Słynny fizyk Richard Feynman stwierdził kiedyś, że gdyby zaszła potrzeba zredukowania całej historii nauki do jednego zdania, to brzmiałoby ono: "Wszystkie rzeczy są zrobione z atomów". Atomy stanowią wszystko co nas otacza, zaczynając od solidnych przedmiotów takich jak ściany, stoły i sofy, a kończąc na powietrzu. Ich ilość przekracza wszelkie wyobrażenia.Wszys
Podstawowy układ atomów stanowi cząsteczka, zwana też molekułą. Składa się z przynajmniej dwóch atomów, ułożonych w stabilnej konfiguracji np. połączone dwa atomy wodoru i jeden tlenu to molekuła wody. Chemicy traktują molekuły, a nie atomy jako podstawowe elementy budowy materii. Na poziomie morza w temp. 0 stopni Celsjusza jeden centymetr sześcienny powietrza (czyli objętość mniej więcej kostki cukru) zawiera 45 miliardów miliardów molekuł. Krótko mówiąc atomy są bardzo liczne i rozpowszechnione.
Są też fantastycznie trwałe. Nasze ciała są zbudowane z takiej dużej liczby atomów, a po śmierci są tak energicznie poddawane redystrybucji, że znaczna liczba atomów każdego z nas należała kiedyś do Szekspira, Buddy, Beethovena i dowolnej postaci historycznej, którą mamy ochotę wymienić. Jednak osoby te muszą pochodzić z wystarczająco odległej historii, ponieważ procesy recyklingu potrzebują kilkudziesięciu lat, aby dokonać równomiernej redystrybucji; niestety nie jesteśmy jeszcze tożsami z Elvisem Presleyem). Gdy umieramy nasze atomy rozdzielają się i znajdują sobie inne miejsca: w liściu trawy, w innej istocie ludzkiej, w kropli wody. My giniemy, ale nasze atomy są praktycznie niezniszczalne. Atomy są nie tylko trwałe, lecz także niezwykle małe. Pół miliona atomów ustawionych w rzędzie nie wystarczyłoby do pokrycia szerokości ludzkiego włosa. Rozmiarów pojedynczego atomu nie sposób sobie wyobrazić.
Rozpowszechnienie i niezwykła trwałość atomów nie zmienia faktu, że bardzo trudno je wykryć, a jeszcze trudniej zrozumieć. Koncepcja atomowej struktury przebiła się do powszechnej świadomości dopiero w osiemnastym wieku dzięki niepozornemu i słabo wykształconemu kwakrowi o nazwisku John Dalton.
Dalton urodził się w 1766 roku w Eaglasfield w rodzinie ubogich tkaczy. Był wyjątkowo bystrym uczniem, do tego stopnia, że w nieprawdopodobnie młodym wieku dwunastu lat kierował już lokalną szkołą. W wieku piętnastu lat podjął pracę w pobliskiej miejscowości Kendal, a dziesięć lat później przeniósł się do Manchesteru, skąd nie ruszył się prawie wcale przez pozostałe 50 lat życia. Również w Manchasterze zapracował na reputację tytana intelektu, pisząc książki i artykuły na rozmaite tematy, od meteorologii po gramatykę. Badał między innymi ślepotę barw, schorzenie, które dotknęło jego samego i które od niego nosi nazwę daltonizm. Repurację Daltona ugruntowała jednak opasła książka zatytułowana A New System of Chemical Philosophy, która ukazała się w 1808 roku.
Jeden niewielki rozdział, liczący zaledwie pięć stron (spośród 900) Dalton poświęcił atomom. Jego prosta, lecz dalekosiężna idea polegała na tym, że cała materia składa się z niezmiernie małych, niezniszczalnych cząstek. Ani sama idea atomów, ani nawet nazwa nie była nowa. Jedno i drugie stworzyli starożytni Grecy. Wkład Daltona polegał na tym, że badał on względne rozmiary i cechy atomów, a także ich związki. Wiedział na przykład, że wodór jest najlżejszym pierwiastkiem, więc przypisał mu masę atomową równą 1. Sądził również, że woda składa się z tlenu i wodoru w proporcji 7:1, więc przypisał tlenowi masę równą 7. W ten sposób zdołał ustalić względne masy znanych wówczas pierwiastków. Wyniki jego badań nie zawsze były oszałamiająco dokładnie - masa tlenu wynosi w rzeczywistości 16, a nie 7 - lecz zasada okazała się słuszna i stała się podstawą całej chemii i w ogóle całej współczesnej nauki.
Przez ponad wiek od sformułowania przez Daltona jego teorii miała ona czysto hipotetyczny status, a całkiem spora liczna uczonych powątpiewała lub wręcz kwestionowała istnienie atomów. Pierwszego bezspornego dowodu na ich istnienie dostarczył w 1905 roku Einstein w swoim artykule na temat ruchów Browna. Artykuł nie zwrócił niczyjej uwagi, a sam Einstein niebawem zajął się czymś innym (konstruowaniem ogólnej teorii względności), więc prawdziwym bohaterem ery atomowej, jeśli nie najwybitniejszym w ogóle, został Ernest Rutherford. Urodził się w 1871 roku na farmie w Nowej Zelandii. Jego rodzice wyemigrowali ze Szkocji. Dorastając w odległym zakątku małej wyspy położonej na końcu świata, Ruthenford był najdalej, jak to tylko możliwe, od głównego nurtu nauki, lecz w 1895 roku wygrał stypendium, dzięki czemu znalazł się w Cavendish Laboratory w Cambridge, które właśnie miało stać się głównym ośrodkiem fizyki na świecie.
Rutherford miał szczęście. Nie tylko dlatego, że był geniuszem, lecz także i z tego powodu, że w jego czasach fizyka i chemia były bardzo ekscytujące i spokrewnione. Już nigdy nie będą się tak wygodnie przekrywać. Swoje wielkie odkrycia zawdzięczał w znacznej mierze gotowości do poświęcenia wielu nudnych godzin na spoglądanie w ekran i liczenie scyntylacji (tak nazwano błyski wywoływane przez cząstki alfa) - pracy która zazwyczaj zleca się komuś innemu. Był jednym z pierwszych, a być może nawet pierwszym człowiekiem, który dostrzegł, że energia ukryta w atomie może zostać wykorzystana do zbudowania bomb o mocy wystarczającej, aby "cały ten świat poszedł z dymem".
Na początku dwudziestego wieku było już wiadomo, że atomy są zbudowane z części – przesądziło o tym odkrycie elektronu przez J.J. Thomsona – lecz nikt nie wiedział, z ilu części, w jaki sposób te części się łączą ani jaki kształt mają atomy. Niektórzy fizycy sądzili, że mogą mieć kształt sześcianu, ponieważ sześciany można zgrabnie upakować, nie zostawiając pustej przestrzeni. Większość skłaniała się jednak do poglądu, że atom przypomina kształtem bułkę z rodzynkami lub pudding śliwkowy: gęstą, dodatnio naładowaną masę, nadziewaną ujemnymi elektronami, jak rodzynki w cieście.
W 1909 roku Rutherford, wraz z dwoma współpracownikami, Hansem Geigerem oraz Ernestem Marsdenem, strzelali cząstkami alfa, czyli zjonizowanymi atomami helu, w cienką folię wykonaną ze złota. Ku zaskoczeniu ich wszystkich niektóre cząstki alfa odbijały się od folii. To po prostu nie mogło się zdarzyć. Według słów Rutherforda było to równie nieprawdopodobne, jakby piętnastocalowa kula armatnia odbiła się od kartki papieru. Po długim namyśle doszedł jednak do wniosku, że istnieje jedno możliwe wyjaśnienie: cząstki, które uległy odbiciu, musiały trafić w coś bardzo małego i twardego, co znajduje się w samym sercu atomu, natomiast pozostałe cząstki pędziły obok bez przeszkód. Rutherford zdał sobie sprawę, że atom stanowi w większości pustą przestrzeń, z bardzo gęstym jądrem w środku. Było to niezwykle obiecujące odkrycie, lecz wedle wszelkich praw konwencjonalnej fizyki prowadziło do konkluzji, że atomy nie powinny w ogóle istnieć.
Świadomość, że atomy są w zasadzie puste, a poczucie twardości i sztywności większości otaczających nas przedmiotów stanowi iluzję, nawet dzisiaj jest zdumiewająca. Gdy dwa przedmioty się stykają w rzeczywistości nie dochodzi do bezpośredniego zetknięcia. Pole elektryczne ujemnie naładowanych ładunków powoduje ich wzajemne odpychanie. Gdyby nie to przedmioty przenikałyby przez siebie nienaruszone. Gdy siedzimy na krześle, w rzeczywistości nie siedzimy, lecz lewitujemy nad nim na wysokości jednego angstrema (jednej stumilionowej części centymetra), a nasze elektrony i elektrony krzesła nieugięcie odmawiają bardziej intymnego zbliżenia.
Odkrycie Rutherforda postawiło przed fizykami wiele poważnych problemów. W szczególności, zgodnie z konwencjonalną elektrodynamiką krążący elektron powinien bardzo szybko tracić energię, zbliżając się spiralnym ruchem w kierunku jądra, aby po krótkiej chwili zderzyć się z nim, z katastrofalnymi konsekwencjami dla obu stron. Stopniowo zaczęto zdawać sobie sprawę, że w świecie atomów nie rządzą te same prawa co w świecie makroskopowym, do którego jesteśmy przyzwyczajeni. „Zachowania w świecie atomów są tak odmienne od naszych zwykłych doświadczeń – stwierdził kiedyś Richard Feynman – że bardzo trudno jest się z nimi oswoić; dotyczy to zarówno nowicjuszy, jak i doświadczonych fizyków”
Jednym ze współpracowników Rutherforda był miły i spokojny Duńczyk o nazwisku Niels Bohr. W 1913 roku Bohr wpadł na pewien pomysł. Fizycy nie mogli na własne oczy oglądacz czegoś tak małego jak atom, więc musieli próbować odgadywać jego strukturę na podstawie zachowania atomów poddawanych rozmaitym torturom, takim jak na przykład strzelanie cząstkami alfa w złotą folię. Wyniki tych eksperymentów były niekiedy zaskakujące i zagadkowe. Jedną z takich zagadek stanowiło tak zwane widmo promieniowania wodoru. Były to diagramy wskazujące, że atomy wodoru promieniują tylko na kilku określonych długościach fal, a nigdy nie promieniują na pozostałych. Wyglądało to tak, jakby ktoś pozostający pod obserwacją pojawiał się w kilku określonych miejscach, lecz nigdy nie widziano go przemieszczającego się między nimi. Nikt nie rozumiał dlaczego tak się dzieje.
To właśnie w trakcie rozważania tej zagadki Bohr znalazł rozwiązanie. Wysunął sugestię, że elektrony nie spadają na jądra, ponieważ mogą zajmować tylko określone orbity. Według teorii Bohra elektron przemieszczający się między orbitami znika z jednej z nich i natychmiast pojawia się na drugiej, nie zajmując przestrzeni między nimi. Ta idea – słynny „kwantowy skok” – była oczywiście całkowicie sprzeczna ze zdrowym rozsądkiem, lecz okazała się zbyt pożyteczna, aby można ją było z miejsca odrzucić. Nie tylko powstrzymywała elektrony przed opadnięciem na jądro, lecz także wyjaśniała zagadkowe zachowanie i niezrozumiałe właściwości widma promieniowania atomów wodoru. Elektrony pojawiały się tylko na określonych orbitach, ponieważ istniały tylko na określonych orbitach. Odkrycie to stanowiło przełom w fizyce i przyniosło Bohrowi Nagrodę Nobla w 1922 roku.
Tymczasem niezmordowany Rutherford sformułował model, który wyjaśniał, dlaczego jądra atomów nie rozpadają się pod wpływem odpychania elektrycznych ładunków protonów. Rutherford rozumował w ten sposób, że elektryczne oddziaływanie protonów musi być w pewien sposób znoszone przez jakieś neutralne cząstki, które nazwał neutronami. Współpracownik Rutherforda, James Chadwick, spędził jedenaście pracowitych lat na polowanie na neutrony.
Europejczycy zajęli się dziwnym zachowaniem elektronu. Główny problem, jaki mieli do rozwiązania polegał na tym, że elektron czasami zachowuje się jak cząstka, a czasami jak fal. Louis Victor de Broglie opublikował hipotezę, zgodnie z którą cząstki materii w pewnych sytuacjach rzeczywiście zachowują się jak fale. Ta publikacja zainspirowała Austriaka Erwina Schrödingera, który wprowadził kilka pomysłowych uzupełnień o sformułował matematyczny model zwany mechaniką falową. W tym samym czasie niemiecki fizyk Werner Heisenberg stworzył konkurencyjną teorię, zwaną mechaniką macierzową. Była ona oparta na koncepcji macierzy, która była znana tak niewielu osobom, że początkowo niemal nikt nie rozumiał w pełni implikacji nowej teorii, łącznie z samym Heisenbergiem. Teoria ta wyjaśniała jednak pewne rzeczy, których nie tłumaczyła mechanika falowa Schrödingera.
W 1926 roku, dzięki wspólnym wysiłkom wielu wybitnych umysłów, powstała kompromisowa teoria łącząca elementy obu wyżej wymienionych i nazwana mechaniką kwantową. Wśród tych elementów była słynna zasada nieoznaczoności Heisenberga, a także założenie, że elektron jest cząstką, lecz opisywaną w kategoriach fal. Zasada nieoznaczoności stwierdza, że możemy znać trajektorię, wzdłuż której elektron w danej chwili się porusza, lub możemy znać jego aktualne położenie, lecz nie możemy znać jednego i drugiego jednocześnie. W praktyce oznacza to, że nie da się z góry przewidzieć, gdzie elektron się znajdzie w określonym momencie. Można jedynie określić prawdopodobieństwo jego różnych możliwości położeń. Jeżeli trudno się w tym wszystkim połapać to pocieszający jest fakt, że podobnie czuli się sami fizycy. Overbye pisze: „Bohr stwierdził kiedyś, że każdy, kto początkowo nie uważał mechaniki kwantowej za obrazę zdrowego rozsądku, w rzeczywistości jej nie zrozumiał”.
Zapewne największą z kwantowych zagadek jest idea splątania wynikająca z zasady wykluczenia, sformułowanej w 1925 roku przez Wolfganga Pauliego. Pewne pary subatomowych cząstek „wiedzą” o sobie nawzajem nawet wtedy, gdy są oddalone na dowolnie duże odległości. Cząstki posiadają pewne cechy zwane spinem. Zgodnie z teorią kwantową w momencie, gdy zmierzysz spin jednej cząstki z takiej pary, spin drugiej z nich natychmiast staje się całkowicie określony i przeciwny do spinu pierwszej z nich niezależnie od tego, jak daleko od siebie cząsteczki się znajdują.
Po początkowym okresie niepewności sprawy zaczęły rozwijać się w takim tempie i w takim kierunku, że na jednej z konferencji Bohr, komentując pewną nową teorię, rzucił uwagę, że kwestia polega nie na tym, czy teoria jest szalona, lecz na tym, czy jest dostatecznie szalona. Aby zilustrować nieintuicyjną naturę kwantowego świata, Schrödinger sformułował swój słynny eksperyment myślowy, w którym hipotetyczny kot został umieszczony w pudle razem z pojedynczym atomem radioaktywnego pierwiastka oraz fiolką cyjanowodoru. Jeśli w ciągu godziny atom ulegnie radioaktywnemu rozpadowi, uruchomi zapadkę, która rozbije fiolkę, uśmiercając kota. Jeżeli atom się nie rozpadnie, kot przeżyje. Nie zaglądając do pudła, nie możemy jednak z pewnością stwierdzić, czy atom się rozpadł, więc musimy uważać kota równocześnie za martwego w 50 procentach i żywego w 50 procentach. Jak zauważył Stephen Hawking nie można „przewidzieć dokładnie przyszłych zjawisk, skoro nie da się nawet precyzyjnie zmierzyć obecnego stanu wszechświata!”.
Najpoważniejszym problemem, jaki stworzyła fizyka kwantów, był pewnego rodzaju nieporządek. Nagle okazało się, że do opisu wszechświata potrzebne są dwa zestawy praw: teoria kwantowa, która funkcjonowała na poziomie mikroświata, oraz teoria względności na poziomie makroświata. Teoria grawitacji, wbudowana w ogólną teorię względności, doskonale opisuje i wyjaśnia, dlaczego planety krążą wokół słońc i dlaczego galaktyki łączą się w klastery, lecz nie odgrywa żadnej roli na poziomie cząstek. Dla wyjaśnienia struktury atomów potrzebne były inne siły i w latach trzydziestych odkryto takie dwie: tak zwane silne oddziaływanie jądrowe oraz słabe oddziaływanie jądrowe. Silne oddziaływanie utrzymuje protony i neutrony w jądrze atomowym, natomiast słabe oddziaływanie jest między innymi odpowiedzialne za rozpady radioaktywne.
Nieco wbrew swej nazwie słabe oddziaływanie jądrowe jest 10 miliardów miliardów miliardów razy silniejsze od grawitacji, a silne oddziaływanie jest jeszcze (o wiele rzędów wielkości) mocniejsze, lecz zasięg ich obu jest ograniczony do bardzo małych odległości. Silne oddziaływanie funkcjonuje do odległości około jednej stutysięcznej średnicy atomu. To właśnie dlatego jądra atomowe są upakowane w tak małych objętościach i są tak gęste. Z tego samego powodu jądra bardzo ciężkich pierwiastków są niestabilne – oddziaływanie między najbardziej odległymi protonami słabnie wraz ze wzrostem objętości jądra.W rezultacie fizyka dorobiła się dwóch zestawów praw – innego dla mikroświata i innego dla makroświata, aż do skali całego wszechświata – prowadzących całkowicie odrębne życie. Dla Einsteina było to nie do przyjęcia i przez resztę swojego życia poszukiwał sposobu połączenia tych dwóch zestawów w jeden, który miałby się stać tak zwaną teorią wielkiej unifikacji. Ani on, ani nikt inny po nim nie zdołał tego dokonać.
Na podstawie książki Bill’a Bryson’a Krótka historia prawie wszystkiego
