Eter według Jamesa i Maxwella

Według James’a Clerk’a Maxwella, którego cudownej prawie przenikliwości umysłu dzisiejsza wiedza zawdzięcza najpiękniejszy nabytek umysłowy XIX stulecia – elektromagnetyczną teorię światła – eter związany z materią, lub też swobodny w przestrzeni, może z punktu widzenia elektromagnetycznego podlegać dwojakim, rozmaitym zmianom. Pierwsza z tych zmian ma miejsce w polu elektrycznym Faradaya wzdłuż linii sił, łączących oddzielne ładunki. Każda z tych linii sił, jak już widzieliśmy, stara się zbliżyć ładunki, skracając się; otóż Maxwell przypuszcza, iż zjawisko to jest równoważne z pewnym przenikaniem elektryczności wzdłuż linii sił, któremu ośrodek przeciwdziała, w skutek czego zachodzi tu zjawisko podobne do sprężystego ściskania pręta; siły elektryczne między dwoma ładunkami starają się przeniknąć, ścisnąć, że tak się wyrazimy, ośrodek, który się temu sprężyście opiera. Ta „sprężystość” elektryczna, oprócz pewnej analogii, niema zresztą nic wspólnego ze zwykłą sprężystością. Oczywiście, że oporność ośrodka działaniu sił elektrycznych, czyli jego „sprężystość” jest tym większa, im mniejsze „przenikanie elektryczności” przy danych ładunkach i danej ich odległości zauważyć możemy.

Drugą elektryczną zmianę eteru Maxwell przyjmuje dla objaśnienia pola linii sił prądu elektrycznego. Prostolinijny prąd elektryczny wywołuje w otaczającej przestrzeni pewien stan nieco różny od stanu przestrzeni pod wpływem ładunków izolowmnych, czyli pola „elektrostatycznego”. Prąd działa na igiełkę magnesową, starając się ustawić ją prostopadle do kierunku prądu, jakiego to zjawiska nie spostrzegamy w polu elektrostatycznym. Dlatego też pole prądu nosi nazwę elektromagnetyczego. „Linie siły” pola elektromagnetycznego, które odpowiadają położeniu, jakie przybiera igiełka pod wpływem prądu, otaczają prąd w formie zamkniętych, współśrodkowych kół w płaszczyźnie prostopadłej do prądu. Linie te również mają dążenie do możliwego skracania się i pęcznienia w poprzek, tj. odpychają się wzajemnie, podobnie jak i linie elektrostatyczne. Linie elektromagnetyczne najlepiej uwidocznić, nadziawszy na prostolinijny drut, po którym przechodzi prąd elektryczny, kartę sztywnego papieru i nasypawszy na nią opiłek żelaznych; opiłki w takim razie ułożą się na współśrodkowe koła i biegiem swoim wskażą nam egzystencję siły elektromagnetycznej.

Stan eteru wzdłuż owych linii elektromagnetycznych przedstawia Maxwell jako pewien wir, pewien obrót około osi linii sił. Każda pojedyncza cząsteczka wiruje oddzielnie, ale osie wszystkich wirów razem wzięte, stanowią zamkniętą linię siły, przy czym oczywiście wirowanie odbywa się w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku linii siły. Siła odśrodkowa obrotu objaśnia dążenie każdej oddzielnej cząsteczki linii siły do pęcznienia, a zatem całej, zamkniętej linii siły do możliwego ściągania się. Z drugiej strony „a priori” i przez analogię staje się bardzo prawdopodobnym, iż owe wiry, stanowiące pole elektromagnetyczne, powinny zależeć od rodzaju materii, w jakiej pole powstaje. Doświadczenie najzupełniej potwierdza to przypuszczenie: dany prąd wywołuje daleko silniejszy wpływ magnetyczny w żelazie, np. niż w powietrzu; odchylenie igiełki magnetycznej w skutek prądu w oznaczonej od niego odległości, będzie bez porównania słabsze, jeżeli między prądem a igiełką znajduje się powietrze, niż jeżeliby ta przestrzeń zapełnioną była przez żelazo. Maxwell przyjmuje w ogóle, że cząsteczki w ciałach magnetycznych albo wirują prędzej albo też są cięższe „magnetycznie”, tj. że jeden wir w żelazie jest równoważny kilkuset wirom w powietrzu, innymi słowy, że jak gdyby trudniej zmusić do wirowania cząsteczki żelaza, niż powietrza, szkła, miedzi itp. ciał nie magnetycznych. Ciężar ten, czyli »gęsto.ść cial« magnetyczną można, inaczej nazwać jeszcze przenikliwością eteru, związanego z danem ciałem. „Gęstość” magnetyczna eteru w próżni jest prawie ta sama jak w powietrzu, tj. próżnia prawie zupełnie nie może być namagnesowaną.

Jesteśmy na podstawie pojęć powyższych dostatecznie już przygotowani, by zdać sobie sprawę przynajmniej w najogólniejszych rysach z korony wniosków Maxwella, z jego teorii promieni elektromagnetycznych, utożsamionych przezeń ze światłem.

Oczywiście, jeżeli tylko ośrodek bierze udział w rozszerzaniu sił elektrycznych, to rozszerzanie to nie może być natychmiastowe, lecz będzie wymagało pewnego czasu, by dojść do oznaczonego punktu. Jeżeli przez prostolinijny, drut przepuścimy prąd, to naokoło prądu pole będzie się tworzyło stopniowo: najpierw powstaną najbliższe drutu linie siły, potem dalsze itd. Wirowanie pojedynczych linii będzie się udzielało coraz dalszym masom eteru, podobnie jak szereg kół zębatych zaczepia następujący po nim szereg, przy czym osie wirów, tj. kierunek siły magnetycznej, będą oczywiście prostopadłe do kierunku rozszerzania się wysiłku. Wyobraźmy sobie dalej, iż po pewnym przeciągu czasu, bardzo nieznacznym zresztą, zmieniamy kierunek pierwotny prądu elektrycznego, wyślemy wtedy w przestrzeń nowy szereg wirów – linii sił – tylko obracających się w przeciwnym kierunku. Jeżeli takie zmiany kierunku będziemy powtarzali ciągle, to nasz prąd stanie się źródłem fal wirowych elektromagnetycznych, każda pojedyncza linia siły będzie najpierw wirować w jednym kierunku, następnie zawróci, będzie wirować w kierunku przeciwnym itd. Prędkość rozszerzenia się takich wirów, czyli promieni elektromagnetycznych będzie oczywiście tern mniejszą, im cięższe są cząsteczki, tj. im ośrodek jest magnetyczniejszy, i tym większą, im ośrodek jest elektrycznie sprężystszy, tj. im lepiej oznaczony wir zaczepia za następujący po nim, im mniej ma miejsca ślizganie i przesuwanie się powierzchni wirów jednej po drugiej. To ostatnie zaś zależy mianowicie od elektrycznej sprężystości eteru, która nie pozwala na przesuwanie cząsteczek jednej wzdłuż drugiej.

Wyżej opisany sposób rozszerzania się fal poprzecznych, elektromagnetycznych od przewodnika, w którym bezustannie zmienia się kierunek prądu elektrycznego, podług Maxwella, wywołuje między innymi zjawisko światła W tym wniosku ostatecznym Maxwell oparł się przede wszystkim na tożsamości, otrzymanej drogą czysto elektryczną, prędkości rozszerzania wstrząśnień elektromagnetycznych z prędkością światła, otrzymaną drogą optyczną i astronomiczną.

Taka zupełna zgoda cyfr nie mogłaby być samą tylko igraszką natury. Dalej teoria Maxwella pozwala sprawdzić jeszcze kilka wniosków, które potwierdzają się w rzeczywistości. Tak, kwadrat współczynnika załamania ciał dla światła wobec próżni powinien być równy w myśl tej teorii odwrotności pojemności elektrycznej. Postulat ten sprawdza się dla bardzo znacznej ilości ciał. Dalej w myśl teorii Maxwella wszystkie dobre przewodniki elektryczności, a więc przede wszystkim metale powinny być nieprzezroczyste, wszystkie izolatory na odwrót przezroczyste. Jak wiadomo, zgadza się to z małymi wyjątkami również z rzeczywistością.

Wszystkie te wnioski przewidział i sprawdził Maxwell teoretycznie, gdyż za jego czasów „fale elektromagnetyczne” przedstawiały się tylko przed okiem jego duszy. Dopiero w dziewięć lat po śmierci Maxwella zrobione zostało przez Hertza w Karlsruhe doniosłe odkrycie, wykazujące, że fale elektromagnetyczne w rzeczywistości istnieją w naturze, i doświadczalnie potwierdzono teorię Maxwella, która dziś stała się jedną z podstaw naszej wiedzy o naturze.

Trudność otrzymania fal elektromagnetycznych polegała mianowicie na ich olbrzymiej prędkości rozprzestrzeniania się. Długość fali równa się ilorazowi z prędkości przez czas trwania prądu danego kierunku w pierwotnym przewodniku. Jeżeli nawet 1000 razy na sekundę zmieniać będziemy kierunek prądu, to jeszcze długość fali będzie 300 kilometrów, odległość z Warszawy do Krakowa, wielkość niemożliwa dla eksperymentowania. Dopiero Hertzowi udało się za pomocą genialnego i nadzwyczaj prostego przyrządu otrzymać w przewodniku zmiany prądu, które dochodzą do 150.000,000 razy na sekundę, w skutek czego można otrzymać fale długości kilku metrów. Fale te posiadają wszystkie własności fal światła: mogą być odbite, załamane, rozszczepione itp. Hertz np. przygotował olbrzymi pryzmat z asfaltu, który wobec fal elektromagnetycznych zachowywał się zupełnie tak samo, jak pryzmat szklany wobec promieni światła. Na koniec zmierzono bezpośrednio prędkość rozszerzania się fal elektromagnetycznych; okazała się ona prawie takąż samą, jak przewidziana teoretycznie.

Obecnie cały szereg najwydatniejszych badaczy pracuje doświadczalnie i teoretycznie nad rozwiązaniem pojedynczych jeszcze ciemnych stron teorii Maxwella i doświadczeń Hertza, ale bez wątpienia dzięki tym pracom kwestie eteru i elektryczności posunęły się niezmiernie naprzód ku ostatecznemu, o ile takie dla człowieka jest możliwe rozwiązaniu.

Streszczając wszystko, cośmy do tej pory powiedzieli, dochodzimy do wniosku, iż stan dzisiejszy wiedzy wymaga przypuszczenia egzystencji pewnego, nie materialnego ośrodka, zwanego eterem, zapełniającego całą przestrzeń widomą i wszystkie ciała materialne. Wstrząśnienia falowe tego eteru, wywołują w nas odczucie ciepła i światła i oprócz tego są przyczyną powstawania zjawisk elektrycznych i magnetycznych.