Człowiekiem, który połączył w całość wiedzę o elektryczności i magnetyzmie, był James Clerk Maxwell. Ten wybitny fizyk wniósł fundamentalny wkład do wielu dziedzin nauki, na przykład do termodynamiki i do teorii barw. Wykonał pierwszą w dziejach barwną fotografię (szkockiego tartanu, bo był Szkotem), a także wyjaśnił fizyczną naturę jednego z najbardziej zagadkowych obiektów astronomicznych – pierścieni otaczających planetę Saturn.

Elektromagnetyzm Maxwella

Ale bezspornie największym osiągnięciem Maxwella było matematyczne opisanie w postaci układu równań wszystkich zjawisk elektrycznych i magnetycznych oraz ich wzajemnych zależności. Równania Maxwella mają bardzo złożoną postać, nie będę więc próbował ich Państwu tu przedstawiać w szczegółach, bo wymaga to znajomości rachunku różniczkowego (albo całkowego, bo istnieje i taka wersja tych równań), ale dla znawców równania Maxwella są zachwycające. Inna rzecz, że nie były takie ładne od samego początku, bo sam twórca początkowo nie mógł opanować złożoności zjawisk, które próbował objąć jedną teorią, i dochodził do końcowego rozwiązania stopniowo.

Na początku w 1862 r. przedstawił kilka formuł matematycznych wiążących zjawiska elektryczne i magnetyczne, ale nie była to jeszcze kompletna teoria. Uzupełniając swoje prace o kolejne równania opisujące kolejne zjawiska, w 1865 r. Maxwell opisał wreszcie w sposób kompletny prawa rządzące elektrycznością i magnetyzmem (traktowanymi łącznie, co stanowiło istotę odkrycia). Ale ów elektromagnetyzm opisał układem 20 równań z 20 zmiennymi. Opis ten był już całkowicie poprawny z punktu widzenia zgodności matematycznych przewidywań z wynikami wszystkich eksperymentów (także tych dzisiaj przeprowadzanych), ale taka „kolubryna" złożona z 20 równań zniechęcała badaczy i praktyków do jej używania.

Maxwell zaciekle pracował nad ulepszeniem swojej teorii i w 1873 r. przedstawił jej bardziej zwartą i bardziej dojrzałą matematycznie wersję – ale nadal było to aż osiem równań.

Obecną formę równań, która jest podawana we wszystkich podręcznikach fizyki jako równania Maxwella, zaproponował w 1885 r. Oliver Heaviside. Nadał on teorii Maxwella formę układu czterech równań różniczkowych z dwiema niewiadomymi wektorowymi. Właśnie tę wersję równań miałem na myśli, pisząc wyżej, że są one zachwycające. I warto zgłębić matematykę wyższą, żeby się o tym przekonać!

Nieoczekiwany wniosek z teorii

Równania Maxwella, nawet w tej pierwotnej, niedoskonałej postaci z 1862 r., doprowadziły do odkrycia, którego doniosłe skutki odczuwamy do dziś. Otóż rozwiązując napisane przez siebie równania, Maxwell stwierdził, że rozwiązanie ma formę fali. Nieznanej nikomu wcześniej, bo całkowicie niedostrzegalnej dla naszych zmysłów i dla dostępnej w czasach Maxwella aparatury naukowej, fali elektromagnetycznej.

To było epokowe odkrycie! Dzięki tym przewidzianym teoretycznie przez Maxwella falom mamy dziś radio, telewizję, telefony komórkowe, wi-fi, mikrofalówki, radary i niezliczone inne urządzenia wykorzystujące fale radiowe. Co więcej, obliczając na podstawie wyników elektrycznych i magnetycznych pomiarów Webera i Kohlrauscha, Maxwell ustalił, że teoretycznie przewidziane przez niego fale powinny się rozchodzić z prędkością 310 700 km/s. Porównując ten wynik z wykonanymi przez Armada Fizeau w 1849 r. pomiarami prędkości światła, które dały wynik 315 300 km/s, Maxwell wyciągnął wniosek, że światło jest właśnie taką falą elektromagnetyczną, jakiej istnienie przewidywała jego teoria. Było to także epokowe odkrycie, bo natura światła nurtowała fizyków od wieków, pewne teorie na jej temat przedstawiał Izaak Newton, ale to Maxwell postawił kropkę nad „i".

Do tego miejsca wszystkie rozumowania Maxwella były absolutnie genialne. Ale kolejny krok był już błędny. Maxwell przewidział, że wynikająca z jego równań fala jest falą poprzeczną. Wyjaśniam, że różne fale, z którymi się stykamy, można podzielić na poprzeczne i podłużne. Przy falach poprzecznych cząsteczki ośrodka, w którym rozchodzi się fala, drgają w kierunku prostopadłym do kierunku rozchodzenia się fali. Znamy to z obserwacji fal na wodzie: falująca woda podnosi się i opuszcza w kierunku pionowym, natomiast sama fala rozchodzi się w kierunku poziomym – biegnąc na przykład do brzegu morza lub jeziora, z którego ją obserwujmy.

Inaczej zachowują się cząsteczki ośrodka, w którym rozchodzi się fala podłużna. Przykładem takiej fali jest dźwięk. Gdy słuchamy muzyki, to fale dźwiękowe wytwarzane przez wirtuoza biegną od źródła (czyli instrumentu muzycznego) do odbiornika (czyli ucha słuchacza) w formie drgań cząsteczek powietrza. Ale te cząsteczki drgają w tym samym kierunku, w jakim fala się rozchodzi! Dźwięk dochodzi więc do naszego ucha jako fala zgęszczeń i rozrzedzeń powietrza, wywołanych tymi drganiami, i pobudza do drgań błonę bębenkową, co wywołuj wrażenie zmysłowe słyszenia.

Wróćmy jednak do fal elektromagnetycznych Maxwella. Są one falami poprzecznymi, co udowodnił doświadczalnie w 1887 r. Heinrich Hertz. Był to ostateczny dowód prawdziwości teorii Maxwella, potrzebny, bo w 1870 r. Hermann von Helmholtz (prywatnie: nauczyciel Heinricha Hertza!) zaproponował własną teorię elektromagnetyzmu, zgodnie z którą fale elektromagnetyczne mogły być także podłużne.

Koncepcja eteru, czyli pomyłka geniusza

Ze swojej teorii Maxwell wysnuł słuszny wniosek, że wszelkie zmiany pola elektromagnetycznego muszą się rozchodzić w przestrzeni z szybkością światła w postaci fali, która ma formę fali poprzecznej. Skoro fala jest poprzeczna, to coś musi drgać. Ale co drga, skoro fale te swobodnie rozchodzą się także w próżni?

Próbując odpowiedzieć na to pytanie, Maxwell popełnił błąd, który rzutował potem na całą historię fizyki. Otóż nie mogąc się pogodzić z koncepcją fali, która może się rozchodzić pomimo braku jakiegokolwiek środowiska, Maxwell sięgnął do koncepcji eteru, niewidzialnej substancji wypełniającej cały Wszechświat, w której rozchodzą się fale elektromagnetyczne jako drgania cząsteczek tego eteru.

Koncepcja eteru wypełniającego Wszechświat nie była nowa. Pierwszy przywołał ją w starożytnej Grecji Platon około 400 lat przed początkiem naszej ery. Zaproponował on koncepcje cząsteczek eteru w formie dwunastościanów foremnych. Jego myśl rozwinął, a następnie upowszechnił Arystoteles. Gremialnie uznawali ją filozofowie średniowieczni, nazywający ów hipotetyczny eter piątym żywiołem (quinta essentia – od czego pochodzi obiegowe określenie „kwintesencja").

Naukowcy w dobie oświecenia odrzucili koncepcję eteru (i innych żywiołów wprowadzonych w starożytności przez Empedoklesa), ale Maxwell, stojąc wobec nierozwiązywalnej dla niego zagadki środowiska potrzebnego do rozchodzenia się fal elektromagnetycznych, sięgnął do niej i na tyle ją spopularyzował, że do dziś mówi się czasem potocznie o „falach eteru", mając na myśli fale radiowe, albo stwierdza się, że coś „poszło w eter", gdy jakaś audycja radiowa czy telewizyjna została wyemitowana.

Maxwell usiłował opisywać właściwości postulowanego przez siebie eteru, przy czym te jego wysiłki nawiązują do jednego z jego najwcześniejszych sukcesów naukowych. Wspomniałem na wstępie tego artykułu, że Maxwell był twórcą modelu matematycznego wyjaśniającego, czym są pierścienie Saturna. Ta ogromna, druga co do wielkości planeta Układu Słonecznego na wysokości swego równika otoczona jest pierścieniem, który ma średnicę 250 tys. km, ale grubość zaledwie 10 m. Astronomowie obserwujący ten fenomenalny twór gubili się w domysłach, czym on właściwie jest. Ogromną płytą skalną? Odpowiednio uformowaną przez grawitację cieczą?

Maxwell w 1859 r. zaproponował model, który okazał się prawdziwy. Twierdził, że są to miliardy niewielkich oddzielnych kryształów lodu i drobnych kamieni, które pod wpływem grawitacji samej planety oraz jej księżyców, a także pod wpływem wzajemnych oddziaływań, układają się w obserwowany z Ziemi dysk i trwają tak od milionów lat. Model Maxwella został przyjęty i właściwie obowiązuje do dziś, chociaż obecnie mieliśmy możliwość przyjrzenia się pierścieniom z bliska, bo do Saturna zbliżyły się sondy międzyplanetarne, w szczególności sonda Cassini.

Koncepcja eteru jako medium składającego się (według Platona) z dwunastościanów foremnych (dodekaedrów) przemawiała do wyobraźni Maxwella, dlatego ją przyjął i starał się rozwinąć. Był jednak bez szans, bo eteru nie ma. Udowodnił to ponad wszelką wątpliwość w 1887 r. Albert Abraham Michelson, który dostał za to odkrycie Nagrodę Nobla w 1907 r. Warto o nim pamiętać, bo był to badacz pochodzenia polskiego (urodził się w Strzelnie), a jego odkrycie stało się podstawą do stworzenia przez Alberta Einsteina teorii względności. James Clerk Maxwell, nawet mylący się w sprawie eteru, stał się ojcem wszystkich wynalazków wykorzystujących fale radiowe!