Człowiek, który wiedział wszystko – Thomas Young

Kto jest dla Was uosobieniem geniuszu? Kto dysponował najbardziej bystrym, ciekawskim oraz wszechstronnym umysłem w dziejach? Wielu wskaże na Leonarda da Vinci, inni  Newtona lub Teslę – poniekąd  słusznie. A ilu wymieni nazwisko Thomasa Younga?

Niniejszy artykuł został podyktowany poczuciem niesprawiedliwości dziejowej. Nawet największy ignorant zna i podziwia Leonarda da Vinci. Nie ma się co dziwić, gdyż to prawdziwy fenomen, aby jeden człowiek zgłębiał meandry malarstwa, rzeźbiarstwa, architektury, inżynierii, anatomii i licho wie czego jeszcze – wpływając na rozwój każdej z tych dziedzin.

Mało kto jednak zdaje sobie sprawę, że w Anglii schyłku oświecenia działał uczony o równie tęgiej mózgownicy, samodzielnie poszerzający granice ówczesnej fizyki, medycyny, a nawet językoznawstwa i badań historycznych. Nazywał się Thomas Young. Tak, ten sam od wiekopomnego eksperymentu z dwiema szczelinami.

Szkicował tak odruchowo, jak inni drapią się po głowach; geniusz — pewien szczególny typ geniuszu — sypał się z niego niczym łupież.

Terry Pratchett

Young i językoznawstwo

Nie chcę się zbyt długo rozpływać się nad dzieciństwem naszego bohatera, ponieważ biografie genialnych osób zdążyły nas przyzwyczaić do niesamowitych opowieści o płynnie czytających dwulatkach, mnożących i dzielących w myślach niczym kalkulator. Cechą rozpoznawczą małoletniego Younga była ponoć niezrównana pamięć, pozwalająca mu swobodnie rzucać cytatami z Biblii oraz recytować ulubione wiersze. Jak przystało na ciekawskiego omnibusa, w szkole miał sporo problemów. Uczący go duchowni nie potrafili udzielić satysfakcjonujących odpowiedzi na pozaprogramowe pytania, a fakt, że malec przerabiał cały podręcznik do matematyki w kilka tygodni, wzbudzało w belfrach irytację. Na szczęście ojciec dziewięciolatka – choć sam uczonym nie był – dał mu odpowiednie wsparcie i posłał do lepszej placówki. W szkole prywatnej Young opanował łacinę i grekę, a nadobowiązkowo nauczył się hebrajskiego, który szlifował czytając Stary Testament w oryginale.

Thomas Young

A był to dopiero początek. Chłopak totalnie zatracił się w zgłębianiu egzotycznych sposobów komunikacji i z nieokiełznaną fascynacją zapragnął przeanalizować strukturę jak największej liczby języków obszaru Lewantu i okolic. Im dziwniejsze i rzadziej stosowane, tym lepiej. Dlatego też po opanowaniu arabskiego i perskiego, padło na chaldejski, będący dialektem aramejskiego, syryjski oraz samarytański. Przyjmuje się, że przynajmniej kilkanaście azjatyckich języków Thomas znał całkiem nieźle, ale poza tym przeanalizował gramatyczne podstawy niemal wszystkich żywych i wielu martwych języków na jakie tylko można się natknąć na Bliskim Wschodzie. Nie była to jedynie zabawa hobbysty. W przyszłości to właśnie Young zostanie poproszony o opracowanie kilku haseł dotyczących języka, w jednym z pierwszych wydań słynnej Encyklopedii Britannica. On też – badając strukturę setek języków z obszaru Europy i Azji – jako pierwszy dostrzegł w nich powiązania i ukuł, funkcjonujące do dziś pojęcie rodziny indoeuropejskiej.

To dość zabawne, że gdyby nie późniejsze dzieła z zakresu fizyki, dziś wspominalibyśmy Thomasa Younga, przede wszystkim jako poliglotę i nieprzeciętnego językoznawcę.

Young i medycyna

Jednak zanim to wszystko miało nadejść, w 1794 roku Young rozpoczął studia w Edynburgu, na wydziale… medycznym. Poszedł tym samym w ślady swego wuja, Richarda Brocklesby’ego  jedynego krewnego o wyższym wykształceniu. Oczywiście możecie teraz zapytać, dlaczego zdolny nastolatek posiadający mózg, pieniądze i znajomości pojechał do górzystej Szkocji, zamiast ukończyć prestiżowy Oxford lub Cambridge? Otóż Youngowie byli zadeklarowanymi członkami Religijnego Towarzystwa Przyjaciół, znanymi szerzej jako Dzieci Światła czy Kwakrzy. Nie stanowili specjalnie wywrotowej grupy. Ot gorliwi purytanie uważający, że Bóg potrafi samodzielnie oświecić każdą ze swoich owieczek i nie potrzebuje do tego celu kapłanów, kosztownych obrzędów i rozbudowanych instytucji kościelnych. Trudno powiedzieć, czy Thomas podzielał poglądy rodzicieli, ale bez względu na to, w Anglii musiałby się mierzyć z dyskryminacją i wieloma innymi nieprzyjemnościami.

Podczas studiów sporo podróżował, zarówno po Europie jak i samej Wielkiej Brytanii. Wiemy na przykład, że przez pewien czas pozostawał gościem wybitnego biologa z Derby, Erasmusa Darwina – dziadka autora O powstawaniu gatunków. Niewykluczone, że miał również szansę poznać wybitnego irlandzkiego filozofa Edmunda Burke’a, prywatnie przyjaciela wuja Brocklesby’ego. Na kontynencie odwiedził Holandię, Włochy i w końcu niemiecką Getyngę. Organizacja niedawno otwartej placówki i niesamowite zbiory biblioteczne, zachwyciły Younga na tyle, że porzucił Edynburg i dyplom odebrał już w Dolnej Saksonii. Można rzec, iż Brytyjczyk był pierwszym z listy wielkich absolwentów Universität Göttingen, na którą w przyszłości trafili m.in. Gauss, Weber, Schopenhauer, Hilbert, Minkowski, Born i Heisenberg. Przy okazji, Getynga pozostawała jednym z najbardziej cenionych ośrodków nauki jazdy konnej w Europie, z czego student nie omieszkał skorzystać.

Jeśli myślicie, że nie da się pogodzić fascynacji językami z nauką medycyny, to brakuje wam youngowskiej kreatywności. Jego praca dyplomowa dotyczyła anatomii organów głosu i analizy ich działania na przykładzie różnorodnych zestawów głosek. Jak łatwo się domyśleć, Young nie szedł na łatwiznę, sięgając do kilkudziesięciu egzotycznych języków Azji, Afryki i Ameryki.

Young i fizjologia

Po powrocie do ojczyzny na świeżo upieczonego doktora czekała niemiła urzędnicza niespodzianka. Dowiedział się, że połowa jego kursu odbyta na obczyźnie, nie daje mu uprawnień do pracy w szpitalu. Przyparty do muru, zapewne mocno zirytowany 24-latek, oficjalnie odciął się od wyznania Kwakrów i podjął studia na trzeciej już uczelni.

Tym razem trafił do słynnego Cambridge. Tam kontynuował rozważania na temat głosu i fal dźwiękowych, co powoli przesuwało jego zainteresowania z medycyny w kierunku fizyki. Miał też trochę szczęścia, ponieważ przedłużające się studia mógł bez problemu opłacić z pokaźnego spadku, jaki zapisał mu w testamencie dr Brocklesby. Być może tylko dzięki finansowej niezależności, mimo uzyskania upragnionej licencji Thomas Young nie zagrzał długo miejsca w szpitalu św. Jerzego, woląc oddać się rozwiązywaniu zagadek natury. Jeszcze przed trzydziestką zajął stanowisko wykładowcy filozofii przyrody w londyńskim Royal Institution.

Thomas Young, On the mechanism of the eye
Rysunki z pracy Thomasa Younga “On the mechanism of the eye”.

Jednakże, zanim geniusz popadł w gorący romans z fizyką, zdołał przysłużyć się rozwojowi medycyny i fizjologii. Konkretnie postanowił zrozumieć mechaniczne podstawy funkcjonowania ludzkiego oka. Miał ku temu osobistą motywację, gdyż od kilku lat sam skarżył się na niezidentyfikowaną wadę wzroku. Wykonując proste doświadczenia dostrzegł, że jego oko nie jest w stanie równocześnie, z taką samą ostrością widzieć linii poziomych i pionowych. Następnie korzystając ze skonstruowanego przez siebie optometra – jednego z pierwszych przyrządów pozwalający oglądać działanie oka w akcji – Young połączył trudności ze zogniskowaniem wzroku z nieprawidłowym kształtem soczewki. Swoje spostrzeżenia przedstawił podczas wykładu w 1801 roku, inicjując tym samym badania nad astygmatyzmem oraz procesem akomodacji.

Fala przeciw cząstce

Niemalże naturalną koleją rzeczy było zainteresowanie Thomasa zagadnieniem światła. W końcu wykładał w tych samych aulach Cambridge, w których sto lat wcześniej sir Izaak Newton nauczał o tym, że światło to nic innego aniżeli strumień cząstek, wpadających do naszych oczu. Jednak wbrew powszechnemu przekonaniu, odkrywca praw dynamiki wcale nie upierał się przy teorii korpuskularnej. Zresztą poglądy na temat światła od zarania były zagmatwane i właściwie aż do XX wieku nie potrafiły ulec stabilizacji.

W mojej teorii wypowiadam się o substancjalności światła, ale czynię to bez jakiejkolwiek stanowczości. (…) Nie wiem jednak w jaki sposób mój przeciwnik może bronić swojej hipotezy [o falowej naturze światła] przed innymi trudnościami. Moim zdaniem, nie do utrzymania jest jego zasadnicze twierdzenie, że fale lub drgania jakiejkolwiek cieczy mogą się rozchodzić jak promienie światła, po liniach prostych, nie zakrzywiając się i rozszerzając we wszystkich kierunkach w nieruchomym ośrodku, który je ogranicza.

Izaak Newton

Tak Newton bronił się przed atakami nieprzychylnego mu Roberta Hooke’a – jak łatwo się domyśleć, przekonanego o tym, iż promień światła musi być falą. Legendarny fizyk twierdził, iż ogrom zjawisk wydaje się zbyt trudna do opisania mechaniką typową dla fali, co jego zdaniem wysuwało na prowadzenie teorię cząstkową. Własnie z tą opinią, wypowiedzianą przez największy autorytet brytyjskiej i światowej nauki, miał zamiar polemizować wciąż nieopierzony Thomas Young. Pierwszą próbę podjął już w wieku 27 lat publikując krótki tekst, odważnie podający w wątpliwość tezy Newtona.

Istnieją niejasności w systemie Newtona, które niewiele rozważano. Pierwsza, to jednakowa prędkość, z jaką światło ma się rozchodzić ze wszystkich ciał, które świecą z powodu nagrzania. Jak to się dzieje, że te zdumiewające korpuskuły zawsze rozchodzą się z jednakową prędkością, niezależnie czy przyczyną emisji jest przekazanie elektryczności, tarcie dwóch kamyków czy ciepło samego Słońca? Jeszcze poważniejsza niejasność wydaje się być związana z częściowym odbiciem od każdej powierzchni załamującej. W tym systemie wydaje się całkowicie niezrozumiałe, dlaczego te same promienie mają być zawsze częściowo przepuszczane, a częściowo odbijane…

Thomas Young

Nieprzypadkowo zwróciłem wcześniej Waszą uwagę na fakt, iż nawet Newton nie negował do końca falowej struktury światła. Praca Younga była proszeniem się o akademickiego guza, o czym ten doskonale wiedział i próbował się zabezpieczyć. W swych pismach i wykładach tłumaczył, że tak naprawdę wcale nie stoi w opozycji do legendy Cambridge, lecz jedynie szerzej rozpatruje jego koncepcje. Pomogło mu to raczej w niewielkim stopniu, gdyż już wkrótce został publicznie wyszydzony, jako arogant “pozbawiony umiejętności rzetelnego myślenia”, “cierpliwego dociekania” oraz “bezpretensjonalnego obserwowania przyrody”. Mówiąc wprost, dla wielu starszych kolegów, Young stał się klaunem, głąbem i szarlatanem.

To tylko rozjuszyło krnąbrnego geniusza i zmobilizowało do dalszych wysiłków. Będąc uczciwym muszę wspomnieć, że lwią część teoretycznej pracy odwalił za Younga szwajcarski matematyk, Leonhard Euler. On również punktował newtonowskie dogmaty. Był w pełni przekonany, iż światło rozchodzi się w przestrzeni analogicznie do dźwięku, tyle, że szybciej i nie w powietrzu, lecz w tajemniczym eterze. Jedyny kłopot stanowiła eksperymentalna weryfikacja tych heretyckich poglądów. Triumf nastąpił w 1801 roku, oczywiście za sprawą Thomasa Younga.

Young i najpiękniejszy eksperyment

Rozważmy mechanikę fali. Może być to działająca na wyobraźnię fala powstała na wodzie w basenie. Do czego dojdzie kiedy przepołowimy zbiornik metalową przegrodą i pozostawimy tylko jeden wąski otwór na jej środku? Naturalnie, po drugiej stronie przegrody, ze szczeliny zacznie wychodzić pojedyncza, rozchodząca się promieniście fala. Jednak znacznie ciekawsze oraz istotniejsze zjawisko zaobserwujemy wycinając w przegrodzie nie jedną, a dwie leżące obok siebie szczeliny. W takim przypadku z obu otworów zaczną wydobywać się promieniste i koliste fale, które w końcu zaczną się przenikać. Dostrzeżemy, iż tam gdzie grzbiety fal nakładają się na siebie, dochodzi do wzajemnego wzmocnienia, zderzenie dwóch dolin doprowadza do wzajemnego osłabienia, natomiast spotkanie grzbietu z doliną powoduje wzajemną neutralizację.

Dlaczego ten prosty proces zmian w amplitudzie fali pozostaje tak istotny z punktu widzenia Younga i jego zagwozdki? Wystarczy wyobrazić sobie, że zamiast wzburzania wody, zaczęlibyśmy ostrzeliwać naszą przeszkodę z Kałasznikowa. Po jednej stronie stoimy my, naprzeciwko nas ściana, a pomiędzy metalowa przegroda z jednym otworem. Ostrzał w tych warunkach może przynieść tylko jeden efekt: ślady po kulach znajdziemy jedynie w tym sektorze ściany, który leżał na wprost dziury w przegrodzie. Jeśli zrobimy sobie dwie szczeliny, to wynik również nas nie zaskoczy. Amunicja nie ma prawa interferować, tj. nie istnieją żadne grzbiety i doliny fal, doprowadzające się do wzajemnego wzmacniania i znoszenia. A tak się składa, że wielki Izaak Newton uważał światło za nic innego, aniżeli strumień zwartych pocisków mknących wprost do celu.

Wzór interferencyjny.

Aby znokautować Newtona, Young musiał jedynie dowieść, że światło wobec przegród ze szczelinami zachowa się nie inaczej niż woda. U progu XIX wieku nie było to łatwe, ale już wykonalne. W ciemnym i szczelnym pojemniku fizyk umieścił źródło światła leżące naprzeciwko światłoczułego ekranu, podobnego w działaniu do kliszy fotograficznej. Pomiędzy emiterem i ekranem wstawił, rzecz jasna, przegrodę z wyciętymi dwiema szczelinami. Gdyby Newton miał słuszność na kliszy ujawniłyby się dwa wyraźne prążki zarysowane przez cząstki światła, które przebyły prostą drogę od emitera, przez szczeliny, do ekranu. Tak jednak nie było. Na kliszy Younga ujawnił się szereg jaśniejszych i ciemniejszych obszarów, odpowiadających wzajemnemu wzmacnianiu i wygaszaniu fal. Ten wynik nazywamy wzorem interferencyjnym, natomiast sama próba zajęła miejsce we wszystkich podręcznikach fizyki, jako doświadczenie Younga.

Schemat z 1807 roku.

Nie wiem czy to dobrze, że Anglik został zakładnikiem tylko jednego spośród tak wielu swoich dokonań, ale co do samej wagi eksperymentu nie można mieć złudzeń. Robert Crease umieścił doświadczenie z dwiema szczelinami na szóstym miejscu swojego rankingu najpiękniejszych eksperymentów fizyki. Z kolei Richard Feynman zwykł mawiać, że od doświadczenia Younga wywodzi się cała mechanika kwantowa. Noblista wcale nie przesadził, gdyż to właśnie wariacje tego eksperymentu pozwoliły ustalić dualistyczną, korpuskularno-falową naturę elektronu i innych cząstek elementarnych, kompletnie demolując dotychczasowy obraz mikroświata.

Young i optyka

Umysł geniusza nie zwalniał ani na chwilę. Jeszcze w tym samym roku, wygłosił wykład będący zaczątkiem publikacji zawierającej pierwszą nowoczesną teorię barw. Young rozumował w sposób następujący. Promieniujące ciała wzbudzają drgania wszechobecnego eteru, podobnie do instrumentów muzycznych powodujących wibrację powietrza. I tak jak fale dźwiękowe różnią się brzmieniem na skutek swojej długości, tak każdy kolor odpowiada innej długości fali świetlnej. Obliczył nawet liczbę drgań na sekundę typową dla najważniejszych kolorów, pozwalającą na ustalenie długości fali światła fioletowego na 4,4×10-7m, a czerwonego na 6,5x10-7m.

Jakby tego było mało, Anglik wykorzystał swoją świeżą wiedzę, kolejny raz poszerzając granice medycyny. Przedstawił śmiałą hipotezę, wedle której siatkówka oka posiada trojakie włókna nerwowe, wrażliwe na fale świetlne o długości charakterystycznej dla czerwonego, niebieskiego i żółtego – trzech barw podstawowych. Odpowiednie pobudzanie tychże włókien pozwala oku na rozróżnianie poszczególnych kolorów. Zalążek teorii trójchromatycznej okazał się na tyle dobry, że w postaci niezmienionej był wykładany studentom medycyny aż do połowy stulecia, gdy swoje poprawki dodał Hermann von Helmholtz. Teoria Younga-Helmholtza (bo taką przyjęła nazwę) doczekała się poważnego rozwinięcia właściwie dopiero w czasach współczesnych.

W pewnym momencie Thomas uznał, że zrobił już wszystko aby przekonać świat do swojego poglądu na temat światła i wrócił do życia medyka. Nietypowy był z niego lekarz. Wiele kontrowersji wzbudzały jego szczere wypowiedzi na temat aktualnego stanu wiedzy i metod leczenia. Twierdził, że funkcjonowanie wielu narządów pozostaje tajemnicą i nie istnieje nawet aparatura pozwalająca na ich zbadanie. Biorąc to w rachubę, w przypadku niektórych schorzeń lekarz wie tak mało, że pacjent równie dobrze mógłby się leczyć samodzielnie. Ostatecznie, w obu przypadkach terapia byłaby dobierana na chybił trafił i dyplom nie ma znaczenia. Mimo to Young robił co mógł, wprowadzając do swojej pracy wszelkie nowinki – m.in. praktykując szczepienie przeciwko ospie prawdziwej – jak i majstrując przy urządzeniach medycznych.

Young i egiptologia

Mimo powrotu na łono medycyny, Thomas Young zyskał szansę na jeszcze jedną przygodę ze swoimi młodzieńczymi zainteresowaniami. I to przygodę w wielkim stylu. Okazja nadarzyła się w związku z wytargowaniem przez rząd brytyjski od Francuzów kilku zdobyczy archeologicznych, odnalezionych w czasie kampanii napoleońskiej w Egipcie. Wśród nich znalazła się ponad metrowa kamienna płyta, ważąca ponad 750 kg i pokryta drobnym, bardzo starym pismem.

Zabytek ten, znany w świecie jako kamień z Rosetty, do dziś można podziwiać w Galerii Egipskiej londyńskiego British Museum. Na czym polega jego wartość? Otóż tekst został wyryty za czasów Ptolemeusza V w trzech wersjach, tak aby treść była zrozumiała dla Greków i wszystkich Egipcjan. Dlatego na powierzchni kamienia znajdują się bezcenne próbki pisma demotycznego (ludowego, codziennego użytku), hieroglificznego oraz języka greckiego.

Pismo demotyczne, odczytane przez Younga.

Z przeciętnych opracowań dowiecie się, że inskrypcję odczytał w 1822 roku Jean-François Champollion, tym samym dając historykom klucz do rozważań nad starożytnym Egiptem. Jednak, jak to zwykle w nauce bywa, badania nie były łatwe, proste i przyjemne, a końcowy sukces miał wielu ojców. Wśród nich… Younga. Pamiętam doskonale swoje własne zaskoczenie, gdy na pierwszym roku studiów historycznych, w jednym z podręczników opisujących badania antycznych cywilizacji, trafiłem na wzmiankę o Thomasie Youngu. Pierwsze co przyszło mi do głowy, to oczywiście zbieżność nazwisk wybitnego fizyka z jakimś egiptologiem. Jednak nic z tych rzeczy! To brytyjski geniusz w 1814 roku rozszyfrował część zapisaną pismem demotycznym, porównując ją z pozostałymi i orzekając, że te trzy fragmenty nie są od siebie niezależne. Champollion dokończył dzieło, dokonując analizy systemu hieroglificznego.

Young omnibus

Spróbujmy to powtórzyć. Jeden człowiek zajmował się medycyną, fizjologią, fizyką, egiptologią, językoznawstwem, na dodatek świetnie jeździł konno, potrafił rysować i władał kilkunastoma, głównie egzotycznymi, językami. Z perspektywy zwykłej, nawet bardzo bystrej i wykształconej osoby, brzmi to wręcz niedorzecznie. Ale co najważniejsze, Thomas Young robił ze swej interdyscyplinarności gigantyczny użytek i w każdej ze zgłębianych dziedzin, pozostawił swój niemały wkład.

Literatura uzupełniająca:
A. Robinson, The Last Man Who Knew Everything, Oxford 2006;
A. Wood, Thomas Young: Natural Philosopher 1773-1829, Cambridge 1954;
A. K. Wróblewski, Historia fizyki. Od czasów najdawniejszych do współczesności, Warszawa 2015;
B. Greene, Piękno wszechświata. Superstruny, ukryte wymiary i poszukiwanie teorii ostatecznej, przeł. E. Łokas, Warszawa 2001;
R. Haidar, Thomas Young and the wave theory of light, [online: www.bibnum.education.fr/sites/default/files/71-young-analysis.pdf];
S. Duda, Najsłynniejszy kamień świata, [online: http://wyborcza.pl/alehistoria/1,121681,15540897,Najslynniejszy_kamien_swiata.html].
Nasza słodka, pulchna Betelgeza Sedna vs V774104 – Pojedynek na krańcu Układu Była sobie osobliwość