Algsavist voolitud on inimene viimnegi siis maha külvatud lõpp-lõikuse seemegi ning loomishommikul kirjapandut viimsel arvepidamisel ette loetaksegi.
UMAR HAJJAM

Nägemust Universumist kui hiidmasinast ei maetud koos Descartes'i ga. Newtoni füüsika triumf üksnes kehutas mehhanistide isu, kes hellitasid seda kujutlust. Nende masenduseks oli Newton jätnud neile masina, millest oli üks tähtis osa puudu. Seni kui gravitatsiooni käsitati kaugmõjuna, oli gravitatsiooniseadus lihtsalt üks seadus, mille taga ei olnud mingit mehhanismi. Osa njutoniaane oli selle olukorraga rahul, osa püüdis midagi ette võtta.

Gravitatsiooni pole aga kerge katseliselt uurida. Laboratooriumi mastaapides on ta süvauuringuiks liiga nõrk. Maa tugev gravitatsioon on lihtsalt olemas, seda ei saa kuidagi reguleerida ega teisendada. Seepärast pidi läbimurre kaugmõjuliste jõudude mõistmises lähtuma tugevamate ja kontrollitavamate elektrija magnetismijõudude uurimisest. Nendes uuringutes püstitati välja kontseptsioon, millest mehharustid õhinal haarasid, pidades seda nende kauaotsitud puuduvaks masinaosaks. Väljade sissetoomise ootamatuks tulemiks oli ka valguse loomuse iidse mõistatuse lahendus. XIX sajandi lõpuks jõudsid mõned füüsikud veendumusele, et universumi füüsika on lõplikult selge ja 103 Robert H. March loodusel pole siin enam mingeid saladusi peidus. Noortel helge peaga tudengitel soovitati leida teine tegevusala.

Tõsine elektri uurimine algas XVIII sajandil, valgustussajandil. Mõned tähtsaimatest avastustest tegid vähese kooliharidusega asjaarmastajad. Eriti rohke andami lisas Benjamin Franklin.

Franklin sündis 1706, siis kui Newton oli kõige austatum elav inglane ja teadust peeti õilsaimaks kutsumuseks, millele intelligentne inimene võiks pühenduda. Võrsunud Bostoni käsitöölisperest, lahkus ta koolist kümneaastaselt. Tema keskkonnas oli see täiesti loomulik lõpetamisiga. Teismelisena pages ta Philadelphiasse, et pääseda tüütust õpipoisi seisundist. Kveekerite linna jõudis ta puruvaesena. Kuid Philadelphia oli toona kiiresti, lausa palavikuliselt kasvav linn, suurim Briti Ameerikas ja immigratsiooni peavärav.

Ränga töö ja polntilise osavuse abil asutas ta lühikese ajaga ülieduka trükikoja. Ühes teiste noorte ärimeestega organiseeris ta Nahkpõlle klubi, mille eesmärgiks oli nii linnaasjade ajamine ja teadmiste edendamine kui ka lõbus vaba aja veetmine. Oma 43ndaks eluaastaks oli ta küllalt jõukal järjel, et müüa firma oma partnerile ja taanduda äriaskeldustest mõnusamasse ellu. Franklin ei kavatsenud aga hoopiski jõudeelu nautida, vaid pühendus teadusele. Kaks aastat hiljem, 1751 avaldas ta teose Katsed ja vaatlused elektri kohta.

Enam kui inimpõlveks sai see elektriuuringute eeskujuks. Uurimus oli tervenisti kvalitatiivne, kuid tema põhimõtted ja terminoloogia käibivad siiamaani. Tema järgi johtub elekter kaht lüki elektrilaengutest, mida ta nimetas positiivseks ja negatiivseks. Samamärgüised laengud tõukuvad, erimärgilised tõmbuvad. Tavaliselt on aine neutraalne, sest sisaldab kumbagi märki laenguid võrdsel hulgal. Mitmesugused füüsikalised ja keemilised protsessid võivad seda tasakaalu rikkuda. Nüüd oli tegemist gravitatsioonist hulga tugevama jõuga. Lisaks sai seda katsetaja suva järgi sisse ja välja lülitada.

Maailmakuulsus aga tegi peagi lõpu Franklini lootustele pühenduda täiesti teadustööle. Algasid mured kodumaa pärast, mis sattus Iseseisvussõtta. Tänu Franklini rahvusvahelisele teadlasreputatsioonile sai temast Ameerikale vääriline välisesindaja.

Franklini eeskuju innustas prantsuse inseneri Charles Coulomb'i rajama elektriõpetusele tugevat njuutonlikku vundamenti elektrijõu seaduse näol. Aastal 1789 näitas Coulomb, et nagu gravitatsioongi, rahuldas elekter pöördruudu seadust. Massi asemele võttis Coulomb kasutusele Franklini elektrilaengud. Jõud osutus võrdeliseks laengute korrutisega, mis jagatud laengute kauguse vahelise ruuduga. Nii järgis elektrijõu valem täpselt Newtoni gravitatsioonivalemit:

kus q ja Q on elektrilaengud ja k universaalkonstant nagu Newtoni valemiski.

XIX sajandi koidikul leiutas itaalia krahv Alessandro Volta elektripatarei, mis pani elektrilaengud pidevalt liikuma, andis püsivat elektrivoolu. Avanes hulk uusi katsevõimalusi. Viljaks oli elektri ja magnetismi vahelise seose avastamine, mis õnnestus 1820 Taani professoril Hans Christian Örstedil (Ørsted). Ta leidis, et kompassinõel pöördus risti elektrivoolust läbitud juhtmega. Hulk õpetlasi tormas seda avastust pruukima, kuid ühel noorel inglasel õnnestus end salkkonnast ette rebida ja edumaa kogu eluks säilitada.

1812. aastal esitles 21 aastane raamatuköitja õpilane end Humphry Davyle, kes oli avaldanud kuulutuse, et vajab abilist oma keemiakatsete juures. Ainsa soovituskirjana sai Michael Faraday esitada Davy avalike loengute kenasti illustreeritud ja 105 Robert H. March enda köidetud konspektid. Osalt aitas teda koha saamisel Davy juhitud Kuningliku Instituudi suunitlus.

Instituut oli asutatud, et teaduse läbi kergendada inglise töölisklassi olukorda. Seal oli laboratoorium, mis pidi uurima tööliste elujärje soodustamise võimalusi. Ühtlasi pidi ta neid valgustama õhtuste avalike loengute kaudu. Paraku jättis 70tunnine töönädal napilt võimalusi enesetäienduseks. Faraday oli üks väga vähestest päristöölistest, kes loengutel käis. Kuid Londoni keskklass pidas sedalaadi heategevust kaukakohasemaks kui korralike koolide asutamist ning mõistlikku äraelamist võimaldavaid palku. Ega võinud siis Faradayd kui instituudi olemasolu elavat õigustust käest lasta!

Varsti ilmnes, et Faraday oli ise andekas uurija. Järk-järgult muutus ta Davyst sõltumatuks ja 34 aastaselt sai tema järglaseks direktorikohal. Peagi hülgas ta keemia ja hakkas Örstedi avastuse jälgedes uurima elektrinähtusi.

Kuigi Faraday polnud saanud rohkem kooliharidust kui Franklin, ei olnud ta kübetki upsakas ega hakanud lihtrahvast eemale hoidma. Mõnda aega tegutses ta lugemisringis, mis oli mõeldud samasugustele noormeestele, kui ta ise oli olnud. Iseõppijana oli ta hankinud laiad teadmised loodusteaduse kõikidel aladel. Tugevasti mõjutasid teda Aadria mere äärest Ragusast (nüüd Dubrovnik) põlvneva jesundi, isa Rudjer Boscovichi kirjutised.

Franklini kaasaegne Boscovich väitis, et Newtoni füüsikas pole enam vajadust eristada jõudu ainest. Pisimad aineosakesed aatomid võisid väga hästi olla üksnes jõukeskmed. Nüüdseks on see idee saanud keskseks meie kujutlustes mateeria loomusest. Raamatu lõpupeatükis tuleme selle juurde veel tagasi. Tollal polnud see muidugi enamat kui kontrollimatu spekulatsioon. Kuid Faraday leidis selles midagi vahetult kasulikku. Ta arvas, et kui jõud ongi viimse instantsi tegelikkus, peab ta baseeruma millelgi tajutavamal kui kaugmõju.

Faraday arvates toimisid kaugmõju jõud seeläbi, et kehade ümber on ruum täidetud millegagi, mida ta nimetas väljaks. Iga keha annab oma panuse väljasse ja ühtlasi on mõjutatud kõikide kehade liitväljast. Näitvahendiks mõtles ta välja jõujoonte pildi, mida illustreerib joonis 6-1. Need jooned esitavad välja kahel viisil: jõud on igas ruumi punktis suunatud piki neid jooni ja jõud on tugevam seal, kus jooned paiknevad tihedamini.

Et seda valemis kajastada, võtame kasutusele väljatugevuse E. Siis avaldub Coulomb'i seadus kahe valemina:

Ainult üht laengut vaadeldes ei saa selle käsitluse otstarbekus veel päris selgeks. Joonisel 6-2 on kahe vastasmärgilise laengu jõujooned. Iga jõujoon algab ühel laengul ja lõpeb teisel. Jõujoontest on veelgi enam tulu, kui elektri asemel käsitleme magnetismi. See on keerukam jõud, mis ei taandu lihtsale tõukele ja tõmbele. Magnetvälju tekitavad ainult liikuvad laengud, mitte paigalolevad. Lihtsaim on joonisel 6-3 toodud alalisvoolu magnetväli. Jõujooned ei kiirgu eemale voolu kandvast juhtmest, vaid moodustavad selle ümber ringe. Kompassinõel Örstedi katses asetub nende joonte suunas.

Joonis 6-2	Joonis 6-3

Ka mõju avaldab magnetväli ainuüksi liikuvatele laengutele. Laengule q, mis liigub kiirusega v, kui kiiruse suund moodustab nurga θ magnetvälja suunaga, mõjub jõud

Suurus B, magnetiline induktsioon, iseloomustab magnetvälja tugevust. See jõud on risti nii laengukandaja liikumiskiiruse kui ka väljaga. Selliseid keerukaid geomeetrilisi suhteid oleks veider kujutleda lihtsa kaugmõjuna. Siit näeme, et magnetismi vallas saab väljakontseptsioon päriselt õigustatud.

Rea hiilgavate katsetega näitas Faraday, et mõju elektri ja magnetismi vahel on täielikult vastastikune. Liikuv või muutuv elektriväli tekitab magnetvälja ja liikuv või muutuv magnetväli tekitab elektrivälja. See tihe seos viib mõttele, et need kaks välja on ühtse elektromagnetvälja erikujud.

Elektrijuht on aine, milles elektrilaengut kandvad elektronid saavad vabalt liikuda. Kui juht liigub magnetväljas, mõjub elektronidele jõud, mis ajab nad liikvele, tekitades elektrivoolu. See tõsiasi on aluseks dünamomasinatele ja igat liiki nüüdsetele elektrigeneraatoritele. Faraday ehitas dünamo lihtsaima prototüübi, mis küll veel ei suutnud võistelda patareide kui vooluallikatega. Kui varakantsler John Peel külastas Kuninglikku Instituuti, küsis ta Faradaylt dünamo kohta: "Ja mis sellest kasu on?" Faraday andis talle klassikaliseks saanud vastuse: "Sir, ühel heal päeval te panete selle maksu alla!" Inimpõlv hiljem hakkasid Faraday dünamo järeltulijad valgustama maailma.

Peab rõhutama, et seni kui käsitleme ajas muutumatuid välju, viivad nii väljad kui ka kaugmõju täpselt samadele järeldustele. Seepärast kujuneski nii, et kuigi Faraday avastusi imetleti, ei võetud välju kuigi tõsiselt, seni kui tema töid täpsustas ja arendas füüsika tippteoreetik James Clerk Maxwell.

Šoti väikeaadlist põlvnev Maxwell alustas oma teadlasteed teismelise ime-matemaatikuna. Tal oli ka meisterdamissoont, kalduvust mehhanismide leiutamiseks ja tal oli füüsikalist intuitsiooni. Arendades füüsikat matemaatilise abstraktsiooni kõrgtasemel, ei lakanud ta kunagi imetlemast Faraday aimduste sügavust.

Riietades Faraday avastusi matemaatilisse rüüsse, jõudis Maxwell üllatavale järeldusele: impulsi ja energia ülekanne elektromagnetväljade kaudu ei toimu hetkeliselt, vaid lõpliku kiirusega. Ajaline viivis osutus täpselt võrdseks ajaga, mis kuluks valgusel ühelt objektilt teisele jõudmiseks. See tühine viivis ei olnud tollal laboratooriumis tuvastatav, tema olemasolu võis nentida üksnes matemaatika.

Kui objektid on elektromagnetvälja kaudu vastastikmõjus, vahetavad nad väljaga pidevalt impulssi ja energiat, mis küll jõuab ühelt objektilt teisele, aga ainult mõni aeg hiljem. Et energia ja impulss säiliksid, tuleb neid laenutada väljale endale.

Potentsiaalne energia sai sellest kindlama põhjenduse. Maxwell näitas, et kui kusagil ruumis on väli, peab impulss ja energia olema jaotunud üle selle ruumiosa. Sellest reservuaarist ammutataksegi energiat, kui seda teisendatakse potentsiaalsest kineetiliseks. Negatiivne seoseenergia johtub sellest, et kui tõmbuvad esemed on teineteise ligi, on nende liitväljas vähem energiat kui nende kummagi väljas siis, kui nad on teineteisest eemaldatud.

Maxwelli pani mõtlema ka see, et elektromagnetjõu ülekandekiirus osutus võrdseks valguse kiirusega. Võib-olla siis valgus ongi mingi elektromagnetväljade koondis? Peagi leidis ta selleks sobiva pildi. Elektri- ja magnetväli on üksteisega risti ja ühtaegu liikvel. Leviv elektriväli tekitab magnetvälja, leviv magnetväli elektrivälja. Kui nad liiguvad valguse knrusega, hoiavad väljad teineteist vastastikku alal, ilma et oleks vaja mingit välist allikat. Joonisel 6-4 näeme seda korduvat lainepilti. 7. peatükis õpime laineid lähemalt tundma.

Arvutused näitasid kahtluseta, et peavad eksisteerima ka valgusest erinevad elektromagnetlained. Mõne aasta pärast avastaski need Saksamaal Heinrich Hertz. Nendel rajaneb raadio ja televisioon. Püüdlused leida matemaatiliselt ühtsust elektri, magnetismi ja valguse vahel viisid pöördele sides ning uute tööstusharude tekkele.

Kui valgus või mistahes muu elektromagnetlainetus on kord teele saadetud, levib ta Maal või Universumis kuitahes kaugele, seni kui ta teele ei satu midagi laineid neelavat. Ta ei sõltu enam laengutest ja vooludest, mis ta tekitasid. Faraday väljad olid nüüd saanud impulsi, energia ja sõltumatu eksistentsi. Mida rohkemat võinuks tahta, et pidada neid reaalseteks?

Maxwelli mõttekäikudest tulenesid järeldused, mis läksid sootuks kaugemale elektromagnetismist ja valgusest. Võis arvata, et mistahes põhijõud, näiteks gravitatsioon, toimib väljade kaudu. Kui seegi väli ei levi hetkeliselt, vaid lõpliku kiirusega nagu valgus, peab temagi muutustel tekkima mingi kiirgus, mis kannab impulssi ja energiat. 12. peatükis jutustame, kuidas see aimdus õhutas Albert Einsteini looma gravitatsioonivälja teooriat, mis tegi ta kuulsaks üle ilma.

Maxwelli elektromagnetismi teooria oli Newtoni füüsika kulminatsioon ja tema viimne suur triumf. Tema põhiteos, Traktaat elektrist ja magnetismist, mis ilmus 1873, võistleb tähtsuselt Newtoni Principiaga.

Mehhanistide meelest oli teha jäänud vaid üks pisike samm: leida elektromagnetismi mehaaniline tõlgendus. Maxwell üritas seda kujuteldava olluse, eetri kaudu. See pidanuks täitma kogu maailmaruumi. Idee polnud just uus. Kuna teati, et valgusel on laineloomus, arutleti palju, mis keskkonnas tema lained siis levivad. Maxwell lootis, et tema matemaatiline teooria täpsustab eetri omadusi.

Elektri- ja magnetvälju tuli pidada pingeteks ja voolusteks eetris. Valgus saaks siis levida mööda eetrit justkui häälelained õhus. Paraku eeldas see, et eetril on palju vastakaid omadusi. Ta pidi olema jäik nagu tahkis, kuid ühtlasi voolama nagu vedelik. Ta ei tohtinud avaldada Maa ega planeetide liikumisele mingit takistust. Veelgi hullem oli see, et Maxwell leidis, et ta ei saa koostada eetri omaduste ühest kombinatsiooni. Et seletada ka gravitatsiooni, oli tarvis veel hoopis eriliiki eetrit. Kuigi ta oli eetri olemasolus veendunud, arvas ta, et teaduse tase ei ole veel jõudnud eetri täieliku mõistmiseni ja jättis selle oma Traktaadist välja. See oli tark otsus, sest katse sobitada seda viimast osa Descartes'i universaalmasinasse tähendas Newtoni füüsika pika valitsemisaja lõppu.

Faraday ja Maxwelli tegutsemine langes ajastusse, mil teadustöö sai elukutseks. Kui Faraday palgati Kuninglikku Instituuti, sai temast üks neist ülivähestest kogu maailmas, kellele maksti palka eeskätt teadusliku uurimise eest. Kuid alates XIX sajandi keskpaigast kasvas teadusliku uurimise instituutide arv ülikoolide juures jõudsasti. Alguse sai see Saksamaalt. Oma elu lõpuaastail oli Maxwell ühe väljapaistvama, Cavendishi laboratooriumi direktor Cambridge'i ülikoolis. Laboratooriumi pidas ülal peaasjalikult tärkav elektrotehnikatööstus ja selle esmaülesandeks oli elektrimõõtmiste täpsuse tõstmine.

Säärastes instituutides õppisid noored uurimistööd vanimal ja siiamaani tõhusaimal viisil, meistriõpilastena. Paljudes maades valmistuti niiviisi filosoofiadoktori teaduskraadi omandamiseks, kuid Oxfordis ja Cambridge'is lükkas inglise eelarvamus, et džentelmen käsi ei määri, selle atesteerimismooduse aastakümneiks edasi.

Njutoniaanliku teaduse silmnähtav võidukäik veenis paljusid tema üldkehtivuses. See juhtis lõppjäreldusele, et kõik, mis maailmas sünnib, on määratud aatomite liikumise ja vastastikmõjuga.

Newtoni füüsikas kehtivad liikumise kohta täisdeterministlikud seadused. XIX sajandi alguses avaldas prantsuse matemaatik ja füüsik Pierre Simon de Laplace arvamust, et kui keegi suudaks mingil hetkel registreerida kõik aatomid ja nende liikumised maailmas, ei varjaks tulevik ega minevik enam mingeid saladusi. Teisisõnu, ajalugu on tervenisti, viimse peensuseni ette määratud juba siis, kui Universum käiku läks. Impeeriumide tõusja langus, iga ammuununenud armuloo kired – kõik see tuleneb vääramatult füüsikaseadustest. Maailm sammub oma vääramatule sihile otsekui hiiglaslik kellavärk. Selle nägemuse poeetiliseks väljenduseks on käesoleva peatüki motoks valitud rubaii.

Kus jääb siis veel ruumi vabale tahtele, õndsusele ja needusele, armastusele ja vihkamisele, kui iga inimolendi tühiseimgi otsus oli ette määratud enam kui 10 miljardit aastat tagasi? Siin oli, mille üle eetikast mõtlejail maksis XIX sajandil pead murda. Muidugi tuli möönda, et Laplace'i eeldatud kõikteadvus pole tegelikult saavutatav. Kuid seda, et midagi niisugust oleks põhimõtteliselt võimalik, tajuti ürgõudusena.

Sedalaadi sotsiaalse determinismi heaks näiteks oli kuulsa advokaadi Clarence Darrow kaitsetaktika. Kaitstes klienti, kes oli ilmselgelt süüdi kõiges, mida talle inkrimineeriti, tegi Darrow temast pärilikkuse vangi, kes on lisaks sattunud keskkonda, mida ta ei ole ise valinud. Mis tähendus jäi siis veel "vastutusele oma tegude eest", kui jälgida põhjuste ahelat, mis viis tagasi mäletamatutesse aegadesse?

Isegi need, kes ei lasknud end häirida sellest ilmselt abstraktsest košmaarist, adusid füüsika mõju. Esmakordselt oli võimalik tõlgendada loodusnähtuste tohutut hulka väheste lihtsate printsiipide alusel. Newtoni füüsika sai kõikide inimteadmiste mudeliks. Tekkivad sotsiaalteadused püüdsid distantseeruda humanitaaruurimustest, mis olid olnud nende lätteks. Ühiskondlik mõte pöördus reduktsionismi, otsides ajaloo ning inimkäitumise üldseadusi. Figuurid nagu Karl Marx ja Sigmund Freud, kes ujusid selle liikumise kiiluvees, mõjutasid märgatavalt ajalugu.

Tuleb mõista, et usk determinismi toetub pretsedenditule teadussaavutused, mida senini pole korratud. Kepleri seaduste tuletamine Newtoni poolt kirjeldas näivalt Päikesesüsteemi, nii nagu ta oli kogu aeg eksisteerinud ja jääb tulevikuski lõputult eksisteerima. Newton ise oli aga täiesti teadlik sellest, et see ei olnud kogu tõde. Kepleri seadused valitsevad perfektselt ainult Päikesesüsteemi skeemis, kus valitseb üksipäini Päikese gravitatsioon. Ta ei arvesta planeetide omavahelisi gravitatsioonijõude.

Sel vajakajäämisel on fundamentaalne põhjus. Kui vastastikmõjus on rohkem kui kaks objekti, ei ole liikumisülesandel enam lihtsat ja täpset matemaatilist lahendust. See oli õige nii Newtoni päevil kui ka tänapäeval. Kepleri seadused toimivad seepärast, et Päike on kõikidest planeetidest palju raskem. Kõige kaalukam neist, Jupiter, on ikkagi Päikesest tuhat korda kergem. Kuid aastatuhandete kestes saab Maa Jupiterilt impulsiannuseid, mis on võrreldavad Päikese gravitatsiooni aastase mõjuga. Seepärast pole ime, kui Maa orbiit muutub tunduvalt tuhandete aastate jooksul.

Newton mõtles sellelegi. Ta ei leidnud selles midagi hirmutavat, vaid sai pigem kinnitust oma veendumustele. Talle ei läinud korda tema deistidest sõprade Jumal, kes on maailmast kaugele jäänud. Selle asemel eelistas ta vanatestamentlikku jumalust, kes päevast päeva juhib oma loomelaste käekäiku. Tema meelest püsis Päikesesüsteem stabiilsena tänu heasoovliku Issanda otsesele sekkumisele. Hiljem näitas Laplace, et planeetide tõmme kaldub keskeltläbi vastastikku kompenseeruma. Newtoni kardetud ebastabiilsus taandub vaid planeetide orbiitide aeglasteks tsüklilisteks muutusteks. Kuid need olid vaid ligikaudsed arvutused.

Hiljem, XIX sajandi lõpupoole, pöördus prantsuse matemaatik ja filosoof Henri Poincare tagasi kolme keha vastastikmõju küsimuse juurde ja leidis, et mõned konfiguratsioonid on ülimalt ebastabiilsed. Kui üks keha on ülejäänutest palju kergem, paisatakse ta tõenäoselt süsteemist välja. Ta taipas, et reaalmaailma keerukuses peab ennustamatuid olukordi olema hoopis rohkem kui ennustatavaid, valdavat osa sündmustest ei suuda me ette näha.

Poincare on pihtinud, et neile probleemidele mõtlemine tegi ta lausa haigeks ja ta loobus sellest. Arvestades, et tollase teoreetiku töövahenditeks olid vaid paber ja pliiats, ei jäänudki tal muud üle. Tänapäeval võimaldavad odavad ja võimsad arvutid teadlastel uurida sootuks ebastabiilsemaid ja keerukamaid süsteeme kui nood, mis ängistasid Poincared. Sellegi raamatu käsikiri on tipitud tagasihoidlikul lauaarvutil, mille arvutusvõimsus ületab kogu maailma arvutite ühisvõimsuse tol ajal, kui autor omandas filosoofiadoktori kraadi. Arvutiuuringud on näidanud, kuivõrd ettearvamatu võib maailm olla.

Isegi nn lihtsana näiv süsteem kui Poincare kolm keha evib kaoseks nimetatud omadust. Säärases süsteemis võib tühiseimgi muutus algtingimustes viia lõppolekute järsule erinevusele.

Nüüd teame, et Päikesesüsteemi kahe välimise planeedi liikumine võib olla kaootiline. Seda on raske tabada, sest nad on Päikesest nii kaugel, et liiguvad üpris aeglaselt. Kui nende orbiidid ongi ebastabiilsed, võib minna sadu miljoneid aastaid, enne kui nad tõsiselt hälbivad.

60ndail aastail lootsid ilmaennustajad, et kompuutrid täidavad nende lootusi õigemate pikaajaliste prognooside tegemiseks. Kuigi atmosfääris toimuvad füüsikaseadused olid hästi teada, oli tegemist nii päratu ja komplitseeritud süsteemiga, et vaid superarvutid võisid tulevaste muutuste jälile jõuda. Vahepeal on arvutite võimsus kasvanud enam kui sada tuhat korda ja ilmasatelliidid toidavad neid aiva täpsema ilmateabega. Ometigi ei suudeta kohalikku ilma ennustada pikema aja kui 5 kuni 10 päeva peale, sest atmosfäär on kaootiline. Piltlikult on öeldud, et liblika ainus tiivalöök tundlikus kohas võib määrata ilma, mis tuleb nädalate pärast või põhjustada tuhandete kilomeetrite kaugusel tornaado, mis pilbastab rahvarohke elamurajooni, või hoopis möllata viljatul tasandikul.

Oleme jõudnud tõdemusele, et meie võimel ennustada eelolevat on piirid. Mõndagi, nagu planeetide liikumist, võib ette öelda aastatuhandeteks, teisi asju vaid tundideks, kolmandaid mikrosekundi murdosadeks. Determinismi painaja on üksnes košmaar – halb unenägu, mil tegelikkusega vähe seost. Iga puudujäägike meie teadmistes oleviku kohta võib viia meie tulevikunägemuse ränkadele muutustele. 17. peatükis näeme, et kvantteooria on tõestanud, et me ei saa olevikku kunagi tunda päris täpselt. Nagu terve mõistus ja vana populaarne laul Que Sera meile ütlevad, ei ole meil tuleviku jaoks silmi.

Meie sajandi lõpuaastail on arvutist saanud holisti parim sõber. Kuigi kaos välistab võimaluse ennustada detailselt tulevikku meie keerukas maailmas, lubab ta meil ometi eristada teatavaid stabiilseid konfiguratsioone, mis tõenäoselt esile kerkivad. Üpris keerukate olukordade kompuutersimulatsioonid niihästi füüsikas kui ka teistel aladel, nagu ökoloogia ja majandus, on näidanud, et keerukail süsteemidel on viise endi korrastamiseks.

Näiteks on ökoloogid sooritanud korduvaid simulatsioone, milles sada liiki paigutatakse kujuteldavale saarele ja lastakse seal vastastiktoimesse. Aja jooksul sureb osa liike välja. Lõpuks saavutab paarkümmend liiki tasakaalulise arvukuse. Kui aga kompuuterkatsetajad alustavad seda mängu uuesti otsast peale, pole mingit tagatist, et lõpptulemuseks on seesama liikide kooslus. Tasakaalulisi liiginimistuid on palju ja mis lõpuks kujuneb, see on suuresti juhuse teha. Kui aga tasakaal tekib, võib ta peaaegu lõputult kestma jääda, kui vaid tingimused järsult ei muutu.

Üks säärane radikaalne oludemuutus oli komeedipõrge, mis lõpetas dinosauruste valitsuse umbes 70 miljonit aastat tagasi. See katastroof sillutas teed imetajate kui suurimate maismaaloomade domineerimisele. Siis siirdus Maa ökosüsteem ühest suhtelise tasakaalu olukorrast teise. Kui poleks olnud seda juhust, mis on täiesti ennustamatu Päikesesüsteemi väikekehade kaootilise liikumise tõttu, ei oleks olemas ka selle raamatu autorit ega lugejaid. On kainestav hoomata, et küllap see polnud esimene selline juhtum Maa pikas ajaloos, ja vaevalt jääb ta ka viimaseks.

XIX sajandi evolutsionistid nägid inimrassi ilmumises tõusujoones toimuva evolutsiooni paratamatut tulemust. Vaevalt küll suudaks tänapäeval keegi seda kena seisukohta kaitsta. On usutavam, et oleme juhuslike ajaloosündmuste pika rea ajutine sünnitis.

Kuigi tulevikku on võimatu üksikasjus ette näha, tasub uurida keerukais süsteemides ilmnevaid "stabiilsuse saari". Sedalaadi uuringutega tegeleb komplekssusteooria. See on siirdeteadus, mis hõlmab füüsikat, embrüoloogiat, ökoloogiat, evolutsiooniõpetust ja isegi majandusteadust. Tema Mekaks on asjakohane instituut Santa Fes New Mexicos.

Komplekssusuurijate tähelepanu on koondunud "purskuvatele" (emergent) omadustele, süsteemi erijoontele, mis pole süsteemile loomuomased, vaid kujunevad tema osade vastastikmõjus. Näiteks võiks tuua "nähtamatu käe" doktriini, mida propageeris šoti majandusteadlane Adam Smith XVIII sajandil. Vabamajanduses loovad oma egoistlikke sihte järgivad indiviidid turu, mis teenib üldist hüvet. Komplekssusuurijad on leidnud, et nähtamatu käsi pole mingi karm iseilmnev omadus. Ta langeb hõlpsasti monopolide, hinnalepete ja teiste äripiirangute ohvriks. Igapäevane kogemus näitabki seda. Vajame ju turvakomisjone, trustide vastaseid seadusi, pankrotikohtuid ja teisi kunstlikke stabilisaatoreid, mis peaks hoidma turu tervist.

Parimaks näiteks on meile tuttavaim ning ühtlasi saladuslikem nähtus, nimelt meie endi teadvus. Ükski nüüdisteadlane ei kahtle, et kõik, mis inimajus toimub, tuleneb aju koostisse kuuluvate aatomite ja molekulide füüsikast. Kummatigi on vähesed sedavõrd reduktsionistid, et söandaks väita, nagu võiks üksnes füüsika kunagi selgitada, kuidas see mikroosakeste kuhjatis omandab eneseteadvuse. Miljonid omavahelised seosed võimsaimaski arvutis näivad lapsemänguna inimaju triljonite vastu. Ajus on liig palju seoseid, et need võiks olla programmeeritud meie geenides. Aju organiseerub ise, sedamööda kuis kasvame ja õpime. Kuid varasest lapsepõlvest peale ilmneb hämmastav eneseteadvus, mida väljendab Descartes'i kuulsaim tõdemus: "Ma mõtlen, järelikult olen olemas" (lad. Cogito, ergo sum).

Veel valitseb ohjeldamatu reduktsionism mõnedes teaduse bastionides neoklassikalisest majandusteadusest kuni osakeste füüsikani, iseäranis aga molekulaarbioloogias, mille viljad on toitnud teaduse ja tehnika uut pööret. Kummatigi koguvad jõudu ka holistlikud hoiakud ja poleks ime, kui nad hakkaksid juurduma XXI sajandi teadusse.

Kuidas ka poleks, selge on see, et nüüdisteadus on teinud lõpu nii Descartes'i mehhanistlikule unistusele kui ka Laplace i determinismiõudusele. Enam kunagi ei saa läheneda Universumile lihtsalt kui korrapärasele masinale, mille kohta võiks teha eksimatuid pikaajalisi prognoose.

Ainus puuduv pintslitõmme Universumi täismehhanistlikust pildist oli kaugmõjujõudude (nagu gravitatsioon) mehhanistlik interpretatsioon. Tehti katset mõistega väljadest, mis laotavad energia ruumis laiali. Väljamõiste ilmus elektri ja magnetismi uuringutest. Benjamin Franklin aitas tublisti kaasa elektri loomuse mõistmisele; Charles Coulomb näitas, et elektrijõudki kahanevad kauguse ruuduga samuti kui gravitatsioon. Seose elektri ja magnetismi vahel avastas Hans Christian Örsted ja seda uuris põhjalikult Michael Faraday, kes leidis, et liikuv või muutuv magnetväli tekitab elektrivälja ja vastupidi. Nende tulemuste matemaatiline formulatsioon James Clerk Maxwelli poolt näitas, et väli ei levi hetkeliselt, vaid valguse kiirusega. Sellest lähtudes hakati valgust käsitama kui elektromagnetlainetust. Praktiliseks tulemiks oli raadioside, mis kasutab pikemaid elektromagnetlaineid. Püüdest leida väljale mehaanilist mudelit vormus kujutlus kõikeläbivast fluidumist nimega eeter. Näis, et füüsika on nüüd lõplikult valmis ja täiesti deterministlik, kuid moodsate kaoseuuringute valguses on see osutunud pelgaks illusiooniks. Keerukate süsteemide arvutiuuringud on siiski näidanud, et kaoses esineb ka korrapära.

Teaduses on midagi lummavat. Tühistest fakti-investeeringutest saad seal hulgiti tagasi oletusi.

MARK TWAIN, Elu Mississipil

Füüsika ja astronoomia võidukäik johtus XVII sajandil planeetidest. Meie sajandil on nende kohale astunud lained. Seepärast katkestame siinkohal oma ajaloolise jutustuse, et tutvustada mõningaid nende omadusi, lainete terminoloogiat ja kaht lainenähtust, mis on nüüdisfüüsikas aukohal.

Laine ei ole materiaalne objekt, vaid liikuv konfiguratsioon. Kui veelaine libiseb üle järvepinna, siis ei voola vesi sellega kaasa, vaid laine möödudes üksnes hulbib üles-alla. Hiljaaegu on hakatud laineks nimetama teatavat publiku hulgas moodi läinud käitumisviisi spordiüritustel, ja see sõna sobib sinna täiesti. Pealtvaatajad tõusevad püsti ja tõstavad käed üles, kui laine nendeni jõuab, ja istuvad siis tagasi. Selline laine kihutab ümber staadioni palju kiiremini kui ükski inimene joosta suudaks.

Lained võivad tekkida üpris mitmekesistel juhtudel. Nad võivad olla muusikariista keelte deformatsioonid või kühmud veepinnal. Häälelained on väikesed õhurõhu kõikumised, valgus- ja raadiolained teatavad elektromagnetvälja konfiguratsioonid.

Tähtsaima lainete kohta võtavad kokku kaks lihtsat põhilauset. Need pole looduse süvaseadused nagu Newtoni omad, vaid Aristotelese laadis üldistused, mis ei pruugi kõigil juhtudel kehtida. Kõlavad nad nii:

1. Lained liiguvad edasi konstantse kiirusega, mille määrab levimiskeskkond, mitte lained ise.
2. Lainete kohta kehtib superpositsiooni printsiip: kui kaks või enam lainet jõuavad üheaegselt samasse kohta, tekitavad nad liitlaine, mis on lihtsalt osalainete summa.

Erandiks esimesest printsiibist on näiteks veelained, mille mõõtmed mõjutavad levikiirust. Teist lauset eiratakse, kui lained on nii tugevad, et muudavad levikeskkonda. Säärased on näiteks plahvatuste võimsad lööklained. Kuid märksa enam võib tuua näiteid lainetest, mis üsna täpselt järgivad ülaltoodud põhilauseid. Sellised on häälelained õhus ja valguslained vaakumis.

Kui lihtsad ka poleks need põhimõtted, ometigi põhjustavad nad nähtusi, mis pole kaugeltki lihtlabased. Meil on edaspidi eriti tarvis tunda seisulaineid ja lainete interferentsi. Peagi tutvume nendega.

Lihtsaimad lained on üksikpulsid, mis liiguvad mööda ühemõõtmelist kandjat, nagu seda on näiteks pillikeel. Rahuolekus pingul keel jääb sirgeks. Kui teda ühe otsa ligidalt sõrmitseme, tekitame deformatsiooni, joonisel 7-1 kujutatud kühmu. Keele pingsus asub otsekohe seda tasandama, kuid Newtoni kolmanda seaduse kohaselt ei saa ta kaduda. Kui kühmust paremal olev keelelõik kisub kühmu alla, siis tõmmatakse seda lõiku samaaegselt vastassuunas üles. Kui kühm sõrmitsetud keeleosal tasandub, pole ta kadunud, vaid ainult paremale nihkunud. See kordub järjest ja kühm lügub pidevalt keelt mööda edasi.

Rõhutame, et ei lugu mitte keel tervenisti, vaid ainult kühm. Keel lihtsalt taastab oma algasendit. Kühm-laine liikumiskiirus sõltub keele pingsusest ja massist. Mida tugevamini on keel pingutatud ja mida kergem ta on, seda kiiremini laine levib.

Lainete mitmekülgsust illustreerib kenasti järgmine näide, millel ei ole füüsikaga midagi pistmist. Kujutleme orkestrit, mis marsib pikas sirges rivis. Kõigile orkestrantidele antakse juhis: "Jälgige kaaslasi oma kummalgi käel. Nii kui üks teeb sammu, nii teie kohe järgi, ainult et järgmisel taktilöögil." Siis läheme rivi otsa ja palume äärmisel muusikul astuda taktis kaks sammu edasi ja seejärel kaks sammu tagasi.

Jooniselt 7-2 näeme, mis siis toimuma hakkab. Ülaltvaates paistab, kuidas rivikühm siirdub rivi mööda vasakult paremale, ilma et ükski neist oleks teinud sammugi kõrvale. See on sõna otseses mõttes tõeline lainenähtus, ainult levikeskkond pole pidev nagu enamiku lainete puhul. Sellest hoolimata jäävad meie kaks põhilauset jõusse, niisama kui enamiku füüsikaliste lainetegi puhul. Et saada superpositsiooni, ütleme mängumeestele, et kui naabrid kummalgi pool astuvad samal taktilöögil, siis tehku nemad mõlemad sammud järgmise löögi ajal. Kui naabrid astuvad vastassuundades, jäädagu lihtsalt paigale.

Laine levimiskiiruse määrab siingi keskkond. Kui muusikud on rivis üksteisest poolteisemeetriste vahedega ja muusikarütm on kaks lööki sekundis, siis laine liigub edasi kolm meetrit sekundis.

Et veelgi ilmestada superpositsiooni, naaseme keele näite juurde. Sel ühemõõtmelisel juhul saavad kaks lainet kohtuda ainult siis, kui nad levivad vastassuundades nagu joonisel 7-3. Et kahe laine vahel vahet teha, olgu üks teisest palju kõrgem. Siis on madalam laine kohtumishetkel lihtsalt liikuv lohuke kõrgema turjal. Kohtumine ei muuda kumbagi.

Asi läheb põnevamaks, kui lained on sama kuju ja kõrgusega. Joonis 7-4 näitab kaht erijuhtu: juhul (a) on kühmud samasuunalised, juhul (b) vastassuunalised. Esimesel juhul näeme kohtumishetkel üksiklaineist kaks korda kõrgemat lainet. Teisel juhul on keel lühikeseks hetkeks täiesti tasane. Kuid ka sel hetkel on keelelõigud liikvel. Üksteisest läbi liikudes taastekitavad nad kaks alglainet.

Joonis 7-3	Joonis 7-4

See nähtus kannabki interferentsi nime. Kui lained üksteist tugevdavad, on tegemist konstruktiivse interferentsi e. tõusuinterferentsiga, kui nad üksteist vastastikku kustutavad - destruktiivse interferentsi e. mõõnainterferentsiga.

Superpositsiooni printsiibi kõige huvitavamad näited on "tagurpidised . Neil juhtudel analüüsime lainet ja ennustame tema edasist käiku, lahutades ta kaheks osalaineks — samaviisi kui Galilei analüüsis kuuli liikumist, lahutades selle horisontaalseks ja vertikaalseks. Küsime, mis juhtub, kui tekitame kühmu keele keskel. Siis võib ta samahästi liikuda mõlemas suunas, ilma mingi sisesunnita teha üht või teist. Mis ta siis ikkagi teeb?

Paneme tähele, et siin on meil tegemist täpipealt sama olukorraga kui joonisel 7-4 (a) hetkel, kui mõlemad lained on kokku jõudnud. Keele kuju ja liikumise vahel pole kummalgi juhul mingit vahet. Olgugi et ühel juhul tekkis kühm kahe laine liitumisel ja teisel juhul tekitasime ta ise, ei saa laine edasises arengus olla mingit vahet. Seega võime ennustada, et kühm jaguneb kaheks, kumbki poole kõrgusega, ja mõlemad hakkavad eemalduma vastassuundades. Vaatlused kinnitavad, et see ongi tõepoolest nii. Kahe- või kolmemõõtmelised lained levivad kõigis võimalikes suundades. Kahes mõõtmes levivate lainete pilti näeme näiteks kivi tiiki kukutades (joon. 7-5).

Üksikuid lainepulsse on hõlpsam jälgida, kuid nad ei paku erilist huvi. Paeluvamad võimalused avanevad, kui tegemist on ühesuguste korduvate lainete rodudega.Need on perioodilised lained. Nad järgivad samu seaduspärasusi kui üksikud lainepulsid. 

Nende kirjeldamiseks võtame kasutusele mõned täiendavad oskussõnad. Kahte neist illustreerib joonis 7-6. Lainepikkus, mida on kombeks tähistada kreeka tähega λ, on lainete kordumisvahemik. Teda mõõdetakse pikkusühikutes. Amplituud mõõdab laine tekitatud maksimaalse nihke suurust. Ühikud sõltuvad siin laine liigist. Veelainete puhul on ta lihtsalt laine kõrgus, raadiolainete amplituudiks on elektrivälja tipptugevus. Et lainetust täielikult kirjeldada, vajame veel üht sõna. Laine levides sooritab keskkonna iga punkt liikumisi, mis korduvad iga laine läbiminekul. Mitu korda sekundis see juhtub, seda näitab sagedus, mida tähistatakse tavaliselt kreeka tähega v. Sageduse ühikuks on herts (Hz), mis on nime saanud raadiolainete avastaja Heinrich Hertzi järgi. 1 Hz on üks võnge sekundis.

Joonis 7-5	Joonis 7-6

Vahel on sageduse asemel mugavam kasutada lainearvu k, lainete arvu pikkusühiku kohta. Ilmselt on ta lihtsalt lainepikkuse pöördväärtus: 

Kuna laine liigub jääva kiirusega, on lainepikkus seotud sagedusega. Kui näiteks laine sagedus on 5 Hz ja iga laine 4 m pikk, levib laine kiirusega 20 m/s. Valemina avaldub see seos kujul

kus c on laine levimiskiiruse tavasümbol. See pole mingi füüsikaseadus, vaid lihtsalt seos, mis järeldub lainepikkuse ja sageduse definitsioonist. Hääle kiirus sõltub õhu temperatuurist, kuid tüüpilisel päeval levib ta kiirusega 340 m/s (1224 km/h). Valgus ja teised elektromagnetlained on sootuks kiiremad, nad liiguvad 300 000 000 m/s ehk 300 000 km/s. Kuuldava heli sagedused hõlmavad vahemikku 20 Hz kuni 18 000 Hz, millele vastavad lainepikkused umbes 2 sentimeetrist kuni 20 meetrini. Valguslained on ülilühikesed ja katavad kitsast laineala – 0,4 kuni 0,7 mikromeetrit (μm, miljondik meetrit). Nende sagedused on ülikõrged, 5 × 10¹⁵ Hz (5 kvadriljoni hertsi) ligikonnas.

Joonisel 7-6 toodud sujuvat lainet kutsutakse siinuslaineks, sest matemaatiliselt kirjeldab teda siinusfunktsioon. Sellise kujuga helilainet kuuleme puhta muusikalise toonina, mille kõrgus on määratud tema sagedusega. Valguse siinuslaine annab puhta spektrivärvuse. Üldjuhul võib lainetel olla peaaegu igasugune kujuteldav kuju. Kui see kuju kordub paljude lainepikkuste ulatuses, saab suvalist lainet konstrueerida erineva lainepikkusega siinuslaineid kombineerides.

Kui laine on sulustatud kindlate piirete vahele nagu pillikeel, siis on võimalikud laineliikumised rangelt piiratud. Keele kummastki otsast peegeldub laine tagasi, seepärast pole kumbki liikumissuund eelistatud. Selle asemel saame joonisel 7-7 kujutatud paigalpüsivad lained. Kõikide pillide helid lähtuvad mingitelt seisulametelt (keelel, õhusambas jne.).

Keelel saab seisulaine tekkida ainult siis, kui lainepikkus sobib keele pikkusega niiviisi kokku, et keele kinnitatud otsad jäävad paigale. Et laine läbib kinnitiste ühendussirget iga poollaine järel, saavad tekkida üksnes lained, mille 1, 2, 3 jne. poollainet mahub täpselt keele pikkusele. Joonis 7-7 näitab juhtu, kui sobilikud on kolm poollainet. Punkte, mis sellisel lainel jäävad alati paigale, kutsutakse laine sõlmedeks. .Superpositsiooni printsiibi järgi võib samal keelel ühtaegu tekkida hulk erineva pikkusega laineid, nõnda et tegelik pilt on selle lihtsa näite omast palju keerukam.

Kuna lühematele lainetele vastavad kõrgemad sagedused, siis ainsa poollainega seisulaine, põhitoon ehk esimene harmoonik, on madalaima sagedusega. Lühemad seisulained annavad ülemtoonid ehk kõrgemad harmoonikud. Kõiki muusikariistu konstrueeritakse nii, et nad annaks põhi- ja ülemtoonide rikkaliku segu, sest puhas siinuslaine on üpris lameda kõlaga.

Raadiosaatja antennis tekitatakse elektriline seisulaine. Laseris moodustatakse seisev valguslaine, mis on sulustatud peeglite vahele kiirguri mõlemas otsas. Lisaks peab laseris olema seadis, mis pumpab lainesse energiat. Kui jõuame kvantteooriani, näeme, et seisulained määravad aatomite struktuuri.

Kui perioodilised lained jõuavad samasse punkti kahest ühes rütmis võnkuvast allikast või ka samast allikast, olles läbinud erinevaid vahemaid, tekitavad nad interferentsimustri. See võib olla niihästi rabavalt ilus kui ka vägagi kasulik. Interferentsmustrid võimaldasid kindlaks teha valguse laineloomuse. Nad olid aluseks ka ajaloolisele katsele, mis oli otsustav relatiivsusteooria pädevuse näitamisel. Sellest katsest jutustame lähemalt järgmises peatükis.

Joonisel 7-8 on skemaatiliselt näidatud interferentsikatset helilainetega. Kaks kõlarit annavad üht ja sama puhast tooni. Kõlarite asukohas on mõlemad lained täpselt ühes rütmis. Kuid enamik kohti ruumis nende ees on kõlaritest erineval kaugusel ja nendesse punktidesse jõudvad lained ei ole enam sünkroonis, sest nad on läbinud erinevaid vahemikke.

Punkt A on parempoolsest kõlarist täpselt ühe lainepikkuse võrra kaugemal kui vasemast. Kummastki kõlarist sinna jõudvad lained lähevad parajasti ühe lainepikkuse võrra lahku. Kuid et perioodilised lained on identsed, on see sama hea kui saabumine ühes taktis. Seepärast kujuneb siin konstruktiivne e. tõusuinterferents. Lained tugevdavad teineteist ja heli on tugev. Sama lugu on punktis B, mis on kummastki valjuhääldist võrdkaugel.

Seevastu punkt C on parempoolsele kõlarile poollaine võrra lähemal. Õhurõhu maksimum ühes laines ühtib miinimumiga teises. Tekib destruktiivne e. mõõnainterferents: lained hääbuvad vastastikku, heli on nõrk või puudub hoopis. Kogu interferentsipildi konstrueerimiseks on lihtne retsept: leida kahe allika kauguste vahe ja jagada lainepikkusega. Saame suhte

q väärtus näitab, kumma interferentsiliigiga, konstruktiivse või destruktiivsega on tegemist. Kui q on täisarvuline (–1,0,1,2, 3 , …), on interferents konstruktiivne, kui aga poolearvuline (–½, ½, 1½, 2½, …), siis destruktiivne. Vahemised väärtused annavad vahepealseid tulemusi: täisarvule ligidased suhted annavad ebatäieliku tugevnemise, poolearvulisele lähenevad – mittetäeliku nõrgenemise. Kui näiteks joonisel 7-8 on kaugus vasakpoolsest kõlarist L₁ ja parempoolsest L₂ siis punktides A, B ja C on q vastavalt –1, 0 ja +½.

Kaht tavalist valgusallikat (mitte laserit) ei saa sünkroniseerida, seepärast saadakse valguse interferentspildid enamasti valguskiirt kaheks jaotades ja siis jälle ekraanile kokku juhtides. Thomas Young kasutas 1789. a. valguse interferentsi, et lahendada ammune, Newtoni ja Huygensi päevilt alguse saanud vaidlus valguse loomuse küsimuses.

Newton oli valguse tõsise uurimise algatajaid. See oli tema, kes tõestas, et valge valgus on vikerkaarevärvuste segu. Kuigi tema raamat Opticks ei olnud nii vapustavalt menukas kui Principia, oli see ikkagi üks teaduse verstaposte. Newton pidas valgust pisiosakeste raheks, aga Huygens lainetuseks. Viimase Traktaat valgusest oli Newtoni optikaraamatuga võrdväärne teos. Mis puutub Youngi, siis tema oli oma erinevatel elujärkudel füüsikaprofessor, praktiseeriv tohter ja koguni harrastusbioloog, kes tublisti aitas kaasa Rosetti kivi dešifreerimisel, mis andis võtme egiptuse hieroglüüfide lugemiseks.

Youngi katseriist oli ülilihtne, kuid igati oma ülesandeks sobiv. Ta tahmas küünla kohal väikese klaasplaadi mustaks ja tõmbas siis tahmakihti habemenoaga kaks peent vagu, mis moodustasid kitsad pilud. Vaod püüdis ta ajada nii lähestikku, kui vaid sai, sest ta teadis, et valguslained peaksid olema väga lühikesed. Pimendatud toas juhtis ta päikesevalguse vihu oma plaadile.

Valgus läbis mõlemat pilu. Jõudnud nende taha mõne jala kaugusele paigutatud paberilehele, olid kumbagi pilu läbinud kiired küllalt lahknenud, et lehel kattuda. Young nägi lehel pilti, mis sarnanes fotol 7-9 näidatuga. Heledad triibud vastavad tõusu-, tumedad - mõõnainterferentsile. Triibud paiknevad lähestikku, sest valguslained on nii lühikesed, et juba lühike vahemik ekraanil muudab kiirte teekonda poollaine võrra.

Youngi katse polnudki midagi sootuks uut. Interferentsnähtusi oli varemgi täheldatud, ühe neist avastas koguni Newton ise. Ometi oli Newtoni nimi nii aukartustäratav, et paljud füüsikud klammerdusid XIX sajandini valgusosakeste teooria külge. Hiljem näeme, et ega see hoopis tobe polnudki.

Tänapäeval osatakse käsitseda pea kõikvõimalike lainepikkuste ja sagedustega elektromagnetlained. Peatüki lõpetuseks esitame joonisel 7-10 elektromagnetlainete spektri skeemi, ühtlasi täpsustades mõningaid nendega seotud mõisteid.

Nähtava valguse pikalainelisest punasest servast edasi tuleb nähtamatu infrapunavalgus ehk lihtsalt infravalgus. Seda tajume tema soojusliku toime kaudu. Infravalgus läheb järkjärgult üle raadiolaineteks, millest lühimad on ultralühilained ehk mikrolained Teravat piiri nende piirkondade vahel ei ole. Tanapaeval kasutatakse raadiosides ja teabelevis kõiki lainepikkusi alates umbes ühest mikromeetrist lähi-infravalguses kuni ühpdckade raadiolaineteni, mille pikkus küünib tuhandete kilomeetntem. on viirutatud. Esimesi rakendatakse kiudoptilistes sidesüsteemides, viimaseid sidepidamiseks sukeldunud allveelaevadega. Lühilainelisel poolel läheb ultraviolett- e. ultravalgus üle röntgenikiirteks, mille lainepikkused on lähedased aatomi mõõtmetega, edasi gammakiirteks, millest lühimate lainepikkused ei ulatu isegi aatomituuma mõõtmeteni.

Välja arvatud nähtav valgus, on kõik need kiirgused avastatud pärast Maxwelli eluaega. Tema loodud elektri, magnetismi ja valguse ühendteooria viis otseteed neist mõnede avastamisele, aidates mõista ka ülejäänuid. Vaevalt võib tuua paremat näidet puhta teaduse tulemustest, mis oleksid andnud nii tohutu tähtsusega praktilisi rakendusi. Kui nüüdsed teadlased püüavad õigustada maksumaksjate raha kulutamist asjadele, millel ei ole veel ilmset või kohest praktilist rakendust, on nad tänu võlgu James Clerk Maxwelli varjule.

Lained on liikuvad kujundid, tavaliselt mingi keskkonna nagu gaasi, vedeliku või ka pillikeele häiritused, mis eemalduvad oma lähtepunktist. Enamasti levivad nad konstantse kiirusega, kusjuures samas paigas ja samal hetkel võib kohal olla mitu lainet korraga. Korduvate samaste lainete kirjeldamiseks kasutatakse amplituudi, sageduseja. lainepikkuse mõisteid. Kaks tähtsat lainenähtust on seisulained, mis tekivad sulustatud lainetest, ja eri lähetest tulevate lainete kohtumisel ilmnev interferents. On võimalikud ainult teatavate kindlate pikkustega seisulained. Interferents annab mustreid, mis on lainete vastastikuse võimendumise või kustutamise tulemuseks.

On's tõde - ta ei liigugi,
või liigub mõnel teisel tahtel.
Siin sina tõesta targasti
(kõik, milles mõnigi veel kahtleb) -
me ajas arutuna näib
elektrivedeliku kummaline käik.

JAMES CLERK MAXWELL

Katse, mis lõi esimese mõra Newtoni füüsika veatusse sambasse, tegi 1887 Clevelandi Rakendusteaduste Kooli noor professor Albert A. Michelson. Nagu paljud teised, kes on aidanud üles ehitada Ameerikat, oli temagi immigrant. Ta oli sündinud 1852 jagatud Poolamaa Saksa tsoonis Strzelno linnas. Vanemad tõid ta lapsena Ühendriikidesse, põgenedes sallimatuse ja repressioonide laine eest, mis järgnes 1848. a. nurjunud revolutsioonile. Michelsoni isa oli juudi rändkaupmees, ema poolatarüpris ebatavaline abielu tol ajal ja tolles ilmanurgas.

Selle asemel et kanda kinnitada Ida või Kesk-Lääne arvukais linnades, oli Michelsoni isal söakust sukelduda Kalifomia kullapalavikku, kuigi mitte kullaotsijana, vaid nende toitlustajana Murphy laagris Sierra mäejalamil. Kodumaja seinte vahel võis kasvav nooruk nautida mõningaid kultuurihüvesid, mis avantüristidelinnas muidu sootuks puudusid. Et võimaldada talle korralikku haridust, saadeti Albert kooli San Franciscosse, kus ta oli koolijuhataja kostil. Tabanud ära kostilise andekuse täppisteadustes, määras juhataja ta abiliseks füüsika-ja keemia- laboratooriumes. Õnnistatud hea välimuse ning erksa mõistusega, hakkaja kõiges poksist viiulimänguni, oli Albert iseteadev, ilmselt hiilgavate väljavaadetega noormees.

Enne kui Albert sai keskkoolist läbi, ammendusid kullasooned Murphy laagri lähistel ja perekond järgnes hõbedajahtijaile Virginia Citysse Nevadas. Michelsonidel ei olnud piisavalt raha oma ettevõttegi jätkamiseks, rääkimata poja edasiõppimisest kolledžis. Jäid üle vaid rakenduskõrgkoolid. Albert võitis küll konkursseksamid Nevada osariigile eraldatud ainsale kohale Ühendriikide Mereakadeemiasse Annapolises, kuid esialgu eelistati temale noormeest, kelle isa oli invaliidistunud kodusõjaveteran.

Albert ei kaotanud lootust ja võttis ikkagi ette pika reisi itta, Annapolisesse. Seal olid teoksil tõsised muutused. Uuendatud terasaurikute ja kaugelaskekahuritega sõjalaevastikus ei kõlvanud ohvitserideks enam tavalised merekarud. Uutes õppeplaanides oli tähtis koht täppisteadustel ja matemaatikal. Mõned vastuvõetuist lõid kartma ja võtsid oma avaldused tagasi, Michelson saigi sisse.

Albert lõpetas hiilgavalt, kõrgeimate hinnetega kõiges peale merenduse. Näis mõistlik jätta ta esialgu akadeemiasse õppejõuks. Abielludes tegi ta hea partii, naides New Yorgi börsimaakleri tütre. Varsti parandas ta oma väljavaateid veelgi katsega, mis määras kogu ta edasise edukäigu. Nimelt mõõtis ta senisest suurema täpsusega ära valguse kiiruse.

Michelson arendas edasi prantsuse juhtiva eksperimentaalfüüsiku Jean Foucault' leiutatud meetodit (joon. 8-1). Valguskiir langes kiiresti pöörleva kaheksakandilise peegelprisma tahule, sealt omakorda seisvale tasapeeglile, mis peegeldas ta tagasi pöördpeeglile. Edasi-tagasi teele kulus vaevu mikrosekund, mille jooksul peegelprisma jõudis pöörduda küll õige väheke, kuid kiire kalle seisatud prismaga võrreldes oli siiski hästi mõõdetav. Peegelprisma pöörlemiskiirus oli teada. See oli kell valguskiire läbimisaja mõõtmiseks. Mõõtetulemuse suhteline täpsus oli umbes 1%.

Foucault katsetas laboratooriumis, valguse edasi-tagasi teekond ei ületanud tal 30 meetrit. Michelsoni stiili kandis vägevusõhin, tema sooritas katse välitingimustes, lastes valgusel katta peaaegu kilomeetrise vahemiku. Ületades määratuid tehnilisi raskusi, üllatas Michelson maailma Foucault' omast peaaegu kakskümmend korda suurema mõõtetäpsusega. See oli New York Times'i esiküljeuudis, mis tegi noormehele kõik teed teaduses valla.

Aastal 1879 lahkus Michelson mereväest ja võttis suuna Euroopasse. Hoolimata oma leidurite nupukusest oli Ameerikas alusteadus alles tagaplaanil, seepärast oli täiendõpe välismaal lausa kohustuslik. Michelsoni äi pakkus talle selleks võimalust, lubades tasuda aasta elamiskulud. Telefonimagnaat Alexander Graham Bell soostus rahastama katseseadme ehitust, mis tõi Michelsonile maailmakuulsuse. Bell oli loonud erafondi julgustamaks noori ameeriklasi eelistama teadust praktilisematele karjäärivõimalustele. Teda võlus noore mereväeohvitseri hulljulgus: Michelson ei üritanud midagi vähemat kui mõõta Maa absoluutset kiirust.

Et uskuda eetrisse, ei pruukinud XIX sajandi füüsik olla paadunud mehhanist. Üliraske on kujutleda laineid ilma neid kandva keskkonnata. Helilained levivad õhus, merelained veepinnal jne. Eeter oli nii lahutamatu valguse laineteooriast, et olnuks raske leida teadlast, kes oleks suutnud neid oma kujutlustes eraldada. Kahelda eetris oleks tähendanud eitada valguse laineloomust.

Et mitte takistada Maa tiirlemist ümber Päikese, oleks Maxwelli eeter pidanud hõõrdumiseta voolama kas ümber Maa või temast läbi. Seetõttu pidanuks valgus Maal levima eri suundades erineva kiirusega. Et taibata, miks nii, mõtleme hääle levikule tuulisel päeval. Kui puhub läänetuul kiirusega 20 m/s, peaksid häälelained liikuma itta kiirusega 340 + 20 = 360 m/s. Vastupidi, kui lained suunduksid vastutuult läände, aeglustataks neid kiiruseni 320 m/s. Ainult tuule ajel liikuvas õhupallis leiaksime, et hääl levib igas suunas sama kiirusega. Kui eeter oleks Maa suhtes liikvel, peaks valgusega olema sama lugu.

Isegi eetrit kõrvale jättes ütleb meie mõistus, et valguse lainelisus peaks andma reeperi absoluutse paigaloleku või liikumise tuvastamiseks. Näib, et ainult ühes kindlas taustsüsteemis saavad valguslained kulgeda püsivalt sama kiirusega igas suunas. Tähendab, kõigi inertsiaalsüsteemide hulgas peab olema üks eelistatud taustsüsteem. Kuigi me siinkohal üritame Michelsoni ennast järgides seletada tema katsetulemusi eetriteooriast lähtudes, ei eelda see analüüs eetri tegelikku olemasolu.

Michelsoni ajal olid füüsikute teadvuses lahutamatult seotud kolm kõigutamatut põhipunkti (joon. 8-2):

1. Valguse laineloomus.
2. Eelistatud taustsüsteemi olemasolu.
3. Füüsikalise eetri olemasolu.

Valguslained eeldasid levikeskkonda ja eesõigustatud taustsüsteemi, milles nad levivad mistahes suunas ühtviisi. Aga kui selline taustsüsteem eksisteerib, mismoodi siis on loodus ta teinud kõikidest teistest erinevaks? Näis, et loogiline vastus on: selles süsteemis on eeter liikumatu.

Kui kärmelt ka valgus ei leviks, on Maa orbitaalliikumine küllalt kiire, et avaldada sellele kiirusele väikest, ent siiski mõõdetavat mõju. Maa tiirleb Päikese ümber umbes 30 km/s, s.o. üks kümnetuhandendik valguse kiirusest. Michelson oli juba mõõtnud valguse kiiruse sama täpsusega. Kahjuks ei vii siin otserünnak siiski sihile. Michelson, nagu kõik ta eelkäijadki, mõõtis valguse leviaega edasi-tagasi teekonnal. Kui valgus kiirenes ühes suunas, pidi ta samavõrd aeglustuma tagasiteel.

Michelsonile tuli parem idee, mis tugines kahel olulisel tõdemusel: (1) Maa liikumise mõju valguse kiirusele ei elimineeru siiski päris täielikult edasi-tagasi teel ja (2) valguslainete lühidus teeb valgusest endast võrreldamatu täpsusega mõõdulati.

Vastassuundades leviva valguse kiirust pidanuks Maa liikumine mõjutama 10 000 korda vähem kui üksnes ühesuunalise levi juhul. Mõõtetäpsus peaks siis küündima ühe sajamiljondikuni. Michelsonile oli selge, et nii täpselt ei suudaks ta valguse kurust eales mõõta, aga interferentsinähtuse kaasabil peaks olema võimalik võrrelda valguse kiirusi kahes erinevas suunas isegi suurema täpsusega.

Ujumine risti üle jõevoolu ja tagasi võtab vähem aega kui sama distantsi katmine otse üles-ja allavoolu. Michelsoni katse oli rajatud sellele tõdemusele. Selle seiga matemaatiline tõestus pole iseendast teab kui oluline, kuid tema tulemuseks on avaldis, mis on Einsteini relatiivsusteooria nurgakiviks. Seepärast teeme ta siin läbi. Tulemus on siin tähtsam kui tuletuskäik ise.

Kujutleme, et ujuja tahab pääseda risti üle jõe vastaskaldal asuvasse punkti. Ta ujub kiirusega c ja jõgi voolab kiirusega v. Et voolu kompenseerida, peab ujuja suunduma mõnevõrra ülesvoolu. Kaldalseisjale paistab, et ujuja läheb otse ülejõe, kuid kui keegi vaatab teda voolust kantud paadist, näib teekond olevat jõe suhtes kaldu, piki joonisel 8-3 näidatud kolmnurga hüpotenuusi.

Et leida, kui palju lisateed peab ujuja läbima, võrdleme hüpotenuusi kolmnurga alusega, milleks on jõe laius. Hüpotenuus annab ujuja teekonna vees kiirusel c. Kolmnurga allavoolu-külg annab vahemiku, mille sama aja jooksul katab vool kiirusel v. Pythagorase teoreemi järgi onhüpotenuusi ruut võrdne kaatetite ruutude summaga. Kuna meie teame hüpotenuusi c ja üht kaatetit v, leiame, et kaldalt mõõdetuna peab ujuja kiirus olema

Relatiivsusteoorias tuntakse ujuja tegeliku kiiruse ja kaldalt näiva knruse suhet Lorentzi faktori nime all ja seda tähistatakse tihti kreeka tähega γ:

Joonis 8-4 näitab, kuidas γ sõltub kiiruste suhtest v/c. Toome arvulise näite. Olgu ujuja kiirus 5 km/h ja voolu kiirus 3 km/h. Siis on v/c=0,3 selle ruut 0,36 ja

Ruutjuur 0,64 on 0,8, seega γ = 1,25. Järelikult peab ujuja vees katma 25% pikema maa, kui on jõe laius.

Kui vesi ei voolaks, oleks v = 0 ja γ = 1, sest siis peaks ujuja ületama ainult veekogu laiuse. Sellest väiksemat väärtust ei saa y omandada, ta võib olla vaid 1,0 või sellest suurem. Siit järeldub, et jõe ületamisel on vool alati takistuseks, mitte abiks.

Tähtsaim on see, et valem pole rakendatav, kui v on suurem kui c, sest me ei saa võtta ruutjuurt negatiivsest arvust. Siis voolab jõgi ujujast kiiremini ja pole mingit võimalust üle jõuda. Relatiivsusteoorias saab see piirang veelgi sügavama tähenduse.

Me ei hakka arvutama päri- ja vastuvoolu ujumise juhte, siin on arvutus mõneti keerukam. Vastuvoolu jõuab ujuja edasi kiirusega c – v ja pärivoolu c + v. Vastuvoolu ujumiseks läheb rohkem aega, nii et keskmine kiirus edasi-tagasi teekonnal tuleb väiksem kui c. Algebras kodusemad lugejad võiksid kontrollida, et keskmiste kiiruste suhe tuleb siin γ².

Valguse kiirusest palju väiksemate kiiruste jaoks kehtib Lorentzi faktori ligikaudne valem:

See valem kõlbab ainult siis, kui v on väiksem kui 1/100 valguse kiirust.

Nüüd heidame pilgu Michelsoni aparatuurile. Küllap lugeja juba aimab järgmisi samme. Asendame jõe eetriga, ujuja valguskiirega. Seepärast valisimegi ujuja kiiruse tähiseks c, mis on valguse kiiruse tavasümbol. Kuid kui v on Maa kiirus, moodustab see üksnes 0,0001c ja γ erineb 1,0 st üksnes ühe sajamiljondiku võrra. Kuidas küll mõõta nii tühist erinevust?

Väljapääs on selles, et valgus kannab alati kaasas omaenda tollipulka, seejuures ülimalt täpset. Selle mõõdupuu pügalateks on valguslained, keskeltläbi 0,5 μm pikad. Michelson ehitas seadise, milles korraldati kahe valguskiire võidujooks, kusjuures võitjat sai määrata valguslaine pikkuse murdosa täpsusega.

Võidujooksu rada, tuntud kui Michelsoni interferomeeter, on joonistatud pildil 8-5. Poolläbipaistev hõbetatud peegel laseb poole temale langevast valgusest läbi, teise poole peegeldab tagasi. Nii tekib kaks ristuvat valguskürt. Kaks tavalist peeglit peegeldavad kummagi küre nende endisele teele tagasi. Kiired kohtuvad taas poolläbistataval peeglil, mis lüdab taas poole kummastki kiirest kokku. Kui saabuvates valguslainetes on kohakuti laineharjad, on vaatluspikksilmas nähtava mustri kese hele. Kui harjad kohtuvad nõgudega, on pildi keskkoht tume.

Joonis 8-4	Joonis 8-5 Michelsoni interferomeeter

Et mõõtmisi hõlbustada, kallutas ta üht tavapeegleist pisinatuke, nii et ühe kiire eri osades läbib valgus veidi erinevaid teepikkusi. Tekkis paralleelsete heledate ja tumedate vöötide muster, nagu Youngi katseski. Sellise mustri muutusi on palju kergem jälgida kui valguse heleduse muutusi võrrelda. Kui interferomeetri ühe õla [*[Interferomeetri õlgadeks nimetatakse mõlemat kiirte ristuvatest teekondadest. (Tõlk.)]*] suhteline pikkus muutub ühe lainepikkuse jagu, nihkub kogu muster vasakule või paremale kahe heleda vöödi vahelise kauguse võrra.

Michelson pani interferomeetri väga aeglaselt pöörlema. Kui eeter voolanuks rõhtsalt laboratooriumist läbi [*[Mõõtmisi tehti kesköö paiku, mil Maa tiirlemine on suunatud itta.]*] oleks valgus interferomeetri teatud asendis levinud päri-ja vastuvoolu, seadme 90° pöördumise järel aga ristivoolu. Vahe kiirte teepikkuste vahel, mis tekitabki interferentspildi, pidanuks interferomeetri pööramisel pidevalt muutuma ja interferentsmuster edasi-tagasi nihkuma.

Kõlbliku interferomeetri ehitamine pole kerge. Ta peab pöörduma, ilma et ta mõõtmed muutuks isegi valguse lainepikkuse väikese murdosa võrra. Oma esimese interferomeetri pani Michelson kokku 1880 Berliinis, kasutades terasest täppistöödeldud osi. See oli nii vibratsiooniherk, et väljaspool laborit astuva assistendi sammud olid selgesti tunda. Michelson ei tuvastanud interferentsmustri nihet, kuid kuna kasutusel oli riista esimene katseeksemplar, arvas ta, et nihe oli märkamiseks liiga väike. Euroopa professoritele, kellele ta riista näitas, avaldas tugevat muljet seegi, et ta üldse töötas.

Toonases Ameerikas oli Euroopas tuntud teadlasenimi hästi müüdav kaup. Michelson loobus oma mereväekohast ja kandideeris edukalt ametisse Case'i instituudis. Seal lõi temaga kampa Edward Morley, astronoom, kes Õpetas keemiat lähedases ülikoolis, kus olid paremad laboratooriumid kui Case'i instituudis.

Clevelandis üles seatud interferomeetri variant oli paigutatud suurele kiviplaadile, mis ujus elavhõbedavannis. Riistas oli palju peegleid, mille vahel pendeldades pikenes kiire teekond 10 meetrini. See on 20 miljonit valguse lainepikkust. Hinnangud näitasid, et ühe sajamiljondikuline muutus oleks andnud interferentspildis vöödi viiendiku suuruse nihke. Michelson oli kindel, et ta suutnuks kindlaks teha ka sajandik-vöödise nihke. Seekord ei saanud tulemustes enam kahelda.

Kuid mingit nihet polnud! Michelson oli rängalt pettunud, kuid ei heitnud meelt. Jätnud mõistatuse teistele lahendada, jätkas ta virtuoosseid katseid, mis enamasti olid seotud interferomeetriaga.

Michelsoni-Morley eksperimendi seletuskatsed on omaette põnev lugu. Katsete negatiivne tulemus on siiani üks suurimaid üllatusi füüsika ajaloos. Vaevalt oli keegi valmis loobuma eetrist selle ainsa mõistatusliku tulemuse tõttu. Enamik arvas, et Michelson on avastanud eetri uudse omaduse, mis aitab selle müstilise substantsi eripära edasi täpsustada. Üks neist seletuskatseist on mainimist väärt, sest ta oli vähemalt matemaatiliselt õigel teel.

Järgides iiri astronoomi C.F. Fitzgeraldi ideed, arendas hollandi nimekas teooriafüüsik H.A. Lorentz matemaatilise aparaadi interferentsmustri paigalpüsi seletamiseks. Arvati, et mõistatuse lahendus peitub aatomite elektrilises struktuuris, mis avastati mõni aasta pärast Michelsoni katseid. Kui ainet hoiavad koos elektrijõud, mida annab edasi eeter, süs võiks olla nii, et eetrituules liikumine vähendab esemete mõõtmeid nende liikumissuunas. Selleks et saada Michelsoni tulemust, peavad mõõtmed vähenema täpselt γ korda. Siis ei saa mingi materiaalse mõõdupuuga täheldada mingit toimet, sest mõõt väheneb just samapalju kui mõõdetav ese.

Michelsoni katsed hoogustasid tema edukäiku, sest Ameerika kõrghariduses oli alanud uus ajastu. Järsult kasvas nõudmine andekate uurijate järele, keda oli veel väga vähe.

Ameerika kõrghariduse mudeliks sai koloonia päevist peale inglise kolledž. Tudengeid õpetati ja küsitleti suuresti individuaalselt (tuutorsüsteem). Meetod oli töömahukas ja jättis professoritele vähe aega uurimistööks. Teenindades väheldast ja hajali asurkonda, olid kolledžid enamasti väikesed ja õppejõud pidid olema suutelised õpetama korraga mitmeid aineid. Enamik kolledžeid pakkus käputäit rangelt piiritletud Õppekursusi, valikuvõimalusi oli napilt.

XIX sajandi lõpu Ameerikat, kus rahvastik ja tööstuse võimsus hakkas nobedasti kasvama, paelus erinev kõrgharidusmall. Kogu maailmale avaldas muljet Saksamaa majanduse silmnähtav kasv, milles eriline rõhk oli kõrgtehnilisel tööstusel, mis hõlmas eeskätt keemiatööstust, terasetootmist ja elektrotehnikat. Oli siis saksa ülikoolisüsteem õige või vale, kuid igatahes oli ta seda edu tublisti hõlbustanud.

Saksa ülikoolides õppisid tudengid esimesest aastast peale täpsustatud erialaprogrammide järgi. Õpetuses olid tähtsal kohal auväärsete professorite loengud. Õppejõududel jäi ohtrasti aega nende endi uurimistööks ja doktorantide hoolikaks juhendamiseks. Teaduskonnad jagunesid spetsialiseerunud osakondadeks. Tugevaimad neist võisid uhkustada hästikorraldatud uurimisinstituutidega, mille eesotsas oli professor, kelle käe all oli suur nooremate uurijate meeskond.

Pärast pikka võitlust nende kahe süsteemi vahel jõudis Ameerika oma mallini, mis valdab tänapäevani. Võeti omaks saksa organisatsiooniline struktuur, mida demokratiseeriti, et säilitada ka inglise egalitaarse kollegiaalsuse jooni. Valdavaks sai loengumeetod, suuremates ülikoolides ja kolledžites andis vana standardne õppeplaan teed ainevaliku süsteemile. Mõned vabade kunstide kolledžid küll ripuvad inglise õppekava jäänukite küljes, kuid enamik eelistab valdavat süsteemi. Hiljutine üleskutse taastada "tuumik-õppekavad" on inglise traditsioonide järelkaja.

XIX sajandi lõpukümnendeil liitus üks Ameerika ülikool teise järel peavoolusega. Teed rajasid Yale'i ja John Hopkinsi ülikoolid. Suured ida eraülikoolid järgisid nende eeskuju. Peatselt tulid järele Michigani, Wisconsini ja {California ülikoolid. Kaks uut, Chicago ja Stanfordi ülikool, panid algusest peale põhirõhu teadustööle. Ilmselt see tasus end, sest need õppeasutused on siiani jäänud juhtivateks uurimiskeskusteks.

Michelson tegi selle mängu edukalt kaasa, siirdudes Case'i instituudist Clarki ülikooli, sealt edasi Chicagosse, kus ta Rockefellerite heldete rahaohverduste toel rajas ülikooli füüsikaosakonna. Elu lõpuaastail jäi ta pidama Kalifomia Tehnoloogiainstituuti. Murdmata truudust suurtele optikaseadmetele, saavutas ta silmapaistvat edu. Tema viimne suur ettevõtmine oli imposantsete mõõtmetega: et täiustada valguse kiiruse mõõtmist, millest tema karjäär oli alanud, ehitas ta miilipikkuse vaakumtoru Kalifomia kõrbesse. Veel surivoodil kirjutas ta artiklit sellega saadud tulemustest.

Kasvanud eriti pärast Teist maailmasõda, on ameerika füüsika säilitanud midagi Michelsoni vaimust. Angloameerika füüsikud on jõudnud äratundmisele, et eksperiment on edu käivitaja. Paljud peavad paremaid instrumente kindlaimaks teeks edukatele katsetele. Michelson on tõstetud suurte aparaadiehitajate panteoni. Kuid Michelangelot ei teinud suureks kujuriks tema peitlite kvaliteet. Nagu skulptuurgi jääb katseteadus suuresti kunstiks, milles loominguline fantaasia on niihästi hädavajalik kui ka kompimatu.

Igal juhul on hiiglaslike uurimisvahendite ehitamine pikka aega olnud ameerika stiili eripäraks. Ühendriikides on nii mõnigi füüsik teinud hiilgavat karjääri osava riistasepana ilma erilise omapoolse andamita füüsikamõtte arengusse. Küllap oleks ka Michelsoni erutanud hüdkiirendid, mis kuuluvad inimliku teadmishimu kõige suuremate ja hinnalisemate monumentide hulka.

Albert A. Michelsoni nurjunud pürgimusel mõõta Maa "absoluutset" liikumist, võttes lähtekohaks valguse kiiruse, oli suur ajalooline tähtsus. Selleks mõõtmiseks leiutas ta interferomeetri, milles kasutatakse interferentsinähtust erakordse täpsusega mõõtmiste tegemiseks. Michelson oli Ühendriikide esimene Nobeli laureaat. Tema tegevus oli tihedalt seotud täppisteaduste tõusu ja uurimistööle keskendunud ülikoolide tekkega USAs. Tema katsete analüüsist koorus välja Lorentzi faktor γ, matemaatiline suurus, mis osutus tarvilikuks Einsteini relatiivsusteoorias.