Fizyk jądrowy, który uśmiercił dinozaury – Luis Alvarez

Wszyscy słyszeli o potężnym meteorycie, który 66 milionów lat temu zmiótł z powierzchni Ziemi 3/4 gatunków. Znacznie mniej osób zdaje sobie sprawę, że tę powszechnie przyjmowaną dziś koncepcję nakreślił zasłużony fizyk i współtwórca bomby jądrowej – Luis Walter Alvarez.

Nie lubię mówić złych rzeczy o paleontologach, ale nie są oni dobrymi naukowcami. Są bardziej jak kolekcjonerzy znaczków.

Luis Alvarez

Ojczyzna wzywa Alvareza

Zanim przejdziemy do tego, w jaki sposób ekspert w dziedzinie jądra atomowego wszedł w buty paleontologów i rozwikłał zagadkę smutnego końca dinozaurów, przyjrzyjmy się bliżej jego intrygującej karierze. W tym celu musimy przenieść się do Stanów Zjednoczonych z lat 40. ubiegłego stulecia, kiedy to japoński atak na bazę Pearl Harbor pchnął Waszyngton do bezprecedensowej mobilizacji obejmującej nie tylko armię i przemysł, ale również naukę. Każdy kto mógł w jakikolwiek sposób wesprzeć wysiłek wojenny, kierowany był do odpowiednich zadań.

Nie inaczej przedstawiała się sytuacja młodego Luisa Alvareza. Świeżo upieczony absolwent przez pewien czas nie potrafił znaleźć dla siebie miejsca, lecz ostatecznie, tuż przed wybuchem konfliktu, wylądował na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley. Prawdopodobnie pomogła mu w tym starsza siostra Gladys, zatrudniona na uczelni w charakterze asystentki profesora Ernesta Lawrence’a. Alvarez miał wyjątkowe szczęście trafiając pod skrzydła 40-letniego uczonego, już wtedy cieszącego się sławą prawdziwego guru fizyków eksperymentalnych. Jeśli nie kojarzycie jego nazwiska, to powinniście wiedzieć, że właśnie Lawrence’owi zawdzięczamy obmyślenie ogólnej konstrukcji kołowych akceleratorów cząstek elementarnych, takich jak Tevatron i Wielki Zderzacz Hadronów. Z kolei w 1931 roku, fizyk zainicjował budowę nowoczesnego Berkeley National Laboratory, gdzie praktykę rozpoczął Alvarez.

Ekipa pracująca przy pierwszym akceleratorze w Berkeley. Trzeci od lewej w garniturze to Ernest Lawrence. U góry w czarnej koszuli widać Luisa Alvareza.
Prosty schemat przechwytu elektronu przez proton.

Wczesne popisy naszego bohatera w Berkeley Lab, szybko przysporzyły mu sławy jednego z najzdolniejszych doświadczalników młodego pokolenia. Nim skończył trzydziestkę, zdążył wziąć udział w co najmniej trzech istotnych odkryciach. Najpierw udało mu się dokonać pionierskiego wyizolowania trytu, trzeciego (po procie i deuterze) izotopu wodoru[1]. Niedługo później opublikował wyniki badań nad K-elektronem, zgodnie z którymi, elektrony leżące na najbliższej jądru atomowemu powłoce, mogą ulegać przechwytywaniu przez protony. W wyniku takiej reakcji proton staje się pozbawionym ładunku elektrycznego neutronem, emitując przy tym neutrino. Tym samym Alvarez eksperymentalnie udokumentował teoretyczne postulaty formułowane przez Gian-Carlo Wicka i Hidekiego Yukawę. Wreszcie, wraz z kilka lat starszym Felixem Blochem, przeprowadzili pierwszy bezpośredni i bardzo dokładny pomiar momentu magnetycznego swobodnego neutronu. Na marginesie muszę dodać, że uzyskana wtedy wartość stanowiła jedną z pierwszych poszlak wskazujących na posiadanie przez nukleony wewnętrznej struktury. Było to na dwie dekady przed odkryciem, iż każdy proton i neutron, skrywa w swym wnętrzu po trzy kwarki.

Niemałe sukcesy oraz żywe zainteresowanie promieniowaniem i fizyką atomu, nie mogło w tamtych czasach pozostać niedostrzeżone przez Armię. Naukowiec w końcu doczekał się wezwania przez ojczyznę i – zapewne rekomendowany przez swojego mentora – został oddelegowany do pracy w leżącym po drugiej stronie kontynentu Massachusetts Institute of Technology. Renomowana politechnika otrzymała strategiczne zadanie opracowania nowych systemów radarowych.

Alvarez, mimo braku doświadczenia w tej konkretnej dziedzinie, objął kierownictwo nad Specjalną Grupą Projektową i w stu procentach usatysfakcjonował wojskowych. Jego zespół zrealizował nowatorski radarowy system bombowy Eagle, z którego z powodzeniem korzystały m.in. legendarne Superfortece B-29 oraz B-24 Liberator. Do tego dorzucił GCA (Ground-controlled approach), czyli radarowy system sterowania, umożliwiający lądowanie nawet przy zerowej widoczności. Oba wynalazki natychmiast znalazły zastosowanie w lotnictwie oraz marynarce, zarówno USA jak i Wielkiej Brytanii, znacznie zwiększając zdolność operacyjną aliantów.

Wśród niszczycieli światów

Alvarez (z prawej) trzymający plutonowy rdzeń Fat Mana.

Zachwyceni dowódcy ani myśleli, aby zwolnić uzdolnionego eksperymentatora do domu. Po krótkim pobycie w Chicago, Alvarez znalazł w swojej skrzynce pocztowej tajemniczy list, zachęcający do wzięcia udziału w wielkim rządowym przedsięwzięciu, koordynowanym przez Roberta Oppenheimera w Nowym Meksyku. Samotność mu nie groziła. Podobne zaproszenia trafiły do kilkudziesięciu znamienitych pracowników naukowych z całego kraju, w tym do starszych kolegów Alvareza z Berkeley: Arthura Comptona, Felixa Blocha i oczywiście Ernesta Lawrence’a.

Do tajnego laboratorium Los Alamos fizyk przybył już pod koniec wojny, ale mimo to miał pełne ręce roboty. Od razu rzucono go do pracy w kilku zespołach. Przede wszystkim, z uwagi na niedawne sukcesy w projektowaniu systemów radarowych, liczono na jego usługi w Projekcie Alberta. Stanowił on element wykończeniowy Projektu Manhattan, skoncentrowany na kwestii transportu oraz detonacji nowej superbroni na terenie wroga. Poza tym Alvarez zaangażował się w bezpośrednie prace nad mechanizmem eksplozji pierwszej bomby plutonowej Fat Man (zrzuconej później na Nagasaki), jak również w obmyślenie sposobu wykrywania wybuchów jądrowych. Ostatnie z tych zadań stanowiło wyraz stale tlącej się obawy, że III Rzesza również prowadzi badania nad bronią masowej zagłady i być może dokonała już własnych testów nuklearnych.

Któż mógł podjąć to wyzwanie jeśli nie specjalizujący się w badaniach nad radiacją Alvarez? I rzeczywiście, rozwiązanie nie sprawiło mu większych kłopotów. Zdawał sobie sprawę, że niekontrolowania reakcja łańcuchowa powinna wiązać się z emisją rzadkich, radioaktywnych izotopów, jak ksenon-133 (obecnie stosowany w medycynie, m.in. do obrazowania płuc i mózgu). Jako, że uczony, za młodu zajmował się analizą promieniowania kosmicznego, dokładnie wiedział jak badać atmosferę pod tym kątem. Jego metoda – co do zasady stosowana do dnia dzisiejszego – pozwoliła na szybkie ustalenie, że Niemcy niemal na pewno nie prowadzą programu jądrowego lub są bardzo daleko w tyle za Amerykanami.

Jak wiadomo, zdobycie tej wiedzy, nie powstrzymało prezydenta Trumana przed wyrażeniem zgody na przeprowadzenie nuklearnej egzekucji na Japonii. W sierpniu 1945 roku Hiroszimę spustoszył Little Boy, a kilka dni później na Nagasaki spadł Fat Man.

Samolot B-29 The Great Artiste. W czasie ataków nuklearnych na Japonię służył do obserwacji.

Luis Walter Alvarez miał niepowtarzalną okazję osobiście uczestniczyć w pierwszym z niszczycielskich spektakli. Nie jest to powszechnie znany fakt, ale obu bombowcom B-29 niosącym śmiercionośne ładunki – Enola Gay oraz Bockscar – towarzyszył samolot obserwacyjny The Great Artiste. W składzie załogi podczas nalotu na Hiroszimę znalazł się Alvarez, mający za zadanie dokonać pomiaru promieniowania. Z tego co wiemy z jego listów oraz późniejszych wypowiedzi, podobnie do Oppenheimera, bardzo żałował skutków swojej pracy w Los Alamos.

Powrót do cywilnej fizyki

Nawet jeśli wielu naukowców odczuwało wstyd za swój udział w Projekcie Manhattan, nikt nie mógł zanegować, że wspólny wysiłek stanowił jedyne w swoim rodzaju forum do wymiany myśli oraz wzajemnej inspiracji najtęższych umysłów. Nieprzypadkowo na okres powojenny przypadł największy rozkwit fizyki cząstek elementarnych, której urokom nie oparł się również nasz bohater.

Najmodniejszymi urządzeniami badawczymi były w tym czasie komory pęcherzykowe – dziś używane głównie w celach demonstracyjnych. Zazwyczaj przybierały one kształt cylindrycznych lub kulistych zbiorników wypełnionych ciekłym eterem etylowym. Płyn zostaje doprowadzony do stanu przegrzania, tak aby nie wrzał mimo posiadania odpowiedniej ku temu temperatury. Wystarczy jednak drobne zanieczyszczenie, choćby naładowana cząstka elementarna, aby zaburzyć równowagę cieczy i wytrącić na trasie swego przelotu, wyraźny sznur pęcherzyków. 

Zabawy z komorą pęcherzykową w CERN.

Pierwsza komora była dziełem Donalda Glasera, ale pomysł niechybnie przejął, spopularyzował i znacznie rozwinął (m.in. poprzez zamianę eteru na ciekły wodór) Luis Alvarez. Zdawał on sobie sprawę, iż wynalazek po dodaniu doń odpowiedniego systemu rejestracji zdarzeń, stworzy całkiem nowe możliwości obserwacji mikroświata. W rzeczy samej, wydziały fizyki wkrótce zalały tysiące fotografii uwieczniających ślady interakcji między cząstkami.

Można powiedzieć, że za sprawą Glasera i Alvareza nastąpiło pierwsze – przed rozpowszechnieniem potężnych akceleratorów – wielkie “bum” fizyki subatomowych obiektów. Sklasyfikowano wiele nowych cząstek, na czele z rezonansami: typem czy też stanem hadronów, o czasie życia krótszym od tryliardowej części sekundy. W podręcznikach zaroiło się od nowych nazw: mezonów rho, barionów delta, barionów ksi etc. Komora pęcherzykowa okazała się na tyle istotnym wynalazkiem, że aż dwukrotnie została doceniona przez komisję noblowską. Najpierw nagrodzono Donalda Glasera, a osiem lat później – oficjalnie za rozwój wodorowych komór pęcherzykowych i odkrycie dużej liczby stanów rezonansowych – Nobel trafił w ręce Alvareza, koronując jego bogatą karierę jako fizyka. 

Alvarez filatelista

Nieco mniej udane było w tym czasie życie osobiste naukowca. Jeszcze zanim został noblistą, rozstał się ze swoją pierwszą wielką miłością, Geraldine, która urodziła mu dwójkę dzieci. Jednak mimo rozwodu i założenia nowej rodziny, Luisowi udało się utrzymać ciepłe stosunki z potomstwem, zwłaszcza z synem Walterem. Pierworodny wkrótce rozpoczął własną przygodę w Berkeley, choć ten nie poszedł w ślady ojca i zamiast fizyki zafascynował się naukami o Ziemi. Geologa szczególnie interesował przełom kredy i paleogenu, a co za tym idzie, pytanie o to, jak wyginęły dinozaury

Prowadząc wykopaliska we włoskim Gubbio, Walter wraz z innymi geologami, starał się ulepszyć dotychczasowe metody badań oparte o pomiary grubości poszczególnych warstw skalnych. Problem polegał na tym, że w pewnych sytuacjach gruba warstwa materiału wcale nie musi świadczyć o długim czasie osadzania, tak jak cienka warstwa nie zawsze świadczy o osadzaniu szybkim. Jak zwiększyć precyzję obliczeń? Jak upewnić się, że grubość warstw nie stanowi jedynie złudzenia prowadzącego do błędnych wniosków?

Walter Alvarez – być może podczas zwykłego niedzielnego obiadu – przedstawił tę wątpliwości swojemu ojcu. Luis szybko wpadł na rozwiązanie, dostrzegając analogię do problemów, z jakimi sam zmagał się wiele lat wcześniej badając promieniowanie kosmiczne oraz poszukując śladów eksplozji jądrowych. Wystarczyło uciec się do dawnych doświadczeń. W czasie wojny Alvarez polował na radioaktywny izotop ksenonu-133, teraz proponował aby skupić się na pomiarach obecności irydu. Ten niezwykle rzadki metal jest obecny w skorupie ziemskiej w stężeniu 0,001 ppm – co oznacza, że na miliard przebadanych atomów, najwyżej jeden to atom irydu[2].

Ale dlaczego akurat w irydzie pokładano takie nadzieje? Ponieważ pierwiastek ten trafia na Ziemię z przestrzeni kosmicznej, jako element pyłu nieustannie i równomiernie wpadającego do atmosfery. Ustalenie przeciętnego tempa opadania i gromadzenia się irydu, stanowi zatem rewelacyjny punkt orientacyjny przy szacowaniu jak długo trwała akumulacja danego osadu.

Luis Alvarez z synem Walterem w Gubbio we Włoszech.

Noblista nie poprzestał na dobrej radzie. Jako wytrawny eksperymentator osobiście skonstruował detektor irydu i na dobre włączył się do badań. Niebawem przystąpił do analizy próbek dostarczonych mu z Europy. Pochodziły one z miejsca, gdzie dwie, liczące setki metrów grubości warstwy skalne, przedzielała śmiesznie cienka, zaledwie kilkucentymetrowa linia iłów. Po przeprowadzeniu badania, Luis i Walter natychmiast przekonali się, że mieli rację nie ufając samej tylko grubości skał. Okazało się, iż chuda warstewka (zwana granicą K-Pg) zawierała aż trzydziestokrotnie więcej atomów irydu od skał leżących poniżej jak i powyżej. Oczywiście dla poprawności, testy przeprowadzono również dla próbek pochodzących z różnych miejsc na Ziemi. Wszędzie uzyskano podobne, czasem nawet jeszcze wyraźniejsze wyniki.

Coś w tym wszystkim nie dawało Alvarezom spokoju. Zdecydowali się na pomiary irydu aby nie wyciągać zbyt szybkich wniosków, w oparciu o najprostsze przesłanki. Teraz, znając stężenie rzadkiego pierwiastka w poszczególnych warstwach, powinni założyć, że iły o centymetrowej grubości odkładały się długie dziesiątki lub setki milionów lat. Czy aby znów nie wpadli w pułapkę pochopnych konkluzji? Teza o materiale skalnym akumulowanym dziesiątki razy wolniej niż przeciętna, brzmiała nierealnie.

W związku z tym badacze zdecydowali się wysunąć zupełnie inną, dość szokującą hipotezę. Zgodnie z nią, granica K-Pg uformowała się szybko, a nadwyżka irydu przybyła z kosmosu nagle, świadcząc o jakimś bardzo burzliwym wydarzeniu.

Strzałka wskazuje na cienką warstwę, zawierającą zwiększone stężenie irydu.

W 1980 roku magazyn Science opublikował przełomowy artykuł Pozaziemska przyczyna wymierania między Kredą a Trzeciorzędem, podpisany przez Luisa i Waltera Alvarezów, Franka Asaro i Helen Michel.

Praca nie została ciepło przyjęta. Szczególnie rozdrażnieni byli przedstawiciele środowiska geologów i paleontologów, traktujące jako potwarz fakt, iż jedno z najgłośniejszych odkryć z ich działki, przypadło de facto amatorowi. Zwłaszcza takiemu, który podkreślał swój dystans do nauk o Ziemi, odpowiadając oponentom:

Czuję się dumny z bycia fizykiem. Fizyk reaguje natychmiast, gdy tylko ktoś przedstawi mu argumenty podważające teorię, w którą dotychczas wierzył.

Luis Alvarez

Tak czy inaczej, teza broniła się sama, zwłaszcza za sprawą niesłychanie precyzyjnych przewidywań popartych licznymi obliczeniami. Autorzy przedstawili dokładne warunki, wedle których ciało niebieskie o masie 34 miliardów ton uderzyło 66 milionów lat temu w Ziemię z energią ponad 100 milionów megaton, wybijając krater o średnicy około 150 kilometrów. Taki impakt powinien wyrzucić w atmosferę odpowiednią ilość pyłu, który opadając przez kolejne kilka lat, uformował granicę K-Pg. Choć to nie było głównym tematem pracy, uczeni mogli pokusić się o ostrożny wniosek – oparty o obserwacje erupcji wulkanicznych, jak słynny wybuch Krakatau z 1883 roku – że taka katastrofa mogła na tyle skutecznie zasłonić niebo, aby urwać łańcuch pokarmowy u samej podstawy. To wystarczyłoby do wymarcia większości gatunków, włączając w to wielkie gady.

Fizyk i piramidy

Koncepcja impaktowa do dziś posiada przeciwników, ale i tak zdobyła szerokie uznanie, najpełniej tłumacząc nagłe – w geologicznej skali czasu – zniknięcie dinozaurów. Jej architekt zmarł po walce z nowotworem w 1988 roku, pozostawiając po sobie godną pozazdroszczenia spuściznę. Mimo to, nazwisko Alvareza pozostaje w cieniu innych gigantów dwudziestowiecznej nauki. Być może to kwestia uwielbienia i prestiżu jakimi zwykliśmy obdarzać teoretyków? Sądzę, że tym bardziej warto znać typowego doświadczalnika, który pasją, sukcesami i zakresem zainteresowań nie ustępował w niczym Nielsowi Bohrowi, Erwinowi Schrödingerowi czy Richardowi Feynmanowi.

Na zakończenie jeszcze ciekawostka. Kilka lat temu na łamach Nature, pojawiła się zaskakująca publikacja dotycząca Piramidy Cheopsa. Naukowcy monitorując przechodzące przez starożytną budowlę miony – cząstki padające na Ziemię wraz z promieniowaniem kosmicznym – odnaleźli ślad kolejnej komory, mającej aż 30 metrów długości. Jako, że na nowe pomieszczenie w Wielkiej Piramidzie nie trafiliśmy od dekad, odkrycie słusznie narobiło nieco szumu.

Jedyne czego mi brakowało w licznych przekazach medialnych to wzmianka, że pomysłodawcą nowatorskiej oraz bezinwazyjnej metody prześwietlania piramid był Luis Walter Alvarez, który zaproponował użycie promieniowania kosmicznego w… 1967 roku.

Literatura uzupełniająca:
M. Benton, Gdy życie prawie wymarło. Tajemnica największego masowego wymierania w dziejach Ziemi, przeł. A. Hołdys, Warszawa 2017;
W. Alvarez, Dinozaury i krater śmierci, przeł. N. Ryszczuk, Warszawa 1999;
W. Trower, Luis Walter Alvarez 1911-1988. A Biographical Memoir, [online: www.nasonline.org/publications/biographical-memoirs/memoir-pdfs/alvarez-luis-w.pdf];
B. Nowak, Zagadka późnokredowego wymierania, “Przegląd zagadnień naukowych” LIII, 2 (2008);
E. Segrè, K-Electron Capture by Nuclei, [w:] W. Trower, Discovering Alvarez. Selected Works of Luis W. Alvarez, with Commentary by His Students and Colleagues, Chicago 1987;
L. Alvarez, The Hydrogen Bubble Chamber and the Strange Resonances, [online: www.osti.gov/accomplishments/documents/fullText/ACC0021.pdf].
[+]
Nobel za planety pozasłoneczne – krótko i dość przejrzyście Szanowny panie, potrzebujemy bomby! Los Alamos – Kosztowne zbiorowisko maniaków