Przełomowe odkrycia ebook

Konsultacja merytoryczna

Marta Alicja Trzeciak

Korekta

Hanna Lachowska

Projekt graficzny okładki

© Małgorzata Cebo-Foniok

Zdjęcia na okładceOrren Jack Turner, domena publiczna

© Roman Sigaev/Shutterstock

Tytuł oryginału

Remarkable Discoveries

Copyright © Cambridge University Press 1994

All rights reserved.

Wszelkie prawa zastrzeżone.

Żadna część tej publikacji nie może być reprodukowana ani przekazywana w jakiejkolwiek formie zapisu bez zgody właściciela praw autorskich.

For the Polish edition

Copyright © 2018 by Wydawnictwo Amber Sp. z o.o.

ISBN 978-83-241-6472-1

Warszawa 2024. Wydanie IV

Wydawnictwo AMBER Sp. z o.o.

www.wydawnictwoamber.pl

1.OJCIEC ELEKTRYCZNOŚCI

W roku 1991 Muzeum Nauki w Londynie zorganizowało specjalną wystawę dla uczczenia dwusetnej rocznicy urodzin Michaela Faradaya. Przy wejściu na wystawę stała figura Faradaya w otoczeniu kilkunastu urządzeń domowego użytku, takich jak odkurzacz, elektryczna maszyna do szycia, suszarka do włosów i mikser. Tabliczka pod figurą głosiła: „Wszelkie używane dziś urządzenia elektryczne zawdzięczamy fundamentalnym odkryciom, jakich dokonał Michael Faraday, 1791–1867”. Nie było w tym przesady: doświadczenia Faradaya w dziedzinie elektryczności i magnetyzmu stworzyły fundament całego dzisiejszego przemysłu elektrycznego, a współczesne społeczeństwo może być mu wdzięczne za wiele urządzeń ułatwiających życie, a nawet je ratujących. Ten brytyjski uczony, który nie miał formalnego wykształcenia uniwersyteckiego, bez wątpienia zasługuje na miano Ojca Elektryczności.

Kiedy jednak Faraday zaczynał swoje badania, ani nie przewidywał tych wspaniałych i różnorodnych zastosowań, które w końcu wynikły z jego pracy, ani w żadnej mierze bezpośrednio ich dla swych odkryć nie poszukiwał. Jego celem było badanie przyrody dla samego badania – odkrywanie piękna świata fizycznego poprzez doświadczenia naukowe. Faraday był uczonym, do którego w jak największym stopniu odnosi się powiedzenie Louisa Pasteura: „Nie ma nauki stosowanej, istnieją tylko zastosowania czystej nauki”. Dzięki swojej głębokiej pasji poznawczej i nienasyconemu pragnieniu czystej wiedzy, Faraday odkrył te aspekty fizyki, które zrewolucjonizowały oblicze naszej planety.

Kontekst historyczny

Abyśmy mogli zrozumieć, jakie znaczenie mają odkrycia Michaela Faradaya oraz jak do nich doszło, musimy zapoznać się ze stanem wiedzy o elektryczności i magnetyzmie na początku XIX wieku, to jest kiedy rozpoczynał on swoje eksperymenty. Nauka w tym czasie właśnie dojrzała do wielkich odkryć w tych dziedzinach. W wiekach XVII i XVIII dokonano już wspaniałego postępu na polu optyki i mechaniki, a elektryczność i magnetyzm szybko stawały się modnymi dziedzinami badań akurat wtedy, gdy Faraday pojawił się na scenie naukowej.

Już starożytni Grecy niewątpliwie wiedzieli o magnetyzmie, szczególnie dzięki badaniom filozofa Talesa z Miletu, który żył w VII i VI wieku p.n.e. Tales stwierdził, że bryła rudy żelaza (zwanej obecnie magnetytem) może przyciągać kawałki żelaza. Ponieważ ruda używana przez niego do doświadczeń pochodziła z egejskiego miasta Magnesia (obecnie Manisa w Turcji), Tales nazwał ją Magnes lithos, czyli „magnezyjska skała”. Stąd pochodzi słowo „magnes”.

Grecy znali również zjawisko przyciągania elektrostatycznego. Wiedzieli, że potarty kawałek bursztynu może przyciągać lekkie przedmioty, na przykład piórka. Określenie „elektryczność” pochodzi od greckiego słowa elektron oznaczającego bursztyn. Grecy zdawali sobie również sprawę z podobieństwa pomiędzy przyciąganiem magnetycznym i elektrostatycznym, chociaż uważano, że przyciąganie magnetyczne jest silniejsze, natomiast przyciąganie elektrostatyczne jest bardziej uniwersalne. Miało tak być dlatego, że potarty bursztyn przyciąga rozmaite lekkie obiekty niezależnie od substancji, z jakiej się składają, podczas gdy magnetyt może przyciągać tylko kawałki żelaza lub inne kawałki magnetytu.

Postęp w dziedzinie zrozumienia istoty magnetyzmu był dość powolny, ale w XII wieku znane już było zjawisko indukcji magnetycznej, polegające na tym, że kawałek magnetycznego żelaza może namagnesować kawałek niemagnetycznego żelaza, czyli uczynić z niego magnes. Większość z nas zapewne demonstrowała kiedyś indukcję magnetyczną, pocierając magnesem kawałek stali (na przykład spinacz lub igłę), w wyniku czego stal została namagnesowana.

Magnes pływający na powierzchni wody ustawia się w kierunku północ – południe. Jeśli obrócimy go w inną stronę, samorzutnie też ustawi się ponownie w tym kierunku. Stwierdzono, że magnesy mają dwa bieguny: północny i południowy, a dwa magnesy przyciągają się wzajemnie, jeśli są do siebie zwrócone przeciwnymi biegunami (południowy do północnego), natomiast odpychają się, jeśli się je zetknie biegunami jednoimiennymi (północny z północnym albo południowy z południowym). Wynika stąd następująca zasada: „Bieguny jednoimienne odpychają się, różnoimienne przyciągają”. Na tej zasadzie działa kompas magnetyczny, w którym igła magnetyczna ustawia się w kierunku biegunów magnetycznych Ziemi. Dzięki kompasowi żeglarze byli w stanie ustalać kierunek kursu bez Słońca lub Gwiazdy Polarnej. Prawdopodobnie pierwszych kompasów używali Chińczycy. Kompasowi w szczególności zawdzięczamy wielkie odkrycia geograficzne, jakich dokonano w wieku XV i następnych.

Jednym z pierwszych uczonych, którzy starannie i systematycznie badali naukowe podstawy magnetyzmu, był William Gilbert (1544–1603), nadworny lekarz angielskiej królowej Elżbiety I. Wykazał on w bardzo pomysłowym doświadczeniu, że igła kompasu nie tylko wskazuje kierunek północ–południe, lecz również się pochyla. Sporządził kulę z magnetytu, naśladującą Ziemię, i odkrył, że igła magnetyczna umieszczona w pobliżu tej kuli wskazuje zawsze jeden kierunek oraz pochyla się ku jej powierzchni. Na podstawie tych wyników Gilbert stwierdził, że Ziemia sama jest ogromną kulą magnetyczną oraz że ma biegun północny i południowy. Inaczej mówiąc, magnes kulisty wykazuje biegunowość. W ten sposób obalone zostały dawniejsze poglądy, jakoby gdzieś na dalekiej północy naszej planety istniała ogromna góra z żelaza lub magnetytu.

Gilbert badał również eksperymentalnie podstawy elektryczności. Wykazał, że przyciąganie elektrostatyczne występuje po potarciu nie tylko bursztynu, ale również wielu drogich kamieni, takich jak szafiry i diamenty. Na określenie tego rodzaju substancji wymyślił słowo „elektryk” (obecnie w tym znaczeniu nie używane).

Metoda wytwarzania elektryczności statycznej poprzez pocieranie substancji „elektrycznych” nie była szczególnie obfitym jej źródłem. Ponadto elektryczności zgromadzonej w materiałach naładowanych elektrostatycznie nie dało się wykorzystać w sposób kontrolowany, gdyż wyładowanie było zbyt szybkie. Do dalszych badań nad tą dziedziną niezbędne stało się opracowanie układu, w którym można by było uzyskiwać znaczne ilości elektryczności oraz który by pozwalał na kontrolowanie tej elektryczności przez odpowiednio długi czas, co umożliwiłoby uczonym zbadanie jej właściwości. Pierwszego znaczącego kroku w kierunku rozwiązania tego problemu dokonał fizyk niemiecki Otto von Guericke (1602–1686). Sporządził on kulę wielkości melona, z siarki, która jest substancją szczególnie dogodną do wytwarzania elektryczności statycznej. W kuli obracanej korbą, stykającej się przy tym z innym materiałem, gromadziła się duża ilość elektryczności statycznej. Von Guericke odkrył także, że kule naładowane elektrycznie mogą się wzajemnie przyciągać lub odpychać, podobnie jak bieguny magnetyczne. Wykazał również, że jedna kula z siarki może indukować ładunek elektryczny w drugiej kuli. Zjawisko to nazywa się indukcją elektrostatyczną. Pod koniec XVII wieku coraz więcej uczonych zaczęło uważać, że elektryczność i magnetyzm są ściśle ze sobą związane.

W XVIII i na początku XIX wieku uczeni wykazali, że można zmusić elektryczność do przepływania przez różne materiały, na przykład przez pręty metalowe. Amerykański uczony Benjamin Franklin (1706–1790) postawił hipotezę, że elektryczność jest płynem, który przepływa z miejsc naładowanych dodatnio do miejsc naładowanych bardziej ujemnie. Dzisiaj wiemy, że przepływ prądu elektrycznego polega na przepływie naładowanych ujemnie elektronów od ujemnego do dodatniego zacisku obwodu elektrycznego, a zatem w kierunku przeciwnym niż przypuszczał Franklin.

Na przełomie XVIII i XIX wieku miały miejsce trzy istotne osiągnięcia o szczególnym znaczeniu dla późniejszych odkryć Faradaya: wynaleziono pierwsze ogniwo elektryczne, skonstruowano pierwszy przyrząd do mierzenia prądu elektrycznego (galwanometr) oraz odkryto ścisłe powiązanie pomiędzy elektrycznością a magnetyzmem (elektromagnetyzm).

Ogniwo elektryczne zostało wynalezione w 1800 roku przez uczonego włoskiego Alessandra Voltę (1745–1827), dzięki wcześniejszemu odkryciu dokonanemu przez innego Włocha, Luigiego Galvaniego (1737–1798). Galvani odkrył, że mięśnie w nodze żaby kurczą się, jeśli podczas burzy z piorunami dotknie się ich metalowym skalpelem. Później wykazał, że nawet jeśli nie występują pioruny, mięśnie kurczą się za każdym razem, kiedy się ich dotknie jednocześnie dwoma różnymi metalami, na przykład miedzią i żelazem. Te skurcze, jak mniemał Galvani, miały być spowodowane „siłą życiową” zwaną „elektrycznością zwierzęcą”. Jednak Volta nie zgodził się z proponowaną przez Galvaniego interpretacją charakteru tych skurczów i postawił hipotezę, że źródło elektryczności nie ma nic wspólnego z tajemniczą siłą życiową, a elektryczność jest wytwarzana wskutek zetknięcia tkanki mięśniowej z dwoma różnymi metalami.

Volta wykazał, że dwa różne metale w zetknięciu z roztworem nawet zwykłej soli mogą wytwarzać ciągły prąd elektryczny. Umieścił on krążek z tektury nasączonej roztworem soli pomiędzy krążkiem srebra a krążkiem cynku i stwierdził, że to proste urządzenie wytwarza prąd elektryczny. Stosy takich krążków umieszczonych jeden na drugim wytwarzały jeszcze większy prąd elektryczny. Te „stosy Volty”, jak je wówczas nazywano, były pierwszymi bateriami elektrycznymi. Teraz uczeni mogli łatwo wytwarzać stosunkowo duże ilości elektryczności płynącej w sposób ciągły, bez konieczności gromadzenia elektryczności statycznej w kulach z siarki.

W roku 1819, na krótko przed skonstruowaniem przez Faradaya jego pierwszego prototypu silnika elektrycznego, uczony duński Hans Christian Oersted (1777–1851) odkrył, że jeśli drut podłączony do baterii zawiesimy poziomo nad igłą kompasu, igła odchyla się, kiedy przez drut przepływa prąd elektryczny. To ważne zjawisko, nazwane indukcją elektromagnetyczną, w oczywisty sposób demonstruje, że elektryczność i magnetyzm są ze sobą powiązane. Wkrótce potem fizyk niemiecki Johann Schweigger (1799–1857) wynalazł pierwszy galwanometr, pozwalający mierzyć prąd elektryczny płynący przez przewód.

Taki zatem był kontekst naukowy, w jakim Michael Faraday rozpoczął swoje badania nad elektromagnetyzmem. Abyśmy jednak mogli należycie zrozumieć, w jaki sposób Faraday dokonał swoich odkryć, musimy nie tylko zapoznać się z ówczesnym stanem wiedzy naukowej, lecz również dowiedzieć się, w jaki sposób został fizykiem i co spowodowało, że podjął on swoje badania.

Młodość Michaela Faradaya

Michael Faraday urodził się 22 września 1791 roku w Newington w hrabstwie Surrey (obecnie Elephant and Castle w Londynie), jako syn ubogiego kowala. Rodzina Faradayów należała do sekty tzw. sandemanianów. Sandemanianie odstąpili od chrześcijańskiej doktryny anglikańskiej i wierzyli w konieczność prymitywnego życia na wzór pierwszych chrześcijan. Uważali oni, że bogactwo jest grzechem, a prawa boskie wyrażają się w Naturze. Wierzyli, że badanie lub „odczytywanie” zjawisk naturalnych umożliwi ludzkości odkrycie prawdziwej natury Boga. Michael Faraday pozostał przez całe życie gorliwym sandemanianem, a jego podejście do eksperymentowania wykazuje silny wpływ tej religii na jego badania naukowe. Oto co powiedział o nim brytyjski fizyk, John Tyndall (1820–1893): „Jego wierzenia religijne nie dają się oddzielić od jego filozofii; jedno bezustannie wpływało u niego na drugie”.

W wieku trzynastu lat Faraday opuścił szkołę i rozpoczął pracę w Londynie jako roznosiciel gazet u księgarza i introligatora George’a Ribeau. Ribeau darzył uznaniem pracę Faradaya i w roku 1805 zaproponował mu przyjęcie do terminu na okres siedmioletni. Faraday zgodził się zostać terminatorem, gdyż stwarzało mu to możliwość wyuczenia się nowego zawodu. Co ważniejsze, miał okazję zetknąć się z licznymi książkami z różnych dziedzin, a niektóre z nich przeczytał dokładnie i z zainteresowaniem. W ten sposób przed młodym Faradayem otworzyły się drzwi do skarbnicy wiedzy. Szczególne wrażenie robiły na nim prace z dziedziny chemii. Już w tak młodym wieku, a przy tym nie mając prawie wcale szkolnego wykształcenia, rozwijał Faraday swoje zainteresowania w dziedzinie chemii i fizyki. Później powiedział: „W trakcie terminowania uwielbiałem czytać książki naukowe, które miałem w swoim ręku”.

Podczas terminu, za zezwoleniem pryncypała, Faraday miał możność przeprowadzania prostych eksperymentów naukowych w nieużywanym pomieszczeniu warsztatu introligatorskiego. W połączeniu z umiejętnościami introligatorskimi, proste eksperymenty pozwoliły mu nabyć dużą sprawność manualną, tak ważną w późniejszych prowadzonych przez niego badaniach naukowych nad elektrycznością i magnetyzmem. Począwszy od roku 1810 zaczął Faraday uczęszczać na wykłady i dyskusje w Miejskim Towarzystwie Filozoficznym w Londynie, które – w połączeniu z intensywną lekturą – dały mu solidne wykształcenie podstawowe w chemii i fizyce.

W roku 1812 sir Humphry Davy (1778–1829), brytyjski chemik i jeden z najznakomitszych uczonych swoich czasów, dał cykl wykładów w Instytucie Królewskim w Londynie. Faraday uczęszczał na te wykłady i był tak nimi zachwycony, że zapisał je, oprawił i wysłał Davy’emu. Wraz z oprawionym tomem Faraday wysłał list, w którym pytał, czy nie znalazłaby się posada asystenta w laboratorium wielkiego chemika. Davy’emu spodobał się zapał Faradaya i zaprosił go na rozmowę, ale nie dał mu stanowiska i poradził, aby Michael pracował w dalszym ciągu jako introligator. Jednakże niedługo potem Davy stracił na pewien czas wzrok wskutek wypadku w laboratorium i zatrudnił wówczas Faradaya do sporządzania notatek. W 1813 roku w życiu mającego wówczas 21 lat Faradaya nastąpił przełom, gdyż Davy wyrzucił jednego z asystentów laboratoryjnych za kłótliwość i zaproponował to stanowisko Faradayowi.

Dzięki samodyscyplinie, solidności i silnej pasji naukowej Michael Faraday znalazł się w laboratorium wielkiego uczonego. Potem sam został wybitnym uczonym, co najmniej tak wielkim jak Davy. Mówi się nawet, że Faraday był największym odkryciem Davy’ego, chociaż można też powiedzieć, że właściwie odkryli się oni wzajemnie.

Faraday w dalszym ciągu miał wielkie luki w wykształceniu, jako że nigdy nie studiował na uniwersytecie. W tym samym roku, w którym został zatrudniony przez Davy’ego, udał się z nim w podróż po Europie, podczas której poznał niektórych największych chemików świata, w tym Ampére’a i Voltę. Podczas tej podróży, trwającej osiemnaście miesięcy, Davy udzielał Faradayowi codziennych lekcji, które mu prawdopodobnie wyrównały z nawiązką brak uniwersyteckiego wykształcenia. Ta podróż z wielkim chemikiem oraz spotkania i rozmowy z wieloma innymi uczonymi stanowiły zapewne najlepszy kontakt z myśleniem naukowym, o jakim Faraday jako początkujący uczony mógł marzyć.

Po powrocie z podróży po Europie, w 1815 roku, Faraday asystował Davy’emu oraz przeprowadzał własne eksperymenty. Do roku 1820 stał się eksperymentatorem o dużym doświadczeniu oraz uczonym o dużej wiedzy i własnym oryginalnym spojrzeniu na przyrodę. Doszedł do tej pozycji niezwykłą i niekonwencjonalną drogą. Potem nastąpiły odkrycia naukowe, zaliczane do największych w dziejach ludzkości, dzięki którym nazwisko Faradaya zapisało się trwale w historii postępu.

Odkrycia Faradaya

Odkrycie przez Oersteda, że prąd elektryczny płynący w drucie powoduje odchylenie igły magnetycznej, było wielkim krokiem naprzód, gdyż po raz pierwszy wykazało bezpośredni związek między elektrycznością i magnetyzmem. Inni uczeni zaczęli również badać to zjawisko. Francuz André-Marie Ampére (1775–1836) wykazał na przykład, że dwa przewody, przez które przepływa prąd elektryczny, zachowują się jak dwa magnesy: wzajemnie się magnetycznie przyciągają lub odpychają. Sir Humphry Davy też przeprowadzał doświadczenia z elektromagnetyzmem, a asystował przy nich Faraday, którego ciekawość dotycząca tej dziedziny ciągle rosła.

W 1821 roku Faraday odkrył zjawisko zwane rotacją elektromagnetyczną. Wynalazł przyrząd, w którym prąd elektryczny mógł powodować obracanie się przewodu dookoła magnesu i odwrotnie, obracanie się magnesu dookoła przewodu. Podstawowy schemat tego doświadczenia wygląda następująco:

Z lewej strony znajduje się magnes zamocowany na osi, dzięki której może się on swobodnie obracać w naczynku z rtęcią. Rtęć została użyta dlatego, że jako metal przewodzi elektryczność, a będąc przy tym cieczą, pozwala na ruch magnesu. W rtęci zanurzony jest nieruchomy przewód podłączony do jednego zacisku baterii elektrycznej. Metalowa oś, na której obraca się magnes, jest przyłączona do drugiego zacisku baterii. Prąd elektryczny płynie przez przewód i przez rtęć, mamy więc zamknięty obwód elektryczny. Pionowo zamocowany przewód staje się magnesem na skutek indukcji elektromagnetycznej. Oddziaływanie pola magnetycznego wokół przewodu z magnesem zamocowanym na osi powoduje ruch obrotowy tego magnesu dookoła przewodu.

Z prawej strony magnes zamocowany jest nieruchomo. Zawieszony pionowo przewód ma możliwość swobodnego obrotu i jest zanurzony w rtęci. Podczas przepływu prądu elektrycznego przez przewód i rtęć, wokół przewodu indukuje się pole magnetyczne, które oddziałuje z polem stałego magnesu, w wyniku czego ruchomy przewód obraca się dookoła magnesu. Faraday interpretował wyniki tego eksperymentu używając pojęcia „linii sił” otaczających magnes. Według jego wyjaśnienia, obserwowany obrót został spowodowany oddziaływaniem linii sił magnesów i linii sił pól magnetycznych indukowanych w wyniku przepływu elektryczności przez przewody. Chociaż współcześnie nie opisujemy już zjawisk elektromagnetycznych w kategoriach linii sił, idea takich linii zainspirowała później Jamesa Clerka Maxwella, który dokonał matematycznej analizy teorii elektromagnetyzmu (rozdział 2).

Był to pierwszy w historii eksperyment, w którym udało się uzyskać ciągły ruch w wyniku przepływu prądu elektrycznego. Faraday przetworzył energię elektryczną wytworzoną przez baterię na energię mechaniczną ruchu przewodu lub magnesu. Dowolne urządzenie, które dokonuje tego rodzaju przekształcenia energii elektrycznej w mechaniczną, nazywa się silnikiem elektrycznym. Urządzenie Faradaya do demonstrowania rotacji elektromagnetycznej było w istocie prototypem silnika elektrycznego, tak ważnego w dzisiejszej technice.

Jest rzeczą zadziwiającą, że skonstruowanie tego niezwykle prostego urządzenia pociągnęło za sobą tak daleko idące skutki. A może jeszcze bardziej fascynujące jest to, że Faraday zbudował pierwszy silnik elektryczny prawie wyłącznie dlatego, że chciał zrozumieć prawa przyrody rządzące elektromagnetyzmem. Korzyści wynikłe z jego czystej ciekawości fizyki przerosły wszelkie oczekiwania.

Aczkolwiek urządzenie wytwarzające rotację elektromagnetyczną było dość proste, wielu uczonych nie potrafiło uzyskać w eksperymentach takich samych wyników, toteż osiągnięcia Faradaya spotkały się z niejakim sceptycyzmem. Z tego powodu zbudował on kilka małych modeli swojego aparatu do rotacji magnetycznej, wymagających jedynie podłączenia do baterii, i rozesłał je wśród swoich kolegów. Ci, którzy otrzymali te modele, całkowicie pozbyli się wątpliwości, czy Faraday w istocie uzyskał ciągłą rotację elektromagnetyczną.

Ponieważ wiedziano już, że elektryczność jest w stanie wytworzyć pole magnetyczne, Faraday zaczął rozważać możliwość wytwarzania elektryczności z magnetyzmu. Idąc tropem swojego odkrycia rotacji elektromagnetycznej, czynił liczne próby wytworzenia prądu elektrycznego przez umieszczenie magnesu w pobliżu przewodu. Doświadczenia te wówczas nie powiodły się i dopiero dziesięć lat później uczony powrócił do nich i osiągnął sukces. Wtedy to, 29 sierpnia 1831 roku, skonstruował kolejne urządzenie, które wywarło ogromny wpływ na losy ludzkości.

Faraday nawinął uzwojenie z drutu z jednej strony żelaznego pierścienia, a inne, oddzielne uzwojenie z drugiej jego strony. Oba uzwojenia były izolowane, tak że nie stykały się ze sobą ani z żelaznym pierścieniem. Uzwojenie A było przyłączone do baterii, natomiast uzwojenie B – do galwanometru. Kiedy Faraday przepuścił prąd elektryczny z baterii przez uzwojenie A, poczynił niezmiernie ważną obserwację. Otóż natychmiast po włączeniu prądu igła galwanometru podłączonego do uzwojenia B odchyliła się, po czym szybko wróciła do położenia zerowego, mimo że przez uzwojenie A w dalszym ciągu płynął prąd. Jednak kiedy prąd został wyłączony, igła galwanometru znowu na chwilę się odchyliła, tym razem w przeciwnym kierunku niż przy włączeniu prądu. Faraday uzmysłowił sobie kluczowy fakt: indukowanie prądu elektrycznego w uzwojeniu B odbywało się wskutek zmiany prądu w uzwojeniu A, a nie wskutek utrzymywania w nim prądu stałego.

Oczywiście Faraday indukował prąd elektryczny w jednym uzwojeniu dzięki przepływowi elektryczności w innym uzwojeniu. Słusznie przyjął, że prąd w uzwojeniu A indukuje pole magnetyczne wokół żelaznego pierścienia, a pole to z kolei indukuje prąd elektryczny w uzwojeniu B. W ten oto sposób po raz pierwszy zdołano przetworzyć magnetyzm w elektryczność, chociaż w urządzeniu Faradaya konieczne było wstępne przetworzenie elektryczności w magnetyzm.

Urządzenie to, znowu o tak prostej konstrukcji, było pierwszym transformatorem elektrycznym. Umożliwiło ono wytwarzanie silniejszej elektryczności: małe napięcie na uzwojeniu A mogło spowodować powstanie większego napięcia w uzwojeniu B, jeśli zwiększyliśmy liczbę zwojów uzwojenia B. Innymi słowy, można było przekształcić niskie napięcia na wysokie. Podobnie też można przekształcać wysokie napięcia na niskie. Obecnie transformatorów używa się na całym świecie w tysiącach różnych urządzeń elektrycznych. Dzięki nim w elektrowniach można wytwarzać elektryczność o wysokim napięciu, które jest potem przetwarzane na bezpieczniejsze niższe napięcie, używane w naszych domach. Każdy budynek mieszkalny, szpital, dom towarowy czy biurowiec jest zasilany w elektryczność poprzez transformatory. A przecież Faraday zbudował pierwszy transformator jedynie wskutek zaciekawienia związkami między elektrycznością i magnetyzmem.

Po pracach związanych z pierwszym transformatorem Faraday zajął się dalszymi eksperymentami, w wyniku których zdołał wytworzyć prąd elektryczny bezpośrednio z pola magnetycznego, tym razem bez użycia źródła prądu do zapoczątkowania tego zjawiska. Skonstruował kilka urządzeń. W jednym z nich urządzeniu magnes jest wsuwany do wnętrza uzwojenia z drutu i z powrotem wysuwany. Ruchy magnesu powodują przepływ prądu elektrycznego przez uzwojenie, wykrywany przez galwanometr podłączony do tego uzwojenia. Podobnie jak w przypadku transformatora, igła galwanometru wraca do położenia zerowego, jeśli magnes pozostaje nieruchomy. Im szybciej poruszamy magnesem w uzwojeniu, tym większy prąd jest w nim indukowany. Kierunek prądu zależy od tego, czy magnes jest wsuwany czy wysuwany.

W notatkach z tych badań Faraday zapisał: „Różnorodne eksperymenty udowadniają moim zdaniem w zupełności, że elektryczność jest wytwarzana ze zwykłego magnetyzmu”. Na określenie wytwarzania prądu elektrycznego przez magnes Faraday zaproponował termin indukcja magnetoelektryczna.

Niedługo po tych eksperymentach Faraday wymyślił urządzenie, w którym za pomocą magnesu wytwarza się ciągły prąd elektryczny. Maszyna ta składała się z dużego magnesu i okrągłej tarczy miedzianej umieszczonej między jego biegunami. Obracanie tarczy powodowało wytwarzanie płynącego w niej prądu elektrycznego. Była to więc pierwsza prądnica, to jest maszyna przetwarzająca energię mechaniczną (obracającą tarczę miedzianą) na energię elektryczną. W odwrotnym układzie, to jest kiedy prąd elektryczny jest używany do obracania tarczy, urządzenie to jest bezpośrednim przodkiem dzisiejszego silnika elektrycznego.

Indukcja magnetoelektryczna umożliwiła wytwarzanie elektryczności bez użycia baterii. W czasach Faradaya baterie były drogie, ciężkie i musiały być często wymieniane. Wykorzystanie indukcji magnetoelektrycznej zaradziło tym problemom.

Poza osiągnięciami w badaniach nad elektromagnetyzmem, Faraday wniósł także wielki wkład do wiedzy o materii. Prace nad elektrolizą, procesem, w wyniku którego substancje ciekłe ulegają rozkładowi chemicznemu wskutek przepływu przez nie prądu elektrycznego, doprowadziły go do sformułowania znanych praw elektrolizy Faradaya. Te odkrycia, wskazujące na związek między atomami a elektrycznością, miały istotne znaczenie dla późniejszego zrozumienia struktury atomu i mechanizmu reakcji chemicznych.

Elektromagnetyzm i elektroliza nie były jedynymi dziedzinami, w których Faraday dokonał ważnych odkryć. Jako pierwszy skroplił chlor, zaliczany podówczas do tak zwanych gazów trwałych. Przedtem uważano, że taki gaz nie może być skroplony. Faraday także odkrył i wyodrębnił benzen, który w późniejszych latach okazał się niezwykle ważny dla przemysłu farbiarskiego i farmaceutycznego, a także określił skład chemiczny tego związku. Jako pierwszy uzyskał związki węgla z chlorem, a jego badania nad stopami stali położyły podwaliny pod nowoczesne prace w tej dziedzinie.

W roku 1845, mając już dobrze ponad pięćdziesiąt lat, odkrył on zjawisko diamagnetyzmu, w wyniku którego wiele substancji, takich jak szkło, uważanych za niemagnetyczne, w istocie wykazuje niewielki magnetyzm, jeśli się je umieści w pobliżu biegunów elektromagnesu. Innym z jego odkryć było zjawisko Faradaya, w którym pole magnetyczne oddziałuje na promień spolaryzowanego światła. Koncepcje Faradaya dotyczące fizycznej natury elektromagnetyzmu stanowiły inspirację dla wspomnianego już fizyka Jamesa Clerka Maxwella, który w późniejszych latach opracował niezmiernie ważną elektromagnetyczną teorię światła (rozdział 2).

Na cześć Michaela Faradaya nazwano elektryczne jednostki miary: farad, czyli jednostkę pojemności elektrycznej (zdolności obiektu do przechowywania elektryczności), oraz faradaj (albo stała Faradaya), który jest jednostką ilości elektryczności powodującej rozkład chemiczny w wyniku elektrolizy. Portret Faradaya został umieszczony na brytyjskim banknocie dwudziestofuntowym z roku 1991 – przedtem zaszczyt ten przypadał Williamowi Szekspirowi. Imieniem Faradaya nazwano prestiżowe nagrody za zasługi dla nauki i za upowszechnianie wiedzy naukowej. Uważa się go również za twórcę zawodu inżyniera elektryka.

Wkład Faradaya do nauki i rozwoju społeczeństwa jest zupełnie niezwykły. A przecież pozostawał on zawsze jedynie zapalonym i ciekawym świata uczonym, który kochał Naturę i poszukiwał Prawdy. Odmówił on przyjęcia szlachectwa i odrzucił oferty lukratywnych posad, kontynuując swoje czysto naukowe badania. Jak powiedział, pragnieniem jego było pozostać aż do śmierci „zwykłym panem Faradayem”.

Michael Faraday był geniuszem, którego osiągnięcia miały ogromne znaczenie zarówno dla postępu w fizyce, jak i dla społeczeństwa. Jednakże nie odebrał on żadnego formalnego wykształcenia matematycznego po opuszczeniu szkoły w wieku lat trzynastu. Dlatego postrzegał zjawiska elektromagnetyczne w kategoriach obserwacji wizualnych i nawet nie próbował analizować ich matematycznie. Bez opracowania matematycznego zjawiska elektromagnetyczne pozostały nie w pełni zrozumiałe. Dopiero w roku 1864, w trzydzieści trzy lata po skonstruowaniu przez Faradaya pierwszego transformatora, wielki matematyk James Clerk Maxwell dokonał ostatecznej interpretacji elektromagnetyzmu w postaci matematycznej. Analiza Maxwella pozwoliła na odkrycie fal radiowych, promieni rentgenowskich i mikrofal, a jego koncepcje dotyczące natury światła nieoczekiwanie doprowadziły do kolejnej rewolucji w fizyce.

2.WIELKI KROK LUDZKOŚCI

Jest to mały krok człowieka, ale jakże wielki krok ludzkości”. Te słynne słowa, wypowiedziane przez Neila Armstronga (1930-2012) w dniu 20 lipca 1969 roku, kiedy jako pierwszy człowiek postawił nogę na Księżycu, usłyszano na całym świecie, nawet w mieszkaniach zwykłych ludzi. Sto lat wcześniej nikt nie mógł sobie realistycznie wyobrazić nie tylko tego, że człowiek będzie stąpał po Księżycu, ale również tego, że to doniosłe wydarzenie będą mogli w tej samej chwili oglądać i słyszeć ludzie u siebie w domu. To, że głos Armstronga można przekazać poprzez przestrzeń kosmiczną na odległość 400 tysięcy kilometrów do czyjegoś domu, wydawało się tak niewiarygodne, że mogło być uznane za cud. A przecież jest to rezultat postępu w radiokomunikacji, który trwał krócej niż jedno stulecie, gdyż zaczął się od odkrycia fal radiowych, dokonanego w roku 1888 przez niemieckiego fizyka Heinricha Hertza (1857–1894).

Swoje wiekopomne odkrycie zawdzięcza Hertz teorii, jaką wcześniej opracował błyskotliwy matematyk szkocki James Clerk Maxwell (1831–1879). Maxwell przewidział istnienie fal radiowych na drodze matematycznej, bez dokonywania jakichkolwiek eksperymentów. Jego czysto teoretyczne podejście pokazuje, jak wielki wpływ może mieć matematyka na ludzkie społeczeństwa i na postęp techniczny. Napoleon Bonaparte (1769–1821), cesarz Francji, powiedział kiedyś: „Postęp w matematyce i jej doskonalenie wiążą się ściśle z dobrobytem narodu”. Matematyczna analiza elektryczności i magnetyzmu, przeprowadzona przez Maxwella, przysporzyła dobrobytu wielu narodom i całemu światu, gdyż doprowadziła do takich udoskonaleń w komunikacji na dużą odległość, jakie mało kto mógł sobie przedtem wyobrazić.

Maxwell nie tylko przewidział istnienie fal radiowych, lecz również podał ścisłe matematyczne wyjaśnienie zjawisk elektromagnetycznych, w jakże błyskotliwy sposób zbadanych przez Faradaya. Maxwell zapoczątkował nową epokę w fizyce, torując drogę do takich osiągnięć dwudziestego wieku, jak teoria kwantów i teoria względności Einsteina. Jego prace zaowocowały później odkryciem promieni rentgenowskich i mikrofal oraz innymi osiągnięciami technicznymi, z których teraz korzysta ludzkość. Ilu z nas uświadamia sobie, że nasze kuchenki mikrofalowe mają swój początek w równaniach matematycznych?

Wczesny rozwój komunikacji radiowej można podzielić na trzy główne okresy. Pierwszy z nich polegał głównie na teoretycznych badaniach elektromagnetyzmu, prowadzonych przez Maxwella. W drugim okresie nastąpiło odkrycie fal radiowych przez Hertza, natomiast w trzecim została rozwinięta i udoskonalona technika komunikacji radiowej, głównie w wyniku pionierskich prac wielkiego wynalazcy włoskiego, Guglielma Marconiego (1874–1937). Zaczniemy od Jamesa Clerka Maxwella i matematyki.

Maxwell i jego równania

Maxwell urodził się w Edynburgu w Szkocji w roku 1831. Już w młodości wykazywał niebywałe zdolności matematyczne i swoją pierwszą pracę naukową z dziedziny geometrii opublikował w wieku lat czternastu. Jego przygotowanie było całkowicie odmienne niż Faradaya: urodził się w bogatej rodzinie, otrzymał znakomite wykształcenie matematyczne i studiował na uniwersytecie.

Maxwell uzyskał dyplom angielskiego Uniwersytetu w Cambridge w roku 1854. Pozostał na uniwersytecie i rozpoczął studia nad elektromagnetyzmem. Szczególnie zainteresowała go interpretacja zjawisk elektromagnetycznych przez Faradaya, który uważał, że przestrzeń dookoła magnesu jest wypełniona „liniami sił” magnetycznych, zachowujących się na podobieństwo elastycznych nici. Kiedy te linie sił wpadały w drgania – twierdził Faraday – wytwarzana była elektryczność. Maxwell postanowił opisać w formie matematycznej odkrycia Faradaya i inne znane właściwości elektryczności i magnetyzmu. Był pod dużym wrażeniem znakomitej książki napisanej przez Faradaya, Badania eksperymentalne w chemii, w której szczegółowo opisano zjawiska elektromagnetyczne. Powiedział później: „Uznam to za osiągnięcie jednego z moich najważniejszych celów, jeśli przekażę innym zachwyt, jakiego sam doznałem czytając Badania Faradaya”.

Podobnie jak Faraday, Maxwell uważał, że elektryczność i magnetyzm są ze sobą ściśle powiązane. Trzeba je sobie wyobrażać – powiedział – jako „pole elektromagnetyczne”. W 1864 roku, kiedy był profesorem fizyki w King’s College w Londynie, jego matematyczna analiza elektromagnetyzmu przyniosła niebywałe osiągnięcie. Korzystając jedynie ze swojej umiejętności logicznego rozumowania i z wcześniejszej wiedzy o związkach między elektrycznością i magnetyzmem, uzyskał cztery równania matematyczne. Obecnie zwane są one równaniami Maxwella. Owe cztery równania nie tylko dokładnie opisały zjawiska elektromagnetyczne, lecz wywołały wręcz rewolucję w fizyce.

Jednym z głównych twierdzeń Maxwella było, że zmienny prąd elektryczny powinien powodować powstawanie „fal elektromagnetycznych”, przy czym fale te są emitowane przez źródło elektryczności i biegną przez przestrzeń. Kiedy obliczył prędkość, z jaką powinny biec fale elektromagnetyczne, ze zdumieniem stwierdził, że uzyskana wartość była praktycznie identyczna z poznaną już wcześniej prędkością światła wynoszącą 300 tysięcy kilometrów na sekundę. Trudno było przypuszczać, by ta sama wartość pojawiła się przypadkowo dla dwóch różnych zjawisk, jeśli nie były one ze sobą związane. Maxwell słusznie wywnioskował, że dzięki potędze i pięknu matematyki dokonał oto unifikacji światła, elektryczności i magnetyzmu – co zresztą pozostawało w zgodzie z przypuszczeniami Faradaya sprzed kilkudziesięciu lat. Według słów Maxwella „światło w swej istocie jest zaburzeniem elektromagnetycznym, przenoszonym w przestrzeni zgodnie z prawami elektromagnetyzmu”.

Matematyk amerykański Richard P. Feynman (1918–1988) tak po latach podsumował niebywałe znaczenie tego osiągnięcia: „Maxwell, dokonawszy swego odkrycia, mógł powiedzieć: »Dajcie mi elektryczność i magnetyzm, a uczynię światło!«”.

W swej teorii Maxwell nie tylko przewidział, że światło jest zjawiskiem elektromagnetycznym. Wynikało z niej również, że powinny istnieć dotąd jeszcze nieodkryte fale elektromagnetyczne. W owym czasie jedynymi znanymi rodzajami promieniowania były: światło widzialne, promieniowanie ultrafioletowe oraz promieniowanie podczerwone. Z równań Maxwella wynikało, że powinno być możliwe laboratoryjne wytwarzanie „nowych” fal elektromagnetycznych z prądu elektrycznego w wyniku oscylacji tego prądu, to znaczy powtarzających się w sposób ciągły zmian kierunku przepływu prądu od jednego zacisku źródła prądu przemiennego do drugiego. Zakres długości fal elektromagnetycznych obejmował – według Maxwella – znacznie więcej rodzajów promieniowania niż poznane dotychczas.

Odkrycie fal radiowych

Na długo przed czasami Maxwella wiedziano, że światło widzialne składa się z widma barwnego – od czerwieni, poprzez kolory tęczy, do fioletu. W roku 1801 niemiecko-brytyjski astronom sir William Herschel (1738–1822) odkrył, że światło – w pobliżu czerwonego skraju widma – grzeje. Następnie odkrył, zresztą ku swemu niemałemu zdumieniu, że jeszcze silniejszy efekt grzejący powstaje poza czerwonym zakresem widma, a promieniowanie wytwarzające ten efekt jest niewidoczne dla oka. Herschel nazwał te niewidzialne fale promieniami podczerwonymi. W tym samym roku fizyk niemiecki Johann Wilhelm Ritter (1776–1810) odkrył poza fioletowym skrajem widma promieniowanie ultrafioletowe, które również było niewidoczne dla ludzkiego oka. Zatem widmo fal znane na początku XIX wieku zaczynało się od podczerwieni i poprzez widzialne kolory tęczy dochodziło do ultrafioletu. Ten stan wiedzy, pozostawał niezmieniony przez ponad trzy czwarte stulecia, chociaż rewelacyjne równania Maxwella wskazały kierunek rozszerzenia widma, które teraz było już określane jako widmo promieniowania elektromagnetycznego: nowe rodzaje niewidocznych promieni powinny bowiem istnieć po obu stronach widma, to jest poza promieniowaniem podczerwonym i poza ultrafioletowym.

Z równań Maxwella wynikało, że częstotliwość drgań tych nowych fal elektromagnetycznych powinna zależeć od częstotliwości oscylacji prądu elektrycznego. Im większa jest częstotliwość oscylacji prądu, tym większa powinna być częstotliwość drgań wytwarzanych fal elektromagnetycznych.

Wielu naukowców nie odniosło się poważnie do równań Maxwella i ich rewolucyjne znaczenie nie zostało docenione od razu. Na nieszczęście Maxwell zmarł na raka w roku 1879, prawie dziesięć lat przed tym, jak wreszcie odkryto przewidywane przez niego nowe typy promieniowania elektromagnetycznego. Doświadczalne potwierdzenie koncepcji Maxwella nastąpiło w roku 1888, kiedy Heinrich Hertz wytworzył w laboratorium fale radiowe i dokonał ich detekcji.

Hertz rozpoczął studiowanie teorii elektromagnetycznej Maxwella w roku 1883. Na pewnym etapie swoich eksperymentów używał urządzenia zwanego cewką indukcyjną, która wytwarzała oscylujący prąd elektryczny. Kiedy taka cewka indukcyjna została przyłączona do dwóch przewodzących styków oddzielonych szczeliną, przez szczelinę przeskakiwała iskra. W roku 1888 Hertz odkrył, że iskra wytwarzana w takim urządzeniu powodowała pojawienie się iskry w szczelinie drugiej podobnej cewki umieszczonej w pobliżu. Dalsze eksperymenty to potwierdziły: kiedy druga cewka ze szczeliną iskrową, niepodłączona do źródła elektryczności, została umieszczona w odległości około półtora metra od szczeliny iskrowej pierwszej cewki, po włączeniu prądu w pierwszej cewce indukcyjnej pojawiała się iskra w szczelinie drugiej cewki.

Hertz był przekonany, że był to dowód istnienia fal elektromagnetycznych, przewidzianych na tak długo przedtem przez Maxwella. Odkrył on, że sygnał wychodzący z pierwszej szczeliny iskrowej ma dokładnie takie właściwości, jakie przewidywał Maxwell. Zachowywał się on jak promieniowanie elektromagnetyczne, na przykład biegł po linii prostej i odbijał się od metalowej płyty jak od zwierciadła. Fale wytwarzane przez to proste urządzenie zostały nazwane falami radiowymi.

Hertz zrealizował przewidywania Maxwella. Jego aparatura do generowania i detekcji fal radiowych była prototypowym systemem radiokomunikacyjnym: cewka indukcyjna z pierwszą szczeliną iskrową stanowiła odpowiednik nadajnika radiowego, natomiast druga cewka ze szczeliną służyła jako odbiornik radiowy.

Nawet wówczas możliwość zastosowania tego odkrycia jako środka łączności bezprzewodowej nie była oczywista. Hertz uważał, że zadanie udoskonalenia jego aparatury jako środka komunikacji na dużą odległość napotka poważne przeszkody natury fizycznej. Bardziej zadowalało go, że potwierdził na drodze doświadczalnej teorię elektromagnetyczną Maxwella. Hertz zmarł młodo w roku 1894 w wieku trzydziestu siedmiu lat1. Udoskonalenie jego aparatury i jej przekształcenie w prawdziwą metodę telegrafii radiowej zawdzięczamy w głównej mierze Guglielmowi Marconiemu.

Marconi i radiokomunikacja

Marconi zetknął się z Hertzem za pośrednictwem Augusta Righi (1850–1920), wykładowcy na Uniwersytecie Bolońskim we Włoszech, który był jednym z nauczycieli Marconiego. Righi brał udział w udoskonalaniu oryginalnego nadajnika Hertza, a po jego śmierci napisał o nim wspomnienie we włoskim czasopiśmie naukowym. Marconi, który wówczas miał zaledwie dwadzieścia lat, przeczytał to wspomnienie i zainteresował się pracami Hertza.

Marconi był w większym stopniu wynalazcą i inżynierem niż naukowcem akademickim. Dlatego uzupełnił prace Hertza, podchodząc do fal radiowych od strony ich zastosowań. „Uznałem wówczas, że jeśli to promieniowanie zdołamy zwiększyć, a aparaturę udoskonalić i lepiej nią sterować, będziemy mogli z pewnością przekazywać sygnały poprzez przestrzeń, i to na bardzo znaczne odległości”, powiedział Marconi później. Pracując na strychu swojego rodzinnego domu, udoskonalał odbiornik i nadajnik radiowy Hertza i zdołał uzyskać iskrę wtórną najpierw w odległości 10 metrów, a następnie 30 metrów. Potem zdołał zwiększyć odległość nadajnika od odbiornika do 3 kilometrów, nie zauważając przeszkód w odbiorze, nawet jeśli pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem znajdowało się wzgórze.

Wówczas Marconi zwrócił się o fundusze do rządu włoskiego, w przekonaniu że doniosłe konsekwencje jego prac zostaną docenione. Jednak odmówiono mu wsparcia finansowego. Zresztą nawet inni uczeni nie wierzyli, że fale radiowe mogą być transmitowane na duże odległości, zwłaszcza że biegną po linii prostej, a zatem krzywizna Ziemi powinna uniemożliwić im dotarcie do odbiornika. Marconi jednak nie przyjął tego rozumowania i wytrwale pracował nad uzyskaniem transmisji radiowej na bardzo duże odległości. Zwrócił się o wsparcie finansowe do Wielkiej Brytanii, otrzymał je i w roku 1896 przeniósł się tam, aby kontynuować pracę.

Do roku 1897 Marconi był w stanie nadawać i odbierać sygnały radiowe na odległość 14,5 kilometra, a w roku 1898 przeprowadził pierwszą transmisję radiową przez kanał La Manche. W roku 1901, w St. John’s w Nowej Fundlandii (Kanada), puścił latawiec z umieszczoną na nim anteną odbiorczą i pomyślnie odebrał literę „S”, nadaną alfabetem Morse’a w Poldhu w Kornwalii (Anglia), w odległości 3200 kilometrów. Była to pierwsza pomyślna transmisja fal radiowych przez Atlantyk. Tak więc Marconi wykazał, że fale radiowe istotnie mogą się rozchodzić na wielkie odległości.

Teraz nastąpił już szybki rozwój systemów transmisji fal radiowych jako środka łączności bezprzewodowej. Do roku 1906 urządzenia nadawcze i odbiorcze zostały tak udoskonalone, że możliwe stało się transmitowanie mowy z jakiegokolwiek miejsca na świecie i usłyszenie jej w innym dowolnym miejscu. Początkowo radiokomunikacja miała szczególne znaczenie dla łączności statków z lądem. Na lądzie bowiem komunikaty można było przekazywać za pomocą przewodów elektrycznych na długo przed wynalezieniem radia. Już w roku 1876 szkocko-amerykański wynalazca Alexander Graham Bell (1847–1922) opatentował telefon, dzięki któremu można było transmitować dźwięki w postaci sygnałów elektrycznych płynących w przewodach. Jednakże komunikacja bezprzewodowa okazała się wygodniejsza, szczególnie na większe odległości. W dzisiejszym świecie komunikacja radiowa jest używana w mediach (radio i telewizja), w przemyśle, wojsku, w badaniach przestrzeni kosmicznej i w wielu innych dziedzinach codziennego życia. Jakże często nie pamiętamy, że zaczęło się to od matematycznej analizy elektromagnetyzmu dokonanej przez Jamesa Clerka Maxwella.

Interesującym odkryciem, którego dokonano przy okazji prac Marconiego nad radiem, było stwierdzenie istnienia jonosfery, to jest górnego rejonu atmosfery Ziemi zawierającego naładowane cząsteczki. Nie wiedząc o jonosferze, uczeni rozumowali logicznie, kiedy ze sceptycyzmem podchodzili do możliwości transmisji fal radiowych na duże odległości, na przykład z jednego kraju do drugiego. Fale radiowe bowiem nie powinny przy takiej transmisji dotrzeć do odbiornika ze względu na krzywiznę Ziemi, bądź też powinny ujść do góry i zaniknąć w górnych warstwach atmosfery. W rzeczywistości jednak fale radiowe odbijają się od jonosfery i wracają na Ziemię: dzięki temu odbiciu mogą być pomyślnie przekazywane na tak duże odległości. Marconi w istocie nie miał logicznego powodu, aby wierzyć, że transmisja radiowa na duże odległości jest możliwa. Tymczasem jego próby zakończyły się sukcesem, a jego wytrwałość dowiodła, że uczeni powinni dobrze się zastanowić, zanim zrezygnują z ważnego doświadczenia, nawet jeśli mają co do niego jakieś wątpliwości. Nie jest to jedyny wypadek, kiedy ważne odkrycie zostało poczynione, mimo że na podstawie ówczesnej wiedzy planowany eksperyment z góry skazany był na niepowodzenie. W przypadku Marconiego eksperyment się powiódł dzięki istnieniu jonosfery, o której nikt wtedy nie miał pojęcia2.

Fale radiowe drgają z częstotliwością znacznie mniejszą niż fale światła widzialnego i promieniowania podczerwonego czy ultrafioletowego. Widmo fal elektromagnetycznych, jakie znamy obecnie, pokrywa o wiele szerszy zakres częstotliwości niż widmo znane w czasach Faradaya i Maxwella. Oprócz fal radiowych z równań Maxwella wynikało również istnienie promieniowania poza ultrafioletem. Promieniowanie takie, do którego zalicza się promienie rentgenowskie, promienie gamma i promienie kosmiczne, zostało faktycznie później odkryte, co tym mocniej potwierdziło teorię fal elektromagnetycznych.

Odkryto także promieniowanie, zwane mikrofalowym, między częstotliwością promieniowania podczerwonego a częstotliwością fal radiowych. Mikrofale są obecnie używane w radarach, telekomunikacji, medycynie, astronomii i oczywiście w kuchenkach mikrofalowych.

Dzisiaj uczeni uważają, że równania Maxwella stanowiły początek nowoczesnej fizyki. Przez unifikację światła z elektrycznością i magnetyzmem zmienił Maxwell sposób widzenia świata przez fizyków. Według słów Einsteina: „Była to najgłębsza i najbardziej owocna zmiana koncepcji Rzeczywistości, z jaką mieliśmy do czynienia w fizyce od czasów Newtona”.

Jeszcze przed końcem XIX wieku odkryto, zresztą przez czysty przypadek, promienie rentgenowskie, a z początkiem dwudziestego stulecia teoria Maxwella została uznana za triumf fizyki.

3.CUDOWNE PROMIENIE MEDYCYNY

Z równań Maxwella nie tylko wynikało istnienie fal radiowych, które oscylują z częstotliwościami mniejszymi niż światło widzialne. Na ich podstawie można było również przewidzieć istnienie promieniowania elektromagnetycznego o częstotliwościach większych niż częstotliwość światła ultrafioletowego. W roku 1895 niemiecki uczony Wilhelm Konrad Röntgen (1845–1923) zidentyfikował taki nowy typ promieni, które zadziwiły świat i miały przy tym wpływ na rozwój medycyny. Odkrycie przez niego promieni Röntgena, powszechnie zwanych promieniowaniem rentgenowskim, a czasem promieniami X, stanowi znakomity przykład tego, jak ważną rolę w badaniach naukowych może odgrywać przypadek. Odkrycie to potwierdza również powiedzenie Pasteura, że „los sprzyja tylko umysłowi do tego przygotowanemu”, gdyż kilku innych fizyków obserwowało te same promienie przed Röntgenem, ale nie potrafili dostrzec ich znaczenia. Röntgen zauważył coś niezwykłego, zbadał rzecz dokładniej, po czym uświadomił sobie, że odkrył zupełnie nowe zjawisko o fundamentalnym znaczeniu.

Prawie każdy szpital w każdym kraju rozwiniętym ma pracownię radiologiczną i mało jest w takich krajach ludzi, którzy nigdy w życiu nie przeszli badania rentgenowskiego. Promieniowanie rentgenowskie jest używane do wykrywania złamań kości, przypadkowo połkniętych obiektów, odprysków szkła lub odłamków pocisków tkwiących w ranach, a nawet instrumentów chirurgicznych pozostawionych wewnątrz ciała pacjenta w czasie operacji. Za pomocą tego promieniowania można również wykrywać guzy nowotworowe, a silne wiązki promieni Röntgena są używane do niszczenia niektórych rodzajów nowotworów. Urządzenie do tomografii komputerowej, wynalezione w latach siedemdziesiątych, jest aparatem rentgenowskim pozwalającym na badanie małych fragmentów tkanek organizmu i komputerowe przetworzenie obrazu tak, aby uzyskać widoczny przekrój. Urządzenie to jest obecnie używane do wykrywania chorej tkanki z niemożliwą przedtem do uzyskania dokładnością. Niezliczoną liczbę istnień ludzkich, jakie uratowano, i problemów medycznych, jakich uniknięto, zawdzięczamy przypadkowemu odkryciu dokonanemu przez Röntgena.

Promieniowanie rentgenowskie ma również ogromne znaczenie w badaniach podstawowych w nauce. Jest ono na przykład używane do określania trójwymiarowej struktury molekularnej białek i innych substancji. Tego rodzaju badania są obecnie stosowane do opracowywania leków, umożliwiających leczenie wielu różnych chorób, od cukrzycy do chorób serca, i zapewne już niedługo ujrzymy praktyczne rezultaty tych wysiłków. Wspaniałe efekty, jakie promieniowanie rentgenowskie już przyniosło w medycynie, stanowi tylko wierzchołek góry lodowej w stosunku do tego, co jeszcze nastąpi. W przemyśle promieniowanie rentgenowskie jest stosowane do wykrywania defektów struktury w maszynach i budowlach – dzięki niemu możliwe jest prześwietlenie wnętrza obiektu, który pozostaje w całości i nienaruszony. Promieniowania rentgenowskiego używa się nawet w świecie sztuki – do badania ukrytych warstw malowideł. Powszechnie stosuje się prześwietlanie rentgenowskie bagażu zabieranego do samolotów.

Kiedy Röntgen po raz pierwszy opisał odkryte przez siebie promieniowanie, to nowe i tajemnicze zjawisko zostało przyjęte przez społeczność i przez prasę z niepokojem, a całej sprawie towarzyszyły liczne nieporozumienia. Pewien londyński producent reklamował bieliznę osobistą „odporną na promieniowanie Röntgena”. W stanie New Jersey pewien polityk przedłożył projekt ustawy zabraniającej używania nowych promieni w lornetkach teatralnych. Rozpowszechniona była obawa, że promieniowanie rentgenowskie może przenikać ściany budynków i w ten sposób zostanie naruszona prywatność ich mieszkańców. Rzecz jasna takie obawy były bezpodstawne i wynikały z niewiedzy. Korzyści płynące z zastosowań nowego promieniowania uwidoczniły się już w kilka miesięcy po jego odkryciu, kiedy w szpitalu w New Hampshire po raz pierwszy w historii użyto promieni Röntgena do diagnozy złamania kości. Rzadko które odkrycie naukowe zostało spożytkowane dla dobra społeczeństwa tak szybko jak promieniowanie rentgenowskie: zazwyczaj owoce czystych badań naukowych pojawiają się po znacznie dłuższym czasie. Konsekwencje naukowe i medyczne promieniowania rentgenowskiego były niezmierne, a Röntgen został słusznie nagrodzony za swoje wielkie odkrycie pierwszą w historii Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki, przyznaną w roku 1901.

Kiedy Röntgen odkrył nowe promieniowanie, miał pięćdziesiąt lat i był profesorem fizyki na uniwersytecie w Würzburgu w Niemczech. Główną rolę w tym doniosłym odkryciu odegrało urządzenie zwane wówczas lampą Crookesa, a obecnie lampą elektronopromieniową, które już od jakiegoś czasu było używane przez fizyków do badań właściwości elektryczności i materii. Urządzenie to powstało jako rezultat wcześniejszych prac Michaela Faradaya.

Promienie katodowe

Faraday interesował się możliwością wykrycia „cząstek” elektryczności. W roku 1838 odkrył on, że jeżeli dwie elektrody podłączone do baterii, ujemną (zwaną katodą) i dodatnią (zwaną anodą), umieści się w szczelnej bańce szklanej, z której częściowo wypompuje się powietrze, to wystąpi świecenie obszaru naprzeciwko katody, ale nie anody. Faraday założył, że katoda emituje coś, co powoduje świecenie. Urządzenie to było pierwowzorem lampy elektronopromieniowej, której liczne wersje skonstruował uczony brytyjski, sir William Crookes (1832–1919).

Lampa elektronopromieniowa składa się ze szczelnej bańki szklanej z anodą i katodą umieszczonymi po przeciwnych końcach. Otwór wylotowy z bańki umożliwia wypompowywanie z niej lub wprowadzanie do niej powietrza lub innych gazów. Urządzenie to było przodkiem używanych dzisiaj jarzeniówek i reklam neonowych, a także kineskopu telewizyjnego. Jest też ono najważniejszą częścią oscyloskopu katodowego, którego używa się do wyświetlania na ekranie graficznej reprezentacji przebiegów elektrycznych, odpowiadających zewnętrznym sygnałom, takim jak dźwięk lub ruch. Oscyloskop katodowy jest jednym z instrumentów najpowszechniej używanych w badaniach naukowych, przemyśle i technice.