Magiczny tygiel

Fragment tekstu:

Podziękowania

Dziękuję wszystkim niżej wymienionym, którzy bezpośrednio mi pomogli, zainspirowali mnie lub po prostu wspierali w trakcie pisania tej książki. Karen, moja mama i tato, Neil Belton, Charlotte Mendelson, Murray Pollinger, Sara Menguc, sir Fred Hoyle, Harald Fritzsch, nieżyjący już Roger Tayler, Robert Wilson, David Tytler, Jordi Miralda-Escude, Peter Calmus, John Mather, sir Martin Rees, Max Tegmark, John Emsley, Ken Crosswell, Juliet Walker, Nigel Henbest, Nick Booth, Anne Bean, Peter Fink, Elisabeth Geake, Nick Mayhew-Smith, Michael White, Stephen Hedges, David Hough, Pauline i David Parslow, Pat i Brian Chilver. Żadna z wymienionych osób nie ponosi oczywiście odpowiedzialności za ewentualne błędy.

PROLOG

Kosmiczny łącznik

Wierzę, iż źdźbło trawy nie mniej znaczy niż rzemiosło gwiazd.
WALT WHITMAN*

Z każdym oddechem wciągamy do płuc atomy, które powstały w gorejących tyglach głęboko wewnątrz gwiazd. Każdy kwiat na łące zawiera atomy wyrzucone w przestrzeń przez eksplozje gwiazd, które jaśniały mocniej niż miliardy słońc. Każda książka jest zbudowana z atomów, które przemierzyły niewyobrażalnie wielkie połacie przestrzeni i czasu.
Astronomowie często opowiadają o czarnych dziurach i eksplodujących gwiazdach, pulsarach, kwazarach oraz o tytanicznej erupcji wielkiego wybuchu, lecz niezwykle trudno uwierzyć, że któryś z tych obiektów jest realny - równie realny jak wzgórze, drzewo lub nowo narodzone dziecko. Są one zbyt odległe od nas i od znajomego nam świata, od bezpośredniego doświadczenia naszych zmysłów. Wydaje się niemożliwe, aby mogły mieć jakiś związek z naszym codziennym życiem.
Ktokolwiek tak sądzi, ulega złudzeniu.
Wiele z najbardziej dramatycznych i budzących grozę kosmicznych zjawisk - od gwałtownej śmierci gwiazd po tytaniczną, ognistą kulę, w której 15 miliardów lat temu narodził się wszechświat - wiąże się bezpośrednio z nami dzięki atomom, z których zbudowane są nasze ciała.
Gdyby atomy, z których składa się świat wokół nas, mogły przekazać nam swoje dzieje, każdy z nich opowiedziałby historię, przy której bledną największe epopeje światowej literatury. Od węgla, usmażonego w puchnących czerwonych olbrzymach - gwiazdach tak wielkich, że mogłyby połknąć milion słońc - po uran, który powstał w eksplozjach supernowych, niewyobrażalnie gwałtownych kosmicznych kataklizmach. Od boru, stworzonego w atomowych zderzeniach w zimnej, międzygwiezdnej przestrzeni, po hel, powstały w piekielnych pierwszych kilku minutach wielkiego wybuchu.
Atomy żelaza w naszej krwi, atomy wapnia w naszych kościach, atomy tlenu, który z każdym oddechem wypełnia nasze płuca - wszystkie powstały w ognistych tyglach głęboko wewnątrz gwiazd, po czym zostały wyrzucone w przestrzeń, gdy gwiazdy owe dokonały swego żywota. Każdy z nas jest pomnikiem dawno zmarłych gwiazd. Każdy z nas został całkiem dosłownie stworzony w niebie.
Przez tysiące lat astrolodzy mówili nam, że nasze życie jest kontrolowane przez gwiazdy. Okazuje się, że mieli rację, jeśli nie dosłownie, to z pewnością w przenośni. Odkrycia naukowe dwudziestego wieku ujawniły, że nasze związki z kosmosem są znacznie bardziej intymne, niż ktokolwiek próbował sobie wyobrażać. Każdy z nas jest prochem z prochu gwiazd.
Historia odkrycia naszego kosmicznego pochodzenia - odkrycia magicznego tygla, w którym powstały atomy - jest jedną z wielkich epopei nauki. Właściwie są to dwie wiążące się historie: historia atomów i historia gwiazd, lecz żadna z nich nie może być opowiedziana bez drugiej, ponieważ gwiazdy zawierają klucz do odkrycia sekretu atomów, a atomy kryją rozwiązanie zagadki gwiazd.
Historia poszukiwań pochodzenia atomów stanowi historię dwóch wielkich odkryć oraz wahadła, które wychylało się tam i z powrotem od jednego z nich do drugiego. Według jednej teorii atomy powstały wewnątrz gwiazd, a następnie zostały wyrzucone w przestrzeń i stały się surowcem, z którego powstały kolejne nowe słońca i planety. Druga teoria utrzymywała, że atomy zostały zbudowane w momencie narodzenia wszechświata, w pierwszych, burzliwych minutach wielkiego wybuchu.
Wahadło najpierw wychyliło się w kierunku gwiazd, jako najbardziej prawdopodobnego położenia magicznego tygla. Gdy się wydawało, że gwiazdy nie były dostatecznie gorące, aby smażyć atomy, wahadło pobiegło w kierunku wielkiego wybuchu. Gdy wielki wybuch również okazał się niezdolny do odegrania tej roli, wahadło wróciło do gwiazd, a w każdym razie na drogę w kierunku gwiazd. Przyroda często nam przypomina, że nie jest zobowiązana korzystać z prostych rozwiązań tylko dla naszej wygody.
Zanim jednak zdołaliśmy odkryć kosmiczne pochodzenie atomów, musieliśmy zdać sobie sprawę, że atomy nie zostały umieszczone we wszechświecie przez Stwórcę w pierwszym dniu stworzenia. A zanim doszliśmy do tego wniosku, musieliśmy uświadomić sobie coś jeszcze bardziej fundamentalnego i znacznie mniej oczywistego: że wszystko jest zrobione z atomów...

ROZDZIAŁ 1

Alfabet natury

Jak odkryliśmy, że wszystko na Ziemi jest zrobione z atomów
Gdyby w wyniku jakiegoś kataklizmu zniszczona została cała wiedza naukowa i tylko jedno zdanie przetrwałoby dla następnych generacji istot, jakie zdanie zawierałoby najwięcej informacji w najmniejszej liczbie słów?
Wszystko jest zbudowane z atomów.
RICHARD FEYNMAN

Świat zobaczyć w ziarenku piasku
Niebo w dzikiej roślinie
Nieskończoność uchwycić w ręku
A wieczność w godzinie.
WILLIAM BLAKE*

Już w starożytności wielu ludziom musiały przyjść do głowy pytania: Co się stanie, jeżeli wezmę ten patyk, ten kawałek płótna, tę glinianą tabliczkę, przetnę na pół, a następnie znowu na pół? Czy mogę to kontynuować w nieskończoność? Czy w końcu dojdę do czegoś, czego już nie będzie można podzielić? Pierwszą osobą, która zapisała odpowiedź na to pytanie, był grecki filozof Demokryt.
Niewiele wiemy o Demokrycie. Jego idee przetrwały do naszych czasów wyłącznie w pismach innych autorów. Urodził się około 470 roku p.n.e., lecz nikt nie jest pewien gdzie. Odbywał liczne podróże, założył szkołę w Abderze w Tracji. Obecnie znajduje się tam greckie miasteczko Awdhira, w pobliżu granicy z Bułgarią, lecz w piątym wieku p.n.e. był to kwitnący i ruchliwy port na wybrzeżu Morza Egejskiego.
Demokryta pasjonowało pytanie, jaka jest natura materii. Kwestia ta została podniesiona ponad sto lat wcześniej przez Talesa z Miletu, ojca założyciela greckiej filozofii, lecz jej nieprecyzyjne sformułowanie nie pozwoliło na zadowalającą odpowiedź. Geniusz Demokryta polegał na uściśleniu pytania Talesa. W trakcie niezmordowanych, wyczerpujących dyskusji ze swoim nauczycielem, Leukipposem, Demokryt przekształcił niejasno postawioną kwestię w niezwykle precyzyjne pytanie, na które mogą istnieć tylko dwie alternatywne odpowiedzi: Czy materię można dzielić w nieskończoność?
Odpowiedź Demokryta brzmiała: nie. Było dla niego absolutnie nie do pomyślenia, aby jakikolwiek materialny obiekt można bez końca ciąć na coraz mniejsze części. Prędzej czy później taki proces musi doprowadzić do powstania grudki materii, której nie da się już zmniejszyć. Określenie "niepodzielny" brzmi po grecku a-tomos, więc te niezniszczalne ziarna, z których wszystko jest zrobione, Demokryt nazwał "atomami". "Słodycz i gorycz istnieją dzięki umowie, dzięki umowie jest ciepło i zimno, dzięki umowie jest kolor - napisał. - Lecz w rzeczywistości istnieją tylko atomy i próżnia".

Atomy i próżnia

Idea Demokryta natychmiast wyjaśnia wiele zjawisk, które byłyby niewytłumaczalne, gdyby materia nie była ziarnista, lecz ciągła. Gdzie, na przykład, podziewa się sól, gdy rozmiesza się ją w garnku ciepłej wody? Jeżeli Demokryt ma rację, to sól po prostu rozpada się na atomy, które następnie lokują się w pustych przestrzeniach między atomami wody. Idea atomów wyjaśnia także, w jaki sposób ryba może płynąć w morzu. Gdyby woda stanowiła ciągłą materię, nie byłoby przerw, przez które ryba mogłaby się przedostawać. Jeżeli jednak świat jest zrobiony z atomów, oddzielonych pustą przestrzenią, to "czubek nosa" ryby może wcisnąć się między atomy wody, rozdzielając ciecz niczym kurtynę, przez którą ryba posuwa się do przodu.
Nie było wątpliwości, że atomy mogłyby wyjaśnić niektóre zagadkowe zjawiska, lecz w rzeczywistości stanowiły one jedynie wytwór wyobraźni jednego człowieka. Atomy, jeśli istnieją, są o wiele za małe, aby można je bezpośrednio postrzegać zmysłami. Jak zatem można stwierdzić ich istnienie? Na szczęście istnieje sposób.
Sztuczka polega na tym, aby założyć, że atomy istnieją, a następnie wydedukować logiczne konsekwencje tego założenia. Gdyby konsekwencje zgadzały się z rzeczywistością naszego codziennego świata, idea atomów uzyskałaby poparcie. W przeciwnym wypadku należałoby poszukać lepszej idei.
Demokryt użył dokładnie takiego argumentu na poparcie swej rewolucyjnej idei. Zakładając istnienie atomów, wydedukował, że sól powinna rozpuścić się w wodzie, a ryby nie powinny mieć trudności z pływaniem w morzu - dwa wnioski, które pozostają w całkowitej zgodzie z rzeczywistością.
Zdolność różnych substancji do wzajemnej penetracji stanowi jednak tylko o "jakości" materii. Aby idea atomów została solidniej umotywowana, niezbędna była jakaś "ilościowa", mierzalna właściwość materii, którą z jednej strony można wydedukować z założenia o istnieniu atomów, a z drugiej - zmierzyć linijką lub jakimś innym przyrządem. Wydedukowanie mierzalnej właściwości materii nie było jednak możliwe bez precyzyjnego obrazu atomów.
Demokryt wyobrażał sobie, że swobodne atomy poruszają się bez oporu przez pustą przestrzeń. Potrzebny był zatem precyzyjny obraz ruchu atomów w przestrzeni. Taki obraz wymagał znajomości praw, które rządzą ruchem. Sformułowanie tych praw wykraczało jednak poza granice możliwości ludzkiej wiedzy w epoce Demokryta. Prawa ruchu musiały poczekać na pojawienie się nauki.

Pochodzenie nauki

Starożytni Grecy, mimo swej niezwykłej błyskotliwości, nie wynaleźli nauki. Tacy myśliciele jak Demokryt spekulowali w nieskończoność na temat wszechogarniających zasad, którymi kieruje się kosmos, lecz nie zdradzali skłonności do przetestowania swych spekulacji przez eksperymentowanie i badanie otaczającego ich świata. Na drugim końcu spektrum znajdowali się rzemieślnicy, którzy wypalali i glazurowali ceramikę lub wykuwali broń z brązu i żelaza. Oni z kolei eksperymentowali i badali świat, lecz nie zdradzali skłonności do spekulowania na temat zasad, które rządzą ich rzemiosłem.
Przez tysiące lat obie tradycje pozostawały oddzielone: tradycja akademicka - uosabiana przez uczonych, którzy teoretyzowali na temat świata, lecz unikali ubrudzenia rąk, oraz tradycja rzemiosła - reprezentowana przez rzemieślników, którzy zdobywali wiedzę przez solidne, osobiste doświadczenie, lecz nie interesowali się teorią swego fachu, która mogłaby im wskazać lepsze sposoby jego wykonywania.
Dwie tradycje trwały niczym dwie rzeki oddzielnie płynące do morza. Ich spotkanie mogłoby stworzyć większą, potężniejszą rzekę. W rzeczywistości stworzyło powszechną, niepowstrzymaną powódź.
Trzecią tradycją, która powstała ze zjednoczenia tradycji akademickiej i rzemiosła, była oczywiście nauka.
Nauka okazała się niezwykle potężną metodą badania świata. Wykonywanie precyzyjnych doświadczeń, w których sama natura była ostatecznym arbitrem, decyduje w nauce o poprawności jednych teorii i fałszywości innych. Tę rewolucyjną, nową metodę zaczęła w szesnastym i siedemnastym wieku praktykować mała grupa dalekowzrocznych ludzi, z których tylko nieliczni od razu dostrzegli potęgę tworzonego przez siebie narzędzia. Nikt nie potrafił użyć tego narzędzia z lepszym skutkiem niż Isaac Newton.

Prawa ruchu

Wszystkie drogi prowadziły niegdyś do Rzymu. Wszystkie ścieżki w nauce nieodmiennie wiodą do Newtona, zapewne najpotężniejszego intelektu, jaki świat kiedykolwiek wydał. "Natura była dla niego jak otwarta księga, której litery potrafił czytać bez wysiłku" - napisał Albert Einstein. Newton postrzegał świat jako ułożoną przez Stwórcę gigantyczną zagadkę, która może zostać rozwiązana dzięki niezmordowanemu wysiłkowi czystej myśli. W tym zadaniu wspomagała go niemal nadludzka umiejętność koncentracji, która pozwalała mu przez całe tygodnie utrzymać abstrakcyjny problem w centrum uwagi aż do odkrycia sekretu. Podobnie jak wcześniej greccy filozofowie Newton próbował odkryć uniwersalne zasady, które rządzą światem. W odróżnieniu od Demokryta i jemu współczesnych, Newton eksperymentował zarówno w celu weryfikowania swych teorii, jak i odkrywania nowych zjawisk.
Rozważania Newtona nad ruchami ciał doprowadziły go do sformułowania słynnych praw ruchu, które rządzą zachowaniem obiektów wystawionych na działanie sił. Stosując te prawa do zjawisk codziennego świata, Newton potrafił wyjaśnić ruch ciała zrzuconego z wysokiej wieży, lot kuli armatniej w powietrzu, odrzut kuli bilardowej w czołowym zderzeniu.
Newton nie poprzestał na zjawiskach codziennego świata, lecz zastosował swe prawa ruchu do całkowicie odmiennej domeny: Układu Słonecznego, gdzie bardzo duże ciała, takie jak Księżyc i planety, poruszają się pod wpływem niewidzialnej, ale wszechogarniającej siły grawitacji. W ten sposób Newton potrafił wytłumaczyć, dlaczego Księżyc wywołuje oceaniczne pływy i dlaczego planety poruszają się po eliptycznych orbitach wokół Słońca.
Prawa ruchu Newtona okazały się tak skuteczne, że stały się standardowym elementem w naukowym zestawie narzędzi. Geniusz Newtona pozwolił mu zastosować je do domeny bardzo dużych ciał. Osiemnastowieczny szwajcarski matematyk, Daniel Bernouli, zastosował prawa Newtona do domeny bardzo małych ciał - atomów - uzyskując równie spektakularne wyniki.

Atomy w ruchu

Bernouli jest najbardziej znany dzięki swemu odkryciu, że ciśnienie płynącej cieczy lub gazu zmniejsza się, gdy wzrasta prędkość przepływu. "Efekt Bernoullego" wykorzystuje każdy samolot. Skrzydła samolotów są tak ukształtowane, że powietrze porusza się szybciej wzdłuż ich górnej powierzchni, a wolniej wzdłuż dolnej. Nadwyżka ciśnienia działająca do góry zapewnia "unoszenie" kompensujące ciężar maszyny.
Mechanika cieczy nie stanowiła jednak jedynej dziedziny zainteresowań Bernoullego. Dokonał także przełomowych odkryć dotyczących atomów, a raczej konsekwencji hipotezy atomowej dla mierzalnych właściwości materii. Bernouli nie miał najmniejszego pojęcia, jak wyglądają atomy ani jak duże są. Pod jednym względem miał jednak wielką przewagę nad Demokrytem. Bernoulli wiedział od Demokryta, że atomy są maleńkimi ziarnami materii poruszającymi się w pustej przestrzeni, ale wiedział także od Newtona, że atomy przestrzegają newtonowskich praw ruchu. Aby wykorzystać tę wiedzę, Bernoulli szukał w przyrodzie sytuacji, w której dokładna znajomość ruchu atomów pozwoliłaby przewidzieć jakąś mierzalną właściwość materii. Znalazł ją w przypadku gazu, który wyobrażał sobie jako zbiór maleńkich ziaren znajdujących się w wiecznym ruchu, niczym rój rozdrażnionych os.
Przełomowe odkrycie Bernoullego polegało na tym, że zdał sobie sprawę, iż atomy gazu bombardują uporczywie ściany pojemnika, w którym gaz pozostaje zamknięty. Efekt pojedynczego zderzenia atomu gazu ze ścianą pojemnika jest oczywiście zaniedbywalnie mały, lecz połączony efekt miliardów miliardów zderzeń atomów nieustannie bombardujących ściany pojemnika powoduje popychanie ścian na zewnątrz. Zamknięty w pojemniku gaz wytwarza zatem tętniącą siłę, którą nasze niedostatecznie wrażliwe zmysły postrzegają jako stały nacisk, czyli ciśnienie.
To właśnie stanowiło wielki przełom w rozumowaniu Bernoullego: połączenie zachowania gazu w skali atomowej z ciśnieniem, które jest właściwością gazu w skali makroskopowej.
Ciśnienie gazu lub pary jest łatwe do zmierzenia. Wystarczy zamknąć gaz w cylindrze z ruchomym "tłokiem", który w zasadzie stanowi ruchomą ścianę przemieszczającą się wzdłuż cylindra w reakcji na ciśnienie gazu. Im wyższe ciśnienie, tym dalej przesuwa się tłok. Ciśnienie gazu stanowi bezpośrednie ogniwo łączące świat ludzkiego doświadczenia - w którym można zobaczyć ruch tłoka - z niewidzialnym światem atomów. Chcąc jednak unaocznić to ogniwo, Bernoulli musiał użyć swego obrazu bombardujących ściany atomów, aby z niego wydedukować, w jaki sposób ciśnienie gazu powinno się zachowywać w różnych okolicznościach - na przykład gdy gaz jest ściskany lub podgrzewany.
Bernoulli zaczął od pewnych upraszczających założeń. Po pierwsze, przyjął, że rozmiary atomów są bardzo małe w porównaniu z odległościami między nimi. Okazuje się, że jest to bardzo dobre przybliżenie. Atomy powietrza wokół nas są, średnio biorąc, oddalone nawzajem od siebie setki razy bardziej, niż wynoszą ich średnice. Gdyby atomy gazu powiększyć do rozmiarów piłek tenisowych, w objętości dużego holu znalazłoby się zaledwie około stu piłek. Założenie o dużych wzajemnych odległościach atomów gazu pozwoliło Bernoullemu zignorować siły wzajemnego oddziaływania między atomami; taka siła - czy to będzie przyciąganie, czy odpychanie - raczej nie będzie miała charakteru długozasięgowego*. Gdy na ruch atomu nie wpływają jego sąsiedzi, prawa Newtona każą mu poruszać się ze stałą prędkością wzdłuż linii prostej, z wyjątkiem oczywiście tych momentów, gdy zderza się ze ścianą pojemnika lub z tłokiem. Bernoulli założył, że w wyniku takiego zderzenia atom po prostu odbija się od powierzchni, nie tracąc w żadnym stopniu swej prędkości. W wyniku zderzenia atom wywiera na ścianę niewielki nacisk.
Bernoulli zadał sobie teraz pytanie: Co się stanie z ciśnieniem, gdy ktoś zmniejszy objętość gazu? Dla ułatwienia rozumowania wyobraził sobie, że ktoś naciska na tłok tak mocno, aby dwukrotnie zmniejszyć objętość pojemnika. Atomy gazu będą miały teraz do pokonania połowę odległości między zderzeniami, więc w danym przedziale czasu będą się zderzać z tłokiem dwukrotnie częściej. W rezultacie ciśnienie wywierane na tłok się podwoi. Podobnie, gdy trzykrotnie zmniejszy się objętość gazu, jego ciśnienie się potroi. Okazało się, że gaz doskonały zachowuje się dokładnie w taki sposób. Zaobserwował to w 1660 roku angielski uczony Robert Boyle; na jego cześć prawo to zostało nazwane prawem Boyle'a.
Bernoulli zadał sobie teraz kolejne pytanie: Co się stanie z ciśnieniem gazu w cylindrze, jeżeli gaz zostanie podgrzany przy nie zmienionej objętości?
Aby odpowiedzieć na to pytanie, przyjął zadziwiająco trafne założenie - przez społeczność naukową powszechnie zaakceptowane dopiero ponad sto lat później. Polega ono na utożsamieniu temperatury gazu z zachowaniem atomów, a konkretnie z ich ruchem: temperatura stanowi jedynie pewną miarę średniej prędkości atomów. Gdy gaz się ogrzewa, jego atomy po prostu szybciej biegają.
Bernoulli wyobraził sobie podgrzewanie pary w cylindrze z tłokiem. W miarę wzrostu temperatury atomy poruszają się szybciej, więc częściej i z większą siłą zderzają się z tłokiem. W rezultacie wzrasta ciśnienie gazu. Będzie to oczywiste dla każdego, kto próbuje utrzymać tłok w miejscu, ponieważ będzie musiał użyć większej siły, aby powstrzymać tłok przed ruchem wzdłuż cylindra. Ponownie się okazało, że gaz doskonały zachowuje się dokładnie w taki sposób. Zachowanie to zaobserwował w 1787 roku francuski uczony Jacques Alexandre César Charles, który sformułował prawo zwane obecnie prawem Charles'a.
Bernoulli przewidział dwie mierzalne właściwości gazu: wzrost ciśnienia wraz ze zmniejszaniem się objętości oraz wzrost ciśnienia wraz ze wzrostem temperatury. Dokonał tego wyłącznie na podstawie założenia, że gaz składa się z olbrzymiej liczby atomów biegających tam i z powrotem, bębniących w ściany pojemnika niczym grad w blaszany dach. Według słów Pieta Heina:

Zda się, że natura stanowi nazwę
zabawy, gdzie miliardy i miliardy, i miliardy
cząstek grają swą nieskończoną grę
w bilardy i bilardy, i bilardy.

Metoda dedukowania właściwości gazu na podstawie kolektywnego zachowania jego atomów, zapoczątkowana przez Bernoullego, została pod koniec dziewiętnastego wieku doprowadzona do swej logicznej konkluzji przez Jamesa Clerka Maxwella w Szkocji oraz Ludwiga Boltzmanna w Niemczech. Zarówno Maxwell, jak i Boltzmann dostarczyli bardzo przekonujące dowody, że świat jest zbudowany z maleńkich ziaren materii, lecz nawet wtedy fakt istnienia atomów nie został powszechnie zaakceptowany i był przedmiotem intensywnej debaty jeszcze w dwudziestym wieku.
Przeciwnicy koncepcji atomowej opierali swe argumenty na silnych przekonaniach dotyczących tego, czym nauka jest, a czym nie jest. W szczególności uważali oni, że nauka nie powinna zajmować się takimi właściwościami świata, których nie da się bezpośrednio obserwować zmysłami. Ponieważ nikt w rzeczywistości nie widział atomu i nikt nie spodziewał się, że kiedykolwiek to nastąpi, austriacki fizyk Ernst Mach* - czołowy antagonista hipotezy atomowej - uważał, że koncepcja atomu jest nienaukowa i powinna zostać bezwzględnie usunięta z nauki. Zwolennicy Macha prowadzili krucjatę przeciwko proponentom koncepcji atomu, co między innymi przyczyniło się do śmierci Boltzmanna. Skłonny do depresji i nadmiernie wrażliwy na krytykę Boltzmann uległ presji swych przeciwników i popełnił samobójstwo w czasie wakacji w 1906 roku.
Jak na ironię, ostateczny dowód istnienia atomów pojawił się rok przez śmiercią Boltzmanna. Podał go nikomu nieznany "ekspert techniczny trzeciej klasy" szwajcarskiego urzędu patentowego. Nazywał się Albert Einstein.

Szalony taniec pyłków

Dla 25-letniego Einsteina rok 1905 stanowił rok cudów. W okresie dwunastu miesięcy opublikował cztery przełomowe artykuły. W jednym z nich sformułował rewolucyjną, nową "szczególną teorię względności", która przedefiniowała przestrzeń i czas; w drugim pokazał, jak wydedukować rozmiary molekuł z zachowania cieczy; trzeci artykuł dotyczył cząstkowej natury światła. Czwarty artykuł został nieco przysłonięty przez pierwsze trzy, lecz był także niezwykle ważny, gdyż raz na zawsze wykazał realność atomów. Dowód polegał na wyjaśnieniu zagadkowego odkrycia, dokonanego niemal sto lat wcześniej przez szkockiego botanika Roberta Browna.
Brown uczestniczył w wyprawie Flindersa do Australii w 1801 roku, w trakcie której sklasyfikował 4000 gatunków roślin półkuli południowej, odkrywając przy okazji jądro komórkowe. Swego największego odkrycia dokonał w 1827 roku. Obserwując przez mikroskop pływające w wodzie pyłki widłaka, stwierdził z zaskoczeniem, że pyłki miotają się na różne strony, tak jakby coś je nieustannie kopało. Zjawisko to stało się znane jako "ruchy Browna", lecz nikt nie umiał wyjaśnić jego przyczyn.
Geniusz Einsteina pozwolił mu uświadomić sobie, że każdy pyłek jest rzeczywiście potrącany przez atomy, a raczej przez cząsteczki wody*. Pyłek - obiekt o średnicy równej zaledwie jednej tysięcznej milimetra - jest dostatecznie mały, aby odczuć uderzenia podstawowych składników materii, podobnie jak wielka gumowa piłka, większa od człowieka, popychana na boisku przez dużą liczbę ludzi. Jeżeli każda osoba kopie piłkę bez zwracania uwagi na pozostałych uczestników zabawy, to od czasu do czasu zdarza się, że po jednej stronie piłki jest więcej kopiących niż po drugiej. Ta nierównowaga wystarczy, aby piłka poruszała się bezładnie po całym boisku. Na podobnej zasadzie chaotyczne zachowanie pyłków można wytłumaczyć tym, że od czasu do czasu zdarza się, że po jednej stronie pyłku jest więcej bombardujących ją cząsteczek wody niż po drugiej.
Einstein sformułował matematyczną teorię opisującą ruchy Browna. Jej przewidywania trzy lata później triumfalnie potwierdził francuski uczony, Jean Baptiste Perrin, który dla ułatwienia analizy zastąpił pyłki widłaka przez cząstki gumiguty, żółtej gumowatej żywicy pewnego kambodżańskiego drzewa.
Teoria Einsteina przewidywała, jak daleko i jak szybko przeciętny pyłek powinien się poruszać pod wpływem nieustannego bombardowania przez otaczające go cząsteczki wody. Wszystko zależało od rozmiarów cząsteczek wody. Im większe są rozmiary cząsteczek, tym większa nierównowaga sił działających na pyłek i tym bardziej energiczne ruchy Browna.
Porównując swoje obserwacje cząsteczek gumiguty przez mikroskop z przewidywaniami teorii Einsteina, Perrin zdołał wydedukować rozmiary cząsteczek wody, a także atomów, z których cząsteczka wody się składa. Doszedł do wniosku, że średnica atomu wynosi zaledwie około 1/10 miliardowej części metra, tak mało, że potrzeba byłoby 10 milionów atomów ułożonych w jednej linii obok siebie, aby pokryć średnicę kropki na końcu tego zdania. Einstein i Perrin znaleźli najbardziej bezpośredni dowód istnienia atomów. Każdy, kto spojrzał przez mikroskop i zobaczył szalony taniec pyłków poddanych nieustannemu bombardowaniu, nie mógł już mieć wątpliwości, że świat rzeczywiście jest zbudowany z maleńkich, podobnych do kulek cząstek - atomów.
Ruchy Browna ujawniły jednak tylko połączony efekt oddziaływania dużych liczb cząsteczek na ciała, które są znacznie większe od atomów. Fundamentalne składniki materii uparcie pozostawały poza polem widzenia.
Rozmiary atomów sięgają zaledwie około 1/10 milionowej części milimetra. Możliwość ich zobaczenia mogliby rozważać autorzy literatury science fiction, ale nie szanujący się naukowcy. Niekiedy jednak science fiction staje się prawdą. W 1980 roku dwaj szwajcarscy fizycy wynaleźli i zbudowali jeden z najbardziej niezwykłych przyrządów w historii nauki. Gerd Binnig i Heinrich Rohrer stali się pierwszymi ludźmi, którzy "zobaczyli" atom.

Zobaczyć atom

Przyrząd, który prawie dwa i pół tysiąca lat później spełnił sen Demokryta, został nazwany skaningowym mikroskopem tunelowym, w skrócie STM (Scanning Tunnelling Microscope). Pomysł narodził się jesienią 1978 roku, gdy Binnig, 31-letni doktorant, doszlifowywał swoją pracę doktorską na Wolfgang Goethe Universität we Frankfurcie.
Binnig interesował się powierzchniami półprzewodników, takich jak krzem, który jest podstawowym materiałem w produkcji chipów komputerowych. Tak się złożyło, że zainteresowanie to podzielał Heinrich Rohrer, szwajcarski fizyk z laboratorium badawczego IBM w Zurychu, który w tym czasie wizytował uniwersytet we Frankfurcie. Gdy pewnego dnia się spotkali, ich rozmowa zeszła na możliwość zobaczenia szczegółów powierzchni kryształów. Taka perspektywa byłaby niezwykle atrakcyjna dla producentów komputerów, którzy nieustannie próbują zmniejszyć tranzystory i inne elementy elektroniczne, żeby jak najciaśniej upakować je na powierzchni chipów. Zadanie to w dużym stopniu utrudniał fakt, że nie mieli pojęcia, jak takie powierzchnie wyglądają w bardzo małej skali. Byli jak bogowie unoszący się nad krajobrazem swojego świata z zasłoniętymi oczami.
Jednak nawet ślepy bóg potrafi określić topografię swojego kraju. Zamiast oczu może użyć zmysłu dotyku, aby poczuć wzniesienia i doliny i w ten sposób wyobrazić sobie krajobraz. Przesuwając swój gigantyczny palec nad ziemią, może wyczuć nawet tak małe obiekty jak drzewa i zabudowania. Użycie palca do badania submikroskopowego krajobrazu krzemowego chipa może wydawać się nieco zabawne, lecz na tym w zasadzie polegał pomysł, który przyszedł do głowy Binnigowi w trakcie rozmów z Rohrerem. Różnica sprowadzała się do tego, że zamiast palca z kości i krwi Binnig wyobrażał sobie metalowy palec, a raczej bardzo małą igłę podobną w kształcie do igły staromodnego gramofonu.
Taka igła w żaden sposób nie mogłaby oczywiście czuć powierzchni tak jak ludzki palec. Gdyby jednak była elektrycznie naładowana i umieszczona bardzo blisko powierzchni metalu lub półprzewodnika, ładunki elektryczne pokonałyby przerwę i między końcem igły a powierzchnią popłynąłby niewielki, lecz mierzalny prąd elektryczny. Binnig uświadomił sobie, że prąd ten - znany jako prąd tunelowy - ma pewną ważną właściwość, która może być wykorzystana zamiast zmysłu dotyku: jest niezwykle czuły na zmiany szerokości przerwy. Jeżeli igła zbliża się do powierzchni, prąd raptownie rośnie; gdy igła się oddala, prąd równie raptownie zanika. Natężenie prądu tunelowania może zatem zostać użyte jako miara odległości ostrza igły od powierzchni, stanowiąc pewnego rodzaju sztuczny zmysł dotyku.
Idea Binniga do tego stopnia spodobała się Rohrerowi, że zaprosił go do Zurychu, aby zamienić pomysł w rzeczywistość. Był to początek niezwykle produktywnej współpracy, która w końcu zaprowadziła ich obu do Sztokholmu, gdzie w 1986 roku odebrali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.
Podstawowy problem polegał na znalezieniu na tyle ostrej igły, aby mogła poczuć submikroskopowe szczegóły powierzchni. Igła jest niewrażliwa na obiekty znacznie mniejsze niż rozmiary jej ostrza, podobnie jak palec człowieka jest niewrażliwy na kształty rowków winylowej płyty gramofonowej. Zdrowy rozsądek podpowiadał zatem, że czubek igły, który mógłby czuć wypukłości pojedynczych atomów, powinien mieć rozmiary co najwyżej kilku atomów. To, niestety, oznaczało rozmiary setki razy mniejsze niż w przypadku najostrzejszych igieł. Lecz w 1979 roku Binnig dokonał zdumiewającego odkrycia. Stwierdził, że prąd tunelowania przeskakuje na powierzchnię metalu z bardzo małego obszaru na samym końcu igły, tak jakby igła była dziesiątki razy ostrzejsza niż się wydaje. Gdy Binnig i Rohrer zaczęli wykonywać igły z wolframu, przekonali się, że końcówka niezmiennie układa się w kształt wystającego ostrza o średnicy zaledwie kilku atomów. Za pomocą takich igieł można by wykryć obiekty o rozmiarach znacznie mniejszych, niż obaj ośmieliliby się marzyć.
Realizacja pomysłu Binniga wymagała jednak więcej niż tylko ultraostrej igły. Niezbędny był skomplikowany układ sprężyn i amortyzatorów, aby utrzymać igłę tuż nad powierzchnią i odizolować ją od niepożądanych drgań otoczenia. W skali atomowej nawet kroki kogoś idącego korytarzem w tym samym budynku lub przejazd samochodu ulicą powodują poważne trzęsienie ziemi. Do kontroli wysokości igły Binnig i Rohrer wykorzystali sam prąd tunelowania. Skonstruowali układ, który automatycznie obniża igłę, gdy natężenie prądu tunelowania spada, natomiast wzrost natężenia prądu powoduje podniesienie igły. W ten sposób potrafili utrzymać igłę na stałej wysokości w trakcie przesuwania jej nad powierzchnią.
Z palca boga przeskakuje do ziemi błyskawica. Gdy bóg uniesie palec wyżej, błyskawica zanika, aż w końcu bóg przestaje całkowicie czuć powierzchnię. Gdy palec znajdzie się zbyt blisko ziemi, natężenie błyskawic osiągnie bolesny poziom. Utrzymując natężenie na odpowiednim, stałym poziomie, palec boga może śledzić wzniesienia i obniżenia terenu.
Bóg może odtworzyć w wyobraźni kształt krajobrazu, lecz Binnig i Rohrer nie mieli takiej możliwości. Aby zamienić pionowe ruchy swojej igły na wizualną mapę powierzchni, musieli użyć komputera. Obraz, który zobaczyli na ekranie swego komputera w Zurychu, zaparł im dech w piersiach.
Był to jeden z najbardziej spektakularnych obrazów w historii nauki. Można go porównać z obrazem Ziemi wyłaniającej się z szarego cienia Księżyca lub do spirali DNA. Po raz pierwszy oczom człowieka ukazała się niewidzialna rzeczywistość atomowej struktury naszego codziennego świata - pojedyncze atomy w pełni swej mikroskopowej chwały*. Wyglądały jak maleńkie piłki futbolowe. Wyglądały jak pomarańcze, ułożone równymi szeregami w pudełkach. Przede wszystkim jednak wyglądały jak maleńkie, twarde ziarna materii, które pewien człowiek zobaczył oczami wyobraźni dwa i pół tysiąca lat wcześniej.
Skaningowy mikroskop tunelowy ujawnił maleńkie Demokrytowe drobiny materii, których mikroskopowe rozmiary wyjaśniają, co się dzieje z solą, gdy rozpuszcza się w wodzie, i w jaki sposób ryba płynie przez morze. Ujawnił małe, twarde kulki Bernoullego, których niezmordowane bombardowanie tłoka tłumaczy zachowanie gazu. Ujawnił maleńkie cząstki Einsteina, których nieustanne zderzenia z roślinnymi pyłkami tłumaczy frenetyczny taniec pyłków Browna. Mimo swego spektakularnego sukcesu skaningowy mikroskop tunelowy ujawnił jednak tylko jedną stronę atomów. Już Demokryt zdawał sobie sprawę, że atomy są czymś więcej niż tylko ziarnami w ruchu.

Alfabet natury

Demokryt wyobrażał sobie, że istnieją rozmaite atomy, różniące się rozmiarami, kształtem i być może masą. Układając różne rodzaje atomów na różne sposoby, można stworzyć różę, sztabkę złota lub istotę ludzką. Krótko mówiąc, atomy stanowią alfabet natury. Jeżeli Demokryt miał rację, to oszałamiająca złożoność natury stanowi jedynie wymyślną iluzję będącą konsekwencją niezliczonych sposobów, na które można złożyć garść podstawowych składników materii.
Był to jeden z najbardziej spektakularnych, zapierających dech w piersiach przejawów potęgi ludzkiej wyobraźni w historii nauki. Wyłącznie mocą swego intelektu Demokryt uniósł krawędź zasłony, która zakrywała świat przed naszymi zmysłami, i odkrył, że kryjąca się pod tą zasłoną rzeczywistość jest zadziwiająco prosta.
Milowym krokiem w udowodnieniu tej rewolucyjnej idei byłoby oczywiście zidentyfikowanie różnych rodzajów atomów. Atomy są jednak o wiele za małe, aby można je bezpośrednio postrzegać zmysłami, więc zadanie to było równie trudne jak udowodnienie, że atomy są maleńkimi ziarnami materii pozostającymi w nieustannym ruchu. W tych okolicznościach jedyną możliwość stanowiło znalezienie substancji, które są w całości zrobione z jednego rodzaju atomów.
Identyfikacja takich "elementarnych" substancji również nie wydawała się łatwa. Główną przesłankę atomowej hipotezy Demokryta stanowiła przecież złożoność świata, odzwierciedlająca nieskończone kombinacje połączeń podstawowych elementów. Było więc bardzo prawdopodobne, że większość elementarnych substancji jest związana z innymi i że bardzo rzadko występują one w czystym stanie.
Za podstawowe składniki materii Grecy uważali wodę, powietrze, ziemię i ogień. W rzeczywistości żadna z tych substancji, z wyjątkiem wody, nie jest nawet bliska elementarnej materii. Nieświadomej identyfikacji podstawowych składników dokonali dopiero średniowieczni alchemicy próbujący dokonać transmutacji niektórych podstawowych substancji, takich jak ołów, w substancje drogocenne, takie jak złoto. W trakcie swych heroicznych wysiłków alchemicy stopniowo zgromadzili mnóstwo informacji o tym, jak substancje łączą się ze sobą. Próbując osiągnąć swój zasadniczy cel, ponieśli sromotną porażkę. Nie udało im się zamienić ołowiu w złoto, lecz już to samo w sobie stanowiło ważne odkrycie - gdyby tylko je dostrzegli. Była to silna wskazówka, że niektóre substancje są prawdziwie trwałe i niezniszczalne. Potrzebny był tylko ktoś, kto wyciągnąłby właściwy wniosek. Uczynił to Antoine Lavoisier, francuski arystokrata, którego życie wiosną 1794 roku przerwała gilotyna.
Pięć lat przed śmiercią Lavoisier zestawił pierwszą listę substancji, których w żaden sposób nie da się rozłożyć na prostsze składniki. Lista Lavoisiera zawierała 23 pierwiastki. Niektóre z nich okazały się później złożone, lecz większość rzeczywiście stanowią podstawowe składniki materii, między innymi siarka i rtęć, żelazo i cynk, srebro i złoto. Schemat Lavoisiera stanowił punkt zwrotny w historii nauki. Sygnalizował śmierć alchemii i narodziny chemii. Adepci nowej nauki wyszli od założenia, że w przyrodzie istnieją pierwiastki, i próbowali łączyć je w nowe układy. W ten sposób stworzyli "złożone" substancje, które nigdy wcześniej nie istniały w przyrodzie. Dla chemików wszystko sprowadzało się do odpowiednich kombinacji pierwiastków. A ponieważ liczba sposobów łączenia pierwiastków - po dwa, po trzy, po cztery itd. - jest nieskończona, więc chemia okazała się nauką o nieograniczonych możliwościach.
Wedle wszelkiego prawdopodobieństwa każdy pierwiastek Lavoisiera stanowił wielką masę atomów jednego rodzaju. Francuski chemik nie dokonał jednak połączenia koncepcji pierwiastków i koncepcji atomów. To odkrycie przypadło w udziale angielskiemu dyrektorowi szkoły i zarazem zapalonemu eksperymentatorowi, Johnowi Daltonowi. W 1803 roku Dalton zauważył, że gdy pierwiastki łączą się w związek chemiczny, zawsze robią to w określonych proporcjach. Gdy na przykład tlen łączy się z wodorem, tworząc wodę, dokładnie osiem gramów tlenu przypada na każdy gram wodoru*. Geniusz Daltona pozwolił mu w wyniku tej prostej obserwacji dostrzec nieomylny ślad niewidzialnych atomów łączących się ze sobą w jednakowych proporcjach.
Dalton rozumował następująco: tlen składa się z dużej liczby identycznych atomów tlenu, wodór - z dużej liczby identycznych atomów wodoru, a wytwarzanie wody z wodoru i tlenu polega na zderzaniu i sklejaniu się dwóch rodzajów atomów, w wyniku czego tworzy się duża liczba cząsteczek wody. Cząsteczki te nazywamy również molekułami. Woda stanowi równie charakterystyczną, jednorodną substancję jak tlen czy wodór, więc cząsteczki wody również powinny być identyczne. Innymi słowy, każda z nich powinna zawierać ustaloną liczbę atomów tlenu, a także ustaloną liczbę atomów wodoru. Jeżeli wszystkie atomy tlenu mają taką samą masę, charakterystyczną dla tlenu, i jeżeli także wszystkie atomy wodoru mają taką samą masę, charakterystyczną dla wodoru, to ustalona liczba atomów tlenu oznacza ustaloną masę atomów tlenu, i także ustalona liczba atomów wodoru oznacza ustaloną masę atomów wodoru. W każdej cząsteczce wody masa atomów tlenu musi zatem pozostawać w określonej proporcji do masy atomów wodoru. Dlatego właśnie "prawo ustalonych proporcji" stosuje się do wody. Stanowi po prostu odzwierciedlenie faktu, że każda cząsteczka wody zawiera ustaloną liczbę atomów tlenu oraz ustaloną liczbę atomów wodoru.
Jeżeli atomy tlenu w pojedynczej cząsteczce wody ważą osiem razy więcej niż atomy wodoru, to atomy tlenu w milionie cząsteczek wody będą nadal ważyć osiem razy więcej niż atomy wodoru w milionie cząsteczek wody. Niezależnie od ilości wody proporcja będzie zawsze taka sama. Obserwacja, zgodnie z którą woda potrzebuje ośmiu gramów tlenu na każdy gram wodoru, oznacza zatem, że atomy tlenu w pojedynczej cząsteczce wody ważą osiem razy więcej niż atomy wodoru.
Dalton zaryzykował hipotezę, że każda cząsteczka wody zawiera tylko jeden atom tlenu związany z jednym atomem wodoru. Obecnie wiemy, że się mylił. Każdy zna wzór chemiczny wody, H2O, co oznacza, że cząsteczka wody zawiera dwa atomy wodoru i jeden atom tlenu. Atom tlenu nie jest zatem osiem, lecz szesnaście razy cięższy od atomu wodoru. Ta drugorzędna pomyłka w żaden sposób nie podważyła jednak rozumowania Daltona.
Prawo ustalonych proporcji działa dlatego, że związek chemiczny składa się z dużej liczby identycznych cząsteczek. Każda cząsteczka składa się z kolei z ustalonej liczby atomów każdego pierwiastka, który wchodzi w skład związku. Podobnie jak Bernoulli dostrzegł nieomylny ślad ruchu atomów w zachowaniu gazu, tak Dalton dostrzegł nieomylny ślad oddziaływań atomów w sposobie łączenia się pierwiastków.
Dwie całkowicie różne linie rozumowania dały całkowicie niezależne dowody istnienia atomów. Wszystko wydawało się kwitnąć, lecz pozostała jeszcze kwestia liczby różnych pierwiastków, a zatem liczby różnych rodzajów atomów.
Demokryt nigdy nie sprecyzował, ile powinno być różnych rodzajów atomów, lecz cała jego hipoteza była oparta na założeniu, że złożoność świata stanowi konsekwencję różnych połączeń ograniczonej liczby fundamentalnych elementów konstrukcyjnych. Lista pierwiastków Lavoisiera zawierała około 20 różnych rodzajów atomów. W ciągu czterdziestu lat od jego śmierci lista powiększyła się o dalsze 32 pierwiastki.
Pięćdziesiąt gatunków podstawowych elementów konstrukcyjnych wydawało się raczej przesadną liczbą. Dlaczego natura potrzebuje ich aż tylu? W 1815 roku po raz pierwszy pojawiła się sensacyjna odpowiedź na to pytanie. William Prout pierwszy wysunął sugestię, że atomy nie stanowią najmniejszych składników materii.