Osiemnastowieczna Europa słynęła z gorliwych dyskusji na temat tego, co wpływa na ruch planet. Według angielskiego uczonego Isaaca Newtona oraz jego zwolenników, odpowiedzią była grawitacja: ta sama niewidzialna siła, która napędza spadające jabłko oraz nadzoruje ściśle określoną ścieżkę obieraną przez planety.

Z drugiej strony barykady, wielu Europejczyków popierało teorię René Descartesa prawiącą o wirującym kosmicznym “eterze” odpychającym planety na skutek gwiezdnego tornada.

Ten konflikt to coś więcej niż historyczna ciekawostka — jest on dowodem na to jak ciężko jest uznać daną teorię za prawdziwie naukową.

Do zwycięstwa Newtona w Europie kontynentalnej przyczyniła się niecodzienna para czempionów: Voltaire, najbardziej znany i jednocześnie kontrowersyjny dramaturg Francji, oraz jego kochanka, matematyczka Émilie du Châtelet. Jej praca naukowa skupiała się na tworzeniu francuskiego tłumaczenia “Matematycznych Zasad Filozofii Naturalnej” Netwona, mimo to jednak została ona zapomniana po swojej śmierci; osiągnięcia du Châtelet przygasły w cieniu “wielkich mężczyzn” będących w jej życiu. Dzisiejszy historycy odkryli historię Émilie na nowo, inspirując przyszłe pokolenia matematyczek.

Kiedy Emilie dołączyła do swojego kochanka w Cirey, złośliwościom nie było końca

Urodzona w 1706 roku w Paryżu, Émilie zasłużyła na miano najelegantszej matematyczki, jaką widziała historia. Wysoka i arystokratyczna, z pasją do nauki oraz flirtu, definitywnie przyciągała uwagę; nie zawsze jednak w pozytywnym sensie. Dla niektórych była zbyt ambitna, zbyt inteligentna, zbyt emocjonalna i zbyt wyzwolona. Jeszcze inni uważali ją za skrajną feministkę: du Châtelet nie kryła się z tym jak ciężko jest wynieść z domu zaawansowaną matematykę i fizykę (z racji że dziewczynek nie przyjmowano do dobrych szkół, a co dopiero na uczelnie).

— Gdybym była królem — pisała — to zdelegalizowałabym przemoc, która efektywnie odcina nas od człowieczeństwa. Zezwoliłabym kobietom na wszystkie prawa człowieka, a przede wszystkim na prawa dotyczące umysłu.

W wieku 26 lat wdała się w romans z Voltairem, którego uwiodła swoim umysłem oraz urodą. Voltaire był wówczas okryty złą sławą karierowicza o nikczemnym dowcipie. W przeciwieństwie do niego, Émilie urodziła się w arystokratycznej rodzinie; jej ojciec był szefem protokołu na dworze Ludwika XIV w Wersalu. W wieku 18 lat została wydana za markiza du Châtelet, któremu urodziła trójkę dzieci. Spełniając swój obowiązek dla rodu, Émilie i jej mąż zaczęli żyć osobno, co zresztą było częstym zjawiskiem wśród arystokracji. Mało mówi się o ich między małżeńskiej przyjaźni; markiz wspierał nie tylko niecodzienne ambicje małżonki, ale też jej związek z Voltairem. Choć romanse były normą w aranżowanych małżeństwach to sposób, w jaki Émilie i Voltaire obnosili się ze sobą wywołał skandal. Zamiast żyć w ukryciu jak przystało, zachowywali się jak para młoda, inwestując we wspólny dom. Ich związek wykraczający ponad skok w bok oraz rola newtonowskich rewolucjonistów to zbieg okoliczności tak skomplikowany jak tajemnice kosmosu, które razem usiłowali odkryć.

Fascynacja Voltaire’a Newtonem narodziła się niechęcią dramaturga do francuskich konserwatystów oraz elit — co zresztą wyrażał poprzez satyrę spod swojego pióra. Jeszcze zanim poznał Émilie w 1733, od prawie roku kojarzono go z tendencji do obrażania ludzi z bastylijskich klas wyższych; do tego stopnia, że został zesłany na wygnanie w późnych latach dwudziestych. Ta “wycieczka” wyszła mu ostatecznie na dobre, bowiem miał okazję odwiedzić Anglię, gdzie poznał paru najlepszych uczniów Newtona — sam Newton był wówczas po osiemdziesiątce.

Londyn oszalał na punkcie Newtona, a kiedy ten zmarł w 1727 roku, Voltaire uczestniczył w jego pogrzebie w Opactwie Westminsterskim. Oddawanie aż takiej czci naukowcom było niecodziennym zjawiskiem we Francji, a sam Voltaire nie mógł wyjść z podziwu — tak bardzo, że napisał serię esejów o Anglikach, komentując monarchię konstytucyjną, relatywną tolerancję religijną, newtonowskie poglądy naukowe oraz nowoczesnych empirystów (włączając w to przyjaciela Newtona, Johna Locke’a).

Eseje Voltaire’a zostały opublikowane w Anglii. We wczesnym 1734, dramaturg zdradził przyjacielowi, że nie śpieszył się z wydaniem francuskiej wersji, “Lettres Philosophiques”, w obawie przed francuskim sądem. Edycja ta zawierała niechcianą krytykę twórczości religijnej francuskiego matematyka, Blaise’a Pascala, oraz argumentację wspierającą twierdzenia Locke’a dotyczącą mechanizmów materialnych — według niej, ku trwodze teologów z obu stron barykady, nie istnieje coś takiego jak nieśmiertelna dusza.

Rozmawiać o religii to jak igrać z ogniem, a wsparcie ideologii Locke’a oraz Newtona przez Voltaire’a było skazą na francuskiej dumie narodowej. Jeden z esejów krytykował “kartezjan” dominujących Paryską Akademię Nauk. Ci, którzy wspierali siedemnastowieczne teorie filozofa René Descartesa, nie dopuszczali do siebie teorii Newtona o ruchu planet. No bo jakim cudem grawitacja Słońca może wpłynąć na miliony kilometrów pustej przestrzeni, za którą kryją się planety? Dla nich była to pseudonauka porównywalna z astrologią czy alchemią. Ironicznie, to właśnie teorię Descartesa uważa się dziś za przykład pseudonauki. Ciężko jest stwierdzić jakim cudem ten niewidzialny eter miałby powstawać, ani dlaczego przyjmowałby formę tornada. Voltaire wyraźnie naznaczył hipokryzję między wiarą w magiczne wiry kosmiczne a odrzuceniem teorii o oddziaływaniu grawitacyjnemu. Jego esej jest dowodem na to, że wielu siedemnastowiecznych teoretyków nie było w stanie ugruntować rzeczywistych zasad potrzebnych do zaakceptowania tej teorii naukowej.

Podejście Newdona wymagało matematycznego podejścia. Voltaire nie był najlepszym spośród matematyków, co tylko świadczyło o tym jak przyszłościowa była ta teoria — i tutaj wkracza Émilie. Sama pomoc nie nadeszła jednak aż do kwietnia 1734, kiedy to wydawca Voltaire’a opublikował francuską edycję “Lettres” bez zgody autora. Voltaire zmuszony był się ukryć, kiedy tylko wydano nakaz aresztowania. Émilie głośno sprzeciwiła się francuskiej niesprawiedliwości wobec jednego z najlepszych pisarzy w całym kraju, a odwołania, które skierowała do władz wraz z mężem i przyjaciółmi z wyższych sfer, ostatecznie przyniosły skutek. Voltaire uzyskał pozwolenie na powrót do Francji, gdzie poniekąd żył w areszcie domowym w zamku Châteletów w Szampanii.

Kiedy Émilie przeprowadziła się do Cirey, by zamieszkać ze swoim kochankiem, w społeczności zawrzało od złośliwych, a czasem wręcz zawistnych komentarzy przez wzgląd na naruszenie zasad przyzwoitości. Para przekształciła swój dom w nieformalną akademię, gdzie mogli uczyć się, pisać, rozmawiać o filozofii oraz zapraszać wyzwolonych intelektualistów. Była to ugoda iście idylliczna, choć Voltaire czuł niekiedy że zbyt mało przykładał się do swojej poezji i dramatów. Cytując: “Newton i Émilie nieustannie wprawiali mnie w stan rozproszenia”. Odniósł się wówczas do prób popularyzacji teorii Newtona za pomocą “Fragmentów Newtońskiej Filozofii”.

Na tym się nie skończyło, a Émilie wydała 180-stronicowy “komentarz” przypisany do tłumaczenia zasad Newtona. Zawierał on przystępny przewodnik po najważniejszych argumentach potwierdzających teorię o wpływie grawitacji na ruch planet, wykorzystanie jej w praktyce przez przyjaciół Newtona z kręgu matematyków — Alexisa Clairauta i Pierre-Louisa Moreau de Maupertuis — oraz dopowiedzenia do teorii o wpływie grawitacji na przypływy spisane przez ich znajomego, szwedzkiego matematyka Daniela Bernoulli. Oprócz tego, w przypisie znalazły się także wykonane przez Émilie modyfikacje kluczowych dowodów w języku rachunku różniczkowego. To Newton (wraz z niezależnym niemieckim matematyko-filozofem Gottfriedem Leibnizem) stworzył rachunek różniczkowy — obliczenia przewidujące zmienne, takie jak miejsce upadku jabłka z drzewa lub położenie planety na niebie. Sam Newton uważał jednak, że rachunek ten był zbyt nowy by przekonać publikę o słuszności jego radykalnych teorii. Zamiast tego do argumentacji wykorzystał pomysłowe acz idiosynkratyczne dowody geometryczne — było to logiczne i rygorystyczne podejście stosowane w Starożytnej Grecji. Émilie przekształciła niektóre z nich, wykorzystując równanie dy/dx wymyślone przez Leibniza.

Błyskotliwość Émilie wzięła się z talentu do wyłapywania rzeczy subtelnych zarówno dla filozofii Newtona, jak i Liebniza

Émilie zasłynęła wśród europejskich intelektualistów nie ze swojego tłumaczenia, lecz ze wcześniejszej pracy popularno-naukowej — “Institutions de Physique” (Podstawy Fizyki) — w której śmiało podjęła się próby zintegrowania dzieł Newtona i Leibniza. Były to czasy, w których na piedestał chwały naukowej wynosiło się jedynie Anglików lub Niemców. Debata ta dotyczyła nie tylko nacjonalizmu, ale i składnych teorii natury; Newton skupiał się na wyjaśnieniach obserwacji Wszechświata w oparciu o praktykę, Leibniz zaś kładł nacisk na filozoficzne pytania o naturę istnienia. Błyskotliwość Émilie wzięła się z talentu o wyłapywania rzeczy subtelnych zarówno dla teorii Newtona, jak i filozofii Leibniza.

Voltaire z kolei całą swoją uwagę poświęcał Newtonowi, całkowicie lekceważąc Leibniza — i to właśnie ta kwestia stała się powodem do niezgody w jego związku z Émilie. W swojej noweli “Candice” otwarcie szydził z filozofii Leibniza o “najlepszym możliwym świecie”, w której to filozof usiłował pogodzić dobroć Boga ze złem występującym na ziemi.

Jednakże to właśnie praca nad tłumaczeniem zasad Newtona przykuła całą uwagę Émilie w połowie lat 40., nawet jeśli przekład 500 stronic łaciny i skomplikowanej geometrii — połączony z ciągłymi poprawkami w równaniach — był żmudny. Cytując: – Nigdy wcześniej nie dokonałam tak wielkiego poświęcenia jak teraz, pracując nad tą książką. To spartańska robota wymagająca nerwów ze stali. Tak czy siak jednak, zarówno Émilie jak i Voltaire zakochali się w myślach Newtona. Newton dał swoim wyznawcom nadzieję na to że rozsądek może wygrać z przesądem, udowadniając że ludzki umysł może dogłębnie poskromić tajemnice natury i wprowadzając to świeckie podejście nie tylko do “naturalnej filozofii”, ale też polityki oraz etyki.

Émilie i Voltaire doszli do wniosku, że Newton stworzył gotowy wzór dla współczesnej fizyki teoretycznej. Oddzielił religię i filozofię od rzeczywistych obserwacji, odkrywając tym samym niezauważalne. Kartezjanie stali się reliktem przeszłości — erą, w której dominowali teoretycy naukowi. Pierwotną rolą filozofa było trzymanie się metafizyki, patrzenie “ponad” to co fizyczne. Spójrzmy chociażby na hipotezę tornada: była to próba wyobrażenia sposobu, w jaki planety przemieszczają się po niebie, spójna z “oczywistością” jaką był wymóg fizycznego kontaktu z poruszanym przedmiotem. Ta eteryczna funkcja była nijak udowodniona, podobnie zresztą jak jej wkład w rzeczywisty ruch planet. Newton udowodnił nawet, że matematyczny wir był niezgodny z obserwacjami niemieckiego astronoma Johannesa Keplera.

Netwon swoje badania zaczął od analiz Keplera (który spędził lata na analizowaniu obserwacji duńskiego astronoma Tycho Brahe’a dotyczących pozycjonowania nieba o różnych porach roku), któremu udało się przypisać krzywą matematyczną do orbity każdej planety; Kepler odkrył, że tworzą one elipsę otaczającą Słońce. Zauważył także zależność między wielkością orbity a czasem, w jakim okrąża ona Słońce. Prawa Keplera zapewniły zatem precyzyjny matematyczny opis każdej orbity.

Celem Newtona było jednak ustalenie, dlaczego planety w ogóle się ruszały

Newton wykorzystał analizę Keplera, by udowodnić że siła potrzebna do wprawienia planet w eliptyczny ruch dookoła Słońca musi być zgodna z “prawem odwrotnych kwadratów”. Oznacza to, że im dalej planeta znajduje się od Słońca, tym słabsza jest oddziałująca siła; przykładowo, jeśli dystans wzrośnie dwukrotnie to wykorzystana zostanie zaledwie 1/4 siły — odwrotna dwóch do kwadratu. Innymi słowy, planety położone dalej od Słońca nie odczuwają aż tak tej siły i posiadają szersze, wolniejsze orbity. Newton udowodnił także, że prawo to tyczy się księżyców o orbitach kołowych oraz komet o orbitach eliptycznych, parabolicznych lub hiperbolicznych.

Na tym nie kończy się geniusz Newtona; zrozumiał bowiem, że ta kosmiczna siła odnosi się także do spadającego jabłka na Ziemi. Innymi słowy, planety i księżyce po prostu opadały w przestrzeni. Galileusz badał naturę przyśpieszenia grawitacyjnego, zrzucając metalowe kulki na desce; wyniki tych badań opublikował w 1638 roku, na 49 lat przed wydaniem zasad Newtona. By udowodnić że siła ta dotyczy także księżyca, Newton obliczył jego przyśpieszenie dośrodkowe (na podstawie szybkości oraz odległości od Ziemi), które wyniosło około 1/3,600th na Ziemi. Księżyc znajduje się 60 razy dalej od centrum Ziemi niż my, a to oznacza że prawo odwrotnych kwadratów zadziałało!

Łańcuch myślowy Newtona był jednak o wiele bardziej zawiły i, co najważniejsze, jego teoria może być w dzisiejszych czasach wykorzystywana do opracowywania przewidywań. Newton żył wystarczająco długo, by doświadczyć potwierdzenia swojej tezy — całkowitego zaćmienia Słońca z 1715 roku, które spowiło w ciemności całą Anglię oraz północną Europę i Azję. I choć było to fascynujące przeżycie to jeszcze bardziej spektakularne potwierdzenie przyszło 32 lata po śmierci Newtona: powrót komety Halley w 1759.

W latach 30. i 40. XVI wieku Émilie i Voltaire szerzyli wiedzę o ponadprzeciętnym odkryciu Newtona — zmianie paradygmatu w rozumieniu Wszechświata. We “Fragmentach Newtońskiej Filozofii”, Voltaire twierdził że kartezjański nacisk na metafizyczne przyczyny był – najpewniejszą metodą zgubienia. [Newton] przedstawił nam naturalne procesy krok po kroku. Niczym podróżnicy przy ujściu rzeki, wpierw podążmy w jej górę nim wyobrazimy sobie jej źródło.

Nawet Leibniz i Christiaan Huygens nie byli w stanie w pełni zrozumieć paradygmatu Newtona i wspólnie zgodzili się, że teoria grawitacji była matematycznym “tour de force”, wyjątkowo spójnym z fizycznymi dowodami ruchu planet. Nie byli jednak przekonani co do wpływu grawitacji na Wszechświat. A ponieważ sam Newton nie miał pojęcia jak miałoby to wyglądać, teoria została uznana za powrót do mistycyzmu.

Newton próbował co prawda odkryć mechanizmy grawitacji, odmówił jednak zamieszczenia niesprawdzonych spekulacji w swoim zbiorze zasad. Badania pozostawił potomnym (czyli Einsteinowi), mówiąc: – Wystarczy że grawitacja naprawdę istnieje i współgra z ustalonymi prawami, dzięki którym możemy wytłumaczyć wszystkie procesy zachodzące w ciałach niebieskich i w morzu [fal]. I rzeczywiście taka wiedza nam wystarczyła. Dziś wiemy już, że teoria Newtona jest w większości zgodna z Układem Słonecznym.

Émilie i Voltaire pomogli spopularyzować teorie Newtona.

Nawet Newton nie był nieomylny, zwłaszcza jeżeli chodzi o naturę światła i ciepła. Była to na tyle kontrowersyjna sprawa, że Paryska Akademia Nauk uczyniła ją głównym tematem corocznego konkursu na esej w 1738 roku, w którym Voltaire planował uczestniczyć. Wraz z Émilie zainwestował w zdumiewające laboratorium zawierające teleskop zwierciadlany, wysokiej jakości pryzmaty, soczewki oraz dokładne podziałki. Para była zafascynowana optycznymi eksperymentami Newtona, wliczając w to badania nad białym światłem będącym w spektrum kolorów. Nie opracował on jednak teorii dotyczącej fundamentalnej kompozycji światła — zasugerował jedynie, że składa się ono z drobnych cząstek.

Według Voltaire’a, ciepło także składało się z cząstek. Przy pomocy Émilie rozgrzał spore ilości metalu w kuźni w Cirey, chcąc sprawdzić różnicę w jego masie przed i po eksperymencie — wszystko to w celu sprawdzenia, ile ważą cząsteczki ciepła. Kiedy minęły miesiące, a wyniki badań wciąż pozostawały niejednoznaczne, Émilie doszła do wniosku że ciepło nic nie waży. Voltaire był tak zafascynowany Newtonem, że nie chciał słuchać jej argumentów, zakładających że węgiel tworzący zewnętrzną powłokę na spalonym metalu waży więcej niż ciepło, przez co eksperyment nigdy nie dojdzie do skutku.

Émilie wierzyła także, że i światło nic nie waży. Domysły te bazowała na pomysłowych obliczeniach. Według nich, jeżeli światło miałoby ważyć mniej niż bilionowa kuli armatniej, to — przez wzgląd na swoją prędkość — trafiałoby nas prosto w oczy!

To nie koniec innowacyjnych rozważań Émilie na temat światła i ciepła — przykładowo, sądziła że każdy kolor zawiera inne pokłady energii i temperatur, a przypuszczenie to okazało się prawdą pół wieku później. Choć Émilie nie poświęcała czasu na eksperymenty to opisała swoje teorie w eseju na konkurs Paryskiej Akademii, wysłanym anonimowo i w tajemnicy. Nie chciała ani publicznie zranić uczuć Voltaire’a, ani ośmieszyć siebie jako kobieta wkraczająca na męskie terytorium. Jedyną osobą znającą ten sekret był jej mąż (który wprowadził się do rezydencji w Cirey podczas zwolnienia z służby wojskowej — za przyzwoleniem kochanek)!

Jak się okazuje, Voltaire był dumny z eseju Émilie do tego stopnia, że wierzył w jej zwycięstwo. Ona z kolei myślała to samo o jego eseju, narzekając na kartezjańskość i nieobiektywność oceniających. Obiektywności mieli jednak na tyle dużo, by uznać każdy esej nadesłany z Cirey za interesujący na równi ze zwycięzcami. Tym sposobem Émilie stała się pierwszą kobietą, której naukowe rozważania zamieszczono w prestiżowym magazynie.

Niestety, historia ta nie ma szczęśliwego zakończenia. W 1749 roku, po dokonaniach naukowych jakich doczekała się mało która kobieta, Émilie zmarła “typowo kobiecą” śmiercią podczas porodu (dając potomka swojemu nowemu kochankowi, markizowi de Saint Lambertowi). Miała wówczas 42 lata. Według opinii publicznej, dostała to na co zasłużyła za swoją frywolność. Voltaire pozostał u jej boku aż do samego końca. Choć nie byli już kochankami, mężczyzna pozostał – maleńką planetą w jej wirze polarnym, zapętloną na orbicie – cytując list do przyjaciela.

Émilie miała nadzieję na to, że jej praca nad Newtonem będzie żyła wiecznie. Niestety, jej gwiazda wygasła krótko po śmierci. Voltaire stracił zainteresowanie nauką, a tłumaczenie Émilie skończyło na dnie szuflady aż do druku Clairauta, który miesiące po śmierci kobiety przejrzał jej dowody rachunkowe, doszlifowując obliczenia Newtona i Halleya potrzebne do przewidzenia powrotu komety Halleya w 1759. Opublikowanie książki Émilie w tym roku było idealnym hołdem, a ona sama byłaby dumna, wiedząc że kometa ta była kluczem do uratowania reputacji Newtona.

Émilie była inspiracją dla wielu kobiet i mężczyzn zajmujących się wyższą matematyką, pokonując przeciwności losu i żyjąc pełnią życia.

Jak wymyślić ponadprzeciętną teorię w dzisiejszych czasach?

Choć technologia otworzyła nam wiele drzwi to Wszechświat wydaje się być jeszcze bardziej tajemniczy niż kiedykolwiek. Zaślepiają nas ciemna energia i materia oraz generowane kwantowo wieloświaty, nieograniczone do naszego “najlepszego możliwego świata”. Jakim cudem metoda Newtona przekształciła się z listy matematyczno-fizycznych reguł w piękną teorię? Wiele nowych pomysłów cofa nas wręcz do czasów Descartesa i jego teorii o eterze.

Newtonowi nie przeszkadzałyby zapewne te dziwne nowoczesne teorie. Podobnie jak jego teoria grawitacji, tak i one zakładają odważne tezy nieakceptowalne przez kartezjan. A skoro w dalszym ciągu nie wiemy czym dokładnie jest grawitacja, to jak zareagowaliby kartezjanie na teorie pokroju równoważności masy i energii czy czasoprzestrzeni lub antymaterii? Bo nawet jeśli pomysły te brzmią absurdalnie to w dalszym ciągu wywodzą się one, podobnie jak w przypadku Newtona, z eksperymentów matematycznych — w przeciwieństwie do teorii o eterze.

Dobra teoria nie musi, a nawet nie powinna być idealnie dopasowana do fizycznego świata. Dawno temu teorię Newtona o grawitacji przypisywano do ogólnej teorii względności Einsteina, która z pewnością będzie wymagała pewnych poprawek wraz z rozwojem wiedzy na temat Wszechświata. Z drugiej strony, obydwie teorie z powodzeniem przewidziały rozwój fizyki, pozostając zaskakująco dokładnymi: teoria Newtona ma zaledwie 0.0001% niezgodności z zaobserwowanym ruchem planet, a teoria Einsteina przeszła do tej pory wszystkie eksperymentalne testy. Z tego też względu oba pomysły są, cytując Rogera Penrose’a z “Nowego umysłu cesarza”, ponad innymi teoriami (do których zalicza się teorie Maxwella o elektromagnetyzmie, elektrodynamice kwantowej oraz mechanice kwantowej).

Podczas procesu poszukiwania nowych teorii tudzież adaptowania tych starszych pod względem świeżych informacji dochodzi do ciekawych przypuszczeń, a w rezultacie — do gorących dyskusji. Korzystając z terminologii Penrose’a, teorie te możemy podzielić na “użyteczne” (przykładowo standardowa teoria Wielkiego Wybuchu) lub “niepewne” (czyli chociażby cykliczny układ Wszechświata lub teoria strun łącząca grawitację z innymi fundamentalnymi siłami). Teoria awansuje do miana “ponadczasowej” dopiero w momencie przewidzenia czegoś, co da się potwierdzić eksperymentami o wysokim prawdopodobieństwie, w połączeniu z licznymi możliwościami zastosowania i wyjaśnienia.

Źródło: Cosmos Magazine