7 najsławniejszych publikacji w dziejach nauki cz.2

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.
5 rzeczy, które powinieneś wiedzieć o lampach LED Chicxulub – poznajmy mordercę dinozaurów Kwantowe interpretacje: obiektywny kolaps GRW