XXII. Fizyka

Niewielka zmiana w budowie powyższego przyrządu posłużyła Volcie do uskutecznienia analizy powietrza za pomocą t. zw. eudiometru. Jest to rurka szklana, otwarta z jednego końca; na drugim, znajduje się kulka metalowa, umieszczona na końcu pręta, przechodzącego wewnątrz rurki. Gdy napełnimy przyrząd powietrzem i wodorem w określonej zawczasu ilości i z pomocą elektroforu przepuścimy przezeń iskrę elektryczną, to spowoduje ona wewnątrz rurki chemiczne połączenie wodoru z tlenem, dające wodę, a objętość pozostałej ilości gazu wskaże, ile w powietrzu znajduje się tlenu. Takim sposobem Volta przekonał się, że na 100 części powietrza przypada 21 części tlenu. 

Ogólne zainteresowanie, wzniecone pierwotnie przez doświadczenia Volty i jego poprzedników, ochłodło nieco przy końcu wieku XVIII; maszyna elektryczna i butelka lejdejska nic dawały objawów nowych. Dopiero z chwilą ciekawych badań Galvaniego, ’ który wykazał nowe źródło elektryczności, nie w stanie spoczynku, jaką daje elektrofor lub maszyna elektryczna, lecz przepływającej, czyli elektryczności dynamicznej, odsłonił się nowy widnokrąg.

Ciekawem jeszcze było doświadczenie następujące: jedna osoba trzymała żabę na haku, przechodzącym przez rdzeń kręgowy, druga zaś trzymała krążeń srebrny, którego dotykały nóżki żaby; gdy dwie osoby, ująwszy się za ręce, utworzyły łańcuch zamknięty, wnet występowało zjawisko skurczu. Wychodząc z założenia, że mięsień jest siedliskiem obu rodzajów elektryczności, a każde oddzielne włókno uważać należy jakby za drobną butelkę lejdejską, której konduktorem jest nerw, – Galvani oświadczył wszakże, że gotów hipotezę pierwszy st°s Yoity. swą zarzucić, jeśli inni dadzą lepsze wyjaśnienie obserwowanych zjawisk. Niedługo trzeba było czekać na skutek wezwania, pociągający za sobą szereg nowych odkryć naukowych wielkiej wagi, skoro między badaczami znalazł się iV olta, Przede wszystkiem zauważył on, żep rzy doświadczeniach powyższych niezbędną jest obecność dwu różnorodnych metali; przez zetknięcie się jeden z nich otrzymuje elektryczność dodatnią, drugi ujemną, gdy zaś obwód zostanie zamknięty, wytwarza się w nim stały prąd elektryczny. Teoryę powyższą, wykluczającą istnienie elektryczności zwierzęcej, Volta wygłosił w r. 1794. Największy wszakże tryumf został osiągnięty w budowie pierwszego stosu w r. 1799. Stos ten Volta przedstawił na posiedzeniu francuskiego instytutu narodowego w Paryżu w listopadzie 1800 r. Przyrząd składał się z pewnej liczby krążków srebrnych lub miedzianych, takiejże liczby krążków cynkowych oraz zwilgoconych papierowych lub sukiennych. Na tafli szklanej leżał krążek miedziany (lub srebrny), na nim cynkowy, a na tym ostatnim sukienny, nasycony rozcieńczonym kwasem siarczanym; stanowiło to pierwszą parę, na której leżały następne w tym samym porządku; druty, idące od pierwszego i ostatniego krążka, zamykały obwód. Metale, wchodzące do stosu, mogą być rozmaite, należy je tylko zastosować w odpowiednim porządku. Volta pierwszy dał szereg metali, z których każdy poprzedni do następnego jest dodatnim, a każdy następny względem poprzedniego-ujemnym.

Tem Volta zakończył działalność swoją, nie biorąc udziału w dalszych odkryciach, do których drogę wskazał. Instytut francuski wynagrodził go wielkim medalem złotym, a Napoleon mianował senatorem królestwa włoskiego. 

Prąd galwaniczny otworzył nową dziedzinę odkryć naukowych i rozległe pole zastosowań praktycznych. Pierwszem zastosowaniem stosu Volty był rozkład wody na tlen i wodór oraz światło łukowe. W roku 1800 dwaj anglicy Carlisle i Nicholson dokonali po raz pierwszy analizy wody; w tym celu w naczyniu szklanem, zawierającem wodę z niewielką domieszką kwasu siarczanego dla ułatwienia przewodnictwa, umieszczono dwie epruwetki dnem do góry nad platynowemi elektrodami (blaszkami) h i n, które są przymocowane u dna naczynia i połączone z dołu za pomocą drutów z biegunami stosów Volty; w epruwetce, mieszczącej elektrod dodatni h, zbiera się tlen, mieszczącej zaś elektrod ujemny n – wodór, przytem w objętości 2 razy większej, aniżeli gaz poprzedni. Tym sposobem dokonano jednocześnie jakościowego i ilościowego rozbioru wody. Przepuszczając silny prąd przez dwa kawałki węgla, stykające się swe mi końcami, przekonano się, że końce rozżarzały się do białości; rozsuwając zaś węgle na pewną odległość otrzymano silne światło, zwane łukiem Volty.

Sir Humphrey Davy, uczony z Kornwalii, po raz pierwszy dokonał próby oświetlenia elektrycznego (wr. 1801) w Londynie za pomocą bateryi, złożonej z 2000 elementów. Podczas gdy odkrycia naukowe Volty i Galvaniego budziły powszechne zainteresowanie, w innych działach fizyki również wiele zrobiono na przełomie dwóch stuleci, lubo żaden z uczonych nie dokonał takiego przewrotu w nauce, żaden nie pobudził do tak licznych badań i studyów, jak Galvani, aw szczególności Volta. 

Bramah w Londynie buduje w r. 1796 pierwszą prasę hydrauliczną, której podstawę teoretyczną dał Pascal. W tymże czasie aptekarz paryski Beaume skonstruował przyrząd do określania ciężarów gatunkowych cieczy, zwany areometrem o stałej objętości; jest to rurka szklana bez otworów, rozszerzona pośrodku, u góry wązka. Aby nadać tej rurce położenie pionowe wewnątrz cieczy, na dolnym końcu znajduje się kulka, wypełniona rtęcią, która obniża środek ciężkości i tem zapewnia równowagę stałą. W wodzie destylowanej przy temperaturze +4 ͦ C areometr pogrąża się do punktu A, w którym stawia się zero (na skali). W roztworze soli kuchennej w wodzie (15 części soli i 85 wody) przyrząd zanurza sie do punktu B. Długość od A do B została podzieloną na 15 równych części. Areometry Beaume’go znalazły wielkie rozpowszechnienie dzięki swym zaletom w praktyce (np. w celu określenia zawartości soli i kwasów w roztworach). 

W dziedzinie magnetyzmu Coulomb zrobił w r. 1802 odkrycie, że magnesy działają w mniejszym lub większym stopniu nie tylko na stal i żelazo, lecz i na inne ciała. Zmuszając różnorodne przedmioty do ruchów wahadłowych między biegunami silnych magnesów i bez nich, Coulomb z liczby wahań przekonał się, że działaniu magnetycznemu ulegają również: bizmut, ołów, siarka, wosk, woda i inne. Teoretyczne badania tegoż uczonego w dziedzinie magnetyzmu nie straciły do dnia dzisiejszego na wartości. 

W. Herschel i H. Davy poczynili ciekawe doświadczenia w dziedzinie ciepła. Pierwszy, przesuwając termometr przez różne barwy widma słonecznego przekonał się (r. 1800), że każdej z nich odpowiada pewne podwyższenie temperatury, większe w czerwonej części widma, aniżeli w fioletowej. Przesuwając termometr za czerwoną część widma, Herschel spostrzegł znaczniejsze podwyższenie, aniżeli w innej części, co przekonywa, że słońce wysyła również promienie cieplne, nie działające na nasz zmysł wzroku. Inne, nierównie efektowniejsze od poprzedniego doświadczenie nad ciepłem promienistem wykonał Davy, spalając dyament w tlenie za pomocą promieni słońca. Kulę o pojemności 22 cali sześciennych napełniono czystym tlenem, w środku kuli umieszczono dyament; z pomocą dwóch wypukłych soczewek udało się skupić w jednym punkcie tak znaczną ilość promieni słońca, że dyament zaczął palić się (1814 rok). W szeregu badań nad ciepłem wyróżniają się jeszcze dociekania Gay-Lussac’a, dotyczące rozszerzalności gazów, które doprowadziły do wniosku, że pod wpływem ciepła gazy rozszerzają się najbardziej prawidłowo, tak, iż ich współczynniki rozszerzalności niewiele się różnią między sobą.

Prawo powyższe posłużyło za podstawę do całego szeregu badań Regnault’a, Dulonga’, Petit’a i w. in., bez których nie mogłaby się rozwinąć mechaniczna teorya ciepła. 

Nie mniej ważne rezultaty osiągnięto w nauce o świetle, dzięki pracom Malusa, Younga, Fresnela, Fraunhofera. Newton, światło, który pierwszy starał się wyjaśnić zjawiska świetlne, przypuszczał, że światło składa się z cząsteczek nadzwyczaj małych, sprężystych, wyrzucanych z niepojętą szybkością z ciał świecących; w załamywaniu się światła upatrywał działanie siły przyciągającej, wywierane na cząsteczki światła. Teorya ta (emisyjna) wyjaśniła wiele zjawisk świetlnych i napozór tak dokładnie, iż nawet tacy specyaliści jak Biot i Brewster, byli jej zwolennikami. Pojęcie eteru, jako podłoża świetlnych drgań słońca i gwiazd, przyjęte było i do różnych zjawisk optycznych stosowane jeszcze przez astronoma Huyghensa; wyprowadził on ztąd prawo odbicia światła, załamania pojedynczego, zarówno jak i podwójnego (polaryzacya). Pomimo, że teoryi Huyghensa bronił taki matematyk, jak Filier, powaga Newtona wzięła górę i hypoteza istnienia eteru, jako nie stwierdzona dostatecznie przez doświadczenie, była na razie odrzucona; ukazała się ona ponownie w pełnym blasku dopiero w drugiej połowie wieku XIX-go. 

Wykrycie faktów, których teorya Newtona nie wyjaśniała, nastąpiło w początkach XIX stulecia. w r. 1808 Malus, patrząc przez szpat islandzki na światło słoneczne, odbite od okien pałacu Luksemburskiego w Paryżu, odkrył polaryzacyę światła przez odbicie. W trzy lata później Arago dostrzegł zjawiska barwne, ustawiając płytki gipsowe na drodze światła spolaryzowanego; w roku 1813 Seebeck odkrył polaryzacyę w turmalinie i t. d. Wszystkie te zjawiska nie miałyby należytego wytłomaczenia, gdyby nie przyszła z pomocą teorya falowa, której trwale podwaliny nadal Tomasz Young.

Wykazał on, że zasada interferencyi stosuje się nie tylko do dźwięku, lecz również i do światła, dał wyjaśnienie barw cienkich płytek i powierzchni prążkowatych (np. masy perłowej), uginania się światła (dyfrakcyi); wszystkie te objawy, wymykające się z karbów teoryi emisyjnej, stają się zrozumiałe przy założeniu, iż światło jest ruchem falowym eteru. Teoretyczne uzasadnienie hypotezy Yunga przypadło w udziale Fresnelowi. Kiedy Akademia paryska ogłosiła konkurs na traktat o zjawiskach dyfrakcyi, największe .powagi ówczesne, jak Laplace, Poisson, Biot, oczekiwały obrony postulatów Newtona. Tymczasem nagrodzono najskrajniejszego stronnika teoryi falowej światła, Fresnela, tak przekonywające i logiczne były jego wywody teoretyczne, oparte na bezpośrednich doświadczeniach, dzięki czemu praca ta do dnia dzisiejszego jest uważaną za wzorową w zakresie optyki. 

Od czasu, gdy Newton, przepuściwszy snop promieni słonecznych przez pryzmat, przekonał się, że ulegają one rozszczepieniu się na barwy tęczy, widmo słoneczne zaczęło coraz bardziej zajmować uczonych. Na początku XIX stulecia przekonano się, że słońce wysyła wiele promieni niewidzialnych, które leżą przed czerwonym końcem widma i posiadają własności cieplne, zarówno jak za końcem fioletowym widma i posiadają przeważnie działanie chemiczne. W r. 1802 anglik Wollaston wykrył w widmie słonecznem ciemne prążki. W roku 1815 Fraunhofer, nie wiedząc o spostrzeżeniu Wollastona, nie tylko dostrzegł w widmie słonecznem powyższe prążki, lecz zbadał je dokładnie, określając ich stale położenie za pomocą liter, któremi posiłkują się i teraz. Ciemne prążki zostały nazwane liniami Fraunhofera; liczba ich wynosić miała jak mniemano w r. 1815, zaledwie 570, obecnie rachują ich na dziesiątki tysięcy. Późniejsi badacze (Bunsen, Kirchhoff) na zasadzie tych linii zaczęli określać chemiczny skład ciał niebieskich (słońca, gwiazd, komet), co posunęło znacznie nasze wiadomości o niebie. 

Oprócz tego, Fraunhofer położył zasługi w dziedzinie optyki praktycznej. Osierocony w czternastym roku życia, terminował w Monachium u fabrykanta zwierciadeł i szlifierza szkła; niebawem zaczął pracować na własną rękę, a jego szkła optyczne, uznane za najlepsze, pozyskały mu miejsce optyka w instytucie matematyczno-mechanicznym. W szczególności astronomia zawdzięcza Fraunhoferowi udoskonalenie lunet achromatycznych, t. j. usuwających zabarwienia tęczowe obserwowanego przedmiotu. Soczewki achromatyczne Fraunhofera zapowiadały nową erę w budowie szkieł optycznych, gdyż szkła o średnicy 24 cm. były dotychczas nowością i pozwalały na wyrugowanie teleskopów zwierciadlanych Ilerschla, które nie były dogodne w użyciu z powodu nadzwyczajnej wielkości i trudności mechanicznych w budowie. 

Z innych narzędzi, obmyślanych przez Fraunhofera, wspomnieć należyo heliometrze, służącym do ścisłego mierzenia drobnych na niebie odległości (np. średnicy słońca, planet), zarówno jak i do innych ścisłych badań, jak np. obserwacyi zaćmień, przejścia W enery przed tarczą słońca i t. p. W celu udoskonalenia soczewek Fraunhofer sporządził maszynę do szlifowania i polerowania szkła, tudzież wynalazł nowy sposób przygotowywania szkła (fłintglasuj niemal zupełnie jednorodnego w całej masie i przez to jednakowo przełamującego; promienie światła. Teraz dopiero można było przystąpić do budowania wielkich teleskopów, – słusznie więc umieszczono na nagrobku Fraunhofera napis, iż zbliżył ku nam ciała niebieskie. 

Wyniki prac naukowych, dokonanych w ciągu pierwszych kilkunastu lat XIX stulecia, polegały przeważnie na dokładności pomiary miarów, zatem ich wartość o tyle tylko mogła być trwałą, o ile jednostki miar zasadniczych były dokładne. W wieku XVIII brak jednostajnych miar dotkliwie się czuć dawał badaczom i coraz częściej dawały się słyszeć głosy o potrzebie wprowadzenia miar nowych, ujednostajnionych, przyjętych ogólnie, któreby ułatwiały wyliczania naukowe. Oto co w kwesty! tej pisał pod koniec wieku XVIII znakomity Laplace: Ktokolwiek zastanawia się nad olbrzymi;}, liczbą miar, używanych nie tylko u różnych Indów, lecz nawet u jednego narodu, nad ich podziałami dziwacznemi i do rachunku niedogodnemi, nad trudnością poznania ich i porównania, ten zgodzie się musi na to, że jedną z największych usług, jakąby rządy oddać mogły społeczeństwu, byłoby przyjęcie układu miar, których podziały nadawałyby się najłatwiej do rachunku i któreby w sposób jaknajmniej dowolny wyprowadzały się z miary zasadniczej, przez samą przyrodę wskazanej.” 

Wszelkie pomiary, używane w fizyce, sprowadzają się do trzech zasadniczych: długości, masy i czasu; najłatwiej stosunkowo ustanowić jednostkę czasu (sekunda), jako kontrolowaną ze spostrzeżeń astronomicznych. Pozostał więc wybór jednostki długości i masy. Akademia nauk w Paryżu przystąpiła do wyznaczenia tych jednostek przy współudziale takich powag naukowych, jak Borda, Lagrange, Laplace, Monge, Condorcet, którzy orzekli, że w celu utworzenia miary, wziętej z przyrody samej, najodpowiedniejszą rzeczą byłoby zmierzenie części południka ziemskiego. Przy współudziale najlepszych specyalistów ówczesnych dokonano pomiarów południka paryskiego między Dunkierką a Barceloną, a odnośne wyliczenia wykazały, że ćwiartka pułudnika ziemskiego zawiera 5.130.740 dawnych sążni paryskich (toazów). Rezultat ten przedstawiono ciału prawodawczemu, które wd. 22-im czerwca 1799 roku postanowiło przyjąć za zasadniczą jednostkę miar długości dziesiociomilionową część ćwiartki południka paryskiego, którą nazwano metrem. Tym sposem 1 metr = 0,513074 toazów. Za jednostkę masy przyjęto gram, czyli masę wody destylowanej przy temperaturze największej gęstości (+4 °C) w objętości jednego centrymetra sześciennego. 

Gdyby metr i gram mogły być określone z pomiarów ziemi tak łatwo i dokładnie, jak jednostka czasu (sekunda) ze spostrzeżeń nad biegiem pozornym gwiazd, nie byłoby uzasadnionej potrzeby wykonania prototypów metra lub kilograma i przechowywania ich w miejscu bezpiecznem. Tymczasem wykonanie tych prototypów jest niezmiernie trudne i pomimo wszelkich starań nie udało się odlać metra żądanej wielkości; długość jego otrzymano nieco mniejszą, a masę 1 kilograma odlano większą, niż powinna być masa wody w objętości jednego decymetra sześciennego. Ażeby nadać prototypowi metra pożądaną trwałość, zrobiono go z platyny z przymieszką irydium (10%), a przecięcie poprzeczne posiada kształt, zbliżony do litery X, wpisanej do kwadratu, którego wysokość wynosi 20 milimetrów (2 centymetry). Na metrze tym znajduje się napis: „A tous les temps, a tous les peuples” (Po wsze czasy, dla wszystkich naródów). 

Wyższość miar metrycznych nad poprzedniemi polega na tem, że: 1) metr jest jednostką, wziętą z przyrody i gdyby nawet pierwowzór zaginął, możnaby oznaczyć jego wielkość, zmierzywszy ponownie południk; 2) przejście od miar wyższych do niższych i odwrotnie polega na systemie dziesiętnym, jest zatem niezmiernie łatwe; 3) istnieje ścisła zależność pomiędzy jednostką wagi a objętości (1 kilogram = wadze wody w objętości jednego decymetra sześciennego), czego niema w żadnym z systemów poprzednich. 

W Polsce oprócz miar prawem przepisanych używano innych w różnych prowincyach kraju. Tak np. prócz miar koronnych używano jeszcze litewskich, chełmińskich, pruskich, wiedeńskich. Zmiany polityczne, przeistaczając koronne miary i wagi, stały się przyczyną takiego zamieszania, że tylko przez wprowadzenie nowych jednostek można było zapobiedz zupełnemu nieładowi. Pod przewodnictwem Staszica, Towarzystwo Przyjaciół nauk przyjęło na siebie nader ważną i trudną pracę oznaczenia nowych miar i wag dla Polski (1816 r.), wybrawszy prezesem deputacyi hr. Aleksandra Chodkiewicza; członkami jej byli profesorowie uniwersytetu warszawskiego. Według postanowienia księcia Zajączka z dnia 13-go czerwca 1818 r. przyjęto nowy system miar i wag, zwany nowopolskim. który był wzorowany na systemie metrycznym, a jednocześnie zwrócono uwagę i na to, aby nowo zaprowadzone miary niewiele różniły się od dawniejszych. Łokieć podzielono na 24 cali, cal na 12 linii, linię na 2 milimetry (ściśle). Kwarta polska była równa 1 litrowi francuskiemu, a granik – 8 miligramom (1 łut = 12672 miligramom). Miary i wagi nowopolskie były używane do r. 1849.