Uczony tym bardziej wyjątkowy, że wszystkie swoje sukcesy osiągnął w ciągu krótkiego, 45-letniego życia i był pewnym kandydatem do Nagrody Nobla. Otrzymali ją jednak dwaj inni uczeni za potwierdzenie przewidywań teoretycznych dotyczących ruchów Browna opracowanych przez Smoluchowskiego oraz Alberta Einsteina.

Marian Smoluchowski urodził się 28 maja 1872 r. w Vorderbrühl pod Wiedniem. Jego ojciec był sekretarzem kancelarii na dworze cesarza Franciszka Józefa. Marian uczył się w prestiżowym Collegium Theresianum, chyba najlepszej szkole średniej w monarchii austrowęgierskiej. W latach 1890-95 studiował na Uniwersytecie Wiedeńskim i ukończył go z wyróżnieniem sub aspicis imperatoris , które mogli otrzymać trzej absolwenci danego rocznika. Na taki splendor zasługiwali jedynie absolwenci, którzy z wyróżnieniem kończyli każdy etap nauczania, a rozprawę doktorską obronili na ocenę celującą.

Przez pierwsze 27 lat życia Smoluchowski mieszkał w Wiedniu, gdzie w 1898 r. rozpoczęła się jego kariera akademicka, kiedy to otrzymał stanowisko Privatdozenta, po uprzedniej habilitacji w tym samym roku. To atmosfera ówczesnego Wiednia i bliska rodzina ukształtowały jego osobowość, sprawiły, że uzewnętrzniły się jego unikalne talenty w różnych kierunkach. Ojciec Wilhelm był kochającym, ale tradycyjnym i zasadniczym człowiekiem. Matka Teofila była osobą bardzo umuzykalnioną, zaszczepiła synowi umiłowanie tradycji i patriotyzmu polskiego. To matka przyczyniła się do tego, że stał się on profesjonalnym pianistą. Wielki wpływ wywarła też na niego w tym czasie siostra matki, Benigna Wolska, która mieszkała w pięknej podmiejskiej części Florencji i także była zawodowym muzykiem – śpiewaczką oraz pianistką. Tam też podczas wizyt Smoluchowski dużo rysował i malował akwarele. Zdolności i dokonania artystyczne przyczyniły się do narodzin unikalnego, klarownego stylu uczonego, który pisał swoje prace głównie po niemiecku, ale także po francusku, angielsku i polsku. Poradnik dla samouków , wydany w roku śmierci (1917), stanowi piękny przykład jego stylu. Piszący te słowa także z niego korzystał jako początkujący student fizyki na UJ pięćdziesiąt lat później.

Zainteresowania naukowe Smoluchowskiego zostały ukształtowane przez jego nauczyciela fizyki w Theresianum, A. Höfflera, z którym przyjaźnił się aż do śmierci. Drugą osobą, z którą był silnie związany od czasów gimnazjum, był Fritz Hasenöhrl, który podobnie jak Smoluchowski ukończył fizykę na uniwersytecie z najwyższą notą. Jednakże największy wpływ na Smoluchowskiego wywarł Ludwig Boltzmann, jeden z twórców fizyki statystycznej, tj. metody opisu zbiorów bardzo wielu cząstek. Należy sobie uświadomić, iż wtedy koncepcja atomowej budowy materii była jedynie hipotezą i to dopiero dzięki takim uczonym jak J.C. Maxwell, L. Boltzmann, A. Einstein i M. Smoluchowski zbudowano podstawy do wszechstronnej weryfikacji doświadczalnej atomistycznej struktury materii, prawdopodobnie największego odkrycia przyrodniczego, na którym opierają się fizyka materii skondensowanej, chemia, biologia molekularna czy nawet elektronika kwantowa ze swoimi wspaniałymi osiągnięciami zastosowań do urządzeń informatycznych.

Boltzmann zaczął wykładać w Wiedniu w 1894 r., zatem Smoluchowski słuchał jego wykładów w okresie kończenia doktoratu. W swoim podejściu do nauki Boltzmann podkreślał jednakową wartość teoretycznych (matematycznych) i doświadczalnych aspektów badań. Smoluchowski podziwiał Boltzmanna i uważał się za jego kontynuatora. Niestety wręcz obsesyjne przywiązanie do koncepcji atomistycznej, którą krytykowali wtedy nawet znakomici uczeni (np. Wilhelm Oswald, późniejszy laureat Nagrody Nobla z chemii), doprowadziło Boltzmanna w przypływie depresji do samobójstwa w 1906 r., i to tuż przed publikacją wyników potwierdzających realność atomów, m.in. dzięki pracom Einsteina i Smoluchowskiego.

Należy także podkreślić wielkie dokonania alpinistyczne Mariana Smoluchowskiego. Ze swoim starszym o cztery lata bratem Tadeuszem (chemikiem) dokonali parę pierwszych przejść zimą w Dolomitach, fascynowali się Alpami i Karpatami Wschodnimi. W tych dwóch ostatnich byli jednymi z pierwszych narciarzy. O znaczeniu gór w swoim życiu Marian Smoluchowski napisał: „Z tego, co dały mi góry, trzy rzeczy uważam za najważniejsze: 1) przyzwyczajenie do podejmowania trudnych zadań, 2) radość z przezwyciężania trudności, 3) zdolność do upiększania codziennego życia przez najwznioślejszą poezję: poezję świata gór”.

Kariera akademicka i naukowa

Po wakacjach 1899 roku Smoluchowski przenosi się na Uniwersytet Jana Kazimierza do Lwowa, gdzie obejmuje katedrę fizyki teoretycznej jako najmłodszy profesor w Austro-Węgrzech. Z kolei w 1901 r. poślubia Zofię Baraniecką, córkę profesora matematyki na UJ. W 1902 r. rodzi się córka Aldona, która także była muzykiem (zmarła w USA w 1984 r.). Miał także syna Romana, który był profesorem fizyki w Stanach (zmarł w 1996 r.). Po mianowaniu na stanowisko profesora zwyczajnego w 1903 r., w wieku 31 lat, jest już uformowany pod względem akademickim i rodzinnym, i rozwija swoją dziedzinę, zakotwiczony we Lwowie aż do 1913 r., kiedy to obejmuje katedrę fizyki doświadczalnej na UJ.

Jego kariera akademicka zaczyna się naprawdę już w latach 1895-98, kiedy to podróżuje naukowo. Pracuje kolejno w laboratoriach: G. Lippmanna w Paryżu (1895/6) – laureata Nagrody Nobla z 1908 r.; Lorda Kelvina w Glasgow (1986/7) – od którego pochodzi jednostka temperatury „kelwin”; Emila Warburga w Berlinie (1897). Lord Kelvin (W. Thomson) miał wkład w prawie każdą uprawianą wówczas dziedzinę fizyki, prowadził prace zarówno doświadczalne, jak i teoretyczne, a laboratorium utrzymywał głównie z patentów i wynalazków. Smoluchowski był oczarowany atmosferą, pracując tam zaczerpnął wiele pomysłów do swoich przyszłych prac. Uniwersytet w Glasgow zresztą przyznał mu doktorat honoris causa w czasie jubileuszu 450-lecia w 1901 r. i to na wydziale prawa! Z wyjazdów należy jeszcze wymienić urlop naukowy w roku akademickim 1905/6 w laboratorium Cavendisha na uniwersytecie w Cambridge (u J.J. Thompsona, odkrywcy elektronu, laureata Nagrody Nobla z fizyki w 1906 r.).

Ruchy Browna i narodziny fizyki statystycznej

Jego pierwsza oryginalna praca, opublikowana w wieku 21 lat, związana była z wewnętrznym tłumieniem w cieczach. Jednakże przełomową była praca z 1906 r. na temat teorii ruchów Browna i roztworów mętnych. Ruchy Browna to charakterystyczne ruchy zawiesin zaobserwowane pod mikroskopem przez szkockiego biologa Roberta Browna w 1827 r. Badał on spontaniczne i przypadkowe ruchy pyłków kwiatowych w roztworze. W owym czasie ruch rozumiano jako systematyczne poruszanie się ciała pod wpływem zewnętrznej siły. Nagle okazuje się, że cząstki wykonują zygzakowate, przypadkowe ruchy w spokojnej cieczy, kiedy wypadkowym ruchem winien być spoczynek, czyli stan równowagi o określonej energii. Tymczasem te kropelki, jakbyśmy dziś powiedzieli, o rozmiarze mezoskopowym, zachowują się tak jakby nabywały energii kinetycznej znikąd. Co więcej, ich tarcie o ciecz, czyli lepkość, winna tym bardziej doprowadzić do ich spoczynku.

Genialnym pomysłem Einsteina (1905) i niezależnie Smoluchowskiego (1906) było to, że roztwór stanowią atomy (a właściwie molekuły wody), które są rozmiaru dużo mniejszego niż pyłkowa zawiesina, i poruszając się uderzają w pyłek z różnych stron. A ponieważ wykonują ruch chaotyczny, więc można sobie wyobrazić, że w danym momencie liczba atomów uderzających powiedzmy z lewej różni się od liczby tych uderzających z prawej i jeśli tylko ta różnica jest powyżej pewnego progu, to wprowadzi to pyłek w ruch. A ponieważ atomy są malutkie i szybciutkie na skali naszych bezpośrednich obserwacji wzrokowych, więc kierunek tej przypadkowej siły zmienia się co chwilę. Dodatkowo pyłek ma pewną masę, a więc i bezwładność ruchu, stąd rolę hamulca odgrywa siła lepkości (tarcia) pyłku o otaczające go morze atomów. Po ponownym zatrzymaniu pyłku historia się powtarza, ale następny skok ma zazwyczaj miejsce w innym kierunku. Obaj uczeni pokazali, że tzw. kwadrat średniego wychylenia pyłku po krokach ze stanu początkowego jest liniową funkcją czasu (N) i zależy także od temperatury środowiska. Jest tak, ponieważ średnia energia kinetyczna jest wprost proporcjonalna do temperatury układu (mierzonej w kelwinach).

Jak widać, w analizę mechaniczną obiektu o rozmiarze mezo włączyliśmy ruch przypadkowy znacznie mniejszych obiektów (mikro). Innymi słowy, wprowadzone zostały pojęcia z rachunku prawdopodobieństwa (ruch przypadkowy) na poziomie podstawowym, co oznacza zmianę paradygmatu myślenia o całej Przyrodzie. Podkreślam, istnienie atomów nie było wtedy jeszcze udowodnione eksperymentalnie. Niewątpliwie Smoluchowski był, obok Boltzmanna i Einsteina, twórcą sprawdzalnych przewidywań dotyczących podstaw natury atomistycznej materii. Nie możemy się tutaj wdawać w szczegóły tej specjalistycznej analizy matematycznej problemu, która przestudiowana ukazuje dopiero swoje prawdziwe piękno. Ograniczymy się tylko do uwag ogólnych. Po pierwsze, używając słowa „teoria” w fizyce i w innych naukach ścisłych, mamy na myśli nie tylko koncepcje czysto słowne czy matematyczne. Mamy w równym stopniu na myśli dokładną weryfikację doświadczalną ilościowych przewidywań teorii. Za każdą teorią fundamentalną w nauce stoją tysiące żmudnych i genialnych badań sprawdzających, a w szczególności falsyfikujących teorię. Nauka to nie religia (i na odwrót) i nigdy się nią nie stanie, z korzyścią dla obu tych rozłączonych dziedzin, a przynajmniej dla nauki.

Fluktuująca materia Wszechświata

Podejście Smoluchowskiego do teorii ruchów Browna było ogólniejsze niż bardziej modelowe podejście Einsteina. W istocie Marian Smoluchowski był jednym z twórców całej nowej dziedziny matematycznej, zwanej teorią procesów stochastycznych (przypadkowych). Jej głównym celem jest badanie dynamiki, czyli ewolucji w czasie takich procesów przypadkowych. Łatwo zatem sobie wyobrazić, że taka dziedzina dotyczyć może nawet takich procesów jak propagacja epidemii, ewolucja fluktuacji notowań na giełdzie, ale też procesów sedymentacji i to nawet w układach geologicznych. W związku z tym prace Smoluchowskiego są uniwersalne i cytowane do dziś.

Te pierwsze prace skłoniły Smoluchowskiego do głębokiej analizy uniwersalności zjawisk fluktuacji termodynamicznych, a w szczególności do reinterpretacji drugiego prawa termodynamiki, zwłaszcza jego wymowy, że naturalnym kierunkiem procesów w Przyrodzie jest ten od porządku do chaosu. Czytelnik może znać popularną wersję tej zasady w postaci hipotezy śmierci cieplnej Wszechświata. Powstający lokalnie porządek odbywa się kosztem jego znacznego pogorszenia w pozostałej części układu. Tak przynajmniej powinno być, jeśli uważamy Wszechświat za układ zamknięty i dążący do absolutnej równowagi. Dziś wiemy, iż tak nie zawsze musi być.

W tej tematyce Smoluchowski kontynuował podstawowe prace nad statystycznym znaczeniem (w języku atomowym) nieodwracalności termodynamicznej. Wygłosił na ten temat serię trzech pięknych wykładów w 1916 r. na uniwersytecie w Getyndze, zatytułowanych: Granice stosowalności drugiej zasady termodynamiki . Jako doktorant byłem pod ich wielkim wrażeniem.

Ażeby zilustrować rolę chaosu atomowego i fluktuacji, Smoluchowski posłużył się następującymi dwoma przykładami. Wyobraźmy sobie, że mamy 1 cm3 powietrza w warunkach normalnych. Czas zmiany stężenia tlenu w tej objętości o 1% zajmie niewyobrażalne (1010)14 = 10140 sekund! Jednakże, jeśli mamy objętość 10 µm3 = 10-11 cm3, która zawiera jeszcze około 100 mln molekuł, wtedy czas takiej zmiany wynosi 10-11 s, jedną stumiliardową sekundy. Te fluktuacje gęstości molekuł tlenu i azotu tłumaczą także błękit nieba oraz czerwień słońca o zachodzie. Są to już jednak bardziej specjalistyczne zagadnienia, które szczegółowo rozpracował Marian Smoluchowski.

Epilog

Marian Smoluchowski zmarł 5 września 1917 r. zakażony czerwonką po wypiciu wody z potoku Biały Prądnik pod Krakowem. Dzisiaj wystarczyłby zastrzyk… Dopiero co objęty urząd rektora Uniwersytetu Jagiellońskiego sprawował tylko przez pięć dni. Wybrańcy bogów umierają młodo?

Konkludując, zacytuję stwierdzenie autora z Poradnika dla samouków : „W ogóle nauka temu najpiękniejsze przynosi owoce, kto się jej poświęca całą duszą i kto umie przejąć się jej problematami. Dlatego też radzimy tym, którym okoliczności nie pozwalają oddać się jej całkowicie, żeby nauką zajmowali się choćby krótko, ale intensywnie i bez względów ubocznych, bo krótkowzroczny utylitaryzm okazuje się na tym polu dziwnie bezowocnym”. Innymi słowy, czym różni się człowiek, który zaczął i nie skończył, od tego, który w ogóle nie zaczął?

W artykule korzystałem z wykładów prof. Ewy Gudowskiej-Nowak z Instytutu Fizyki UJ, prof. Bogdana Cichockiego z Instytutu Fizyki Teoretycznej UW oraz dr. hab. Pawła Góry z IF UJ, wygłoszonych z okazji obchodów Roku Smoluchowskiego we wrześniu 2017 r. w Krakowie. Bardzo pomocne były też materiały przygotowane przez dr. Macieja Kluzę z Muzeum UJ w Collegium Maius oraz p. Marię Pawłowską z Biblioteki WFAiS UJ, zatytułowane Pod przewodnią gwiazdą nauki , a także zbiór wybranych prac Mariana Smoluchowskiego pod redakcją B. Cichockiego. Polecam także zbiór artykułów w tomie Wkład polskich uczonych do fizyki statystyczno-molekularnej , pod redakcją Tadeusza Piecha (Ossolineum, 1960).