Niebiosa są błękitne; o tem wiem y wszyscy; każdej chwili, w dniu nienazbyt pochm urnym , możemy dokonać tego spostrzeżenia. Któż jed n ak zastanaw ia się nad zja
wiskiem, dostrzeganem codziennie? Przez tysiące lat skle
pienie niebieskie zam ykało się w spaniale ponad szaleń
stw em i ponad cierpieniem m row ia ludzkiego; przez tysiące lat unosiło się niedosiężnie ponad granicą lotu myśli czło
wieka. Dopiero pomiędzy 1871-ym a 1899-ym rokiem L o r d R a y l e i g h , w Terling Place, w Anglji, po raz pierwszy na tej planecie zrozum iał, dlaczego niebiosa są błękitne.
Idąc za rozum ow aniem wielkiego angielskiego myśliciela, zaczynamy pojm ować, że owa gra barw , na którą spo
glądamy codzień obojętnie, może odsłonić nam nieocze
kiw ane widoki urządzenia rzeczy w Naturze. Gdy w nim cokolwiek zdołam y zrozumieć, św iat zawsze nas dziwi, zawsze nas olśniewa; myśl w yryw a się wówczas radośnie z ciasnego koła potocznych ludzkich zabiegów.
I
W yobraźm y sobie ośrodek gazowy, ja k atmosferyczne powietrze, złożony z olbrzymiej liczby m aleńkich cząste
czek, t. zw .m olekuł. Pow iadam y, że w jakiejbądź dostrze
galnej objętości, w ypełnionej gazem norm alnej gęstości, liczba cząsteczek je st olbrzym ia; liczbę tę znam y dzisiaj dokładnie. W tem peraturze 0°C i pod ciśnieniem jednej
- 1 5 5
-atmosfery (czyli w t. zw. w arunkach norm alnych) każdy sześcienny centym etr gazu doskonałego zaw iera 27 x 1018 molekuł. Pomim o, że ich je st tak wiele, cząsteczki gazów w w arunkach norm alnych nie są bynajm niej gęsto na
gromadzone. Cząsteczki są niezm iernie drobne, są nie
zm iernie m ałe w stosunku do odległości, które oddzielają je od siebie zwyczajnie; gaz zwykłej gęstości jest niem al próżnią, zam ąconą przez znikający ślad tylko m aterji. Na litr w odoru, w w arunkach norm alnych, przypada 000009 litra substancji w odoru czyli czegoś, co mniej albo więcej jest istotnie m aterją; reszta zaś, t. j. 0 99991 litra, przypada na próżnię. W idzimy, że w gazie norm alnej gęstości oceany próżni oblew ają dokoła dalekie od siebie w ysepki m a
terji.
Cząsteczki gazów nie pozostają w spoczynku; prze
ciwnie, biegną wciąż, we w szystkich kierunkach, pospiesz
nie, bezładnie. Gdy dwie cząsteczki spotykają się z sobą, załam ują drogi, odw racają kierunki; odskakując od siebie, poruszają się zwykle zupełnie inaczej aniżeli biegły przed spotkaniem . Stąd wynika, iż cząsteczki gazów, chociaż są rzadko rozsiane, przeszkadzają sobie naw zajem nie
zm iernie; stąd wynika, że posuw ają się naprzód bardzo powoli, jakkolw iek m kną naogół z prędkością ogromną.
W norm alnych w arunkach tem peratury i ciśnienia czą
steczka w odoru biegnie średnio z prędkością około 1700 m etrów na sekundę; lecz ponieważ w ciągu każdej se
kundy odbyw a około 9-ciu m iljardów spotkań z innem i cząsteczkami, zatem bez zakłócenia, bez starcia, może dążyć prosto przed siebie zazwyczaj tylko przez czas bardzo krótki; przeciętna sw obodna jej droga wynosi tylko około 0'00002 centym etra. Rozumiemy teraz, że cały ów tłum m olekularny szamoce się wciąż w gorączkowym tumulcie. Co chwila, w tym w rzątku w ydarzeń, dzieje się coś, co je st najm niej spodziewane. Gdzieś w gazie gromadź się nagle zbiegowisko cząsteczek, ale rozprasza się zaraz;
156 —
to znowu któraś cząsteczka w yskakuje ze zgiełku z nad
zwyczajną, niebyw ałą prędkością, ale pozostałe cząsteczki odbierają jej tę prędkość natychmiast. Fantastyczne zda
rzenia trafiają się zrzadka, jak w śród ludzi, tak w społe
czeństwie molekuł. Ale wszystko, co stało się, przem ija natychm iast; w szystko dzieje się, w szystko znika, wszystko dokonyw a i rozchw iewa się z zaw rotną szybkością.
II
Przypuśćm y, że przez taką burzliw ą hałastrę dygocą
cych cząsteczek płynie fala świetlna, czysty i spokojny dźwięk próżni powszechnej. Przypuśćm y na chwilę, że jest to fala jednorodna, prosta, niezmienna, perjodyczne w strząśnienie określonej i stałej częstości. W yobraźm y sobie, że fala ta biegnie z nieskończonej oddali, przez bezbrzeżne puste przestw orze; nazw ijm y ją, dla zwięzłości, falą pierwotną. Dopóki gra w próżni, fala pierw otna nie roni nic z właściwej swojej energji; dopóki przez próżnię się szerzy, snop fali pierw otnej niesie nienaruszony stru m ień energji, który nie ucieka, nie rozprasza się w żadnym ubocznym kierunku, ani też nie przeobraża się w żadną inną postać energji.
Dopadłszy granicy m aterjalnego ośrodka, fala przenika do w nętrza; ale i tam biegnie tylko przez próżnię; tylko próżnia je st dość doskonała, ażeby ją mogła roznosić.
W iemy, że w gazach jest mało właściwej m aterjalnej substancji; gazy są to bardzo rozcieńczone roztw ory m aterji w próżni. Fala pierw otna biegnie więc przez puste obszary, które oddzielają od siebie cząsteczki; po drodze musi jed nak uderzać o rozsiane fragm enty m aterji. Co dzieje się wówczas? Jaki jest mechanizm oddziaływ ania pomiędzy falą a m aterjalnym atom em ? Jest to pytanie fundam en
talne w zagadnieniu, którem jesteśm y obecnie zajęci.
Możemy odpowiedzieć na to pytanie, w obecnej chwili
157
-stosunkowo najłatw iej, w elektronowej teorji budow y atomu. W edług tej teorji, m aterjalne atom y zaw ierają w sobie, oprócz innych części składow ych (t. zw. jąder dodatnich), drobne, elektryczne punkciki, elektrony, obda
rzone stosunkowo znacznemi, ujem nem i elektrycznemi ładunkam i oraz bardzo małemi, pozornem i masami. Z po
między elektronów atomu, niektóre są w nim, być może, trzym ane na uwięzi; inne krążą w nim bystro, mniej więcej podobnie ja k planety w układzie słonecznym.
Przypuśćm y, że na taki zawiły elektryczny budynek spada elektrom agnetyczna fala, która otacza i przenika go nagle.
Elektrony, które znajdow ały się dotychczas w spoczynku, poczynają drgać; te, które krążyły po regularnych orbitach, zataczają odtąd drogi nowe, zwichrzone, odm ienne od dawnych. Od rozkołysanych, od zakłóconych w obiegu elektronów dążą przez próżnię drobniutkie, m olekularnie znikom e elektrom agnetyczne zaburzenia; nazw iem y je krótko falami wtórnemi*). Dokoła zatem każdego atomu, wstrząsanego przez falę pierw otną, szerzy się drobna fala
•wtórną; nieustannie w zbudzana przez atom, fala ta nie
ustannie od atom u ucieka. Skąd pochodzi energja, którą niesie w sobie ta fala? W ybiegając z atomu, fala w tórna odbiera m u energję, k tó rą dalej przew odzi; atom zaś czerpie energję z fali pierw otnej; każda więc fala w tórna musi w drobnej m ierze ham ować i tam ow ać falę pier
wotną, musi z niej wydobywać, za pośrednictw em atomu, pew ną m ałą ilość energji, którą roznosi następnie we
*) W opisany sposób, w ed łu g w szelk iego p raw dop odob ieństw a, w ytw arzają się fale w tórne dokoła atom ów . Fale p i e r w o t n e , w ysyłan e przez m aterjalne atom y, pow stają inaczej, jak w id zie
liśm y w poprzednim rozdziale tej książki. Dalszy bieg m yśli w obecnym naszym w y w o d z ie nie zm ieniłby się zresztą istotnie, gd ybyśm y, chcąc uniknąć dzisiejszego dualizm u optj^cznych teoryj, p róbow ali zastosow ać rów n ież i do w tórnego prom ieniow ania atom ów h yp otezę kata strof, która, jak w iem y , szczęśliw ie tłum a
czy p och odzen ie ich p ierw otn ego prom ieniow ania.
- 158 —
wszystkich kierunkach przestrzeni. E nergja falista nie ginie ani przeobraża się istotnie w takim procesie, ale rozsiewa się, gubi się; mówim y, że prom ieniow anie roz
prasza się. Dopóki fala pierw otna pędzi przez próżnię, jej strum ień energji, choć w podskokach, leje się bez uszczerbku w określonym kierunku. Gdy jednak, dobiegł
szy gazowego ośrodka, przedzierać się musi przez chaos molekuł, fala bryzga pianą bezładną, która w nią wsiąka, zmienia jej ustrój i w yczerpuje jej pierw otną żywotność.
Co dzieje się w gazie, możemy w yobrazić sobie, ja k następuje. W ybierzm y którykolw iekbądź punkt M owych pustek, które rozciągają się pomiędzy cząsteczkami m a
terji. Którykolwiek punkt M tych odstępów wzięliśmy pod uwagę, możemy być pewni, że krzyżują się w nim m iljardy m iljardów maleńkich zaburzeń, które z m iljar- dów m iljardów bliższych i dalszych atom ów wzięły po
czątek. Krzyżując się, niezliczone te w strząśnienia zespalają się z sobą; jednoczą się one zarazem z falą pierw otną, która przebiega te same obszary; wszystkie te bowiem zjaw iska faliste są okresowe w jednakim rytm ie, są zm ienne z tą sam ą częstością. Musimy jednak rozumować ostrożnie i wystrzegać się wniosków pośpiesznych. Koja
rząc się z sobą, fale wtórne, pochodzące od dwóch różnych atomów, niezawsze w zajem nie w zm acniają się; mogą się one rów nież osłabiać, mogą się naw et zobojętniać i znosić.
W szelka fala składa się ze zjawisk wektorjalnych, z k tó rych każde odbyw a się w określonym kierunku. P rzy
puśćmy, że pod w pływ em fali, biegnącej z atom u A, pow inno odbyć się w chwili t, w punkcie M, pewne elektryczne zjawisko skierow ane w prost przeciwnie niż to, które w tej samej chwili, w tym sam ym punkcie, w y
w ołałaby fala, idąca z atom u B\ skutki tych fal wówczas sprzeciw iają się sobie, w ynik zespołu dwóch fal może być słabszy niż efekt jednej fali składow ej; w ynik ten naw et może być zerem.
— 159 —
Dopóki m ów im y o w zajem nem nakładaniu się na siebie dw óch w tórnych fal, zagadnienie jest określone;
możem y je rozw iązać bez głębszej trudności. Lecz skoro pragniem y zrozum ieć bieg prom ieniow ania przez mole
kularny ośrodek, musim y rozw ażać interferencję, w danej chwili i w danym punkcie ośrodka, niezmiernej liczby fal w tórnych, których mnogość i rozm aitość je st nie do objęcia. Takie zagadnienia w istocie nie są nierozwiązalne;
ale przez nadm ierną wielość wiadomości, które byłyby potrzebne do rozw iązania, stają się nieoznaczone. Na szczęście, zagadnienia fizyczne, które uchylają się z pod w ładzy daw niejszych determ inistycznych m etod nauki, podpadają tem samem, w zmienionej postaci, pod możność i zdolność statystycznego sposobu rozum ow ania; nazwa jest trafna, albowiem znany pod nią piękny i szczodry prąd rozpoznania kieruje się m yślą przew odnią, którą t. zw. m atem atyczna Statystyka oraz inne zastosow ania lub działy Rachunku Praw dopodobieństw a oddaw na są przesiąknięte. Spoglądamy dziś w Fizyce na stany i zmiany w otaczającym nas świecie mniej więcej podobnie ja k m eteorolog regestruje opady atm osferyczne w Islandji lub około Przylądka Dobrej Nadziei, ja k dem ograf zapi
suje urodzenia i zgony w Indjach lub Chinach, ja k hi
storyk przebiega w myśli tysiącoletnie zamęty w ędrów ek i w alk ludów i ras w dolinie Eufratu lub Nilu. Nie za
pytujem y o szczegóły, których nikt nie potrafiłby objąć;
szukam y tylko wielkich sum lub przeciętnych. Nasza zdolność m yślenia nie pozwala nam zwykle w patryw ać się w św iat bystrzej i dostrzegać w nim więcej; zmysły nie mogą zapoznawać z drobiazgam i w ydarzeń, które widzimy, ja k z wyniosłego szczytu górskiego, przez mgłę oddalenia. Oddawna, lecz nieśw iadom ie Fizyka rządziła się temi praw dam i; w naszych czasach zaczyna kierow ać się niemi odw ażnie i konsekw entnie. N ajw iększe uogól
nienia naszej nauki okazują się spostrzeżeniam i o zastępach
— 160
-atomów, o rojnych chm urach elektronów, o splotach w ektorów i pól, o zbiegowiskach w ydarzeń i wrażeń. P rzy
kładem takiego tw ierdzenia je st zasada C a r n o t a , sze
rokie, w spaniałe spojrzenie na wszechświat, ślizgające się jednak ogólnikowo po rubieży rzeczywistości. Praw a Statyki i Dynamiki, praw a H ydroslatyki i H ydrodyna
miki, praw a zjawisk sprężystych, kapilarnych, elektrycz
nych, magnetycznych, elektrom agnetycznych i chemicz
nych są podobnie najczęściej statystycznem i praw dam i.
Na przeciętnych poprzestaje także O ptyka m oleku
larna. Rozmieszczenie cząsteczek gazu w przestrzeni, w pewnej dowolnej chw ili, je st dziełem przypadku;
rozdział faz ich w ew nętrznych przem ian i przejść jest nieobliczalny. W rozkładzie cząstek, w ich chwiejbie i w irze niem a ładu, systematu, porządku; bujny świat m olekularny żyje nieprzejrzaną m nogością zdarzeń od
rębnych, niepodległych, niezależnych naw zajem od sie
bie. Dlatego rozw iązanie zadania o interferencji m ole
kularnych fal w tórnych je st statystycznie możliwe w przy
padku gazowego ośrodka. W gazie, ja k R a y l e i g h po
kazał, fale w tórne pom agają sobie naogół, sprzysięgając się w walce z falą pierw otną. W zdłuż całej drogi, którą fala pierw otna toruje sobie w ośrodku, m ocuje się ona nieprzerw anie z zespołem fal w tórnych; w tych zapasach w yczerpuje się powoli energja fali pierw otnej, jej cha
rak ter poczyna stopniow o się zmieniać; fala om dlew a i cichnie, nadto biegnie powolniej. Pow iadam y, że fala załam uje się w przejściu z próżni do m aterjalnego ośrodka;
0 sam ym ośrodku mówimy, że rozprasza fale, że optycz
nie jest mętny. Choć w drobnej mierze, każdy gaz musi być mętny, albowiem jest kapryśnie niejednolity, albo
wiem je st rojem niezgodnie brzęczących cząsteczek, jest mgławicą, którą w strząsają niekończące się kolebania 1 dreszcze; albowiem to, co je st w nim w łaściwie m a
terją, trzęsie i m iota się w nieustającem szaleństwie.
— 161
-Jakże odm ienny musi być przebieg w ydarzeń w archi
tekturze kryształu! K ryształ (lub m oże raczej nasz ideał krystalicznego ośrodka) jest układem spójnym i zw artym , składa się bowiem z atom ów solidarnych i karnych. Gaz jest luźną zbieraniną swaw olnych cząsteczek, nie troszczą
cych się wcale o jedność; w ynikiem ich brzm ień je st szm er szary i mdły, ja k szum odległego morza. Kryształ jest chórem zestrojonych atom ów ; gra w yraźnie i dźwię
cznie, harm onijnym zespołem , nieporów nanie czyściej i przezroczyściej aniżeli nasze orkiestry. Biegnąc przez gazowy ośrodek, w iązka świetlna ugina się zatem, bryzga, rozprasza się, w stosunku do słabej gęstości ośrodka, bardzo obficie; w krysztale to rozpraszanie, mimo stło
czenia atomów, jest conajwyżej nieznaczne, do dzisiej
szego dnia naw et jeszcze w ą tp liw e x). Przeciwnie, roz
praszanie się św iatła w gazach jest dziś niew ątpliw e; po raz pierwszy dostrzegł je E x n e r ; późniejsi badacze:
C a b a n n e s w Marsylji, dzisiejszy L o r d R a y l e i g h
’) O becny L o r d R a y l e i g h (syn i d ziedzic nazwiska w ie l
kiego badacza, którego d ziełem zajm ujem y się w szkicu niniej
szym ) dostrzegł w roku 1919-ym rozpraszanie się św iatła w bloku p rzezroczystego kw arcu, le cz przypisuje je w pływ om ubocznym . Do nieco od m ienn ych w n iosk ów d oszed ł prof. C. V. R a m a n z Kalkutty w r. 1922-im.
Ażeby objaśnić m yśl p ow yższego w yw od u na p rostym p rzy
kładzie, w yobraźm y sob ie d ośw iad czen ie następujące. Przygotuj
m y p ew ną ilość szkła zm ielon ego na proszek; takie szkło jest n iep rzezroczyste. Sporządźm y m ieszaninę b enzolu i dwusiarczku w ęgla, której sp ółczynn ik załam ania byłby rów n y sp ółczynn ik ow i załam ania użytego gatunku szkła. Gdy szklany p roszek oblejem y taką m ieszaniną, w yd a się zupełnie p rzezroczysty. W zajemne d o
stosow anie spółczynn ik ów załamania nie m oże rozciągać się jednak do w szystk ich zak resów w idm a, p oniew aż dyspersja szkła różni się od dyspersji m ieszaniny b en zolu i dw usiarczku w ęgla. Gdy spoglądam y zatem przez zalany cieczą szklany proszek, w idzim y, że źródło św iatła, w pow ietrzu bezbarw ne, w ydaje się zabar
w ion e.
Wł. N ałanson: S zkice. 11
t — 162 —
w Londynie, niemiecki uczony R. G a n s, prof. C. V.
R a m a n w Kalkucie, nieodżałow any nasz M. S r a o l u - e h o w s k i w Krakowie postaw ili sobie podobne zadania i znaleźli w zasadzie tę sam ą odpowiedź.
III
W yobraźm y sobie kulę prom ienną, k tórą nazyw am y słońcem i naprzeciw niej naszą m ałą, wystygłą planetę, otuloną w stosunkowo dość sporą i zaw iłą atmosferę gazową. Słońce przysyła nam fale prom ieniow ania, które muszą przedrzeć się przez atmosferę, zanim dotrą do pow ierzchni ziemi. Z poprzedzających objaśnień wynika, że prom ieniow anie słoneczne nie dobiega nas w pełni początkowego swego natężenia. W iadom o o tem istotnie oddawna, że atm osfera ziemi nie je st doskonale przezro
czysta. Dzięki badaniom m nóstw a uczonych, dzięki zw ła
szcza długoletniej, w ytrw ałej pracy astrofizyków am ery
kańskich C. G. A b b o t a i F. E. F o w 1 e’ a, znam y dzisiaj dokładnie rodzaj i m iarę przezroczystości naszej atm o
sfery. Praw da, że ta atmosfera, przew ażnie zresztą tylko w dolnych swy.ch w arstw ach, unosi w sobie zmienne ilości kurzu, pyłu, kryształków lodu i innych stałych okruszyn, nieraz mgłę i leciutkie chm urki, złożone z m a
leńkich w odnych kropelek; praw da, że przez tę atmosferę biegnie nietylko bezpośrednie, pierw otne prom ieniow anie słoneczne, lecz rów nież światło rozsiane przez nią sam ą a także odbite od chm ur i od pow ierzchni ziemi. Lecz um iem y obliczać, rugow ać albo okrążać rozm aite te za
kłócenia i uboczne w pływ y; wiem y dzisiaj, że, w ode
rw aniu od nich, pow ietrze atm osferyczne nie je st ściśle przezroczyste; wiemy, że jest mętne, w łaśnie w tym stopniu, jakiego każe oczekiwać teoretyczny rachunek. Ze na drodze czystego rozum ow ania możemy przepowiedzieć, jakie są, jak ie muszą być optyczne w łasności powietrza,
— 163
-nie jest-że to zadziw iającem zwycięstwem nad otaczającą nas mgłą niepojm ow ania?
Przypom nijm y sobie obecnie, co nam z pierwszych zasad wiedzy w iadom o: światło słoneczne nie je st jed n o rodne; żadne, św iatło białe, żadne wogóle światło nie jest jednorodne. Niem a w Naturze, ani też możemy wytworzyć w pracow ni fizycznej, prom ieniow ania ściśle jednej barwy, jednej częstości. Każde prom ieniow anie jest od
mętem naogół niezwiązanych zaburzeń, albowiem każde pochodzi od zbiegowisk atom ów ; każde zresztą ludzkie świetlne w rażenie je st sumą rozpościerającą się na długie eony indyw idualnych aiom istycznych przebiegów, na nieprzejrzane stłoczenia i nagrom adzenia ich wpływów.
Mimo to jednak, że światło słoneczne je st taką plątaniną w ydarzeń, możemy je przecież przedstaw ić (dzięki m a
tem atycznym m etodom F o u r i e r a ) w postaci gamy czystych tonów optycznych, w postaci kom pleksu fal prostych czyli elem entarnych; ale częstości tych fal muszą przebiegać wszystkie możliwe wartości, od najm niejszych aż do największych; ich barw y muszą przybierać wszystkie odcienie, nietylko te, które pomiędzy fioletem a czerwienią widzialnego w idm a się mieszczą, lecz i te wszystkie, poza krańcam i w idzenia leżące, których nie zdoła wyśnić ni
czyja w yobraźnia malarska. Możemy przypuszczać, że każde z tych elem entarnych falowań jest obecne w pro
m ieniow aniu słonecznem, że każde m a w łasną częstość drgań, sobie w łaściw ą; że każde uderza o cząsteczki po
w ietrza i rozpryskując się, strzela we wszystkich kierun
kach. W spotkaniu tętniącej próżni z rozigraną m aterją energja w różne strony tryska ja k świetlista fontanna.
Czy jednak to rozpylanie energji w rozm aitych elem en
tarnych prom ieniow aniach, w rozm aitych falach składo
wych słonecznego światła, odbyw a się jednakow o? Fale elem entarne różnią się między sobą częstością. Zapytujemy zatem, czy rozpraszana przez atom w jednostce czasu
11*
— 164 —
energja zależy od częstości falowań: pierwotnego, które nań spada i wtórnego, które on od siebie odrzuca? Na to pytanie rachunek daje odpowiedź, która rozstrzyga o zagadnieniu naszem obecnem. Ilość rozpraszanej energji jest caeteris paribus proporcjonalna do czwartej potęgi częstości, je st zatem nader niejednakow a dla rozm aitych falowań, składających (choćby w zakresie widzialnego w idm a) prom ieniow anie słoneczne. Za granice widzial
nego widma poczytuje się zwykle te jego miejsca, w któ
rych długość fali wynosi
00000,19 cm. oraz 0'000080 cm.
Granice te zależą w praw dzie od w rażliwości w zroku ob
serw atora; możemy je przecież przyjąć, jako przybliżone średnie, za podstaw ę oszacowania. Stosunek drugiej d łu gości fali do pierwszej wynosi 205; czw arta potęga tej liczby jest 177. Rozsiewanie energji falistej odbyw a się zatem 17'7 razy usilniej w najkrótszem , fioletowem pro
m ieniow aniu w idzialnem aniżeli w czerwonem, najdłuż- szem. Ten w ynik rachunku wyjaśnia, dlaczego niebo w ydaje się błękitne. Tak zw aną barw ę nieba poznajem y dzięki rozrzucanem u przez cząsteczki pow ietrza, dzięki rozsypyw anem u przez nie w tórnem u prom ieniow aniu;
otóż obecnie widzimy, że w tem prom ieniow aniu fiole
tow e składniki muszą znacznie przeważać nad wszelkiemi
tow e składniki muszą znacznie przeważać nad wszelkiemi