczności niańczenia studentów i nacisk położony na komponowanie nowych koncepcji, czyniły z Princeton raj dla teoretyków.

Ameryka przywitała twórcę teorii względności w dwojaki sposób. Z jednej strony tamtejsi naukowcy zacierali ręce na wieść o możliwości współpracy z figurą tej wielkości, gazety z radością informowały o postępach w przeprowadzce, a największe gwiazdy filmu, muzyki i polityki pragnęły gościć go na swoich bankietach. Rzadziej wspomina się dziś o stosunku amerykańskich służb bezpieczeństwa do sławnego imigranta oraz nieprzyjemnościach wychodzących od Woman Patriot Corporation. Organizacja ultrakonserwatywnych Amerykanek żądała od władz niewpuszczania do kraju “pacyfistycznego komunisty” powiązanego z “wieloma międzynarodowymi grupami anarchokomunistycznymi”. Oskarżony zbił z tropu swoje przeciwniczki ironicznym wywiadem, w którym przyznał im rację: “Czy należy otwierać drzwi przed osobnikiem, który pożera ugotowanych na twardo kapitalistów z apetytem podobnym do tego, jaki wykazywał kreteński Minotaur, zjadając powabne greckie dziewice”? Działania FBI mniej bawiły Einsteina, mocno zirytowanego inwigilacją oraz imputowaniem mu antyamerykańskich sympatii politycznych. W 1940 roku Albert przyjął drugie, obok szwajcarskiego, obywatelstwo Stanów Zjednoczonych, ale mimo to trzymano go jak najdalej od poważnych przedsięwzięć państwowych. Przede wszystkim, ostentacyjnie pominięto geniusza przy wyborze ekipy Projektu Manhattan, co było kuriozalne, zważywszy na to, że przecież osobiście podpisał on list nawołujący prezydenta Roosevelta do rozpoczęcia prac nad bombą jądrową.

Kwantowe rozterki

Po ukończeniu OTW mistrz nie dokonał już żadnego równie doniosłego przełomu w nauce, ale nawet jego chybione przewidywania zostawiły trwałe ślady w podręcznikach fizyki. Do rangi legendy urosła debata Alberta Einsteina z duńskim noblistą Nielsem Bohrem na temat filozoficznych implikacji płynących z postulatów mechaniki kwantowej. W powszechnej świadomości ostał się jej zabawny fragment, gdy w odpowiedzi na einsteinowskie hasło – “Bóg nie gra z wszechświatem w kości!” – Bohr zganił rozmówcę – “Lepiej nie mów Bogu co ma robić”. Stosunek naszego bohatera do kwantów to materiał na całą książkę (zresztą, niejedna powstała), zwróćmy więc uwagę tylko na najważniejsze fakty. 

To Einstein popierał prace atomistów nim to było modne. On niemal natychmiast pożyczył od Maxa Plancka pojęcie kwantu i jako pierwszy wykorzystał je w sposób dosłowny, opierając na ich istnieniu swój model zjawiska fotoelektrycznego. Mocno propagował dualistyczną, korpuskularno-falową naturę światła i wierzył, że podobnie wyglądają właściwości cząstek materii.

Jeszcze przed wyprowadzką za ocean, opracował wraz młodszym Satyendra’em Bosem tzw. rozkład Bosego-Einsteina, na gruncie którego wspólnie teoretyzowali na temat kondensatu Bosego-Einsteina. Miała być to substancja schłodzona tak bardzo, aby stany kwantowe jej cząstek uległy jednoczesnemu kolapsowi. W ten sposób cząstki nabierałyby identycznych właściwości i zachowały się jakby tworzyły jeden superatom. Obecnie wiemy, że fantazyjne zjawisko rzeczywiście istnieje, co udowodnili wiele lat po śmierci teoretyków eksperymentatorzy z Uniwersytetu Colorado.

Wreszcie, to autor teorii względności w 1935 roku zainicjował powstanie głośnego artykułu Czy opis rzeczywistości fizycznej przez mechanikę kwantową można uważać za pełny? Zawarty w nim eksperyment myślowy miał docelowo zwrócić uwagę na luki widniejące w fizyce kwantowej, ale nieumyślnie przyczynił się do jej dalszego rozkwitu i rozważań na temat stanu splątanego cząstek (więcej na ten temat: tu). Z podobnych pobudek, fizyk ochoczo korespondował z Erwinem Schrödingerem, podzielającym jego uwagi.

Pański kot [chodzi oczywiście o słynnego kota Schrödingera – przyp.] świadczy o tym, że zgadzamy się całkowicie w naszej ocenie charakteru tej teorii. Funkcja [falowa] psi, która mieści w sobie zarówno żywego jak i zdechłego kota, nie może być uważana za opis rzeczywistości.

Z wymienionych osiągnięć wyłania się jeden z najbardziej ironicznych obrazów w dziejach nauki. Einstein wniósł pokaźny wkład w rozwój wiedzy o mikroświecie i wbrew pozorom wcale nie miał nic przeciwko podstawowym równaniom kwantowym. Popełniał on jednak coraz częściej błędy starego człowieka, te same, które jako bystry młodzieniec z gracją wytykał najznamienitszym profesorom. Postawił zasieki wokół swojej wizji wszechświata i z niechęcią przyjmował nowatorskie koncepcje mogące zburzyć zakotwiczone w jego umyśle idee. Nie podważał teorii ani doświadczeń dających probabilistyczne wyniki, ale do znudzenia powtarzał, że to na pewno nie wszystko. Nauka nie sięga dostatecznie głęboko i stąd biorą się wszelkie niepewności.

Kosmologiczny epilog

Historia całkiem innej omyłki Einsteina zatacza właśnie koło. Otóż jeszcze w roku 1917 usiłował on wprowadzić o podręczników fizyki dodatkową stałą, nazywaną stałą kosmologiczną. Wszystko dlatego, że ówczesne obserwacje astronomiczne wespół z wyliczeniami opartymi o jego ogólną teorię względności dawały wynik, którego autorytet nie mógł ścierpieć: cały wszechświat był wedle nich dynamiczny! Konkluzja ta wypłynęła na dziesięć lat przed wielkim odkryciem Edwina Hubble’a, toteż żyjący w błogiej nieświadomości fizycy wciąż żywili przekonanie o odwiecznie statycznej i niezmiennej naturze wszechświata. Aby nie burzyć tego status quo, Szwajcar ukuł zabezpieczenie w formie stałej kosmologicznej – po jej wstawieniu do równań, kosmos miał zachować równowagę, nie maleć ani nie rosnąć. Był to wyraz desperacji, bowiem geniusz nie miał pojęcia jaką niewidzialną siłę przeciwdziałającą grawitacji może symbolizować zaproponowana wartość. Po opublikowaniu danych na temat rozszerzania się wszechświata i narodzinach teorii wielkiego wybuchu, zawstydzony pierwszą poważną klęską naukowiec, okrzyknął swoją stałą “największą życiową pomyłką”.

Zapewne nastrój Einsteina poprawiłaby wieść, że to potknięcie stanie się inspiracją dla przyszłych pokoleń. Oto w 2011 roku ekipy Saula Perlmuttera oraz Briana Schmidta niezależnie od siebie potwierdziły, że wbrew wszystkiemu wszechświat nie tylko rozszerza się w najlepsze, ale tempo jego ekspansji ciągle wzrasta. Tu na scenę wkracza koncepcja ciemnej energii (która na pewno obiła wam się o uszy). Technicznie rzecz biorąc założenie istnienia egzotycznej siły zwyciężającej z grawitacją i rozpychającej kosmos, było powtórzeniem definicji stałej kosmologicznej.

Zasługi einsteinowskich pomysłów dla kosmologii były znacznie szersze. Siłą rzeczy, zaktualizowana przez niego wersja grawitacji stanowiła żyzną glebę dla większości koncepcji i odkryć: od modeli wielkiego wybuchu i ewolucji wszechświata, poprzez ideę czarnych dziur, aż po futurystyczną wizję tunelu czasoprzestrzennego.

Najważniejszy cel Alberta Einsteina pozostał jednak nieuchwytny do dziś. Mówię o teorii wszystkiego, mającej raz na zawsze zespolić fizykę relatywistyczną z fizyką subatomową, makroświat z mikroświatem, teorię względności z mechaniką kwantową. Zadanie to idealnie odpowiadało ambicjom niezmordowanego umysłu, omijającego drobiazgi byleby jak najprędzej dojrzeć istotę rzeczy. Tak było z STW i OTW, które kompletnie wyjaśniały mechanizm działania rzeczywistości w skali dużych obiektów. Zanim nadeszły nieznośne kwanty, uczony żył w przekonaniu, iż za kilka, kilkanaście lat przyjdzie mu jedynie połączyć swój relatywizm z elektromagnetyzmem Maxwella aby odczytać “myśli Boga”. Niestety, podejmowane z uporem maniaka późniejsze próby odnalezienia luk w zasadzie nieoznaczoności, nie dały żadnego wartościowego rezultatu.

I tak dotarliśmy do końca trylogii poświęconej architektowi współczesnej fizyki. Tytuł ten nadałem zmarłemu 60 lat temu uczonemu bez chwili zawahania. To fenomen aby jeden człowiek w swoim umyśle ułożył cały wszechświat wraz ze wszystkimi skomplikowanymi i nierzadko abstrakcyjnymi trybikami. Jak każdy, Einstein miał swoje wzloty i upadki, lecz ogólny bilans jego prac prezentuje się oszałamiająco, a pośrednie owoce tych osiągnięć zbieramy nieustannie. Korzystamy przecież ze zjawiska soczewkowania grawitacyjnego, snujemy marzenia o tunelach czasoprzestrzennych, polujemy na fale grawitacyjne i przede wszystkim, odziedziczyliśmy wielkie marzenie o unifikacji praw fizyki. Nikt nie dokonałby tego wszystkiego w wyniku sprytnego fortelu bądź uśmiechu losu.

Albert Einstein był po prostu artystą nauki, najgenialniejszym fizykiem w historii.

Literatura uzupełniająca:
W. Issacson, Einstein. Jego życie, jego wszechświat, przeł. J. Skowroński, Warszawa 2010;
A. Einstein, Teoria względności i inne eseje, przeł. P. Amsterdamski, Warszawa 1997;
M. Kaku, Kosmos Einsteina. Jak wizja wielkiego fizyka zmieniła nasze rozumienie czasu i przestrzeni, Warszawa 2012;
A. K. Wróblewski, Historia fizyki. Od czasów najdawniejszych do współczesności, Warszawa 2015;
D. Howard, Revisiting the Einstein-Bohr Dialogue, [online: https://www3.nd.edu/~dhoward1/Revisiting%20the%20Einstein-Bohr%20Dialogue.pdf].
Listy A. Einsteina dostępne na stronie Princeton: einsteinpapers.press.princeton.edu.

Poprzednie części:
Architekt nowej fizyki cz.1,
Architekt nowej fizyki cz.2.