Dwudziestowieczna nauka została zdominowana przez dwie wielkie teorie: teorię względności i fizykę kwantową. Od kilkudziesięciu już lat wielu specjalistów poszukuje tej jednej teorii, która harmonijnie połączyłaby je obie, ale jak dotąd bez większych sukcesów. Czekamy, chyląc czoło nad dokonaniami niezwykłej Polki, na kolejną Marię Curie-Skłodowską – pisze Paul REUSS
.Dokładnie 150 lat temu, 7 listopada 1867, w Warszawie, przyszła na świat Maria Salomea Skłodowska, która później będzie bardzie znana jako Maria Curie. Wniosła ogromny wkład w fizykę jądrową. Jej prace zostały dwukrotnie nagrodzone nagrodą Nobla, najpierw z fizyki, w 1903 roku, wraz z Henrim Becquerelem, za badania nad promieniowaniem, a później w 1911 roku, za badania nad polonem i radem.
Dla kobiety z tamtej epoki jej kariera była więc wyjątkowa. Marie Curie-Skłodowska pozostanie aktywna aż do śmierci 4 lipca 1934 roku. Jej wkład do badań nad wewnętrzną strukturą materii zostawił trwały ślad w tej długiej historii, która zajmowała już przecież myślicieli Starożytności. Chodzi zwłaszcza o pytanie: czy materia jest nieskończenie podzielna jak na to wskazuje na przykład woda, jawiąca się jako materia o doskonałej ciągłości? Arystoteles (384-322 p.n.e.) sądził, że tak. Ale żyjący wiek później Demokryt (ok. 460 p.n.e.-ok. 370 p.n.e.) twierdził, że materia zbudowana jest z cząstek elementarnych, które nazywał „atomami” co oznacza właśnie ‘niepodzielny’. Te atomy łączą się na rozmaite sposoby w zależności od materiałów, i to wyjaśnia różne stany skupienia materii. Środki jakimi wtedy dysponowano nie pozwalały oczywiście na weryfikację tego intuicyjnego i, jak się później okazało, prawdziwego stwierdzenia.
Kontrowersje otaczać będą tę kwestię przez ponad dwa tysiąclecia, bez większych postępów. Dopiero prace osiemnasto- i dziewiętnastowiecznych chemików przyniosą poważne argumenty potwierdzające tezę atomistyczną. Fakt, że w reakcjach chemicznych dochodzi do prostych zależności – na przykład łącząc ze sobą dwie objętości wodoru i jedną objętość tlenu można stworzyć wodę – sugeruje, że cząsteczki łączą się ze sobą (mówiąc dzisiejszym językiem, dwa atomy wodoru łączą się z jednym atomem tlenu, tworząc H2O). Na przykład John Dalton (1766-1844), gorący zwolennik teorii atomistycznej, opierał się właśnie na tego typu argumentacji. Układ okresowy pierwiastków, opracowany przez Dmitrija Mendelejewa (1834-1907) da się objaśnić hipotezą o istnieniu różnych typów atomów. Kolejnym zwolennikiem teorii atomistycznej był Ludwig Boltzmann (1844-1906), który podał statystyczne objaśnienie zasad termodynamiki. Również analiza promieni katodowych dowodzi istnienia struktury nieciągłej (chodzi o wiązki elektronów). Doprowadzi to do odkrycia promieni X przez Wilhelma Röntgena (1845-1923). Ale aż do połowy XX wieku, istnieli wybitni uczeni, którzy odrzucali tę teorię, na przykład Marcelin Berthelot (1827-1907) albo Ernst Mach (1838-1916).
1 marca 1896 roku Henri Becquerel (1852-1908), badając fluorescencję soli uranu, wpadł na nietypowy pomysł: wywołał kliszę fotograficzną, na której nie spodziewał się znaleźć czegokolwiek, ponieważ nie było w ten dzień światła słonecznego, które wywołałoby fluorescencję. Ale na tej kliszy była wyraźna plama, będąca negatywem zarysu niewielkiego metalowego krzyżyka maltańskiego, który został umieszczony między kliszą a solami uranu. Tak doszło do odkrycia zjawiska wówczas kompletnie nieznanego – promieniotwórczości.
Rok później, Piotr Curie (1859-1906) ożenił się ze swoją młodą studentką, pochodzącą z Polski Marią. Maria kończy studia. W 1897 roku pragnie rozpocząć studia doktoranckie. Piotr, fizyk znany ze swoich prac, zwłaszcza tych nad piezo-elektrycznością, podpowiada jej, by zainteresowała się promieniowaniem, które właśnie zostało odkryte przez Becquerela.
Temat jest na tyle pasjonujący, że wkrótce Piotr porzuci swoje prace i zajmie się badaniem promieni emitowanych przez różne rudy uranu – pechblendę, chalkolit… – i odkryje, że natężenie promieniowania emitowanego przez te rudy jest znacznie większe, niż natężenie promieniowania samego uranu, który można z tych rud wyizolować. Oznaczało to, że znajdowały się w nich jakieś inne pierwiastki radioaktywne. Po wielu trudnych analizach, Marie odkrywa w końcu, w 1898 roku, dwa nieznane dotąd pierwiastki chemiczne, które nazwie „polonem”, na cześć swojej ojczyzny, oraz „radem”, od emitowanego promieniowania.
Prace Marii były pionierskie w tej dziedzinie. Wkrótce poszukiwanie pierwiastków radioaktywnych i badanie interakcji promieniowania z materią zainteresuje wielu fizyków i chemików z różnych krajów. Zanim o nich opowiem, napiszę kilka słów o Albercie Einsteinie (1879-1955). Nie był on fizykiem jądrowym sensu stricte ale w 1905 roku sformułował swoje słynne równanie E=mc2. Ponieważ prędkość c światła jest bardzo duża – a tym bardziej c2 – równanie to pokazuje, że ciało promieniotwórcze może emitować niewyobrażalną ilość energii E, do tego może to robić przez wiele lat, nie tracąc przy tym w jakiś znaczny sposób, jak udowodniono, swojej masy m.
.Nie sposób wymienić w tym miejscu wszystkich aktorów tych niezwykle płodnych czasów. Nim nastał Internet, wspólnota naukowców wymieniała się poglądami dzięki bardzo dobrze funkcjonującej poczcie tradycyjnej oraz dzięki spotkaniom takim jak kongresy Solvay. Ograniczę się jedynie do kilku nazwisk odkrywców, których wtedy szybko przybywało.
Mimo pewnych oporów, przekonanie o istnieniu atomów staje się coraz powszechniejsze. Jean Perrin (1870-1942), w słynnej książce opublikowanej w 1913 roku Les atomes (Atomy) podsumowuje różne doświadczenia, które udowadniają ich istnienie, oraz podaje pomiary liczby Avogadro pozwalającej na obliczenie masy i wielkości atomów. Żeby to zobrazować, podam przykład litery „O”. Gdybyśmy powiększyli „O” do rozmiarów Paryża, atomy miałyby mniej więcej wielkość litery „O” sprzed powiększenia.
Do zbadania pozostaje struktura atomów, z których zbudowane są różne pierwiastki odkrywane przez chemików. Wiedziano, że atom ma masę. Wiedziano, że zawiera elektrony, cząstki tysiące razy lżejsze niż atom i mające ładunek elektryczny ujemny (emisja elektronów następuje na przykład z drucików żarówki, mówimy wtedy o promieniowaniu katodowym). Wywnioskowano stąd, że atom zawiera również dodatni ładunek elektryczny, ponieważ w ujęciu całościowym jest neutralny.
W 1904 roku Joseph John Thompson (1856-1940) zaproponował model plum pudding, w którym elektrony to rozproszone drobinki – niczym śliwki w puddingu – w masie mającej dodatni ładunek elektryczny.
Ale doświadczenie przeprowadzone w 1911 roku przez Ernesta Rutherforda (1871-1937) pokazało, że ta wizja atomu jest całkowicie fałszywa. Doświadczenie polegało na bombardowaniu bardzo cienkiej złotej folii promieniowaniem alfa emitowanym przez pierwiastek radioaktywny i na określeniu charakteru odbicia tych cząstek. Odpowiedź była prosta: prawie wszystkie cząstki przechodziły przez atom jakby ten był pusty w środku, a kilka z nich było odbijanych dość mocno z powrotem przez niewielkie „twarde jądra”. Tak powstał model „atomu – systemu słonecznego”: w centrum znajduje się jądro, niewielkie ale zawierające prawie całą masę atomu i mające ładunek dodatni. Wokół znajduje się cienka „chmura” elektronów krążących wokół jądra tak jak planety wokół Słońca. Atom jawi się więc jako cos prawie pustego. Jeśli wrócimy do naszego przykładu atomu wielkości litery „O” i jeszcze raz powiększymy ją do wielkości powiedzmy katedry Notre-Dame w Paryżu, jądro będzie miało wielkość litery „O” a reszta będzie pusta, nie licząc kilku niewielkich elektronów. Ponieważ to maleńkie jądro zawiera prawie całą masę, ma niesłychaną gęstość! Pierwiastki z tablicy Mendelejewa, od wodoru po uran, można było więc opisać liczbą elektronów krążących wokół jądra (liczba atomowa, zapisywana jako Z), od jednego do dziewięćdziesięciu dwóch.
Niels Bohr (1885-1962) zwrócił natomiast uwagę na fakt, że ten model miał jedną poważną wadę. Zgodnie ze zjawiskiem nazywanym promieniowaniem hamowania, elektrony naładowane ładunkiem elektrycznym (w przeciwieństwie do planet) powinny szybko wytracić energię i spaść na jądro. Ale w przypadku atomu tak się nie dzieje, bo atom może trwać wiecznie. Bohr zaproponował nowe zasady mechaniki na poziomie mikroskopijnym. Tak powstała nowa wizja świata, teoria kwantowa, pierwszy filar całej fizyki XX wieku. Drugim filarem będzie szczególna teoria względności (1905), a potem ogólna teoria względności (1915) ogłoszone przez Alberta Einsteina i mające zastosowanie do zjawisk implikujących duże prędkości, do fizyki wszechświata i do kosmologii.
Maria Curie-Skłodowska poświęcała się w tamtym czasie wykładom na uniwersytecie gdyż w 1906 roku w tragicznych okolicznościach zginął jej mąż. Kontynuowała niemniej jednak swoje badania nad promieniotwórczością w Instytucie Radu. Miała poważne problemy zdrowotne będące z pewnością wynikiem napromieniowania, które w tamtym czasie bagatelizowano, a o którym wszyscy dzisiaj dobrze wiedzą. Trzeba było wielu lat, by określić strukturę jądra atomu. Zgadzano się z tym, że zawiera cząstki trwałe i naładowane dodatnio, zwane protonami, gdyż to wyjaśniało dobrze masę atomów, czyli ich jąder. Liczba masowa A, wskazująca ile razy dany atom jest cięższy od atomu wodoru, zawsze przewyższa liczbę atomową Z (nie dotyczy to wodoru). Pierwsza hipoteza, próbująca wyjaśnić te dwie wartości polegała na tym, że jądro zbudowane jest z A protonów i A-Z elektronów, otoczone chmurą Z elektronów. Ta hipoteza jest „oszczędna” – wystarczy dwie cząsteczki, by powstała materia – ale nie potrafi uzasadnić, w jaki sposób elektrony mogą odgrywać dwie tak różne role. Druga hipoteza zakłada istnienie trzeciej cząsteczki – neutronu –, o masie zbliżonej do masy protonu ale bez ładunku elektrycznego: jądro zatem składa się z Z protonów i A-Z neutronów. Ta druga hipoteza okaże się prawdziwa gdy w 1932 roku James Chadwick (1891-1974) wykona doświadczenie, w którym udowodni istnienie neutronu.
W międzyczasie, Irena Curie (1897-1956), córka Marii i Piotra, rozpoczęła badania naukowe z dziedziny fizyki jądrowej. W 1926 roku wyszła za mąż za Frédérica Joliota (1900-1958), z którym wspólnie pracowała nad nurtującymi ją zagadnieniami. Nie udało im się odkryć neutronu, ale w 1934 roku dowiedli istnienia sztucznej promieniotwórczości. Wcześniej odkrywano już izotopy naturalne, ale odtąd stało się możliwe tworzenie wielkich ilości sztucznych izotopów. Nie ma zasadniczej różnicy między tymi dwoma kategoriami promieniotwórczości.
Wspomnieliśmy badaczy z Wielkiej Brytanii (Thompson, Rutherford, Chadwick) i z Francji (rodzina Curie, Joliot). Ale inne laboratoria były równie aktywne: we Włoszech, Niemczech czy USA. W Rzymie, Enrico Fermi (1901-1954) badał reakcje wywoływane przez neutrony, prowadzące często do powstania promieniowania beta. Gdy w swych badaniach nad wszystkimi pierwiastkami doszedł do uranu, stało się coś niewytłumaczalnego. Kilka lat później znalazło się rozwiązanie tej zagadki. W 1938 roku, w Berlinie, Otto Hahn (1879-1968) odkrył, że w produktach reakcji pojawia się bar, a jego współpracownica Lise Meitner (1878-1968), która właśnie odeszła z jego laboratorium (była żydówką), wyjaśniła to zjawisko: doszło do rozszczepienia czyli rozpadu bombardowanego neutronami jądra uranu na dwie części o podobnej masie.
Dowiedziawszy się o tym odkryciu, Frédéric Joliot powtórzył doświadczenie i wykazał, że oprócz rozszczepienia na dwie części doszło do uwolnienia kilku neutronów. Możliwa zatem stała się reakcja łańcuchowa polegająca na rozszczepieniu uranu, w czasie której każde rozszczepienie emitowałoby neutrony, a każdy neutron mógł wywołać kolejne rozszczepienie. Obliczenia Lise Meitner pokazywały, że rozszczepienie prowadzi do uwolnienia niesamowitej ilości energii. Joliot ze swoimi współpracownikami opatentował pomysł, ale te patenty pozostawały we Francji nieznane, gdyż trwała inwazja niemiecka i badania w tej dziedzinie ustały.
Kontynuowano je jednak bardzo aktywnie w Anglii, Kanadzie i przede wszystkim w Stanach Zjednoczonych. Enrico Fermi wyemigrował do Chicago (jego żona była żydówką). Tam 2 grudnia 1942 roku przeprowadził pierwszą reakcję łańcuchową polegającą na rozszczepieniu jąder uranu. Ten skromny „stos” poprzedził powstanie reaktorów o dużej mocy w Hanford, które dostarczyły pluton do eksperymentalnej eksplozji w Alamogordo (16 lipca 1945) oraz do bomby zrzuconej na Nagasaki (9 sierpnia 1945). (Uran jest jedynym naturalnym materiałem rozszczepialnym: został użyty do bomby zrzuconej na Hiroszimę 6 sierpnie 1945 roku. Pluton jest otrzymywany sztucznie, jako produkt reakcji łańcuchowych).
Po wojnie wiele krajów przemysłowych stosuje energię jądrową do celów cywilnych. Istnieje dziś ponad czterysta reaktorów używanych do wytwarzania energii i tyle samo reaktorów badawczych. 75% francuskiego prądu wytwarzane jest przez elektrownie jądrowe. To źródło energii niezależne jest od zmiennych warunków pogodowych, słońca, wiatru, ma rozsądną cenę i nie wpływa na środowisko.
.Wracając do czystej nauki, zauważmy, że w ciągu XX wieku stworzono akceleratory cząstek umożliwiające wywoływanie reakcji o dużo większej energii niż promieniowanie radioaktywne. Jest to o tyle interesujące, że według zasad fizyki kwantowej, im bardziej zwiększa się energia danego ciała, tym mniejsze stają się szczegóły, które pozwala nam odkryć. Dlatego centrum zainteresowania wielu badaczy przesunęło się na poziom mniejszych cząstek, z fizyki jądrowej w stronę fizyki cząstek elementarnych.
Dwudziestowieczna nauka została zdominowana przez dwie wielkie teorie: teorię względności i fizykę kwantową. Od kilkudziesięciu już lat wielu specjalistów poszukuje tej jednej teorii, która harmonijnie połączyłaby je obie, ale jak dotąd bez większych sukcesów. Czekamy, chyląc czoło nad dokonaniami niezwykłej Polki, na kolejną Marię Curie-Skłodowską.
Paul Reuss
#Curie2017. Transgresser les frontières
