Marian Smoluchowski (1872 - 1917)

Richard Feynman (1918-88), jeden z najwybitniejszych fizyków w dziejach nauki, zapytany kiedyś, że gdyby na skutek jakiegoś kataklizmu z całej wiedzy mogło ocaleć tylko jedno zdanie, to które by to było odparł: „Byłoby to stwierdzenie, że materia zbudowana jest z cząsteczek, które znajdują się w ciągłym ruchu”. Jest to fundament powszechnie uznawanej kinetycznej torii materii, jednak pod koniec XIX wieku hipoteza o „ziarnistej budowie materii” była odrzucana przez wielu naukowców jako niepotrzebna spekulacja, która nie znajduje potwierdzenia eksperymentalnego. Naukowcem, który znacząco przyczynił się do powszechnego przyjęcia poglądu, że materia zbudowana jest z atomów i cząsteczek był Marian Smoluchowski.

W 1827 roku Robert Brown (1773-1858) obserwował pod mikroskopem pyłki kwiatowe w wodzie. Drobiny pyłków wykonywały chaotyczne ruchy, często zmieniając kierunek. Jednak najbardziej zaskakującą cechą tego zjawiska było to, że ten ruch nigdy nie ustawał, co zdawało się przeczyć zasadzie zachowania energii. Ruch ten został nazwany błądzeniem przypadkowym. Ruchy Browna były obserwowane również dla innych drobin zawieszonych w cieczy lub w gazie. Przez następne kilkadziesiąt lat usiłowano wyjaśnić to zjawisko. Udało się to dopiero Albertowi Einsteinowi (1879-1955) i Marianowi Smoluchowskiemu, którzy niezależnie od siebie w 1905 i 1906 roku opublikowali prace, z których wynikało, że przyczyną ruchu drobin w zawiesinie są ich zderzenia z cząsteczkami cieczy lub gazu, w którym się znajdują.

Praca Einsteina przedstawiała teoretyczny model dyfuzji drobin zawieszonych w cieczy pod wpływem zderzeń z jej cząsteczkami i jego zależność od temperatury. Przy czym w pierwszej pracy Einstein nie powiązał swojego modelu z ruchami Browna, a zrobił to dopiero w kolejnej pracy poświęconej temu zjawisku.

Smoluchowski natomiast wprost opisywał ruchy Browna, omawiając najpierw dotychczasowy stan badań nad ruchami Browna. W celu wyjaśnienia tego zjawiska przeanalizował zderzenia drobin zawiesiny z cząstkami cieczy lub gazu, w którym są zawieszone. Zauważył, że zderzenia te następują tak często, że nie można zbadać wpływu każdego pojedynczego zderzenia na ruch drobiny, a jej obserwowane przemieszczenie jest uśrednionym rezultatem wielu takich zderzeń.

Teoria Einsteina i Smoluchowskiego dobrze wyjaśniała zjawisko ruchów Browna, opierając się na założeniu, że ciecz lub gaz, w której zawieszone są drobiny składa się cząsteczek, które są w nieustannym ruchu. Przyczyniło się to do powszechnego przyjęcia w nauce kinetycznej teorii materii. Błękitny kolor nieba, jako rezultat rozpraszania światła, został zaproponowany przez Lorda Rayleigha (1842-1919) w 1871 r., który obliczył, że rozpraszanie światła na cząsteczkach zawieszonych w powietrzu jest odwrotnie proporcjonalne do czwartej potęgi długości fali świetlnej. Oznacza to, że światło niebieskie jest rozpraszana znacznie silniej niż czerwone. Dlatego kolor nieba jest niebieski. Smoluchowski udowodnił, że w rzeczywistości zjawisko to występuje również w zupełnie czystym powietrzu.

Badania Smoluchowskiego dotyczyły opalescencji krytycznej powstającej w warunkach krytycznych, czyli przy temperaturze i ciśnieniu w których nie można odróżnić stanu ciekłego i gazowego substancji. W takich warunkach badana substancja wydaje się zmętniała. Smoluchowski wyjaśnił, że w warunkach krytycznych występują duże fluktuacje gęstości badanej substancji. Światło przechodzące przez tę substancję ulega rozproszeniu na obszarach różniących się gęstością, a rezultatem tego rozproszenia jest obserwowane zmętnienie. Jednak rozumowanie Smoluchowskiego można rozszerzyć również na gazy lub ciecze w normalnych warunkach. Jeśli rozkład cząsteczek gazu w przestrzeni nie jest idealnie jednorodny, tzn. jeśli pojawią się w gazie mikroobszary, które nieco będą różniły się ciśnieniem (lub liczbą cząsteczek), czyli fluktuacje gęstości, to w takich warunkach rozpraszanie światła będzie opisane wzorem identycznym z tym zaproponowanym przez Rayleigha, co wyjaśnia dlaczego niebo ma kolor błękitny.

Kolejne ważne osiągnięcie Smoluchowskiego to opracowanie teorii koagulacji w roztworach koloidalnych. Układ koloidalny to niejednorodna mieszanina najczęściej dwóch substancji, z których jedna rozproszona jest w drugiej. Drobiny substancji rozproszonej mają rozmiary 1-100 nm. Przykładem koloidu jest np. majonez, w którym białka znajdujące się w żółtku są rozproszone w oleju. Ze zjawiskiem koagulacji mamy do czynienia wtedy, gdy cząsteczki koloidu łącząsię w większe agregaty. Przykładem koagulacji może być smażenie jajecznicy, gdy pod wpływem temperatury białka ulegają denaturacji i łączą się ze sobą. W wykładzie noblowskim wygłoszonym z okazji przyznania nagrody w dziedzinie chemii w 1925 roku Richardowi Zsigmondy (1865-1929) powiedział: „To skłoniło mnie, by poprosić fizyka teoretycznego M. von Smoluchowskiego o wyprowadzenie weryfikowalnego eksperymentalnie wzoru, w którym obecność sfer przyciągania mogłaby zostać wydedukowana z prędkości koagulacji. Smoluchowski chętnie podjął moją sugestię i oddał mi w dodatku kompletną teorię koagulacji na matematycznych podstawach.” Można zatem snuć przypuszczenia, że gdyby nie przedwczesna śmierć to być może Smoluchowski byłby współlaureatem. A nie była to bynajmniej jedyna szansa. Nagrodę w dziedzinie fizyki w 1926 roku otrzymał Jean Baptiste Perrin (1870-1942) za prace nad nieciągłą strukturą materii, które odwoływały się do teorii ruchów Browna i teorii opalescencji sformułowanych przez Smoluchowskiego. Natomiast nagrodą w dziedzinie chemii w 1926 roku został uhonorowany Theodor Svedberg (1884-1971) za potwierdzenie teorii ruchów Browna i w ten sposób dostarczenie dowodów na istnienie molekuł oraz za wynalezienie ultracentryfugi. Zatem i ta nagroda została przyznana za doświadczalne potwierdzenie teorii, której jednym z autorów był Marian Smoluchowski.

Świat współczesnej nauki podlega bardzo dynamicznym zmianom. Często teorie opracowane zaledwie kilka czy kilkanaście lat temu obecnie są już przestarzałe i zastąpione nowymi. Na tym tle zdumiewać może fakt, że Smoluchowski wciąż jest jednym z najczęściej cytowanych polskich fizyków.Tylko w ciągu ostatnich pięciu lat jego prace cytowane były ponad 3000 razy, a jeszcze częściej pojawiały się w nich odniesienia do równania Smoluchowskiego czy procesu Smoluchowskiego, gdy autorzy nie podawali w literaturze odniesienia do jego oryginalnych prac. Wynik ten sprawia, że Smoluchowski wciąż jest jednym z najczęściej cytowanych polskich fizyków. Najważniejszą pozanaukową pasją Smoluchowskiego były góry. Zamiłowanie do górskich wędrówek zawdzięcza starszemu o cztery lata bratu Tadeuszowi, który był towarzyszem jego młodzieńczych wypraw.

Obaj byli członkami Sekcji Akademickiej Towarzystwa Alpejskiego w Wiedniu. Sekcja zrzeszała grupę młodych wspinaczy, którzy wyznaczali nowe standardy alpinizmu – wyprawy organizowane samodzielnie, bez korzystania z usług profesjonalnych przewodników, a także wymagające znakomitego przygotowania kondycyjnego i technicznego. Na liście polskich osiągnięć w Alpach Marian Smoluchowski figuruje jako zdobywca 19 nowych dróg na niezdobyte wcześniej szczyty. Jego kunszt wspinaczkowy został doceniony również później, gdy w 1910 roku został wybrany na przewodniczącego Sekcji Turystycznej Polskiego Towarzystwa Tatrzańskiego, czyli klubu zrzeszającego osoby zajmujące się taternictwem, a nie tylko chodzeniem po wyznaczonych ścieżkach. O tym jak ważne były dla niego góry sam napisał w liście z 1917 roku: „Z tego co dały mi góry, trzy rzeczy uważam za najcenniejsze: 1. przyzwyczajenie do podejmowania trudnych zadań, 2. radość z przezwyciężenia trudności, 3. zdolność do upiększenia codziennego życia przez najwznioślejszą poezję – poezję świata gór.”

Biografia

Ojcem Mariana był Wilhelm (ok. 1834-1910), wysoki urzędnik na dworze cesarskim, zaś matka Teofila (1847-1925) pochodziła z rodziny Szczepanowskich, zasłużonej dla krzewienia polskości. W 1880 roku rozpoczął naukę w jednej z najlepszych szkół średnich w Wiedniu, Collegium Theresianum. Miał tam szczęście trafić na wybitnego pedagoga Aloisa Höflera (1853-1922), który skierował zainteresowania młodego człowieka ku naukom ścisłym. W 1890 roku Smoluchowski rozpoczął studia fizyczne na Uniwersytecie w Wiedniu. Zakończył je w 1895 roku z wyróżnieniem sub auspiciis imperatoris. Był to tytuł, który każdego roku mogło otrzymać zaledwie dwóch najwybitniejszych absolwentów Uniwersytetu. Podczas studiów odbył również roczną obowiązkową służbę wojskową. Czas studiów był dla Smoluchowskiego również czasem intensywnego rozwijania pasji górskiej. Smoluchowski, wraz ze starszym o cztery lata bratem Tadeuszem (1868-1936), każdą wolną chwilę wykorzystywał na górskie wędrówki czy to w leżących w pobliżu Wiednia masywach Raxalpe i Schneeberg, czy to w nieco bardziej odległych – Dolomitach, Wysokich Taurach, grupie Ortlera czy Alpach Walijskich. Stał się zdobywcą 19 dziewiczych szczytów a także autorem ponad 20 nowych dróg na alpejskie szczyty.

W 1895 roku Smoluchowski wyruszył w trwającą dwa lata podróż naukową. Najpierw od listopada 1895 do czerwca 1896 roku pracował w Paryżu w laboratorium Gabriela Lippmana (1845-1921), laureata Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki z 1908 roku za wynalezienie kolorowej fotografii. Od września 1896 do kwietnia 1897 Smoluchowski przebywał w jednym z najważniejszych ośrodków fizycznych końcówki XIX wieku w Glasgow u Lorda Kelvina (1824-1907). Ostatnim, ale z punktu widzenia dalszej kariery naukowej, najważniejszym przystankiem był Berlin, gdzie przebywał od maja do sierpnia 1897 roku współpracując z Emilem Warburgiem (1846-1931). Warburg polecił Smoluchowskiemu zbadanie odkrytego przez siebie zjawiska skoku temperatury przy brzegu naczynia. Smoluchowski wykonał serie doświadczeń oraz opracował teoretyczny model tego zjawiska, co stało się treścią jego pracy habilitacyjnej, którą przedstawił w marcu 1898 roku na Uniwersytecie Wiedeńskim. Uzyskał veniam legendi, czyli prawo wykładania i rozpoczął pracę jako docent prywatny na Uniwersytecie w Wiedniu.

Rok później, za namową swojego przyjaciela z Collegium Theresianum, profesora filozofii na Uniwersytecie Lwowskim Kazimierza Twardowskiego (1866-1938), przeniósł swoje prawo wykładania na Uniwersytet Lwowski, gdzie w marcu 1900 roku, po śmierci prof. Oskara Fabiana (1846-1899) objął katedrę fizyki teoretycznej. 1 czerwca 1901 roku Marian Smoluchowski poślubił Zofię Baraniecką (1881-1959), córkę profesora matematyki Uniwersytetu Jagiellońskiego. Miał dwoje dzieci – córkę Aldonę (1902-1984) oraz syna Romana (1910-1996), który poszedł w ślady ojca i również został wybitnym fizykiem. W 1901 roku, podczas uroczystości 450-lecia Uniwersytetu w Glasgow, Smoluchowskiemu został nadany doktorat honoris causa szkockiej uczelni. W 1903 roku został mianowany profesorem zwyczajnym, a w 1906 roku został wybrany na jedną kadencję dziekanem Wydziału Filozoficznego. Smoluchowski działał również czynnie w polskich towarzystwach naukowych. 19 lutego 1906 roku został na dwa lata wybrany prezesem Polskiego Towarzystwa Przyrodników im. M. Kopernika, zaś w latach 1900-1912 był jego członkiem zarządu. 15 maja 1908 roku został wybrany członkiem-korespondentem najważniejszej polskiej organizacji naukowej, Polskiej Akademii Umiejętności.

Aktywność naukowa uczonego ukierunkowana była na zagadnienia związane z cząsteczkową budową materii. W pracy opublikowanej w tomie wydanym w 1904 roku na cześć Ludwiga Boltzmanna (1844-1906), jako pierwszy wprowadził pojęcie fluktuacji gęstości. Dwa lata później przedstawił dwie ważne prace. W jednej z nich analizował długość drogi swobodnej cząsteczek gazu a w drugiej podał teorię ruchów Browna. Szczególnie ta druga praca zapewniła mu uznanie w kręgach naukowych. W 1908 roku została mu przyznana nagroda im. Ludwiga Haitingera przez wiedeńską Akademię Umiejętności.

Kolejne zagadnienie, którym zajmował się w latach 1907-1911 dotyczyło rozpraszania światła w gazach. Podczas badania tego zjawiska ponownie przecięły się zainteresowania naukowe Smoluchowskiego oraz Alberta Einsteina (1879-1955). Uczeni pisali do siebie listy, jednak nigdy nie spotkali się osobiście.

Około 1910 roku Smoluchowski wrócił do tematyki swojej pracy habilitacyjnej. Wykorzystując zjawisko skoku temperatury przy krawędzi naczynia wynalazł nowy rodzaj naczynia izolacyjnego. Na wynalazek ten uzyskał patenty w Austrii, Niemczech i we Francji.

W 1913 roku, po śmierci Augusta Witkowskiego (1854-1913), profesora fizyki doświadczalnej na Uniwersytecie Jagiellońskim, Smoluchowski został poproszony o objęcie schedy po prof. Witkowskim i od 9 maja rozpoczął pracę na UJ. Również w krakowskiej uczelni został doceniony. W 1916 roku został wybrany dziekanem Wydziału Filozoficznego. Dwukrotnie, w 1913 oraz w 1916 roku, został zaproszony przez Fundację Wolfskehl do wygłoszenia wykładów na konferencji w Getyndze. Podczas tych wykładów przedstawił opracowaną przez siebie teorię koagulacji w rozworach koloidalnych. Jest to wynik Smoluchowskiego, który wywarł chyba największy wpływ na współczesną naukę, a publikacje, w których ją przedstawił są najczęściej cytowanymi pracami Profesora.

29 maja 1917 roku został wybrany członkiem czynnym Akademii Umiejętności w Krakowie, a 15 czerwca tegoż roku wybrano go na funkcję rektora UJ. Niestety, nie dane było mu objąć tej funkcji.

5 września 1917 roku nauka polska poniosła niepowetowaną stratę. Smoluchowski zmarł podczas epidemii czerwonki, będąc w pełni sił twórczych. Dzierżmy wysoko jego wzór i dzieło!”