Dlaczego stal je st w ytrzym ała, kreda zaś jest krucha?
Dlaczego z korka nie w yrabia się m łotów , z ołowiu nie sporządza się dzwonów? Czemu ciasto ugniatam y w ręku z łatw ością a nie możemy ugnieść żelaza? Dlaczego k ro pla wody nie byw a nigdy sześcianem? Dlaczego w rurce szklanej w łoskow atej w oda wznosi się, rtęć zaś obniża się? Czemu chlor jest zielonkawy, w odór bezbarw ny?
Czemu miedź nie jest tak przezroczysta ja k szkło?
Czemu niebiosa są błękitne? Czem różni się w oda go
rąca od zim nej? Gdy topi się wosk, gdy alkohol wre, gdy cukier rozpuszcza się w wodzie, gdy rdzew ieje że
lazo, gdy węgiel się spala, gdy potas lub sód gw ałtow nie oddziaływa na wodę, co dzieje się wówczas istotnie, co odbyw a się pod pow ierzchnią zew nętrznego pozoru?
Jesteśmy otoczeni m aterją i nie rozum iem y jej zacho
wania. Pow inniśm y dziwić się codzień, nieustannie, ja k m ałe dzieci, które w tym względzie są lepszym i od nas filozofami. Stoim y przed bezm iernym korow odem za
gadnień; stoi wobec nich ludzka nauka, niekiedy zw y
cięska, często bezradna, po wielu bezow ocnych próbach pozornie ślepa, pozornie obojętna.
I
Rozm aitem i sposobam i możemy rozdrabniać ciała na części coraz m niejsze i mniejsze. Żelazo możemy piłować
4*
— 52
-na drobne opiłki, platynę i srebro wyciągać w zaledwie dostrzegalne niteczki, złoto rozw ałcow yw ać na płatki niezm iernie cieniutkie, które przepuszczają św iatło prze
pysznie zielone. Sól albo cukier m ożem y utłuc i roze
trzeć na proszek, m ąkę zemleć na pył bardzo subtelny.
Na szkle djam entem um iem y nacinać rów noległe linje tak blisko, że dopiero dobry m ikroskop pozw ala je od siebie rozróżnić. Jeszcze skuteczniej możemy dzielić ciała innem i, pośredniem i drogami. W niektórych reakcjach chem icznych krzem ionka albo m agnezja strąca się w po
staci proszku tak bardzo miałkiego, że mogą po nim, podobnie ja k po cieczach, rozbiegać się fale. Gdy cukier rozpuszcza się w wodzie, muszą odryw ać się odeń cząstki m aleńkie, które są jeszcze cukrem , skoro udzielają roz
tw orow i słodyczy. Barw ę niektórych barw ników , np.
rozaniliny, rozróżniam y w zrokiem w roztw orze, w k tó rym na litr wody przypada stotysięczna część gram a barw nika. N ajm niejszy okruch soli kuchennej wystarcza, ażeby ostrą, pom arańczow o żółtą barw ę przez wiele go
dzin nadaw ać płom ieniow i palnika B u n s e n a. Maleńka odrobina piżm a napełnia zapachem pow ietrze pokoju przez przeciąg czasu wielu tygodni. Maleńka kropelka nadzwyczaj rozcieńczonego roztw oru fłuoresceiny fluory
zuje bardzo wyraźnie. Prom ień kropelek wody w mgle albo chm urze nie dochodzi zazwyczaj do jednej dzie- sięciotysięcznej części centym etra; błonki i bańki m y
dlane m iew ają nieraz grubość m niejszą niż m iljonow a część centym etra; jeszcze cieńsze byw ają w arstew ki oliwy, rozpościerające się po pow ierzchni wody. W kol- loidalnych roztw orach złota zawieszone są cząstki tego metalu, których średnica w yuosi około dziesięcio- miljonowej części centym etra; przyrządzane przez F a r a d a y a blaszki złote m iew aty około dziesięciu takich cząstek w kierunku grubości. Zapomocą niewidzialnych cząstek działa Natura pow iada L u k r e c j u s z , który
— 53 —
przypom ina nam słusznie, iż złoty pierścień, długo no
szony na palcu, staje się cieńszy, choć nikt nigdy nie dostrzegł odryw ających się odeń cząsteczek.
Materja może zatem rozdrabniać się aż do znikomych dla zm ysłów rozm iarów ; w stanie takiego podziału jest skłonna do sam owolnego rozpraszania się, ja k to wi
dzimy w zjawiskach dyfuzji. W iemy, że sól albo cukier dyfunduje przez w o dę, że tlen dyfunduje przez azot i azot przez tlen; wiem y nawet, od czasu prac R o b ę r t s a A u s t e n a, że srebro, platyna i złoto mogą djr- fuzyjnie przenikać przez cynę, przez ołów i bizmut. Jak zatem roztw ór cukru w wodzie składa się z odrobin cukru, pływ ających w ciekłym ośrodku, podobnie w szyst
kie napozór ciągłe i jednolite ciała muszą być utw o
rzone z m aleńkich okruszyn, z cząsteczek czyli molekuł, z atomów, które otoczone są próżnią.
Mamy przed sobą gaz, który napozór znajduje się w zupełnym spoczynku; musim y w yobrażać sobie, że jego cząsteczki biegną przez próżnię we wszystkich m oż
liwych kierunkach. Jeżeli istotnie w odór może dyfun- dować przez tlen lub przez azot, czy podobna przypuścić, ażeby w odór nie dyfundow ał przez w odór? W inniśm y uznać, że w łonie każdego chemicznie jednorodnego gazu odbywać się musi nieprzerw ana w ew nętrzna dy
fuzja, chociaż nie m am y sposobu, ażeby się o niej do
świadczalnie przekonać. Lecz skoro zgodziliśmy się na takie założenie, ju ż tem samem orzekliśmy, że cząsteczki gazów znajdują się zawsze w ruchu bezładnym, który jest w łaśnie istotą zjawiska dyfuzji.
P rzykłady jeszcze dalszego, o wiele jeszcze rad y k al
niejszego dzielenia się m aterji m am y w niezliczonych, różnorodnych, zawiłych zjaw iskach łączenia, rozpadania i podstaw iania się ciał, w owem ogromnem, jeszcze mało opanow anem paśm ie w yd arzeń, którem zajm uje się Chemja. W tych zjawiskach m aterja przeistacza się nie
- 54 —
raz, przynajm niej nazewnątrz, całkowicie, zupełnie; m u
simy zatem przypuszczać, że rozpada, że rozsypuje się w nich bardzo często struktura molekularnego budynku, że zam iast zburzonych lub rozprzęgłych cząsteczek po
jaw iają się nowe, odm ienne układy atomów.
Przez całe stulecie na chem icznym atom ie zatrzym y
w ała się przenikliw ość w zroku nauki. W iemy dziś, że cząstki, stanow iące istotę (oddaw na znanych) katodowych promieni, nie są zw ykłem i chem icznemi atom am i; są to elektrony, znikom o drobne ujem ne elektryczne ładunki, obdarzone bardzo m ałem i (od najm niejszych atom ow ych mniejszem i) pozornem i masam i. Obecność i w pływ elek
tronów poznaliśm y dziś w m nóstw ie zjawisk fizycznych, w rozm aitych oddziałach nauki.
Zjawiska chemiczne są znane ludzkości od pierwszego zarania jej dziejów; lecz od miesiąca lutego 1896-go roku, dzięki odkryciu H e n r y k a B e c ą u e r e l a , stoim y przed now ym rozdziałem rzeczywistości. Prom ieniotw órcze zjawiska, ja k wiem y dzisiaj, zasługują na nazwę u ltra - chemicznych, albowiem nierów nie jeszcze dalej, aniżeli przem iany chemiczne, sięgają w treść i w istotę m a
terji.
II
Podpadające pod nasze zmysły_ciała m aterjalne są to zatem naogół tłum y, są to nieprzeliczone zastępy indy
w iduów, są to zbiegowiska cząsteczek, atom ów , elektro
nów lub jeszcze drobniejszych substancjalnych ułam ków ; zjawiska, które dostrzegam y w m aterji, są to łączne, zbiorowe, grom adne objawy, są to sploty i roje osobnych przebiegów, są to w iry tętniące nieprzejrzanem stło
czeniem .
Na takie tłum y znikom ych punkcików, na takie od
m ęty elem entarnych procesów spoglądam y dziś w Fizyce
- 55 —
zwykle ze statystycznego punktu widzenia. Zaczynamy od założenia, że różnorodność i mnogość czynników pierw otnych, składających się na zjawisko fizyczne, jest nie do objęcia; w yrzekam y się zatem poznania tych ele
m entów w ich szczegółach, w ich niedostępnych d ro
biazgach; nie zapytujem y naw et, czy one są indyw idual
nie dane przez niezłom ne praw a; kapryśne, dow olne czy też konieczne ale nam na zawsze nieznane, są nam obo
jętne. Z tego założenia wynika, że żadnego ostatecznego, żadnego zbiorowego objaw u nie m am y praw a poczyty
w ać za niemożliwy; wolno nam zapytyw ać tylko o to, ja k dalece jest prawdopodobny. Ale różne w ypadkow e skutki m olekularnych w ydarzeń są niejednakow o, są n ie słychanie rozm aicie praw dopodobne; jedne są bajeczną liczbę razy praw dopodobniejsze niż inne. W eźm y prosty przykład. W yobraźm y sobie naczynie w kształcie w alca i podzielmy je w myśli idealną płaszczyzną na dwie części: dolną A i górną B. Przypuśćm y, że naczynie jest w ypełnione np. w odorem. W iem y z doświadczenia, że cząsteczki w odoru znajdują się wówczas w obu częściach naczynia, zarów no w A ja k i w B; nie zdarza się, ażeby wszystkie cząsteczki, choćby przez chwilę, skupiły się w A, część B zaś pozostaw iły pustą. Czy takie w ydarze
nie jest niem ożliwe? Ze stanow iska statystycznego m o
żemy tylko powiedzieć, że je st niezmiernie mało praw do
podobne. W yobraźm y sobie, że płaszczyzna, o której mówiliśmy, jest praw dziw ą ścianą czyli m aterjalną przegrodą. Przypuśćm y, że w części A znajduje się w o
dór, że w części B m am y próżnię. Jeżeli nagle usuniemy lub unicestwimy przegrodę, wówczas, w samej chwili jej zniknięcia, tłum cząstek znajduje się we w spom nia
nym, nadzwyczaj niepraw dopodobnym stanie, m ianow i
cie: w szystkie cząsteczki w odoru znajdują się w A, w części B niem a ich wcale. W iem y z doświadczenia, że gaz nie pozostaje w tym stanie, że z niego wychodzi,
- 56 —
że odeń ucieka; wiemy, że gaz przerzuca się ku stanom praw dopodobniejszym ; że, w ygładzając niepraw dopodo
bieństwo pierw otnego stanu, spraw ia nowe, lecz mniej jaskraw e niepraw dopodobieństw o stanu nowego. Mamy więc w ahania gęstości w gazie, lecz tłum ione, więc (aż do granicy m olekularnych fluktuacyj) coraz słabsze. Czy
sto statystyczna teorja nie zajm uje się pytaniem , jakim sposobem tłum cząsteczek przechodzi z pewnego danego stanu do innego stanu i nie umie wskazać praw tego przejścia; w czysto statystycznej teorji nie posługujemy się pojęciem czasu i zapom inam y o jego płynięciu; różne stany gazu istnieją w niej odosobnione i nie łączą się wcale ze sobą. Statystyczny rachunek daje nam tylko praw dopodobieństw a rozm aitych możliwych stanów d a nego układu cząsteczek. Przekonyw am y się naprzykład łatw o, że jednostajny rozkład cząsteczek w przestrzeni je st nieporów nanie praw dopodobniejszy i zdarza się o wiele, wiele częściej aniżeli rozkłady inne, zwłaszcza takie, które jaskraw ię odskakują od jednostajności. Ob
serw ujm y pew ną ilość w odoru, znajdującą się w zam - kniętem naczyniu, napozór w rów now adze cieplnej i m e
chanicznej; gęstość gazu, badana jakąkolw iekbądź do
świadczalną metodą, w ypada w każdem miejscu jednakow a.
W edług m olekularnej teorji, taka jednostajność gęstości jest prostem złudzeniem. Każdy m aleńki sześcian, w y
cięty w myśli w ew nątrz naczynia, zaw iera co chwila inną liczbę cząsteczek, zwykle odm ienną aniżeli przy
ległe sześciany; innem i słowy, gęstość gazu nie je st stała ani w przestrzeni ani w czasie, gęstość faluje, cho
ciaż zakres tej chw iejby byw a najczęściej całkiem zni
komy. Stan w yjątkowy, dziwaczny, stan bardzo nie
praw dopodobny (naprzykład powyższy, w którym część A byłaby pełna, część B byłaby pusta) może w praw dzie bezw ątpienia w ydarzyć się, kto wie, może za m inutę lub za godzinę; ale w edług ścisłych reguł praw dopodobień
— 57
-stw a wolno tylko powiedzieć: chcąc mieć pow ażną r ę kojm ię doczekania się takiego w yjątkowego stanu, na
leżałoby gaz obserw ow ać przez niewysłow ioną liczbę stuleci. Gdyby zresztą, dzięki w yjątkow em u zbiegowi oko
liczności, ziścił się podobny stan nadzwyczajny, trw ałby tak krótko, m ignąłby tak błyskawicznie, że uszedłby całkowicie naszej uwadze; wszakże ludzkie dostrzeżenia w ym agają naogót okresów czasu, które w stosunku do gorączki świata m olekuł są fantastycznie długiemi, są niezm ierzonem i pasmam i.
W roztrząsaniu nieodw racalności zjaw isk fizycznych oraz możności mechanicznego jej w ytłom aczenia, Ma x - w e 11, B o l t z m a n n i rozm aici inni uczeni zasadzali się długo na rozum ow aniu, którego treść ogólnikowo tu przedstaw iliśm y; M a r j a n S m o l u c h o w s k i , w roku 1904, dostrzegł w niem w skazówkę istnienia nowej dzie
dziny faktów: m ikroskopow ych fluktuacyj w artości m a
kroskopow ych wielkości, ja k np. gęstość gazu, ciśnienie, tem peratura, ja k stężenie roztw oru, prom ieniow anie źró dła św iatła i t. d. Doświadczenie w krótce potw ierdziło bystrość rozum ow ania nieodżałowanego polskiego b a d a cza. Tow arzysząca stanom pozornej rów nowagi chwiejba m olekularna je st dzisiaj trw ałym nabytkiem nauki;
przenikliwości S m o l u c h o w s k i e g o zawdzięczamy tę zdobycz.
Świetne powodzenie statystycznej teorji nie prze
szkodzi nam w zachowaniu niejakiej nieufności wzglę
dem pewnych wniosków, które z niej niekiedy w ypro
wadzano. Jak każda dedukcyjna m etoda myślenia, Ra
chunek Praw dopodobieństw a w w ynikach wywodu zw raca nam oczywiście w łasne nasze, za podstaw ę przyjęte za
łożenia, w skazując jasno i tw ardo, do jakich następstw one prowadzą. Gdy zatem czytam y w form ułach n a
szego rachunku, że naprzykład pew ne stany tłum u czą
steczek są praw dopodobne, inne zaś mało praw dopo
dobne, wniosek len w ypada poprostu z wziętego za punkt wyjścia określenia praw dopodobieństw a, które, jak oddaw na wiadom o, je st do pewnego stopnia dowolne.
Badając zm ienność gęstości m aterji w przestrzeni i w cza
sie, wychodzim y w łaśnie z określenia, które w znacznym zakresie doświadczenia doprow adza do wniosków p raw dziwych. Nie wiem y jednak, czy to określenie jest bez
względnie dokładne i nie pow inniśm y ufać mu bezw a
runkowo. W yobraźm y sobie na chwilę, że, zapom inając 0 siłach chemicznych, zastosow aliśm y te same założenia do badania rozkładu w przestrzeni atom ów w odoru H 1 tlenu O; bylibyśm y doszli do w niosków m ylnych w znacznym zakresie tem peratur i ciśnień, w tym m ia
nowicie, w którym mogą czy muszą istnieć molekuły H 20. Pragnąc więc pozostać w zgodzie z faktami, m u
sielibyśm y zupełnie przeistoczyć założenia, na których tu zasadzalibyśm y rachunek. Zupełnie podobnie, gdyby hypotezy przyjęte w teorji pospolitych m olekularnych fluktuacyj były tylko lekko nieścisłe, nie m iałoby to może doniosłego w pływ u na wnioski, pozostające w zakresie zwykłego dostrzegania; lecz skrajne extrapolacje, w y
biegające poza ten zakres nadzwyczaj daleko, zapadłyby się wówczas w nicość zupełną.
— 58 —
III
N e w t o n stw orzył Mechanikę Niebios; za jego przykładem największe um ysły usiłowały, przez półtora wieku, zbudow ać dynam ikę atom ów albo molekuł, Me
chanikę Materji. Przez półtora w ieku m yśl ludzka do
strzegała nieustanną grę sil w m aterjalnym wszechświecie.
W próżni, w pustej geometrycznej przestrzeni, widziano bierne, bezwładne, ociężałe atom y; przez próżnię prze
skakiw ały siły, ożywiając te m artw e punkty materji.
- 59 —
Siły w ikłały i krzyżow ały się z sobą, rosły naprzem ian i słabły, parły ku sobie atom y lub rozpędzały ich zbiory, niekiedy utrzym yw ały je w zawiłej i m isternej rów no
wadze. One przecież spraw iały ciężkość przedm iotów na ziemi, one pociągały fale m órz i oceanów; one, nadawszy kiedyś słońcu, planetom , księżycom kształt ich dzisiejszy, w iodły je odtąd w przestw orzu niebieskiem. W ięc one były przyczyną, że ciała chem icznie się łączą, że światło załam uje się, że magnes przyciąga. One zdradzały się w spójności żelaza, w sprężystości stali, w prężności pary wodnej, we wznoszeniu się wody do ru rk i włosko- w atej; one tłom aczyły ciśnienie pow ietrza, lepkość oliwy, krystaliczną postać ałunu lub soli kuchennej; tajem ni
czym tym, prym ordjalnym tym siłom fiuida elektryczne, niew ażki cieplik lub eter powszechny zawdzięczały swoje własności.
Przez półtora stulecia, w XVJII-ym i w znacznej czę
ści XIX-go wieku, dostrzegano sploty sił w świecie ota
czających nas zjawisk. Dziś język L a p l a c e o w, N a- v i e r ó w , P o i s s o n ó w , A m p e r e o w w ydaje nam się archaiczny; ich punkty geometryczne, ich siły centralne w ydają się nam fikcyjne i mdłe, słabe i sztuczne. Lecz co przyszłość orzeknie o naszych tensorach i^o czaso- przestrzeni? nie jest-że tylko obrazem elektron lub ąuantow ane w atom ie elipsy?
W edług francuskiej teorji sprężystości, stworzonej przez N a v i e r a , P o i s s o n a , C a u c h y ’e g o , B a r r e d e St. Y e n a n t a i innych uczonych w pierwszej p o łow ie XIX-go stulecia, najm niejsze cząstki ciał stałych sprężystych, rozsiane w przestrzeni, znajdują się w spo
czynku; pomiędzy tem i cząstkam i czynne są siły cen
tralne; tak nazyw am y siły, przypadające w kierunkach linij prostych, które łączą cząstki ze sobą, jeżeli natęże
nie tych sił zależy jedynie od w spom nianych w zajem nych odległości cząstek działających na siebie. Czy taka
— 60 —
prosla, m olekularna i zarazem statyczna teorja budow y ciał stałych sprężystych może być praw dziw a ? ażeby o tem rozstrzygnąć, porów nyw am y z doświadczeniem wyniki, do których ona prow adzi. W iadom o, że ciało stałe sprężyste może być odkształcane w rozm aity spo
sób: może naprzykład być uciskane, zgniatane, gięte, skręcane, wyciągane i t. d. Pod w pływ em różnych spo
sobów odkształcania, w tem sam em ciele objaw iają się rozm aite odm iany sprężystości; m atem atycznym w yrazem tych różnych odm ian są t. zw. m oduły lub stałe ciała sprężystego. W pam iętnej rozpraw ie, ogłoszonej w roku 1839-ym, G r e e n , pow ołując się na zasady dziś zwane term odynam icznem i, udow odnił, że ciało sprężyste, w n a j
ogólniejszym naw et przypadku, nie może mieć więcej niż 21 niezależnych stałych sprężystych; m oże jed n ak mieć mniej stałych, co zależy od jego ustroju. Ciało izotropowe, które we w szystkich kierunkach zachowuje się jednakow o, posiada, w edług tw ierdzenia G r e e n a, dwie stałe sprężyste niezależne. W edług m olekularno- statycznej teorji elastyków francuskich, liczby stałych, przew idyw ane przez tw ierdzenie G r e e n a , są zbyt w y
sokie; w edług tej teorji, ciało sprężyste w najogólniej
szym przypadku może posiadać najwyżej 15 niezależnych modułów, ciało zaś izotropow e m a tylko jednę stałą fundam entalną. Gdy naprzykład wyciągam y drut albo p rę t, w yrobiony z ciała izotropowego, stosunek p o przecznego jednostkow ego skurczenia do podłużnego jednostkow ego wydłużenia, podług P o i s s o n a, pow inien zawsze w ynosić 1:4. Za G r e e n e m poszli S t o k e s , K e l v i n , T a i t i cała naogół szkoła angielska; ich te r
modynam iczną lub energetyczną teorję, unikającą m ole
kularnych specjalnych założeń, P e a r s o n nazw ał the multi-constant tlieory, w przeciw ieństw ie do francuskiej rari-constant tlieory, zbudow anej całkowicie na przy
puszczeniach m olekularnych. Doświadczenie nie
potwiei’-— 61 potwiei’-—
dza wyników, których w ym agałaby rari- conslant theory;
stosunek P o i s s o n a różni się naprzykład niekiedy dość znacznie od w artości 0'25, której ona w razie ciał izo
tropow ych oczekiwać nam każe; ale pew ien wybieg po
zostaw ał zawsze otw arty w podobnych przypadkach:
ciała natury nie są zapewne ani jednolite ani ściśle izotropowe. K ierując się tą uwagą, V o i g t w ybrał za przedm iot badania kryształy, których rodzaj anizotropji w ynika z ich krystalograficznej postaci; w szeregu m o
zolnych prac V o i g t udow odnił, że sprężyste własności kryształów naogół nie są zgodne z oczekiwaniam i teorji, ograniczonej do najm niejszej liczby stałych sprężystych.
W rari-constant theory m am y zatem obraz zbyt prosty budowy ciał stałych sprężystych; lecz poświęcona jej praca nie była bezpłodna; jej ostateczny upadek jest pouczający. M olekularną statyczną teorję możemy p o p ra
wić, rozszerzając jej założenia; staje się ona wówczas zdolna do życia; jesteśm y nieustannie św iadkam i usiło
w ań podobnych.
IV
W raz z teorjam i, które nazw aliśm y statycznemi, w e
szliśmy na teren nauki Mechaniki; odtąd nasze teorje m aterji są nietylko molekularnem i, lecz i mechanistycz- nem i teorjam i zarazem. Jest to okoliczność ważna, do której jeszcze powrócimy.
W yobraźm y sobie, że poruszam y cząsteczki; niechaj one biegną swobodnie w obrębie przestrzeni, który im przysługuje. Przypuszczano oddaw na, że taki jest ustrój m olekularny m aterji w jej gazowym stanie skupienia;
H o o k e w XVII-em stu leciu , D a n i e l B e r n o u l i i w XVIII-em, H e r a p a t h na początku XIX-go kładli zarysy nauki, która, w ykształcona w szechstronnie przez C l a u s i u s a , C l e r k - M a x w e l l a , B o l t z m a n n a i in
— 62 —
nych badaczy w drugiej połow ie XIX-go wieku, nazyw a się dzisiaj Kinetyczną Teorją gazowego stanu m aterji.
U progu takiej teorji nasuw a nam się wielkiej wagi py
tanie. W edług praw Mechaniki, ruch m aterjalnych ciał, dużych czy małych, odbyw a się pod w pływ em sil. Czy zatem znam y dokładnie praw a działania sił cząsteczko
wych? Gdybyśmy próbow ali odgadnąć postać tych praw , spotkalibyśm y się z w ielkiem i trudnościam i, ja k to w i
dzieliśmy przed chw ilą na jednym szczególnym przy
kładzie. P róbow ano pójść inną d r o g ą ; w ybierano za punkt w yjścia w ywodów pew ne założenia ogólne, w których w yrażają się przynajm niej niektóre istotne cechy sił m olekularnych. W edług jednego z takich za
łożeń, m aterja zachowuje się poniekąd bezw ładnie w o
łożeń, m aterja zachowuje się poniekąd bezw ładnie w o