7 najsławniejszych publikacji w dziejach nauki cz.2 | Kwantowo.pl

Druga porcja legendarnych publikacji, które doprowadziły naukę do takiego stanu, w jakim znamy ją obecnie. Nie będziemy jednak już patrzeć wstecz i skupimy się wyłącznie na artykułach z poprzedniego stulecia.

1. Rozpraszanie cząstek α i β przez materię, a struktura atomu

Rozpraszanie cząstek α i β przez materię
“Atom zawiera w środku ładunek +- otoczony ładun­kiem -+ roz­ło­żo­nym rów­no­mier­nie wewnątrz sfery o pro­mie­niu R. Wykażemy, że główne wyniki teorii nie zależą od tego, czy ładunek cen­tralny jest dodatni, czy ujemny. Dla wygody przyj­miemy, że jest on dodatni”. Całość możesz znaleźć w tym miejscu.
Długo wahałem się między arty­ku­łami Ernesta Ruther­forda i Henri’ego Becqu­erela. Oba nie­po­mier­nie posze­rzyły naszą wiedzę o mikro­świe­cie, ale w końcu posta­wi­łem temat budowy atomu ponad pro­mie­nio­twór­czo­ścią.

W tekście zamiesz­czo­nym w Phi­lo­so­phi­cal Magazine, profesor Cam­bridge opisał oraz zin­ter­pre­to­wał swój wielki eks­pe­ry­ment (co nieco tu), pole­ga­jący na ostrze­li­wa­niu cie­niut­kiej złotej folii cząst­kami alfa. Wyniki pre­zen­to­wały się nad wyraz inte­re­su­jąco, ponieważ niektóre z partykuł ulegały nie­spo­dzie­wa­nemu odbiciu od tajem­ni­czej prze­szkody. Było to dziwne, ponieważ ówcześni wyobra­żali sobie atom jako ławicę maleń­kich elek­tro­nów, zdolnych co najwyżej do roz­pro­sze­nia, tj. lekkiej zmiany toru lotu cząstki. Zde­cy­do­wana więk­szość rze­czy­wi­ście odpo­wia­dała teorii, lecz niektóre musiały trafić na coś małego i masyw­nego. Zjawisko porów­ny­wane przez samego uczonego do “odbicia pocisku arty­le­ryj­skiego od serwetki”. Tak odkryto jądro atomowe. Jak widzisz w przy­wo­ła­nym cytacie, Ruther­ford nie wiedział jeszcze czy to jądro ma dodatni ładunek elek­tryczny a elektron ujemny, czy może odwrot­nie. Niemniej samą kon­struk­cję atomu naszki­co­wał z dużym wyczu­ciem.

2. Przez rakiety do przestrzeni planetarnej

Przez rakiety do przestrzeni planetarnej
“Lot pre­zen­to­wa­nych urządzeń jest oparty o zasadę reakcji; maszyna zostaje pod­nie­siona i prze­no­szona przez gazy, które są pod odpo­wied­nim ciśnie­niem wydalane jak w rakiecie. Dlatego pozwolę sobie najpierw na kilka słów o teorii rakiet”. Całość możesz znaleźć w tym miejscu.
 Tak jak poprzed­nio, chciałem wyjrzeć lekko poza kanon i doko­op­to­wać swojego czarnego konia. Padło na Hermanna Obertha, praw­dzi­wego pioniera tech­no­lo­gii rakie­to­wej, snu­ją­cego plany o podboju kosmosu zaraz po I Wojnie Świa­to­wej. Gdy popu­larny Werner von Braun (kon­struk­tor nie­miec­kich V2, a następ­nie rakiet dla NASA) miał 10 lat, Oberth już kończył studia dok­tor­skie, zwień­czone uni­ka­tową pracą, sta­no­wiącą dosko­nały punkt wyjścia dla roz­po­czę­cia ery kosmo­nau­tyki. Wyobraź sobie czy­tel­niku, jakie wrażenie musiała robić lektura o tematyce lotów mię­dzy­pla­ne­tar­nych, wydana w kil­ka­na­ście lat po ode­rwa­niu od ziemi samolotu braci Wright! Mówiąc wprost, wizjo­nera potrak­to­wano z poli­to­wa­niem i żaden z powa­ża­nych pro­fe­so­rów nie pochylił się nad jego kon­cep­tami. Jednak uparty Niemiec nie dał za wygraną, wydając po roku na własną rękę bardziej roz­wi­niętą wersję swego konceptu – pod tytułem Przez rakiety do prze­strzeni pla­ne­tar­nej – i wraz z innymi zapa­leń­cami zor­ga­ni­zo­wał Towa­rzy­stwo Podróży Kosmicz­nej

3. Relacja między dystansem i prędkością radialną wśród mgławic pozagalaktycznych

A relation between distance and radial velocity
“Godna uwagi jest moż­li­wość, że zależ­ność między pręd­ko­ścią a odle­gło­ścią może repre­zen­to­wać efekt de Sittera i w związku z tym należy pod­kre­ślić, że zależ­ność liniowa zna­le­ziona w niniej­szej dyskusji jest pierw­szym przy­bli­że­niem wyni­ka­ją­cym z uwzględ­nie­nia ogra­ni­cza­nego zasięgu odle­gło­ści”. Całość możesz znaleźć w tym miejscu.
 Aż do począt­ków XX wieku astro­no­mo­wie żyli w błogiej nie­świa­do­mo­ści, i to podwój­nej. Po pierwsze, nie zdawali sobie sprawy jak drobnym i nie­zna­czą­cym pyłkiem w kosmicz­nej skali pozo­staje Układ Sło­neczny. Po drugie, jako pewnik przyj­mo­wali ideę stanu sta­cjo­nar­nego: wszech­świata odwiecz­nego bądź stwo­rzo­nego w jednym momencie i nie­zmien­nego w swoich roz­mia­rach i kształ­cie. Wizja ta legła w gruzach za sprawą nie­do­szłego prawnika, Edwina Hubble’a. Na dobry początek, Ame­ry­ka­nin prze­sia­du­jący przy rekor­do­wym tele­sko­pie Mount Wilson, osza­co­wał dystans między Drogą Mleczną a sąsied­nią galak­tyką Andro­medy na 900 tysięcy lat świetl­nych. Dziś wiemy, że był zbyt ostrożny, bowiem M31 leży ponad 2,5 mln lat świetl­nych stąd – jednak nawet jego przy­pusz­cze­nie wywołało ówcze­śnie szok i prze­su­nęło wyobraź­nię astro­no­mów na zupełnie nowy poziom. Wszech­świat okazał się tysiące razy obszer­niej­szy niż kto­kol­wiek marzył.

Naj­waż­niej­sze odkrycie nadeszło jednak parę lat później. Uczony zain­spi­ro­wany hipo­te­zami Georgesa Lemaitre’a i Vesto Sliphera prze­pro­wa­dził serię obser­wa­cji odle­glej­szych galaktyk i kolejny raz wywołał opad szczęk u kolegów po fachu. Na początku 1929 roku upu­blicz­nił kil­ku­stro­ni­cowy artykuł A relation between distance and radial velocity among extra-galactic nebulae, w którym znalazły się tabele z danymi oglą­da­nych obiektów i śmiałe wnioski. Astronom dostrzegł prze­su­nię­cie widma poszcze­gól­nych galaktyk, wska­zu­jące praw­do­po­dob­nie na ich odda­la­nie. Co nie mniej istotne, dalsze galak­tyki wyka­zy­wały większe prze­su­nię­cie, ergo zdawały się uciekać szybciej od tych bliskich. Wszech­świat się roz­sze­rza! W momencie pisania tych słów Hubble był bardzo ostrożny, ale już niebawem sam przy­rów­nał swoje odkrycie do prze­wrotu koper­ni­kań­skiego.

4. Czy opis rzeczywistości fizycznej przez mechanikę kwantową można uważać za pełny?

Czy opis rzeczywistości fizycznej przez mechanikę kwantową można uważać za pełny
“Jeżeli możemy bez naru­sze­nia układu w jaki­kol­wiek sposób, prze­wi­dzieć z pew­no­ścią wartość jakiejś wiel­ko­ści fizycz­nej, to istnieje element rze­czy­wi­sto­ści fizycz­nej odpo­wia­da­jący tej wiel­ko­ści”. Całość możesz znaleźć w tym miejscu.
Chyba nie sądziłeś, że nie znajdzie się tu miejsce dla choćby jednej publi­ka­cji poświę­co­nej mecha­nice kwan­to­wej? Począt­kowo przyszła mi na myśl praca Wernera Heisen­berga, ale koniec końców zesta­wie­nie ma dotyczyć arty­ku­łów naj­sław­niej­szych, nie­ko­niecz­nie naj­bar­dziej rewo­lu­cyj­nych. Zazwy­czaj idzie to w parze, ale raczej nie w tym przy­padku – ponieważ tekst Czy opis rze­czy­wi­sto­ści fizycz­nej przez mecha­nikę kwantową można uważać za pełny? – okazał się spek­ta­ku­lar­nym pudłem.

Popeł­nili go w 1935 roku Borys Podolski, Nathan Rosen i czci­godny Albert Einstein. Podjęli oni próbę pod­ko­pa­nia fun­da­men­tów stale rosnącej w siłę fizyki kwan­to­wej. Tematem artykułu stał się efekt splą­ta­nia, pole­ga­jący na dzi­wacz­nym sko­re­lo­wa­niu stanów dwóch cząstek. Kiedy jedna ma pola­ry­za­cję pionową, z góry wiadomo, że druga musi przybrać pola­ry­za­cję poziomą. Natych­miast, jak gdyby igno­ru­jąc czas i prze­strzeń. Tyle tylko, że taki efekt na pierwszy rzut oka pozo­staje sprzeczny z ele­men­tar­nymi ideami mecha­niki kwan­to­wej (wybacz, że tutaj nie będę tego roz­wle­kał – zapra­szam tutaj) oraz teorii względ­no­ści. Tak zwany paradoks EPR miał w zamie­rze­niu twórców wskazać nie­peł­ność teorii kwantów i zmusić uczonych do poszu­ki­wań głęb­szego dna. Skutek był jednak dokład­nie odwrotny, bo opisane przez Ein­ste­ina, Podol­skiego i Rosena zjawisko okazało się jak naj­bar­dziej realne i ujawniło dodat­kowe nie­sa­mo­wi­to­ści mikro­świata.

W chwili wydania artykuł prze­szedł niemal bez echa, jednakże odkąd pojawiły się tech­niczne moż­li­wo­ści wery­fi­ka­cji jego założeń, robi zawrotną karierę. Od lat 80. ubie­głego stulecia po dziś dzień, z roku na rok liczba cytowań dzieła panów EPR stale rośnie! Mimo, iż autorzy trafili swoimi wnio­skami jak kulą w płot.

5. Rozpad uranu pod wpływem neutronów: Nowy typ reakcji jądrowej

Disintegration of Uranium by Neutrons meitner
“Wydaje się więc, że jądro uranu cha­rak­te­ry­zuje się nie­wielką sta­bil­no­ścią formy, która pod wpływem bom­bar­do­wa­nia neu­tro­nami, dzieli się na dwa jądra, w przy­bli­że­niu jed­na­ko­wej wiel­ko­ści. Te dwa jądra odpy­chają się wza­jem­nie i z nadwyżką energii kine­tycz­nej w roz­mia­rach 200 MeV. (…) Cały proces “roz­sz­cze­pie­nia” można opisać w zasadzie w kla­syczny sposób, bez koniecz­no­ści rozważań nad kwantowo-mecha­nicz­nymi”. Całość możesz znaleźć w tym miejscu.
Choć jako Polacy nie możemy pochwa­lić się posia­da­niem głowic jądro­wych ani nawet elek­trowni nukle­ar­nej, musimy docenić rolę jaką rolę odegrało nowe źródło energii w dziejach ludz­ko­ści. Ciekawe jest to, że choć po moc atomu sięgnęli najpierw Ame­ry­ka­nie i Sowieci, to pierwsze prace teo­re­tyczne powstały w Niem­czech. Teza o tym, jakoby III Rzesza mogła skon­stru­ować super­broń przed wszyst­kimi kon­ku­ren­tami – gdyby nie kwestie poli­tyczne oraz finan­sowe – nie wydaje się więc wyssana z palca.

Pierwsze rozbicie atomu uranu dokonało się w roku 1938, dzięki wytę­żo­nej pracy Otto Hahna, Fritza Stras­smanna i Lisy Meitner. Dokład­nego opisu procesu reakcji oraz ukucia terminu roz­sz­cze­pie­nie (fission) dokonała ta ostatnia, wraz ze swoim sio­strzeń­cem Otto Frishem. Idealny prezent na roz­po­czę­cie wojny, z którego ochoczo sko­rzy­stał pra­cu­jący dla Ame­ry­ka­nów Enrico Fermi, a niedługo później Robert Oppen­he­imer. W pewnym sensie była to również mała zemsta pani Meitner, z pocho­dze­nia Żydówki, zmu­szo­nej do emi­gra­cji z oczy­wi­stych powodów.

6. Struktura molekularna kwasu deoksyrybonukleinowego

molecular structure
“Pra­gniemy przed­sta­wić zupełnie nową struk­turę soli dez­ok­sy­ry­bozy kwasu nukle­ino­wego. Struk­tura ta cha­rak­te­ry­zuje się dwoma spi­ral­nymi łań­cu­chami, zawi­nię­tymi wokół tej samej osi. Doko­na­li­śmy zwykłych che­micz­nych wedle których, każdy łańcuch składa się z grup diestrow fos­fo­ra­no­wych łączą­cych reszty beta-D-deok­sy­ry­bozy”. Całość możesz znaleźć w tym miejscu.
Czy to naj­waż­niej­sza publi­ka­cja z zakresu biologii w XX wieku? Bardzo praw­do­po­dobne. O ist­nie­niu DNA naukowcy wie­dzieli znacznie wcze­śniej, lecz dopiero pio­nier­ska praca Jamesa Watsona i Francesa Cricka upu­blicz­niona w 1953 roku, naszki­co­wała szcze­góły jego nie­zwy­kłej kon­struk­cji. Wtedy to do “Nature” trafił artykuł obja­śnia­jący struk­turę podwój­nej helisy, która prędko urosła do rangi ikony nauk przy­rod­ni­czych. Dzięki odkryciu autorzy docze­kali się wiecznej chwały, a w następ­nej dekadzie w pełni zasłu­żo­nego Nobla. Jako cie­ka­wostkę warto odno­to­wać, że bez­po­śred­nie “zdjęcie” nici DNA wykonano dopiero kilka lat temu we Włoszech. 

7. C60: Buckminsterfullerene

C60 Buckminsterfullerene
“Podczas eks­pe­ry­men­tów mających na celu zro­zu­mie­nie mecha­ni­zmów, dzięki którym dłu­go­łań­cu­chowe czą­steczki węgla tworzą się w prze­strzeni mię­dzy­gwiezd­nej, grafit został odpa­ro­wany poprzez naświe­tla­nie laserem, tworząc nie­zwy­kle stabilne klastery, skła­da­jące się z 60 atomów węgla”. Całość możesz znaleźć w tym miejscu.
Na zakoń­cze­nie skok w stronę chemii i drobny hołd dla zmarłego w tym roku Sir Harolda Kroto. Jako młody astro­che­mik zain­te­re­so­wał się on natu­ral­nym wystę­po­wa­niem we wszech­świe­cie zaska­ku­jąco długich łań­cu­chów węgla, zło­żo­nych z kil­ku­na­stu lub nawet kil­ku­dzie­się­ciu atomów. Niedługo później postawił sobie za cel skon­stru­owa­nie podob­nych molekuł w warun­kach labo­ra­to­ryj­nych. Wyniki były nie­zwy­kłe: węgiel wykazał ten­den­cję do łączenia się w ele­ganc­kie bryły zbu­do­wane z 60 do 540 atomów. Tak Kroto wpadł na ślad fule­re­nów, których struk­turę opisał na łamach “Nature” w 1985 roku. Co w tych węglo­wych figurach było takiego war­to­ścio­wego? Ich nie­ty­powa kon­struk­cja zapewnia uni­ka­towe wła­ści­wo­ści che­miczne oraz fizyczne, otwie­ra­jąc furtkę do sze­ro­kiej, na razie ledwo napo­czę­tej dzie­dziny nano­tech­no­lo­gii. 
Literatura uzupełniająca:
A. Zeilinger, Od splątania cząstek do kwantowej teleportacji, przeł. B. Bieniok, E. Łokas, Warszawa 2013;
J. Watson, DNA pasją mojego życia, przeł. J. Cieśla, Warszawa 2001;
T. Happenheimer, Podbój kosmosu. Historia programów kosmicznych, przeł. K. Bednarek, Warszawa 1997;
M. Heller, Ewolucja kosmosu i kosmologii, Warszawa 1985.
podpis-czarny