Zagmatwana natura atomu

"Atom. Od idei filozoficznej do fizycznej realności" to kolejna publikacja naukowca z Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach, w której historia nauki łączy się z opowieściami o życiu odkrywców. Autor przedstawia w niej próby poznania i zrozumienia najmniejszych elementów materii – od starożytności do współczesności.

23.05.2023Opublikował: AS Autor: Małgorzata Kłoskowicz

Ludzie od zawsze zastanawiali się, czy istnieją najmniejsze cząstki, z których składa się nasz świat. A jeśli istnieją – to czym są? Pytanie miało i ma zresztą do dzisiaj charakter filozoficzny. Słowo atom pochodzi z języka greckiego i oznacza coś niepodzielnego. Z atomów (oraz próżni) miał się składać nasz świat zgodnie z atomistyczną teorią Demokryta, greckiego filozofa, który rozpowszechnił to pojęcie. Od tego czasu wiele się zmieniło. Naukowcy już dawno temu „podzielili” atom, a potem zaglądali głębiej i głębiej. Wszystko wskazuje na to, że na temat najmniejszych cząstek nie powiedzieli jeszcze ostatniego słowa. Dziś atom Demokryta to elektrony i kwarki. Choć i to nie jest cała prawda, skoro w tzw. zjawisku separacji spinowo-ładunkowej elektron zachowuje się tak, jakby składał się z trzech kwazicząstek...

Jest jednak coś, co łączy starożytnych ze współczesnymi. Mimo iż pojęcie atomu się zmieniło, u źródła wciąż pozostaje ciekawość – to samo pytanie, czy istnieje coś, co jest najmniejszym elementem materii, a jeśli tak – to jaka jest jego natura.

– Choć atom jest czymś małym, najmniejszym, okazuje się jednocześnie nieprawdopodobnie skomplikowaną, zagmatwaną strukturą, i to zarówno w sposobie jej rozumienia, jak i samej jego natury – mówi prof. Jan Małecki.

Aby potwierdzić swoje słowa, cytuje wierszyk, który powstał dawno temu podczas studenckiej imprezy w Caltechu, czyli Kalifornijskim Instytucie Technicznym:

Na początku był Arystoteles,
I obiekty w spoczynku pozostawały w spoczynku
I obiekty w ruchu dążyły do spoczynku,
I wkrótce wszystko było w spoczynku,
I Bóg ujrzał, że to było nudne.
Wtedy Bóg stworzył Bohra
I powstała zasada,
A zasada była kwantowa
I wszystkie rzeczy były skwantowane,
Ale niektóre z nich wciąż były względne,
I Bóg ujrzał, że to było zagmatwane.

Źródło: T. Joseph: Unified Field Theory
Tłumaczenie: Jan G. Małecki

Jedni radzą więc sobie z tym zagmatwaniem, tworząc matematyczne modele. Inni prowadzą badania eksperymentalne. Historia pokazuje jednak, że nawet jeśli jesteśmy już blisko zrozumienia czegoś fundamentalnego, pojawia się znów coś, co rzuca nowe światło na nasze rozmyślania.

Fragment wierszyka na temat mechaniki kwantowej jest kwintesencją trwającego od wieków myślenia o atomach. Współczesne rozumienie cząstek elementarnych okazuje się o tyle ciekawe, że nie odnosi się do niczego, co widzielibyśmy w makroskopowym świecie.

– Mimo to do naszego słownika łatwo trafiają nowe określenia, takie jak na przykład... spin. Tylko czym jest ten spin? – pyta naukowiec. – Znamy jego definicję. Jest to wewnętrzny moment pędu elektronu, lecz co z tego wynika? Co to znaczy? – dodaje i od razu przywołuje historię dwóch dwudziestoparoletnich naukowców, George’a Uhlenbecka i Samuela Goudsmita, którzy w 1925 roku zaproponowali wprowadzenie tego pojęcia. Mieli wątpliwości co do swojej teorii, które podzielał też po dokonaniu obliczeń sam Hendrik Lorentz. Wynikało z nich, że jeśli potraktujemy elektron jak cząstkę, która się kręci wokół siebie, to punkt na powierzchni elektronu musiałby poruszać się cztery razy szybciej niż światło. Na zmiany było jednak za późno, ponieważ artykuł został już wysłany do czasopisma naukowego „Naturwissenschaften”.

– To była zabawna historia. Gdy Samuel Goudsmit wyraził głośno swoje obawy, usłyszał od przełożonego, że w zasadzie może opublikować cokolwiek, bo jako młody naukowiec nie ma nic do stracenia. Wiemy, jak zakończyła się ta historia. Dziś nie sposób mówić o kwantowej naturze cząstek bez pojęcia spinu – komentuje prof. Jan Małecki.

Nie tylko ono wydaje się zagmatwane. Innym ciekawym słowem pojawiającym się w teoriach atomistycznych był na przykład wir. Wracamy tym samym do Kartezjusza. Ten francuski uczony żyjący na przełomie XVI i XVII wieku przyjmował, że nie ma czegoś takiego jak próżnia. Posłużył się pojęciem wirów, aby wytłumaczyć zjawiska magnetyczne i grawitację. Wiry te miały być zbudowane z poruszających się spiralnych cząstek o określonym kształcie.

– Z naszej perspektywy i ta idea wydaje się dziś zagmatwana. Można jednak przyjąć, że od Kartezjusza cząstka zaczyna być postrzegana jako coś realnego. To on pierwszy przetarł tę szybkę i chociaż widok wydawał się jeszcze niewyraźny, można było znaleźć tam ciekawy trop, jakąś podpowiedź – mówi naukowiec.

Jak dodaje, o realności atomu przesądziła koncepcja Johna Daltona. Angielski uczony na początku XIX wieku ogłosił swoją teorię, z której wynikało, że pierwiastki, a więc materia, składają się z atomów przyjmujących kształt sprężystych kul.

– Myślę, że większości z nas budowa atomu kojarzy się z obrazkiem systemu takich połączonych kul – podsumowuje naukowiec.

To nie był koniec odkryć. Nie jest to też koniec listy nazwisk uczonych, którzy dzięki swojej ciekawości i pracy naukowej przybliżali nas do tego, jak dziś rozumiemy atom.

W samym spisie treści można się ich doliczyć prawie stu, począwszy od Kartezjusza aż do Roberta Hofstadtera, amerykańskiego fizyka, laureata Nagrody Nobla przyznanej mu w 1961 roku za badania nad elektronami i nukleonami. Historie wielu tych naukowców zostały utrwalone w publikacji prof. Jana Małeckiego.

W książce można więc znaleźć ciekawostki z życia Isaaca Newtona, Nielsa Bohra, Michaela Faradaya, Marii Skłodowskiej-Curie... Dowiadujemy się, że Robert Hooke, XVII–wieczny angielski przyrodnik i jeden z największych eksperymentatorów, w młodości cierpiał na silne bóle głowy i że to lekcje, które odbywał ze swoim ojcem, były źródłem jego migren. Bezsenność, szumy uszne, krwotoki czy napady melancholii nie przeszkodziły mu w dokonaniu wielu odkryć i skonstruowaniu różnych wynalazków, takich jak pompa próżniowa czy higrometr. Robert Hooke był także atomistą. Uważał m.in., że ciała materialne składają się z cząstek znajdujących się w ciągłym ruchu, przy czym ich prędkość zależy od ich masy.

Nawet jeśli biograficzne ciekawostki nie mają bezpośredniego związku z dokonywanymi odkryciami (a może jednak mają?), sprawiają, że książka ta zyskać może szersze grono odbiorców.

– Nie znajdziemy tam wzorów matematycznych, nie ma skomplikowanych, wysublimowanych przekształceń.

Chciałem zainteresować czytelnika przede wszystkim opowieścią o tym, co z tych wzorów wynika dla naszego rozumienia atomu – mówi prof. Jan Małecki. – A ponieważ istnieje wiele zachowanych informacji o życiu naukowców XVII- i XVIII-wiecznych, postanowiłem je także uwzględnić w mojej książce – dodaje.

Czym dziś jest atom? Odpowiedź zależy tak naprawdę od dziedziny nauki. – Inaczej odpowie fizyk, inaczej chemik. Ja jestem chemikiem, dlatego z mojej perspektywy atom to składnik materii, w którym znajduje się jądro z protonami i neutronami. Nie wnikam więc w temat gluonów, mezonów i innych pięknych nazw cząstek. Z punktu widzenia chemii nie mają aż takiego znaczenia – mówi autor książki.

– Pozostają jeszcze elektrony. Czym są? W jednych procesach ujawnia się ich natura cząstkowa, w innych falowa. Elektron nie jest więc ani cząstką, ani falą. Znów wracamy do naszych wyobrażeń, tak bardzo ograniczonych – dodaje. Zaraz przywołuje też nazwisko Maxa Plancka, który użył pojęcia paczka falowa.

– Spróbujmy sobie jednak wyobrazić, czym jest paczka falowa. To ten sam poziom abstrakcji, co pojęcie spinu. Nie ma modelu, który by nam pomógł zrozumieć, zwizualizować sobie, z czym mamy do czynienia. Inną sprawą jest oczywiście to, czy my, naukowcy, potrzebujemy takiego wyobrażenia. Nam musi wystarczyć, i wystarcza, matematyka – podsumowuje prof. Jan Małecki.

Książka Atomy. Od filozoficznej idei do fizycznej realności ukazała się w 2023 roku nakładem Wydawnictwa Uniwersytetu Śląskiego.

Małgorzata Kłoskowicz

Artykuł został opublikowany w "Gazecie Uniwersyteckiej UŚ" [nr 8 (308) maj 2023]