Warto przeczytać

Na zamieszczonej tu okładce „Horyzontów” widać dzieci szukające „skarbów” na strychu. Ciekawość nieznanego, która od dziecka nam towarzyszy, staje się później kuźnią wielkich odkryć i kolebką odkrywców. Aby znaleźć – trzeba szukać, aby wymyślić – trzeba myśleć. Ileż to osób przed Archimedesem spędziło w wannie mnóstwo czasu, ale dopiero on zauważył coś, co było warte okrzyku „Eureka!” (znalazłem). Te dzieci też znajdują na strychu „zardzewiałe stare klucze”, które – kto wie? – pomogą im kiedyś „otworzyć zamki” do… nagrody Nobla.

RWv23kUdUHtTu

Rys. 1. Ilustracja poglądowa przedstawia rycinę z wyobrażeniem Archimedesa podczas pracy naukowej. Starszy brodaty mężczyzna widoczny na rycinie pochyla się nad notatkami leżącymi na stole. Lewą ręką dotyka brody, prawą wspiera na globusie. Na stole znajdują się również książki, klepsydra, cyrkiel i inne przyrządy matematyczne, zwierciadło i pióro zanurzone w naczyniu z atramentem. Mężczyzna wyraźnie pochłonięty jest myślami o swojej pracy.

Czym jest odkrycie, w szczególności – odkrycie naukoweodkrycie naukoweodkrycie naukowe? Wymieńmy kilka sformułowań z notatki na ten temat w Encyklopedii PWN. To zdobycie wiedzy o czymś dotychczas nieznanym, stwierdzenie, że prawda jest inna niż wcześniej sądzono, to zaobserwowanie nowych obiektów, sformułowanie nowych praw naukowych, nowej teorii, która obejmuje i rozszerza poprzednie, to ujęcie zbioru faktów w nową uniwersalną formułę. Odkrycie może dotyczyć badań podstawowych, ale też i stosowanych; zwane jest wtedy wynalazkiemwynalazekwynalazkiem. Z odkryciem często wiąże się emocjonalne napięcie twórcy - olśnienie prowadzące do odkrycia jest podobne do natchnienia artysty.

Celem fizyki jest zrozumienie otaczającego nas świata i zjawisk zachodzących w przyrodzie. Kolejne kroki w realizacji tego celu otwierały też kolejne drogi do wykorzystania zdobytej wiedzy i rozwoju innych dziedzin aktywności człowieka. Tak było od zarania dziejów. Chociaż więc ludzie pierwotni nie znali fizyki, to umieli z niej skorzystać w swych działaniach i wynalazkach. Wspomnę tylko o dwóch. Łuk zmienia energię potencjalną sprężystości w energię kinetyczną strzały. Koło zamienia ruch obrotowy na ruch postępowy. Pierwszy z wynalazków oddawał usługi na polowaniach, drugi odgrywał ważną rolę w transporcie. Ludzie spoglądali także w rozgwieżdżone niebo i chcieli zrozumieć regularność zmian dnia i nocy, faz księżyca, pór roku. Tak rodziła się fizyka i astronomia.

Przykładem ośrodka rozwoju fizyki w czasach starożytnych jest na pewno Grecja, a później Aleksandria, gdzie przynajmniej kilka nazwisk zasługuje na wyróżnienie:

• Tales z Miletu – przepowiedział zaćmienie Słońca, obliczył wysokość piramidy, znany jako autor twierdzenia o podziałach odcinków przez pary prostych równoległych (twierdzenie Talesa).

• Pitagoras z Samos – zwrócił uwagę na rolę liczb w opisie zjawisk zachodzących w przyrodzie; autor twierdzenia o długościach boków trójkątów prostokątnych (twierdzenie Pitagorasa).

• Demokryt z Abdery – twierdził, że wszystkie ciała składają się z atomów, które są wieczne i niepodzielne, i które są w ciągłym ruchu.

• Arystoteles – sformułował zasady mechaniki, w których łączył ruch z jego przyczyną, na podobieństwo zasad mechaniki Newtona, oraz zaproponował geocentryczny układ planet.

• Euklides z Aleksandrii – autor „Elementów” – wykładu z geometrii, sformułował zasadę prostoliniowego rozchodzenia się światła oraz prawo odbicia światła (kąt padania równy kątowi odbicia).

• Arystarch z Samotraki – badał ruchy Słońca i Księżyca, wyznaczył ich średnice i promienie orbit, sformułował przypuszczenie, że to Ziemia obiega dużo większe od niej Słońce.

• Archimedes z Syrakuz – autor „prawa Archimedesa”. Większość jego dzieł poświęcona była matematyce. Z fizyki wspomnieć należy także jego rozważania dotyczące działania dźwigni.

• Ptolemeusz z Aleksandrii – twórca geocentrycznego modelu ruchu planet, który przetrwał do czasów Kopernika. Zajmował się także optyką, opisując m. in. zjawisko odbicia i załamania światła.

Średniowiecze uważane jest niekiedy za okres zdominowany przez religię, ale trzeba pamiętać, że właśnie wtedy w Europie zaczęły powstawać uniwersytety. Jednym z pierwszych był Uniwersytet Jagielloński, który założony został w 1364 roku przez Kazimierza Wielkiego jako Akademia Krakowska. M. in. na tej Akademii studiował Mikołaj Kopernik.

RNXcWdeCOXBT8

Rys. 2. Zdjęcie poglądowe przedstawia dziedziniec Collegium Maius Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie. Collegium Maius jest budowlą wzniesioną z kamienia i cegły. Fasada przy ul. Jagiellońskiej ma gotyckie szczyty oraz wykusz. Na dziedziniec, pośrodku którego znajduje się studnia, prowadzi gotycki portal. Dziedziniec obiega ganek, wsparty na krużgankach. Na ganek pierwszego piętra prowadzą dwie pary schodów – większe noszą nazwę profesorskich.

• Mikołej Kopernik – jego dzieło „De revolutionibus orbium coelestium” (O obrotach sfer niebieskich), w którym „wstrzymał Słońce, ruszył Ziemię”, przedstawiając naukowe podstawy układu heliocentrycznego, stało się przełomem w ówczesnym rozumieniu struktury Wszechświata. Warto dodać, że Kopernik „wstrzymał” nie tylko Słońce, ale pokazał, że obserwowane z Ziemi ruchy innych ciał niebieskich nie są rezultatem ich własnego ruchu, ale ruchu Ziemi. Co więcej, za przyczynę ciążenia uważał naturalną dążność ciał do łączenia się, stając się prekursorem idei grawitacji.

• Johannes Kepler – znany jest przede wszystkim jako autor trzech praw nazwanych jego nazwiskiem. W rozważaniach swych odszedł od założenia, że orbity planet są okręgami oraz określił prawa zmiennej prędkości planety na orbicie eliptycznej. On także widział w sile przyciągania się ciał przyczynę sprawczą ruchu obiektów niebieskich i praw tym ruchem rządzących, ale łączył ją raczej z magnetycznymi własnościami ciał.

• Galileo Galilei – powszechnie znane są jego eksperymenty ze spadaniem ciał z krzywej wieży w Pizie. Sformułował prawa swobodnego spadku stwierdzające, że ciała spadają z tym samym przyspieszeniem - niezależnie od ich masy. Zbudował lunetę, nazwaną później jego nazwiskiem, z pomocą której odkrył cztery księżyce Jowisza, plamy na Słońcu i góry na Księżycu. Jego prace potwierdzały poglądy Kopernika i stały się podstawą do sformułowania prawa powszechnej grawitacji przez Newtona.

• Isaac Newton – krąży żart, że odkrył prawo powszechnego ciążenia po tym, jak spadło na niego jabłko z jabłoni, pod którą odpoczywał. Wtedy porównał spadające jabłko do niespadającego Księżyca i metodą logicznego rozumowania („aby wymyślić – trzeba myśleć”) stwierdził, że siła grawitacji musi być proporcjonalna do iloczynu mas przyciągających się ciał i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości pomiędzy nimi. Do niego należy też sformułowanie trzech praw dynamiki, które są podstawą opisu ruchu wszystkich ciał makroskopowych. Zbudowanie zwierciadlanego teleskopu i sformułowanie podstaw rachunku różniczkowego i całkowego nie wyczerpują jeszcze spisu dzieł tego genialnego fizyka, matematyka i filozofa.

Ostatnie wieki to coraz bardziej dynamiczny rozwój badań we wszystkich działach fizyki. Nie sposób przedstawić tu pełną listę odkryć i ich autorów - jakaś selekcja jest konieczna. Wspomnimy tylko kilka nazwisk z dziedziny elektryczności i magnetyzmu. To Charles Coulomb, który sformułował podstawowe prawo elektrostatyki, Michael Faraday, który odkrył zjawisko indukcji elektromagnetycznej, oraz James Clerk‑Maxwell, który sformułował równania opisujące wszelkie zjawiska elektromagnetyczne.

Skupimy się na tych odkryciach, które utorowały drogę do współczesnych poglądów na strukturę materii, od jej największych do najmniejszych składników. Dla Kopernika Wszechświat sprowadzał się do układu planetarnego, a poza nim – sfery gwiazd stałych. Późniejsze obserwacje umiejscowiły Układ Słoneczny w galaktyce nazwanej Drogą Mleczną, która z kolei należy do układu wielu galaktyk wypełniających cały Wszechświat. Wszechświat Kopernika miał punkt centralny – Słońce. Wszechświat współczesny nie ma środka. W swej strukturze jest izotropowyizotropowyizotropowy i jednorodny w sensie średnich gęstości, jasności, rozmiarów, itp. Czy jest także statyczny – niezmienny od zawsze?

Teoria Stanu Stacjonarnego, popularna ponad pół wieku temu, ustąpiła miejsca teorii Wielkiego Wybuchu (Big Bang), według której Wszechświat miał swój początek około 14 miliardów lat temu i od tej pory ustawicznie się rozszerza. Skąd o tym wiemy?

Odkrycie, którego dokonał amerykański astronom Edwin Hubble w latach dwudziestych ubiegłego wieku, miało kluczowe znaczenie dla współczesnego rozumienia ewolucji Wszechświata. Hubble zaobserwował, że światło docierające z odległych obiektów astronomicznych ma systematycznie mniejsze częstotliwości niż należało oczekiwać, a różnica jest tym większa, im dalej dany obiekt się znajduje. Wyznaczył też zależność pomiędzy odległością pomiędzy galaktykami a prędkością, z jaką się od siebie oddalają. Zależność tę nazywa się obecnie prawem Hubble'a. Efekt ten świadczy o rozszerzaniu się Wszechświata i był podstawą sformułowania hipotezy Wielkiego Wybuchu.

Na korzyść hipotezy Wielkiego Wybuchu, świadczy też odkrycie przez amerykańskich uczonych Arno A. Penziasa i Roberta W. Wilsona tzw. mikrofalowego promieniowania tła, które wypełnia cały Wszechświat i którego widmo ma rozkład promieniowania ciała doskonale czarnego o temperaturze ok. 2,7 K (kelwina). , Zgodnie z hipotezą Wielkiego Wybuchu, promieniowanie to jest pozostałością po wczesnych etapach ewolucji Wszechświata. Wykryta później anizotropia tego promieniowania, jak również wyniki innych pomiarów, na przykład dotyczących soczewkowana grawitacyjnego, dodatkowo to potwierdzają.

R1Am7mnXBUGHq

Rys. 3. Ilustracja pokazuje rozkład temperatur mikrofalowego promieniowania tła mierzonych w różnych kierunkach na niebie. Sklepienie niebieskie przedstawione jest w postaci obszaru ograniczonego poziomą elipsą. Obszar wypełniony jest małymi plamkami w różnych kolorach: granatowym, niebieskim, żółtym, pomarańczowym i czerwonym. Kolory plamek odpowiadają różnym temperaturom promieniowania tła – granatowa barwa to najniższa temperatura, czerwona barwa to najwyższa temperatura. Zarówno najwyższa, jak i najniższa temperatura bardzo mało różni się od średniej temperatury 2,7 kelwina.

Spójrzmy teraz na drugi kraniec struktury materii i wymieńmy te odkrycia, które zmieniały poglądy ludzi na to, co „na świecie najmniejsze”. Starożytne poglądy o atomach wiecznych i niepodzielnych przetrwały prawie do końca XIX wieku. W międzyczasie umożliwiały zrozumienie wielu zjawisk dotyczących własności cieplnych, chemicznych i elektrycznych substancji. Zasadniczą cechą atomu było to, że - zgodnie z greckim źródłosłowem - miał być „niepodzielny”. Była nawet sugestia, by polskim odpowiednikiem słowa „atomy” było wdzięcznie brzmiące słowo „niedziałki”. Jak wiemy, nie przyjęło się, i to z zasadniczej przyczyny – owa niepodzielność nie wytrzymała konfrontacji z eksperymentem.

Atomy posiadają wewnętrzną strukturę, co potwierdziły kolejne odkryciaodkrycie naukoweodkrycia o kluczowym dla rozwoju fizyki znaczeniu. Jako pierwsze należy wymienić odkrycie promieniotwórczości przez Henri Becquerela w 1896 roku. Mówi się niekiedy, że odkrycia tego dokonał przez przypadek. Jest to prawdą o tyle, że było ono dla niego niespodzianką, bowiem badał efekty świecenia niektórych minerałów po wcześniejszym ich naświetleniu światłem słonecznym. Tymczasem zaobserwował, że sole uranu zaczerniają kliszę fotograficzną także wtedy, gdy nie są wcześniej naświetlane, czyli samorzutnie emitują jakieś nieznane promieniowanie.

Na ile był to jednak przypadek? Gdyby nie prowadził badań, które wymagały umieszczenia kliszy światłoczułej w pobliżu soli uranu, gdyby tej kliszy potem nie wywołał, niczego by nie zobaczył. („aby znaleźć – trzeba szukać...” ☺) Inna sprawa, że Becquerel nie docenił swego odkrycia. Przypuszczając, że jest to promieniowanie podobne do tego, które odkrył Roentgen, wrócił do badania fluorescencji. Tymczasem przybyła z Polski Maria Skłodowska‑Curie wraz ze swym mężem Piotrem Curie badała szczegółowo ten nowy rodzaj promieniowania. Doprowadziło ich to wkrótce do odkrycia pierwszych pierwiastków radioaktywnych, którym nadali nazwy: polon, i rad. Za te odkrycia otrzymali wraz z Becquerelem nagrodę Nobla w 1903 roku.

R2QQNp2igEc5C

Rys. 4. Na zdjęciu pokazano laboratorium, a w nim stół, na którym stoją elementy aparatury badawczej. Przy stole siedzi Maria Skłodowska‑Curie, obserwuje aparaturę. Ubrana jest w białą bluzkę z falbanami. Obok stoi Piotr Curie – opiera rękę na jednym z przyrządów. To przystojny mężczyzna z brodą, ubrany w surdut.

Nie trzeba było długo czekać na następne odkrycia. Emitowane przez rad cząstki alfa wykorzystał Ernest Rutherford, by bombardować nimi bardzo cienką folię ze złota, co doprowadziło go do odkrycia prawie punktowego jądra atomowego, skupiającego prawie całą masę atomu. Wcześniej odkrył gaz promieniotwórczy – radon - i podał prawo rozpadu promieniotwórczego, później odkrył reakcje jądrowe. Zarówno w rozpadach, jak i reakcjach jądrowych następuje przekształcanie się jednych pierwiastków chemicznych w drugie, co definitywnie pogrzebało tezę o atomie wiecznym i niepodzielnym. Zaproponowany przez Rutherforda „planetarny” model atomu, w którym wokół dodatnio naładowanego jądra krążą ujemnie naładowane elektrony - na podobieństwo planet wokół Słońca - nie był jednak realistyczny. Zgodnie z prawami elektrodynamiki, elektrony, krążąc wokół jądra musiałyby emitować energię, co uniemożliwiałoby istnienie stabilnego atomu.

Przełom wieków dziewiętnastego i dwudziestego obfitował jednak nie tylko w rewolucyjne wyniki doświadczeń. Przełom następował również w fizyce teoretycznej. Aby to sobie uzmysłowić, zwróćmy najpierw uwagę, że w końcu dziewiętnastego wieku panowała o fizyce powszechna opinia jako o nauce kompletnej, w której wszystko zostało już wyjaśnione i nie ma już nic więcej do odkrycia. Kilka drobnych kwestii, np. nie do końca wyjaśnione widmo promieniowania termicznego, wymagało – jak sądzono – niewielkich korekt.

Taką korektę (wcale nie niewielką!) zaproponował pod koniec 1900 roku Max Planck. Aby jednak uzasadnić jej wprowadzenie, założył, że absorpcja i emisja promieniowania zachodzi nie w sposób ciągły, ale porcjami o energii $E=h\cdot\nu$, gdzie $h$ jest pewną stałą (nazwaną później stałą Plancka), a $\nu$ jest częstotliwością fali świetlnej. Ogłosił to 14‑go grudnia 1900 roku na posiedzeniu Niemieckiego Towarzystwa Fizycznego w Berlinie. Ta data jest obecnie uważana za narodziny teorii kwantów.

Pięć lat później, w 1905 roku, Albert Einstein opublikował serię prac, które stały się przewrotem w fizyce. Zmieniły pojęcia czasu i przestrzeni, łącząc je w jedną czasoprzestrzeń, w której nie ma czasu absolutnego. Połączyły masę $m$ z energią $E$ zależnością $E=mc^{2}$, gdzie współczynnikiem jest uniwersalna stała fizyczna – nieprzekraczalna prędkość światła $c$. W ten sposób narodziła się nowa teoria fizyczna – szczególna teoria względności. Zmieniło się też rozumienie natury materii i promieniowania przez dopuszczenie, że fale zachowują się jak cząstki. To - w dalszej konsekwencji, zgodnie z hipotezą Louisa de Broglie’a - pokazało, że cząstki mogą zachowywać się jak fale. Późniejsze prace Einsteina pokazały związek własności czasoprzestrzeni z grawitacją, co stało się przedmiotem ogólnej teorii względności.

Teoria kwantów i teoria względności to dwa filary rozwoju fizyki w dwudziestym wieku. Szczególna teoria względności opisuje ruch obiektów przy prędkościach bliskich prędkości światła. Teoria kwantów – oddziaływania najmniejszych składników materii, atomów i ich struktur wewnętrznych, gdzie załamuje się opis klasyczny. Równanie Newtona po przejściu do mechaniki kwantowej - w pewnym sensie - zastąpione jest równaniem Schrödingera. Jego relatywistyczne uogólnienie zaś - a przy prędkościach bliskich prędkości światła – równaniem Diraca.

Odkrycie jądra atomowego i przemian jądrowych, a równocześnie rozwój teorii kwantów, spowodowały lawinę badań i odkryć dotyczących zarówno strony eksperymentalnej, jak i teoretycznej. Planetarny model Rutherforda zastąpiono modelem Bohra, w którym elektrony zajmują orbity stacjonarne nie emitując energii, zaś przeskok z orbity na orbitę wiąże się z emisją porcji promieniowania elektromagnetycznego. Wytłumaczono w ten sposób wiele obserwacji rejestrowanych wcześniej widm atomowych. Mimo tego drobnego sukcesu, model Bohra został skutecznie (i zasłużenie) wyparty przez mechanikę kwantową.

Odkrycie jądra atomowego otworzyło nową dziedzinę wiedzy – fizykę jądrową, której burzliwy rozwój doprowadził do wielu odkryć stanowiących kolejne stopnie w rozumieniu struktury jądra i procesów jądrowych. Łączy się z tym cała plejada nazwisk i… nagród Nobla. Wymienimy tu tylko odkrycie sztucznej promieniotwórczości przez Irenę i Fryderyka Joliot‑Curie w 1934 roku oraz uruchomienie pierwszego reaktora jądrowego przez zespół, którym kierował amerykański fizyk włoskiego pochodzenia – Enrico Fermi. Przemiany jąder atomowych i reakcje jądrowe przy coraz wyższych energiach ukazały z kolei ogromną różnorodność obiektów mikroświata. Okazało się, że lista najmniejszych składników materii, które nazwano cząstkami elementarnymi, jest bardzo bogata. Dwudziesty wiek to także lawina odkryć nowych cząstek elementarnych i czas badania ich własności.

Poszukiwania cząstek prawdziwie elementarnych, zwanych cząstkami fundamentalnymi, szły dwiem drogami - poprzez nowe eksperymenty i rozwój teorii. Hipotezę kwarków jako elementarnych składników struktury materii wysunęli w 1964 roku Murray Gell‑Mann i George Zweig. Eksperymentalnym potwierdzeniem były pomiary wykonane w laboratorium SLAC w USA, gdzie - podobnie jak kiedyś w doświadczeniu Rutherforda odkryte zostało jądro atomowe - odkryta została wewnętrzna struktura protonu.

Współczesna teoria cząstek elementarnych, zwana Modelem Standardowym, opisuje strukturę i oddziaływania materii na poziomie jej elementarnych składników. Składnikami tymi są wspomniane już kwarki oraz leptony, do których należy elektron. Z trójek kwarków zbudowane są protony i neutrony, które są składnikami jąder atomowych. Jądra atomowe wraz z elektronami tworzą atomy, z atomów składają się cząsteczki związków chemicznych, które tworzą struktury materii ożywionej i nieożywionej. Materia ta tworzy planety i inne obiekty kosmiczne, które składają się na galaktyki i całą rozmaitość Wszechświata.

Czy zatem już wszystko wiemy i możemy fizykę uważać za naukę zamkniętą, jak to przypuszczano w końcu XIX wieku? Nie! Tego błędu już nie popełnimy. Dopiero kilka lat temu odkryto bozon Higgsa – nośnik pola nadającego masę cząstkom fundamentalnym, poszukiwany od dziesięcioleci. Wciąż nie wiemy, gdzie podziała się antymateria. Nie wiemy, czym jest ciemna materia i ciemna energia, których istnienie jest potrzebne do wyjaśnienia efektów obserwowanych w kosmosie. Listę niewiadomych można kontynuować.

Ktoś kiedyś powiedział – „Najważniejsze jest, że wiemy, że wiele jeszcze nie wiemy”.

Czy się tym martwić? Patrząc na dzieci szukające z zapartym tchem skarbów na strychu i na nieopanowaną radość Archimedesa – możemy śmiało powiedzieć:

Czyż to nie wspaniałe, że tyle jest jeszcze do odkrycia?

Słowniczek