Warto przeczytać

Na początek – mała dygresja. Maria używa słowa „czynny” tam, gdzie dziś powiedzielibyśmy „radioaktywny”. Ona jednak nie mogła tak powiedzieć - gdy to pisała, słowo „radioaktywny”… nie istniało. To ona wprowadziła je do opisu nieznanej dotychczas własności materii.

Nieznanej - nikt nie znał, nikt nie badał – bo nawet odkrycie przez Becquerela zjawiska promieniotwórczości nie spowodowało większego zainteresowania tą tematyką. Dopiero spostrzeżenie Marii zawarte w słowach „Aktywność tych minerałów nie miałaby w sobie nic zadziwiającego, gdyby była proporcjonalna do ilości zawartego w nich uranu lub toru. Ale tak nie było.” stało się podstawą zdefiniowania nowego problemu badawczegoProblem badawczyproblemu badawczego, którego celem było wyjaśnienie przyczyny tej aktywności promieniotwórczej niektórych minerałów.

Jest to znakomity przykład, by pokazać, jak rodzi się problem badawczyProblem badawczyproblem badawczy.

Rzadko rodzi się przez przypadek, choć i to może się zdarzyć. Odkrycie Becquerela miało wprawdzie znamiona przypadku, gdyby jednak nie badał on zjawisk fluorescencji, nie zdarzyłoby się.

Maria prowadziła systematyczne badania nowoodkrytego zjawiska. Przebadała cały szereg minerałów, określając przy tym zarówno ich promieniotwórczość, jak i zawartość w nich uranu i toru, a także analizując zależności pomiędzy oboma tymi wielkościami. Jej spostrzeżenie nie było dziełem przypadku, ale świadomego działania.

Uogólnijmy:

1. Przyczyną formułowania się problemu badawczegoProblem badawczyproblemu badawczego jest obserwacja nieznanego wcześniej zjawiska, brak wyjaśnienia zależności pomiędzy obserwowanymi wielkościami, rozbieżność pomiędzy wynikami pomiarów i obliczeń, poszukiwania przewidywanych przez teorię obiektów lub zjawisk itd.

2. Niezbędna jest przy tym znajomość aktualnego stanu wiedzy w dziedzinie, której problem dotyczy, aby uniknąć formułowania pseudo‑problemów, czyli takich, które już dawno zostały rozwiązane, albo ich rozwiązanie jest oczywiste i nie wymaga prowadzenia specjalnych badań.

3. Problemem badawczymProblem badawczyProblemem badawczym jest poszukiwanie odpowiedzi na pytania wynikające z wymienionych wyżej lub podobnych im przyczyn, przy założeniu znajomości aktualnego stanu wiedzy w dziedzinie, której problem dotyczy.

Z pojęciem problemu badawczego związane jest drugie pojęcie, które w naturalny sposób rodzi się w umysłach badaczy, kiedy formułowany jest problem badawczy. Pojęciem tym jest hipoteza badawczaHipoteza badawczahipoteza badawcza.

Hipoteza badawcza to przypuszczenie/pomysł/propozycja rozwiązania danego problemu badawczego w całości albo w jego części, bowiem czasami rozwiązanie wymaga kilku hipotez. Najczęściej hipoteza ma postać twierdzenia warunkowego typu „jeśli A, to B”. W naszym przykładzie (A) to obserwacja Marii, że promieniotwórczość badanej próbki nie jest proporcjonalna do ilości zawartego w niej uranu lub toru, a (B) – przypuszczenie, że w takim razie musi w niej być zawarta substancja nieznana, ale bardzo czynna.

My zaś możemy powiedzieć, że poprawnie sformułowana hipoteza badawcza powinna:

• stanowić próbę odpowiedzi/wyjaśnienia/rozwiązania całości lub niektórych elementów danego problemu badawczego,

• być wyrażona w sposób jednoznaczny i wewnętrznie niesprzeczny,

• być weryfikowalna, tzn. umożliwiać sprawdzenie jej słuszności poprzez wykonanie odpowiedniego badania weryfikującego.

W tym miejscu można już zdradzić, na co nalegał Piotr – mąż Marii. Nalegał, by jak najszybciej przystąpić do prac nad wyodrębnieniem z rud uranowych nieznanej substancji, a następnie nad zbadaniem jej własności. Wiedział, że przypuszczenie Marii jest tylko hipotezą, a hipotezę należy koniecznie zweryfikować. Nie wiedział natomiast jeszcze wtedy, że chodzi o odkrycie nowych pierwiastków chemicznych, co będzie uhonorowane nagrodą Nobla.

Sprawdzeniem słuszności hipotezy badawczej jest zwykle eksperyment. Jak już wspominano w e‑materiale „Jak definiuje się eksperyment?” – „eksperyment jest dziełem unikalnym”. Oznacza to w praktyce, że należy wykonywać pomiary przez nikogo jeszcze nie wykonywane, a to często wymaga znalezienia nowych urządzeń i metod pomiarowych. Eksperyment jest więc „kuźnią” wynalazków.

Maria pisze o tym tak: „Ponieważ nie znaliśmy z początku żadnej z cech chemicznych nieznanej substancji, lecz to tylko, że wysyła promieniowanie, więc za pomocą tych promieni szukać jej należało. Do zwykłych metod chemicznych dodaliśmy ponadto badanie poszczególnych części tej rudy na radioaktywność za pomocą czułego przyrządu elektrycznego”.

Ry9d68FEfyFV8

Rys. 1. Ilustracja przedstawia czarnobiałe zdjęcie, na którym widoczni są Maria Skłodowska‑Curie i Piotr Curie podczas prac laboratoryjnych. Na ilustracji widoczne jest pomieszczenie laboratoryjne a w nim stół, na którym widoczna jest waga oraz odważniki w postaci cylindrycznych, ołowianych elementów o różnej wielkości. Po prawej stronie stoły, na krześle siedzi kobieca postać, ubrana w białą sukienkę. Kobieta przy stole to Maria Skłodowska‑Curie. W trakcie wykonywania zdjęcia, nasz noblistka uchwycona została w trakcie pomiaru o czym świadczy wzrok wpatrzony w wagę oraz trzymane w rękach dwa odważniki. Po lewej stronie ilustracji, za stołem widoczna jest męska postać Piotra Curie. Mężczyzna ubrany jest w białą koszulę, krawat i ciemną marynarkę. Postać Piotra Curie spogląda w obiektyw aparatu.

Oznacza to również, że wynik eksperymentu może, ale wcale nie musi, potwierdzić postawioną hipotezę. W obu przypadkach wynik jest jednak wartościowy, bo nawet jeśli ją obala, to stanowi inspirację do znalezienia nowej hipotezy i dalszych badań, aż do osiągnięcia celu badań – czyli rozwiązania problemu badawczego.

Problem badawczy jest podstawą nowego przedsięwzięcia naukowego, czyli programu (projektu) badań. Sformułowanie projektu badań musi zawierać odpowiedzi na kilka zasadniczych pytań:

• Co uzasadnia podjęcie planowanych badań?

• Jaki jest cel badań – na jakie pytania zamierzamy odpowiedzieć?

• Jak te badania zamierzamy realizować, czyli określenie metody i aparatury badawczej.

Przed chwilą wymieniliśmy główne elementy badań naukowych. Teraz powiem Ci o tym więcej na przykładzie konkretnego problemu naukowego i konkretnej hipotezy badawczej.

Najpierw jednak chcę Cię zabrać na wycieczkę, której trasa będzie niezwykła, o czym wkrótce się przekonasz. Zobacz fotografię poniżej (Rys. 2.).

R1XSc5LS5YX5D

Rys. 2. Ilustracja przedstawia zdjęcie wykonane z samolotu, na którym widoczny jest fragment Jeziora Genewskiego oraz żółty okrąg na tle powierzchni ziemi symbolizujący położenie Wielkiego Zderzacza Hadronów. W lewej i górnej części zdjęcia widoczny jest fragment Jeziora Genewskiego. Pozostałą część ilustracji zajmuje obraz lądy z polami, łąkami i lasami na tle którego widoczny jest okrąg narysowany żółtą i ciągłą linia. Okrąg symbolizuje położenie akceleratora cząstek należącego do kompleksu wielkimi literami CERN. Długość tunelu w kształcie torusa stanowiącego główna część Wielkiego Zderzacza Hadronów to dwadzieścia siedem kilometrów. W górnej i prawej części zdjęcia widoczna jest Genewa a na horyzoncie zarysowane są Alpy i z najwyższym szczytem Mont Blanc.

A teraz zobacz to samo, ale pokazane… z dołu (Rys. 3.). Też widzisz okrąg, ale pod ziemią.

RdHzwVk6TDRUh

Rys. 3. Ilustracja przedstawia rysunek, na którym widoczny jest schematyczny widok Wielkiego Zderzacza hadronów wielkimi literami LHC wybudowanego pod Genewą w Szwajcarii. Ilustracja podzielona jest na dwie części, górną i dolną. W górnej części przedstawiona została zielona powierzchnia ziemi z zaznaczonymi granicami państw. W lewej części widoczne jest terytorium Szwajcarii a w prawej Francji. Po lewej i prawej stronie ilustracji narysowano ciemniejszym kolorem Alpy. Na powierzchni ziemi opisano schematycznie położenie ośrodka wielkimi literami CERN w centralnej części ilustracji, nieco po prawej stronie, blisko granicy Szwajcarii i Francji. Nieco niżej zaznaczono położenie eksperymentu wielkimi literami ATLAS, po prawej stronie położenie eksperymentu ALICE, po lewej stornie położenie wielkiego zderzacza hadronów wielkimi literami LHC a na dole po prawej stronie położenie eksperymentu wielkimi literami CMS. W dolnej części widoczny jest schematyczny przekrój tego co znajduje się pod powierzchnią przedstawionego terenu. W brązowej otoczce symbolizującej glebę widoczny jest prostopadłościenny otwór, na którego dolnej podstawie narysowano szarym kolorem okrąg symbolizujący Wielki Zderzacz Hadronów. Na okręgu tum zaznaczono położenia poszczególnych eksperymentów wykonywanych w ośrodku wielkimi literami CERN i poprowadzono pionowe linie do ich położeń zaznaczonych w górnej części ilustracji.

W rzeczywistości bowiem okrąg na Rys. 2. to tylko graficzna ilustracja, a ten na Rys 3. to prawdziwa rura umieszczona 100 metrów pod ziemią w korytarzu o długości 27 kilometrów. Znajduje się tam największe urządzenie badawcze świata, czyli LHC – „Large Hadron Collider” – Wielki Zderzacz Hadronów, który należy do CERN, czyli Europejskiego Laboratorium Fizyki Jądrowej i Fizyki Cząstek. (Więcej informacji o LHC możesz znaleźć w e‑materiale „Jak za pomocą rysunków i schematów ilustrować zjawiska i problemy?”.)

Teraz pokażę Ci jeszcze aparaturę eksperymentu (Rys. 4.), o którym będzie mowa w wywiadzie przedstawionym na filmie. Eksperyment nosi nazwę ALICE, co pochodzi od słów „A Large Ion Collider Experiment”, czyli Wielki Eksperyment Zderzacza Jonów. Tym zderzaczem jest LHC.

RtkyPRnL75Oji

Rys. 4. Ilustracja przedstawia rysunek, na którym zaprezentowano schemat detektora wielkimi literami ALICE będącego częścią Wielkiego Zderzacza Hadronów. W centralnej części ilustracja widoczny jest przekrój urządzenia składający się z czerwonego płaszcza o przekroju poprzecznym sześciokąta foremnego, wewnątrz którego widoczny jest cylindryczny , poziomy tunel. Wewnątrz tunelu schematycznie narysowano jego elementy składowe w postaci koncentrycznych i współśrodkowych walców. Wewnątrz detektora oznaczono cyframi od jeden do siedemnaście poszczególne części detektora. Z prawej strony detektora widnieją, w postaci niebieskich i prostokątnych elementów ustawionych na poziomej, szarej platformie pozostałe części konstrukcji. W prawym i górnym rogu ilustracji widoczna jest prostokątna wstawka przedstawiająca w powiększeniu detektory wierzchołkowe wielkimi literami ITS i wielkimi literami FMD. Wstawka przedstawia poziomy i cylindryczny element, wewnątrz którego widnieją koncentryczni ułożone części tych detektorów.

Mam świadomość, że nic Ci nie mówią symbole opisujące poszczególne elementy (Rys. 4.). Pozostawiłem je, by zwrócić Ci uwagę, że detektor ten to zespół 17. niezwykle skomplikowanych urządzeń pomiarowych, które pracują zsynchronizowane z dokładnością do miliardowych części sekundy. Każde z nich zbiera inne dane o cząstkach emitowanych w rejestrowanych zderzeniach jądrowych (Rys. 5.).

Zachęcam Cię, by kliknąć w przeglądarce na CERN (https://home.cern/)

R4klpobfjaanG

Rys. 5. Ilustracja przedstawia grafikę, która wizualizuje ślady cząstek powstałych w wyniku zderzenia rozpędzonych w akceleratorze protonów, rejestrowanych w komorze projekcji czasowej, Na ciemnym tle w centralnej części widać miejsce zderzenia dwóch rozpędzonych protonów, w postaci punktu, z którego rozchodzą się na wszystkie strony rozbieżne, kolorowe i zakrzywione w łuki linie. Linie symbolizują ślady cząstek powstałych wskutek zderzenia. Rozchodzących się promieniście linii są tysiące. Różne kolory linii, niebieskie, błękitne, zielone, żółte, czerwone, pomarańczowe i wiele innych symbolizują tory różnego rodzaju cząstek.

Słowniczek