Bezpłatny fragment - Historia atomu

Rozdział 1: Abdera i narodziny niepodzielności

I. Miasto na krańcach świata

Gdzieś na północnych wybrzeżach Morza Egejskiego, na krańcach greckiego świata, leżało miasto, które historia skazała na pośmiewisko. Abdera. Dla wyrafinowanych Ateńczyków była tym, czym dla nowojorczyków jest prowincjonalne miasteczko, w którym wszyscy chodzą w nie swojskich kapeluszach. Jej mieszkańców uznawano za naiwnych prostaków, a ich rzekoma głupota weszła do przysłów. Gdy ktoś zachowywał się irracjonalnie, mówiono: „To typowe dla Abderyty”. Paradoks polega na tym, że właśnie w tym mieście, z którego naród grecki zwykł się śmiać, narodziła się jedna z najśmielszych, najbardziej przenikliwych koncepcji w dziejach ludzkiej myśli. To tutaj, około roku 460 przed naszą erą, przyszedł na świat Demokryt, człowiek, którego potomni nazwą „śmiejącym się filozofem”. I choć przydomek ten prawdopodobnie wziął się z jego pogodnego usposobienia i przekonania, że celem życia jest wewnętrzny spokój (eudajmonia), to istnieje w tym również ironia losu: filozof z miasta uchodzącego za siedlisko głupców okazał się jednym z najgenialniejszych umysłów starożytności.

Demokryt nie był jednak sam. Nad jego postacią, jak cień równie tajemniczy, co nieodłączny, unosi się duch jego mistrza — Leucypa. Postać tak mglista, że niektórzy badacze wątpili nawet w jego istnienie, uznając go za literacką fikcję lub wygodny pseudonim samego Demokryta. Gdyby nie upór Arystotelesa, który wyraźnie oddziela ich role, pisząc, że „Leucyp i jego zwolennik Demokryt” głosili pewne poglądy, zapewne zaginąłby w mrokach dziejów na dobre. O Leucypie wiemy niewiele. Pochodził prawdopodobnie z Miletu lub Elei, mógł być uczniem samego Zenona, a jego jedno jedyne zdanie, jakie przetrwało z jego pism, brzmi jak wyrok: „Nic nie dzieje się bez przyczyny, ale wszystko z racji i konieczności”. To zdanie stanie się kością pacierzową całej myśli atomistycznej.

Wyobraźmy sobie tych dwóch ludzi: Leucypa, dojrzałego myśliciela, który pierwszy odważył się pomyśleć to, co niewyobrażalne, i młodego Demokryta, który, jak sam o sobie mawiał, „przebył więcej ziem niż ktokolwiek inny z ludzi współczesnych, badając rzeczy najdalsze”. Demokryt nie był filozofem zamkniętym w wieży z kości słoniowej. Był podróżnikiem, który szukał wiedzy u egipskich kapłanów i perskich magów. Był polihistorem, który pisał traktaty o etyce, fizyce, matematyce, muzyce, a nawet o strategii wojskowej. I choć z jego siedemdziesięciu dzieł nie zachowało się praktycznie nic poza suchymi cytatami u innych autorów, to właśnie te strzępy, te urywki, te wzmianki u Arystotelesa i Epikura składają się na jeden z najbardziej fascynujących obrazów świata, jaki kiedykolwiek stworzono.

II. Eleacka pułapka — świat, który stoi w miejscu

Aby zrozumieć, dlaczego atomizm był rewolucją, trzeba najpierw pojąć problem, przed którym stanęła grecka myśl. Na scenę wkracza Parmenides z Elei — postać o umyśle tak nieugiętym, że gotów był podważyć świadectwo własnych zmysłów. Jego argumentacja była prosta, a jednocześnie druzgocąca. Otóż, dowodził Parmenides, jeśli chcemy myśleć o bycie, o tym, co naprawdę istnieje, to musimy być konsekwentni. Byt jest. Niebytu nie ma. I już. Z tego pozornie banalnego stwierdzenia wypływały wnioski, które rozwalały codzienne doświadczenie w pył. Skoro niebytu nie ma, to nie ma również próżni. A skoro nie ma próżni, to nie ma ruchu, bo żeby się przemieścić, trzeba mieć miejsce do przemieścenia się. Ruch jest więc złudzeniem. Co więcej, byt nie może powstać z niebytu ani w niebyt się obrócić, więc jest wieczny i niezmienny. Nie może być podzielony, bo do podziału potrzebna byłaby przerwa, czyli niebyt. Zatem byt jest jeden, ciągły, nieruchomy i niepodzielny.

To, co widzimy wokół siebie — wielość rzeczy, ruch, zmiany, narodziny i śmierć — to według Parmenidesa jedynie „mniemania śmiertelników”, świat pozoru. Prawda jest monolityczna, doskonała i martwa. Logika, która za tym stała, była bezlitosna. Jeśli uznamy jej przesłanki, nie sposób z niej uciec. Ale jak żyć w świecie, w którym nasze oczy i uszy są kłamcami?

Uczeń Parmenidesa, Zenon z Elei, poszedł o krok dalej. Postanowił bronić tezy mistrza, pokazując, że wiara w wielość i ruch prowadzi do jeszcze większych absurdów. Jego paradoksy do dziś elektryzują umysły filozofów i fizyków. Wyobraźcie sobie Achillesa, najszybszego greckiego herosa, ścigającego żółwia. Jeśli żółw ma choćby najmniejszą przewagę startową, to — dowodzi Zenon — Achilles nigdy go nie dogoni. Dlaczego? Bo zanim Achilles pokona dzielący ich dystans, żółw przesunie się nieco do przodu. Gdy Achilles pokona ten nowy dystans, żółw znów się przesunie, i tak w nieskończoność. To, że w rzeczywistości widzimy, iż Achilles żółwia dogania i wyprzedza, jest dla Zenona dowodem na złudność ruchu.

Albo paradoks strzały. Strzała lecąca w powietrzu w każdej konkretnej chwili swojego lotu zajmuje określone miejsce w przestrzeni, równe swojej długości. W danej chwili jest więc w spoczynku. Skoro w każdej chwili jest w spoczynku, to cały lot jest sumą nieskończonej liczby momentów spoczynku. Ruch jest więc niemożliwy.

Te argumenty wprawiały greckich myślicieli w intelektualną konsternację. Można je było odrzucić, ale nie można było ich łatwo obalić. Świat stanął przed wyborem: albo uznać świadectwo zmysłów za prawdziwe i pogodzić się z logicznymi sprzecznościami, albo uznać logikę za najwyższe kryterium prawdy i żyć w świecie iluzji. Leucyp i Demokryt znaleźli trzecie wyjście. I było to wyjście tak genialne w swej prostocie, że aż trudno uwierzyć, iż nikt wcześniej na nie nie wpadł.

III. Odważna odpowiedź — atomy i próżnia

Zrozumcie: Leucyp i Demokryt nie odrzucili logiki Parmenidesa. Przeciwnie, zaakceptowali jej rdzeń. Zgodzili się, że prawdziwy byt musi być niezmienny, niepodzielny i wieczny. Nie mogą być nim przecież rzeczy, które widzimy — one się zmieniają, rozpadają, giną. Ale zamiast dojść do wniosku, że skoro tak, to świat jest jeden i nieruchomy, powiedzieli coś znacznie śmielszego: tych prawdziwych bytów jest nieskończenie wiele. Są nimi właśnie atomy — maleńkie, niepodzielne, niezmienne cegiełki rzeczywistości. A to, co zmienne i różnorodne, to jedynie ich przejściowe konfiguracje.

To był akt intelektualnej odwagi najwyższej próby. Uratowali zjawiska, nie poświęcając logiki. Byt jest niepodzielny — zgoda, ale nie cały wszechświat jest jednym bytem; jest nim każdy pojedynczy atom. Ruch jest możliwy — ale wymaga czegoś, czego Parmenides zabraniał: próżni, niebytu. I tu pada najśmielsze stwierdzenie atomistów: „Byt nie jest bardziej realny niż niebyt”. Atomy są, próżni nie ma, a jednak jest. To był heretycki pisk w eleackim kościele. Próżnia — nicość, pustka, nieistnienie — musi istnieć, bo inaczej atomy nie miałyby gdzie się poruszać. Bez próżni świat byłby skute jeden wielką, nieruchomą masą.

Demokryt ujął to w słowach, które przetrwały dzięki Diogenesowi Laertiosowi: „Zasady wszechrzeczy stanowią atomy i próżnia. Wszystko inne istnieje jedynie w mniemaniu”. To zdanie jest kamieniem węgielnym pod całą późniejszą naukę. Istnieją tylko dwa byty: pełnia (atomy) i pustka. Wszystko, co postrzegamy — kolory, smaki, zapachy, temperaturę — jest subiektywną interpretacją naszych zmysłów, wynikającą z tego, jak atomy na nas oddziałują. Tak zwane „własności zmysłowe” nie istnieją w samych przedmiotach. Istnieją tylko atomy o określonych kształtach, wielkościach, położeniach i układach oraz przestrzeń, w której się one poruszają i łączą. „Na mocy konwencji istnieje słodycz, na mocy konwencji gorycz, na mocy konwencji ciepło, na mocy konwencji kolor, naprawdę zaś istnieją atomy i próżnia” — cytuje Demokryta Galen.

IV. Taniec pyłków w słońcu

Chciałbym, żebyście na chwilę przenieśli się myślami do cichego, zakurzonego pomieszczenia w starożytnej Abderze. Przez szparę w okiennicy wpada promień słońca, a w jego świetle tańczą niezliczone drobiny kurzu. Wirują, zderzają się, rozlatują, łączą w chwilowe skupiska, by za moment znów się rozdzielić. Dla atomistów ten widok był nie tyle obrazkiem z codzienności, co wglądem w naturę rzeczywistości. Lukrecjusz, rzymski poeta i epikurejczyk, który wieki później ubrał atomizm w piękne heksametry swojego poematu „O naturze wszechrzeczy”, opisał to wprost: spójrz na te drobiny tańczące w słońcu — to nie jest tylko kurz, to jest widzialny obraz tego, co dzieje się w świecie atomów.

Atomy Demokryta są wieczne i niezniszczalne. Są tak małe, że umykają wszelkiemu postrzeganiu zmysłowemu. Są niepodzielne — nie dlatego, że nikt nie znalazł jeszcze mniejszego noża, ale dlatego, że z definicji są absolutnym minimum, poza które nie można już wykroczyć. Są nieskończone pod względem liczby i różnorodności kształtów. Niektóre są gładkie i okrągłe, inne chropowate i haczykowate, jeszcze inne wklęsłe lub wypukłe. I te właśnie kształty decydują o tym, jak atomy oddziałują na siebie i jak łączą się w większe struktury.

I tu dochodzimy do jednej z najbardziej fascynujących kwestii. Co sprawia, że rzeczy są twarde lub miękkie, słodkie lub gorzkie? Dla Demokryta odpowiedź była mechanistyczna. Twardość wynika z gęstego ułożenia atomów, z ich ciasnego splątania. Miękkość — z ułożenia luźnego, które pozwala atomom na większą swobodę. Smak słodki pochodzi od gładkich, zaokrąglonych atomów, które łagodnie przesuwają się po języku. Smak gorzki i kwaśny — od atomów szorstkich, najeżonych kolcami i hakami, które drapią i kaleczą delikatne tkanki języka. Podobnie z kolorami. Biel to atomy gładkie, które odbijają światło równomiernie. Czerń to atomy chropowate, które światło pochłaniają i rozpraszają. To wszystko jest konsekwencją czysto geometryczną, mechaniczną. Żadnej magii, żadnych ukrytych celów, żadnej boskiej interwencji.

Demokryt był konsekwentnym materialistą i deterministą. Dla niego wszystko, co się dzieje, ma swoją przyczynę w mechanicznym oddziaływaniu atomów. To właśnie miał na myśli Leucyp w swoim jedynym zachowanym fragmencie: „Nic nie dzieje się bez przyczyny, ale wszystko z racji i konieczności”. Nie ma przypadku w sensie bezprzyczynowości. Przypadek to tylko nazwa, którą nadajemy zjawiskom, których przyczyn nie znamy. Wszechświat jest ogromną maszyną, w której każde zdarzenie jest nieuchronną konsekwencją wcześniejszych stanów i zderzeń atomów.

V. Nieskończone światy i materialna dusza

Konsekwencja Demokryta sięgała jednak znacznie dalej. Skoro atomy są nieskończone w liczbie, a próżnia nieskończona w rozciągłości, to dlaczego mielibyśmy zakładać, że istnieje tylko jeden świat, ten nasz? To byłoby nielogiczne. Demokryt nauczał, że istnieje nieskończona liczba światów — niektóre podobne do naszego, inne zupełnie inne. W jednych światach nie ma słońca ani księżyca, w innych jest ich po kilka. Niektóre światy dopiero powstają, inne osiągnęły pełnię rozwoju, a jeszcze inne chylą się ku upadkowi. Światy mogą się ze sobą zderzać i ginąć w kosmicznych kataklizmach. To wizja o rozpiętości, która wprawia w oszołomienie. Wybiegamy myślą w przestwory kosmiczne, które współczesna astronomia dopiero zaczyna potwierdzać.

Ale Demokryt nie zatrzymał się na kosmosie. Zadał sobie pytanie najbardziej intymne z możliwych: czym jest dusza? I tu pozostał wierny swoim zasadom. Dusza jest materialna. Składa się z najdelikatniejszych, najgładszych i najbardziej ruchliwych atomów — atomów ognia. Są one kuliste, bo tylko kula może się gładko przetaczać przez całe ciało, przenosząc życie i ruch. Atomy duszy są rozproszone po całym organizmie. Z każdym oddechem wciągamy nowe porcje tych ognistych kulek, a wraz z wydechem część z nich ułatnia się. Gdy oddychanie ustaje, atomy duszy rozpraszają się w próżni. Śmierć nie jest więc przejściem do innego świata, ale po prostu rozpadnięciem się pewnej szczególnej konfiguracji atomów.

To była myśl wywrotowa. Demokryt odbierał ludziom nadzieję na życie pozagrobowe, na pośmiertną sprawiedliwość, na spotkanie z bliskimi po tamtej stronie. Ale w zamian dawał coś innego — wolność od strachu. Epikur, najsłynniejszy późniejszy uczeń atomistów, rozwinie tę myśl w pełni: jeśli bogowie nie ingerują w świat, a dusza umiera wraz z ciałem, to nie ma się czego bać ani za życia, ani po śmierci. Celem życia staje się eudajmonia — stan wewnętrznej równowagi, pogody ducha, osiąganej przez rozumne panowanie nad namiętnościami i umiar we wszystkim. Stąd właśnie wziął się przydomek Demokryta: „śmiejący się filozof”. Nie dlatego, że był wesołkiem, ale dlatego, że osiągnął ten stan doskonałego spokoju, który pozwalał mu patrzeć na ludzkie zabiegi z życzliwym, lecz zdystansowanym uśmiechem.

Istnieje piękna anegdota, choć jej autentyczność jest wątpliwa, że mieszkańcy Abdery uznali Demokryta za szaleńca i poprosili samego Hipokratesa, ojca medycyny, by go zbadał. Gdy wielki lekarz przybył do Abdery, zastał Demokryta siedzącego pod platanem i piszącego coś w otoczeniu poćwiartowanych zwierząt. Na pytanie, co robi, filozof odpowiedział, że bada przyczyny szaleństwa, rozcinając zwierzęta, by zbadać ich żółć. Hipokrates, zamiast orzec szaleństwo, uznał Demokryta za najrozsądniejszego człowieka w Grecji. Anegdota ta, choć apokryficzna, doskonale oddaje ducha atomizmu — ducha bezkompromisowego, racjonalnego dociekania, które nie cofa się przed żadną, nawet najbardziej radykalną, konsekwencją.

VI. Dwadzieścia wieków ciszy

A potem nastąpiła cisza. Atomizm Demokryta, mimo że wywarł ogromny wpływ na Platona (który, jak głosi tradycja, chciał spalić wszystkie dzieła Demokryta, co może być dowodem, jak bardzo czuł się przez niego zagrożony) i na Arystotelesa (który poświęcił mu wiele miejsca w swoich pismach, choć głównie po to, by go krytykować), został zepchnięty na margines. Zwyciężyła wizja Arystotelesa — świat zbudowany z czterech żywiołów (ziemi, wody, powietrza i ognia) plus eteru, świat celowości, w którym wszystko dąży do swojego naturalnego miejsca. Wizja ta doskonale współgrała z teologią chrześcijańską, która potrzebowała Boga jako celowej przyczyny sprawczej. Atomizm, z jego mechanicznym determinizmem i materialną duszą, pachniał herezją i bezbożnością. Na blisko dwa tysiące lat zapadł się pod ziemię.

Przetrwał w kilku miejscach. W poemacie Lukrecjusza „O naturze wszechrzeczy”, który na szczęście odnalazł się w XV wieku. W kilku cytatach u późniejszych autorów. I w świadomości nielicznych myślicieli, którzy nie bali się sięgać do źródeł zakazanych. Dopiero w XVII wieku, głównie za sprawą Pierre’a Gassendiego, który próbował pogodzić atomizm z chrześcijaństwem (twierdząc, że to Bóg stworzył atomy i wprawił je w ruch), idea Demokryta wróciła na salony. A potem przyszła rewolucja naukowa, John Dalton i jego eksperymenty z gazami, i nagle okazało się, że starożytny Grek, którego przez wieki uważano za spekulanta, trafił w sedno.

Demokryt nie miał mikroskopów, nie miał laboratoriów, nie miał żadnych narzędzi poza czystą siłą rozumu. A jednak doszedł do wniosków, które zdumiewająco blisko pokrywają się z tym, co współczesna fizyka mówi o budowie materii. Oczywiście, jego atomy nie są naszymi atomami. My umiemy je rozszczepiać, znamy kwarki, znamy cząstki elementarne. Ale fundamentalna intuicja — że świat zbudowany jest z maleńkich, niepodzielnych (przynajmniej na pewnym poziomie) składników, że różnorodność rzeczy bierze się z różnorodności ich kształtów i układów, że istnieje pustka, w której te składniki się poruszają, że zjawiska zmysłowe są subiektywną interpretacją obiektywnych procesów — to wszystko jest dziedzictwem Demokryta.

VII. Śmiech, który przetrwał

Czy Demokryt wyobrażał sobie, że jego myśl przetrwa? Czy śmiejący się filozof, który wolał „odkryć jedną przyczynę niż zostać królem Persów”, mógł przewidzieć, że dwadzieścia pięć wieków później ludzie w białych kitlach w podziemnych tunelach pod Genewą będą rozpędzać atomy do prędkości światła, by sprawdzić, co kryją w swoim wnętrzu? Raczej nie. Ale jego duch z pewnością unosi się nad Wielkim Zderzaczem Hadronów. Bo to właśnie Demokryt jako pierwszy odważył się powiedzieć, że świat, choć wydaje się ciągły i jednolity, w istocie jest ziarnisty, nieciągły, zbudowany z maleńkich cegiełek.

Gdzieś w tym łańcuchu przyczynowo-skutkowym, którym Demokryt tłumaczył wszystko, co istnieje, znajduje się również i to, że ja teraz piszę te słowa, a wy je czytacie. Jesteśmy, każdy z nas, chwilową konfiguracją atomów, która powstała, by przez moment trwać, a potem rozpaść się i wejść w nowe układy. Atomy naszych ciał kiedyś były częścią gwiazd. Atomy naszych myśli — cóż, to już bardziej skomplikowane, ale Demokryt i na to znalazłby odpowiedź: myśli to także atomy, te najsubtelniejsze, kuliste, ogniste, które tworzą duszę i umożliwiają poznanie.

Gdy następnym razem spojrzycie na drobiny kurzu tańczące w promieniu słońca, pomyślcie o Demokrycie. O tym starym Greku z zapomnianego miasta, który patrzył na nie i widział w nich klucz do wszechświata. I może uśmiechnijcie się do niego, tak jak on uśmiechał się do świata — z życzliwym dystansem kogoś, kto zrozumiał, że wszystko jest tylko tańcem atomów w nieskończonej próżni. Ale jakimże to pięknym tańcem!

Rozdział 2: Alchemiczne uśpienie i powrót do liczb

I. Porażka atomu na dwadzieścia wieków

Gdy umierał Demokryt, około roku 370 przed naszą erą, musiał odchodzić z przekonaniem, że jego atomowa wizja świata zatriumfuje. Przecież jego uczeń, Epikur, rozwijał tę myśl dalej, nadając jej wymiar etyczny i praktyczny. Zaś kilkaset lat później, w Rzymie, Lukrecjusz ubrał atomizm w heksametry tak piękne, że „O naturze wszechrzeczy” do dziś czyta się jak poemat o niezwykłej urodzie. Wydawało się, że idea niepodzielnych drobin ma przed sobą świetlaną przyszłość.

A jednak przyszłość okazała się dla atomu okresem uśpienia trwającym blisko dwa tysiąclecia. Stało się tak za sprawą człowieka, który — paradoksalnie — był największym umysłem starożytności: Arystotelesa ze Stagiry.

Arystoteles nie znosił próżni. Dla niego natura brzydziła się pustką — horror vacui — a skoro tak, to cały misterny gmach atomizmu, oparty na istnieniu pustej przestrzeni, w której atomy mogą się poruszać, musiał runąć. W miejsce atomów i próżni Arystoteles wprowadził teorię czterech żywiołów: ziemi, wody, powietrza i ognia. Każdy z nich posiadał dwie z czterech podstawowych cech: suchość, wilgotność, ciepło i zimno. Ziemia była sucha i zimna, woda wilgotna i zimna, powietrze wilgotne i ciepłe, ogień suchy i ciepły. Do tego dochodził piąty element — eter — budujący sfery niebieskie, niepodlegający zmianom i doskonały.

To była teoria spójna, logiczna i — co najważniejsze — nie zagrażała żadnym ówczesnym porządkom. Świat arystotelesowski był światem celowości. Wszystko dążyło do swojego naturalnego miejsca. Kamień spadał na dół, bo jego naturalnym miejscem był środek ziemi. Ogień strzelał w górę, bo jego miejscem były wyższe sfery. Ta teleologia, ta wszechobecna celowość, doskonale współgrała z rodzącą się teologią chrześcijańską. Bóg mógł być wpisany w ten obraz jako pierwsza przyczyna, jako cel, do którego wszystko zmierza.

Atomizm Demokryta był z tej perspektywy niebezpieczny. Był materialistyczny, mechanistyczny i — w gruncie rzeczy — bezbożny. Jeśli wszystko jest tylko przypadkowym zderzeniem atomów, to gdzie w tym miejscu na Opatrzność? Gdzie na duszę nieśmiertelną? Gdzie na boski plan? Kościół, który przez wieki kształtował intelektualny krajobraz Europy, nie bez powodu patrzył na Demokryta z podejrzliwością. Jego pisma przepadły. Ocalały jedynie strzępy, cytaty u innych autorów, wzmianki u wrogów. Atom zapadł się pod ziemię.

II. Laboratorium w cieniu katedry

Ale czy na pewno zapadł się całkowicie? Najnowsze badania historyków nauki, zwłaszcza prace Williama R. Newmana z Uniwersytetu Chicagowskiego, rysują obraz znacznie bardziej skomplikowany i fascynujący. Otóż atomizm nie tyle umarł, ile przeszedł do podziemia. Przetrwał w miejscu, które przez wieki uczeni traktowali z pobłażliwym uśmiechem — w alchemii.

Alchemia. Samo słowo przywodzi na myśl obraz pomylonego starucha w zaśniedziałej pracowni, usiłującego zamienić ołów w złoto. I rzeczywiście, poszukiwanie Kamienia Filozoficznego, który miałby tę przemianę umożliwić, było jednym z celów alchemików. Ale sprowadzanie całej alchemii do tej jednej obsesji jest równie rozsądne, jak sprowadzanie całej współczesnej fizyki do budowy bomby atomowej.

Prawda jest taka, że alchemicy — a Newman proponuje, by nazywać ich raczej „chymikami” — byli pierwszymi prawdziwymi eksperymentatorami w dziejach nauki. Przez wieki, w swoich pracowniach rozsianych po całej Europie i świecie arabskim, mieszali, destylowali, sublimowali, krystalizowali. I w tej praktycznej działalności natykali się na zjawiska, których arystotelesowska teoria czterech żywiołów nie potrafiła wyjaśnić.

Weźmy takiego Gebera, tajemniczego alchemika żyjącego w XIII lub XIV wieku, którego teksty przez stulecia uchodziły za autorytatywne. Geber — a właściwie prawdopodobnie kilku autorów piszących pod tym imieniem — prowadził systematyczne badania nad metalami i kwasami. Odkrył, że niektóre substancje, mimo poddawania ich gwałtownym procesom chemicznym, zachowują swoją tożsamość. Rozpuść srebro w kwasie azotowym, a następnie wytrąć je z roztworu — otrzymasz z powrotem srebro, nic nie tracąc. Gdzie się podziały cztery żywioły? Który z nich odpowiadałby za tę niezniszczalną tożsamość metalu?.

Alchemicy zaczęli więc mówić o „cząstkach” — o maleńkich, niezmiennych korpuskułach, które łączą się w różne konfiguracje, tworząc rozmaite substancje. Nie używali słowa „atom” — było ono zbyt obciążone pogańskim materializmem. Ale myśleli po atomistycznemu. Jak trafnie ujął to Newman, to właśnie w alchemicznych pracowniach, a nie w uniwersyteckich salach wykładowych, przetrwała i rozwijała się korpuskularna teoria materii.

W XVII wieku niemiecki profesor medycyny, Daniel Sennert, poszedł o krok dalej. Prowadząc systematyczne eksperymenty nad metalami, doszedł do wniosku, że muszą one składać się z trwałych, niezmiennych jednostek. Sennert nie bał się już używać słowa „atom”. Dowodził, że podczas reakcji chemicznych atomy zachowują swoją tożsamość, a złoto pozostaje złotem nawet wtedy, gdy jest rozpuszczone w kwasach.

I wreszcie Robert Boyle, jeden z ojców nowożytnej chemii, autor słynnego „The Sceptical Chymist” z 1661 roku. Boyle, choć sam nie był ateistą — przeciwnie, był głęboko religijny — położył podwaliny pod mechanistyczne rozumienie materii. To od niego i od jego poprzedników wywodzi się linia prosta do nowożytnej teorii atomowej. Boyle udowodnił, że arystotelesowskie żywioły nie są żadnymi fundamentalnymi składnikami materii. Prawdziwymi elementami są pierwiastki chemiczne — substancje, których nie da się już dalej rozłożyć na prostsze składniki.

III. Rewolucja, która zaczęła się od wagi

Ale to wszystko były jeszcze idee, hipotezy, domysły. Brakowało twardych danych. Brakowało liczb.

I tu wkracza na scenę człowiek, który tym hipotezom nadał konkretny, wymierny kształt. John Dalton.

Gdybyście mieli wyobrazić sobie rewolucjonistę w dziedzinie nauki, Dalton byłby ostatnim człowiekiem, na którego byście postawili. Urodził się 6 września 1766 roku w Eaglesfield, małej wiosce w hrabstwie Cumberland, w rodzinie ubogich tkaczy wyznania kwakierskiego. Kwakrzy — protestancka wspólnota religijna znana z prostoty, skromności, pracowitości i pacyfizmu. Nie mogli studiować na angielskich uniwersytetach, które były zarezerwowane dla wyznawców Kościoła anglikańskiego. Nie mogli piastować urzędów. Mieli być cicho, pracowicie i pobożnie.

Dalton taki właśnie był. Cichy, skromny, pracowity i pobożny. Jego edukacja była fragmentaryczna. W wieku zaledwie dwunastu lat sam zaczął uczyć w wiejskiej szkole. W wieku piętnastu lat przeniósł się do Kendal, gdzie wraz z bratem prowadził szkołę kwakierską. Tam zetknął się z Johnem Goughem, niewidomym filozofem i erudytą, który wprowadził go w tajniki matematyki, języków klasycznych i — co najważniejsze — meteorologii.

Meteorologia stała się jego wielką pasją. Od 1787 roku, przez pięćdziesiąt siedem lat, aż do śmierci, Dalton codziennie notował stan pogody. Zanotował ponad dwieście tysięcy obserwacji. To nie była fanaberia. To był styl myślenia człowieka, który wierzył, że prawda kryje się w systematycznie gromadzonych danych.

W 1793 roku Dalton przeniósł się do Manchesteru, by uczyć matematyki i filozofii przyrody w New College, akademii dla dysydentów religijnych. Miał przy sobie rękopis swojej pierwszej książki, „Obserwacje meteorologiczne i eseje”. Opublikowana w tym samym roku, nie wzbudziła większego zainteresowania. Ale już zawierała zalążki tego, co miało zmienić oblicze nauki.

IV. Daltonista, który widział świat inaczej

Jest jeszcze jedna rzecz, którą musicie wiedzieć o Johnie Daltonie. On widział świat inaczej niż my.

W 1794 roku, niedługo po przybyciu do Manchesteru, Dalton został członkiem miejscowego Towarzystwa Literacko-Filozoficznego, które na całe życie stało się jego naukowym domem. Tam wygłosił swój pierwszy referat. Temat? „Nadzwyczajne fakty dotyczące widzenia kolorów”. Dalton opisał w nim coś, co sam od dziecka doświadczał: nie widział pewnych barw.

Dla niego czerwony był ciemnym, szarawym odcieniem. Zielony wydawał się podobny do czerwieni. Tęcza, którą inni podziwiali jako feerię barw, dla Daltona była pasmem żółcieni i błękitu. Zbadał siebie, zbadał swojego brata — który miał to samo — i doszedł do wniosku, że musi to być cecha dziedziczna. Postawił hipotezę, że jego ciecz szklista jest niebieska, co powoduje pochłanianie czerwonych fal światła.

Dopiero w 1995 roku, gdy zbadano DNA z zachowanych gałek ocznych Daltona (zgodnie z jego ostatnią wolą), okazało się, co było naprawdę. Nie miał on rzadkiego typu ślepoty na barwę czerwoną. Miał deuteranopię — brak czopków wrażliwych na światło o średniej długości fali. Innymi słowy, jego świat był światem dwóch kolorów podstawowych zamiast trzech.

Ta przypadłość nie była dla Daltona jedynie ciekawostką. Była dla niego codziennością, która nieraz płatała mu figle. W laboratorium nie odróżniał flakonów z odczynnikami. Kupował kolorowe wstążki, które dla niego były identyczne, ku uciesze sprzedawców. A w 1832 roku, gdy Uniwersytet Oksfordzki przyznał mu doktorat honoris causa, Dalton ubrał się w uroczystą togę akademicką. Była szkarłatna. On widział ją jako ciemnoszarą. Kwakier ubrany na czerwono — to musiało wzbudzić sensację. Dalton jednak, gdy mu o tym powiedziano, wzruszył ramionami. Dla niego to był tylko ciemny strój.

Ta anegdota jest ważna. Pokazuje człowieka, który nie ufał swoim zmysłom. Który wiedział, że rzeczywistość niekoniecznie jest taka, jaką mu się jawi. To świetna postawa dla naukowca. I dla kogoś, kto ma opisać naturę materii.

V. Mechaniczny wszechświat Daltona

W Manchesterze Dalton kontynuował swoje badania meteorologiczne. W 1801 roku opublikował serię czterech przełomowych esejów. W jednym z nich sformułował prawo, które dziś znamy jako prawo ciśnień cząstkowych — Dalton’s Law of Partial Pressures.

Co to prawo mówi? Że w mieszaninie gazów każdy gaz zachowuje się tak, jakby był sam. Całkowite ciśnienie mieszaniny jest sumą ciśnień, jakie wywierałby każdy z gazów, gdyby sam zajmował całą objętość. To odkrycie miało doniosłe konsekwencje. Oznaczało bowiem, że gazy nie są jednorodną ciągłością — jak chcieli arystotelicy — ale zbiorem odrębnych, niezależnych cząstek. Każda cząsteczka gazu porusza się swobodnie, nie zważając na inne.

Dalton poszedł dalej. Zaczął się zastanawiać: skoro gazy zachowują się jak zbiory niezależnych cząstek, to może cała materia tak jest zbudowana? Może Demokryt, którego znał z lektur, miał rację?.

I wtedy, około 1803 roku, nastąpił przełom. Dalton postanowił zważyć atomy.

To było genialne posunięcie. Demokryt mówił o atomach jako o bytach różniących się kształtem, wielkością, położeniem. Ale to były cechy jakościowe. Dalton wprowadził ilość. Stwierdził, że najważniejszą cechą atomu jest jego masa. I że atomy różnych pierwiastków mają różne masy. I że te masy można wyznaczyć doświadczalnie.

Jak to zrobić? Proszę bardzo. Wiemy, że woda składa się z wodoru i tlenu. Jeśli przyjmiemy, że najlżejszy atom — wodór — ma masę 1, to możemy policzyć, ile razy cięższy jest atom tlenu. Wystarczy znać proporcje wagowe, w jakich łączą się pierwiastki.

W 1803 roku, podczas wykładu w Towarzystwie Literacko-Filozoficznym w Manchesterze, Dalton po raz pierwszy przedstawił swoją tabelę względnych mas atomowych. Była to pierwsza w historii tabela tego typu. Zawierała sześć pierwiastków: wodór, tlen, azot, węgiel, siarkę i fosfor. Wartości były niedokładne — na przykład tlen miał masę 7 zamiast 16 — ale sama idea była rewolucyjna.

VI. Nowy system filozofii chemicznej

W 1808 roku Dalton opublikował swoje magnum opus: „Nowy system filozofii chemicznej”. To jedna z najważniejszych książek w dziejach nauki. I jedna z najtrudniejszych do czytania — pełna rozwlekłych wywodów, powtórzeń i dygresji. Ale jej sedno stanowiło pięć twierdzeń, które przeszły do historii jako teoria atomowa Daltona.

Po pierwsze, materia składa się z niepodzielnych cząstek zwanych atomami. Po drugie, atomy tego samego pierwiastka są identyczne — mają ten sam kształt, tę samą masę i te same właściwości. Po trzecie, atomy różnych pierwiastków różnią się między sobą — przede wszystkim masą. Po czwarte, atomy łączą się w związki chemiczne w prostych stosunkach liczbowych. I po piąte, w reakcjach chemicznych atomy nie ulegają zniszczeniu ani stworzeniu — jedynie przegrupowują się.

Dalton wprowadził również system symboli chemicznych. Jego atomy były kółkami z różnymi oznaczeniami wewnątrz — kropkami, kreskami, literami. Wodór to było puste kółko. Tlen — kółko z kropką w środku. Węgiel — kółko zaczernione. To był pierwszy w historii system graficznej reprezentacji atomów. Niestety, był kłopotliwy w druku i nieprzyjazny dla typografów. Dwadzieścia lat później Jöns Jacob Berzelius zastąpił go systemem literowym, którego używamy do dziś: H, O, C, Fe itd..

Dalton wierzył również w zasadę największej prostoty. Jeśli dwa pierwiastki tworzą tylko jeden związek, to — rozumował — najprawdopodobniej jest to związek o stosunku atomów 1:1. Dla wody oznaczało to HO, a nie H₂O. Dla amoniaku — NH, a nie NH₃. I tu się mylił. Ale błąd był owocny. Prowokował do dalszych badań, do udoskonalania metod, do precyzyjniejszych pomiarów.

VII. Kwakier, który został gwiazdą

Co ciekawe, teoria Daltona nie spotkała się z oporem. Przeciwnie — została przyjęta z entuzjazmem. Dlaczego? Bo przychodziła w momencie, gdy chemicy tonęli w morzu faktów. Znali już pierwiastki, znali związki, znali reakcje. Ale nie mieli klucza, który by to wszystko uporządkował. Teoria atomowa była tym kluczem. Jak ujął to później Jöns Jacob Berzelius: „Prawo stosunków wielokrotnych jest tajemnicą bez teorii atomowej”.

Nawet Humphry Davy, największy chemik epoki, który początkowo był sceptyczny wobec teorii Daltona, dał się przekonać. A przecież Davy miał powody do niechęci — Dalton, w swojej bezpośredniości, napisał o nim kiedyś: „Główną wadą [Sir Humphry’ego Davy’ego] jako filozofa jest to, że nie pali fajki”. To zdanie wiele mówi o Daltonie. Cenił sobie spokojne, systematyczne rozmyślanie przy fajce. Nie znosił pośpiechu i efektownych występów.

Mimo to sława przyszła. W 1810 roku Dalton opublikował dodatek do „Nowego systemu”, rozwijając swoją teorię. W 1817 roku został prezesem Towarzystwa Literacko-Filozoficznego w Manchesterze i pozostał nim do końca życia. W 1822 roku został członkiem Royal Society — choć początkowo odmówił, zgodnie z kwakierską skromnością. W 1826 roku otrzymał Złoty Medal Royal Society. W 1832 roku — wspomniany już doktorat Oksfordu. W 1834 roku Edynburg przyznał mu doktorat praw, a w Londynie odsłonięto jego pomnik za życia — rzecz niesłychana.

Francuska Akademia Nauk wybrała go na jednego z ośmiu zagranicznych członków, na miejsce zmarłego Humphry’ego Davy’ego. Rząd przyznał mu pensję. A on wciąż żył skromnie, w tym samym pokoju w Manchesterze, uczył prywatnie, notował pogodę i palił fajkę.

VIII. Śmierć, która zgromadziła tłumy

27 lipca 1844 roku, po drugim udarze, John Dalton zmarł cicho w swoim domu w Manchesterze. Miał 78 lat. Władze miasta zaproponowały pochówek w katedrze, ale zgodnie z kwakierską tradycją Dalton został pochowany na cmentarzu Ardwick. Jednak to, co wydarzyło się później, było bezprecedensowe.

Na jego pogrzeb przyszło ponad czterdzieści tysięcy osób. Orszak żałobny ciągnął się kilometrami. Manchester zatrzymał się, by oddać hołd człowiekowi, który przez większość życia był cichym, skromnym nauczycielem z prowincji. Człowiekowi, który nadał atomom ciężar i który — choć sam widział świat w odcieniach szarości — rozjaśnił nasze rozumienie rzeczywistości.

W sto pięćdziesiąt lat później, gdy fizycy w CERN-ie rozbijali atomy na kawałki, by znaleźć bozon Higgsa, robili to na fundamencie położonym przez Daltona. On pierwszy pokazał, że atomy można ważyć. On pierwszy udowodnił, że choć same są niewidzialne, to ich istnienie można wydedukować z widzialnych skutków. On sprawił, że atom — odwieczna idea filozofów — stał się przedmiotem naukowych badań.

A przecież gdyby nie on, gdyby nie ten kwakier z prowincji, który przez pięćdziesiąt siedem lat notował pogodę i palił fajkę, być może wciąż tkwilibyśmy w arystotelesowskim świecie czterech żywiołów. Albo w alchemicznych marzeniach o Kamieniu Filozoficznym.

Dalton nie marzył. Dalton mierzył. I to okazało się kluczem do wszystkiego.

Gdy następnym razem spojrzysz na układ okresowy pierwiastków, pomyśl o Johnie Daltonie. O tym, jak w 1808 roku, w swoim pokoju w Manchesterze, rysował kółka z kropkami i próbował odgadnąć, ile razy atom tlenu jest cięższy od atomu wodoru. Mylił się w liczbach. Miał rację w zasadzie. I to wystarczyło, by otworzyć drzwi do świata, który Demokryt ujrzał oczyma wyobraźni, a który my dziś możemy badać z precyzją, o jakiej oni obaj nie mogli nawet marzyć.

Rozdział 3: Elektron i ciasto z rodzynkami

I. Duchy w szklanej rurze

Wyobraźcie sobie zaciemnione laboratorium końca XIX wieku. Na stole stoi szklana rura, z której wyssano prawie całe powietrze. W jej wnętrzu, na dwóch końcach, tkwią metalowe elektrody. Gdy przykłada się do nich wysokie napięcie, dzieje się coś niezwykłego. Ze ściany laboratorium, z dala od rury, dobiega słabe, zielonkawe światło. Świeci ekran pokryty solami baru. I świeci nie bez powodu — bo z katody, ujemnej elektrody, bije niewidzialne promieniowanie, które uderza w szkło, a szkło emituje promienie X, a te dopiero powodują świecenie ekranu. Ale to jeszcze nie wszystko. W samej rurze, gdy ciśnienie jest odpowiednio niskie, pojawia się widmowe, fioletowe światło, układające się w charakterystyczne warstwy i pasma. To duchy tańczą w szklanej pułapce. Naukowcy nazwali je promieniami katodowymi.

Problem polegał na tym, że nikt nie wiedział, czym one są. A stawką w tej grze było coś więcej niż tylko zrozumienie dziwnego świecenia. Stawką było pytanie, przed którym nauka stała od czasów Demokryta: czy atom jest rzeczywiście niepodzielny? Czy te tajemnicze promienie niosą ze sobą dowód na istnienie czegoś mniejszego niż najmniejsze?

Michael Faraday, wielki eksperymentator, pierwszy dostrzegł osobliwości wyładowań w rozrzedzonych gazach. Już w 1838 roku przepuścił prąd przez szklaną rurę wypełnioną rozrzedzonym powietrzem i zauważył, że łuk świetlny nie wypełnia jej równomiernie. Przy katodzie powstawała ciemna przestrzeń — tak zwana ciemnia Faradaya. To było pierwsze ostrzeżenie, że dzieje się coś, czego dotychczasowa fizyka nie potrafi wyjaśnić.

Ale prawdziwy przełom wymagał dwóch rzeczy, które pojawiły się dopiero w połowie XIX wieku. Pierwszą była dobra pompa próżniowa. Skonstruował ją w 1855 roku niemiecki dmuchacz szkła, Heinrich Geissler. Jego pompa rtęciowa, oparta na pomyśle Torricellego, pozwalała opróżniać szklane rury do ciśnień wcześniej nieosiągalnych. Drugą była cewka indukcyjna — rodzaj transformatora zdolnego wytworzyć napięcia rzędu dziesiątek tysięcy woltów. Udoskonalił ją Heinrich Daniel Ruhmkorff, niemiecki wynalazca mieszkający w Paryżu, którego cewki potrafiły wytwarzać iskry długości trzydziestu centymetrów w powietrzu. W 1864 roku Napoleon III nagrodził go za to osobiście.

Gdy połączono te dwa wynalazki — próżnię Geisslera i cewkę Ruhmkorffa — przed fizykami otworzył się nowy świat. Świat promieni katodowych.

II. Krzyż maltański i wiatrak słoneczny

W latach siedemdziesiątych XIX wieku angielski fizyk William Crookes, człowiek o niepospolitych zdolnościach eksperymentalnych i jeszcze bardziej niepospolitych zainteresowaniach (interesował się spirytyzmem i wierzył, że jego aparaty rejestrują istoty z zaświatów), zbudował serię pięknych rur szklanych, które do dziś można oglądać w muzeach nauki. W jednej z nich umieścił krzyż maltański, wykrojony z miki. Gdy włączano wysokie napięcie, na końcu rury pojawiał się ostry cień krzyża.

To był kluczowy eksperyment. Gdyby promienie katodowe były rodzajem fali — jak światło — nie dawałyby ostrego cienia. Fale uginają się na przeszkodach. Cień oznacza, że mamy do czynienia z czymś, co porusza się po liniach prostych. Z cząstkami.

Crookes poszedł dalej. Zbudował rurę, w której umieścił maleńki wiatraczek na szynach. Gdy promienie katodowe padały na łopatki, wiatraczek zaczynał się toczyć po szynach. Promienie katodowe nie tylko rzucały cień — one posiadały pęd. Uderzały w przeszkodę i wprawiały ją w ruch. To było kolejne potwierdzenie: mamy do czynienia ze strumieniem materialnych cząstek.

A jednak sprawa nie była prosta. Heinrich Hertz, jeden z największych fizyków eksperymentalnych XIX wieku, odkrywca fal radiowych, przeprowadził własne eksperymenty i doszedł do wniosku, że promienie katodowe nie dają się odchylić polem elektrycznym. To był potężny argument za tym, że nie są one naładowanymi cząstkami, bo naładowane cząstki powinny reagować na pole elektryczne. Hertz był tak pewien swego, że upierał się przy tym wniosku, mimo że jego własne eksperymenty z iskrami doprowadziły go do skonstruowania odbiornika radiowego.

Uczeń Hertza, Philipp Lenard, poszedł jeszcze dalej. Wyprodukował cienkie folie aluminiowe, przez które promienie katodowe mogły uciekać ze szklanej rury na zewnątrz. To również zdawało się przemawiać za tym, że są one raczej falą niż cząstkami — bo jak cząstki miałyby przenikać przez ciało stałe?.

I tak, u progu 1897 roku, sytuacja była całkowicie patowa. Dwa obozy, dwie interpretacje, każda z pozornie mocnymi argumentami. A w środku tego sporu stanął człowiek, który miał go rozstrzygnąć. Nazywał się Joseph John Thomson.

III. Chłopiec z Manchesteru, który podbił Cambridge

Joseph John Thomson urodził się 18 grudnia 1856 roku w Cheetham Hill, niedaleko Manchesteru. Jego ojciec prowadził antykwariat, matka pochodziła z rodziny tekstylnej. Gdy miał czternaście lat, rodzice planowali posłać go na praktykę inżynierską do zakładów produkujących lokomotywy. Ale zabrakło miejsca. I tak, przypadkiem, trafił do Owens College w Manchesterze — instytucji, która później stała się częścią uniwersytetu.

W Manchesterze zetknął się z Balfourem Stewartem, profesorem fizyki, który zaraził go naukową ciekawością. Thomson zaczął eksperymentować z elektryzacją kontaktową i wkrótce opublikował swoją pierwszą pracę naukową. Gdy ojciec zmarł w 1873 roku, młody Thomson musiał radzić sobie sam. Ale radził sobie doskonale.

W październiku 1876 roku, mając dziewiętnaście lat, rozpoczął studia w Trinity College na Uniwersytecie Cambridge. To była przeprowadzka na całe życie — Cambridge stało się jego domem aż do śmierci. W Cambridge Thomson zajął się matematyką. W styczniu 1880 roku zdał słynny Tripos Mathematical — trudny egzamin, który decydował o dalszej karierze. Zajął drugie miejsce (second wrangler), za Josephem Larmorem. To drugie miejsce otwierało wszystkie drzwi. Mógł zostać w Cambridge, mógł wyjechać na każdą inną uczelnię. Został.

W 1880 roku został fellow Trinity College, w 1883 uzyskał tytuł magistra i rozpoczął pracę jako wykładowca. A w 1884 roku, mając zaledwie dwadzieścia osiem lat, spotkało go coś, czego nikt się nie spodziewał.

Lord Rayleigh, drugi dyrektor słynnego Laboratorium Cavendish, postanowił ustąpić ze stanowiska. Potrzebowano następcy. Kandydatami byli starsi i bardziej doświadczeni fizycy — Osborne Reynolds, Richard Glazebrook. Ale to Thomson dostał nominację. Wybór wzbudził ogromne zaskoczenie. Thomson nie był przecież znanym eksperymentatorem. Był matematykiem. Jego prace dotyczyły teorii elektromagnetyzmu Maxwella, koncepcji masy elektromagnetycznej, ruchu pierścieni wirowych. Zajmował się modelowaniem matematycznym procesów chemicznych, co dziś nazwalibyśmy wczesną chemią obliczeniową.

A jednak wybór okazał się strzałem w dziesiątkę. Thomson miał coś, czego brakowało wielu eksperymentatorom: niezwykłą jasność myślenia i umiejętność zadawania precyzyjnych pytań. I choć sam nie był mistrzem w dmuchaniu szkła czy konstruowaniu aparatury, potrafił znakomicie wykorzystywać umiejętności innych.

W 1890 roku Thomson ożenił się z Rose Elisabeth Paget, córką sir George’a Edwarda Pageta, profesora medycyny w Cambridge. Rose interesowała się fizyką i regularnie uczęszczała na wykłady — w Cambridge od 1882 roku kobiety mogły już uczestniczyć w zajęciach. To na tych wykładach poznała Thomsona. Ich związek był udany i trwały. Mieli dwoje dzieci: George’a Pageta Thomsona, który również został fizykiem i otrzymał Nagrodę Nobla za odkrycie falowych właściwości elektronu, oraz Joan Paget Thomson, która została pisarką.

IV. Rok 1897 — punkt zwrotny

Gdy Thomson rozpoczynał systematyczne badania promieni katodowych, wiedziano już kilka rzeczy. W 1895 roku Jean Perrin we Francji wykazał, że promienie katodowe niosą ładunek ujemny — wpadając do metalowej puszki, naładowywały ją ujemnie. W 1896 roku Emil Wiechert w Niemczech zmierzył stosunek ładunku do masy tych cząstek i uzyskał wartość tysiąc razy mniejszą niż dla atomu wodoru. Ale wyniki Wiecherta nie były rozstrzygające, a poza tym — jak wytłumaczyć fakt, że Hertz nie zaobserwował odchylenia w polu elektrycznym?

Thomson podszedł do problemu metodycznie. Zbudował aparaturę, która była udoskonaleniem wcześniejszych konstrukcji. W anodzie zrobił niewielki otwór, dzięki czemu część promieni katodowych mogła przejść dalej, formując się w wąską wiązkę. Ta wiązka przechodziła przez długą rurę próżniową i padała na ekran fluorescencyjny, dając świecącą plamkę. W rurze umieścił dwie metalowe płyty, między którymi można było wytworzyć pole elektryczne. I co najważniejsze — doprowadził do tego, że ciśnienie w rurze było tak niskie, jak tylko się dało.

I wtedy zobaczył to, czego Hertz nie zobaczył. Gdy włączał pole elektryczne, plamka na ekranie przesuwała się. Promienie katodowe ulegały odchyleniu. A kierunek odchylenia wskazywał jednoznacznie, że cząstki są naładowane ujemnie.

Dlaczego Hertz nie zaobserwował tego zjawiska? Bo jego rury nie były wystarczająco opróżnione. Resztki gazu wewnątrz jonizowały się i neutralizowały ładunek na płytkach, znosząc pole elektryczne. Thomson, dzięki lepszej próżni, usunął tę przeszkodę.

Ale to był dopiero początek. Thomson chciał wiedzieć, czym są te cząstki. Czy to jakaś szczególna forma materii, czy może coś fundamentalnego? Aby to rozstrzygnąć, potrzebował zmierzyć dwie wielkości: ich ładunek i ich masę. A właściwie — na początek — stosunek tych dwóch wielkości, e/m.

Metoda była elegancka. Thomson odchylał wiązkę polem elektrycznym o znanej sile, mierząc wielkość odchylenia. Potem odchylał tę samą wiązkę polem magnetycznym. Porównując oba odchylenia, mógł wyeliminować prędkość cząstek i obliczyć stosunek ich ładunku do masy.

Wynik był oszałamiający. Stosunek e/m dla cząstek promieni katodowych był ponad tysiąc razy większy niż dla atomu wodoru. To mogło oznaczać tylko jedno: albo cząstki niosą ogromny ładunek, albo — co bardziej prawdopodobne — są nieprawdopodobnie lekkie. Thomson obliczył, że masa tych cząstek stanowi mniej niż jedną tysięczną masy atomu wodoru.

I była jeszcze jedna rzecz, równie ważna. Thomson robił swoje doświadczenia dla różnych gazów wypełniających rurę — dla powietrza, dla wodoru, dla dwutlenku węgla. Za każdym razem otrzymywał ten sam stosunek e/m. Cząstki były identyczne bez względu na to, skąd pochodziły.

W kwietniu 1897 roku Thomson ogłosił swoje odkrycie na posiedzeniu Royal Institution. Mówił o „korpuskułach” — tak nazwał nowe cząstki — które są składnikami wszystkich atomów. Miesiąc później przedstawił już precyzyjne pomiary e/m, potwierdzające wcześniejsze szacunki.

Świat nauki nie od razu przyjął to odkrycie. Wielu fizyków, przyzwyczajonych do myślenia o atomie jako niepodzielnym, opierało się nowej idei. Ale dowody były nie do odparcia. W 1891 roku irlandzki fizyk George Johnstone Stoney zaproponował nazwę „elektron” na określenie elementarnego ładunku elektryczności. Teraz ta nazwa zyskała fizyczną realizację. Elektron stał się pierwszą odkrytą cząstką subatomową w historii.

V. Ile waży elektron?

Thomson zmierzył stosunek ładunku do masy, ale nie znał ani samej masy, ani samego ładunku. To tak, jakby wiedzieć, że dwa przedmioty mają się do siebie jak dwa do jednego, ale nie wiedzieć, który jest cięższy, a który lżejszy.

Rozwiązanie przyszło dwanaście lat później, z pracami Roberta Millikana z University of Chicago. Millikan opracował genialnie prostą metodę. Rozpylał olej w komorze, tworząc mikroskopijne kropelki. Część z nich, przez tarcie lub naświetlanie promieniami X, uzyskiwała ładunek elektryczny. Kropelki spadały pod wpływem grawitacji, ale można było spowolnić ich opadanie — a nawet odwrócić — przykładając pole elektryczne.

Obserwując przez mikroskop pojedynczą kropelkę i balansując siłami grawitacji i pola elektrycznego, Millikan mógł wyznaczyć jej ładunek. Robił to wielokrotnie, dla setek kropelek. I odkrył, że ładunek zawsze jest całkowitą wielokrotnością pewnej podstawowej wartości. Tą wartością było 1,6 × 10⁻¹⁹ kulomba — ładunek elementarny, ładunek pojedynczego elektronu.

Mając ładunek i znając stosunek e/m z pomiarów Thomsona (1,76 × 10¹¹ C/kg), można już było obliczyć masę elektronu. Wyniosła 9,1 × 10⁻³¹ kg — około 1836 razy mniej niż masa atomu wodoru.

Elektron okazał się nie tylko pierwszym posłańcem ze świata podatomowego, ale także cząstką zdumiewająco lekką. Cała reszta masy atomu musiała kryć się gdzie indziej.

VI. Ciasto z rodzynkami

Skoro atom zawiera ujemne elektrony, a cały atom jest elektrycznie obojętny, to musi w nim być również coś dodatniego. Coś, co równoważy ładunek elektronów. Pytanie brzmiało: jak to coś jest rozmieszczone?

W 1904 roku Thomson zaproponował pierwszą w historii odpowiedź na to pytanie. Jego model atomu przeszedł do historii pod apetyczną nazwą: „ciasto z rodzynkami” (plum pudding model). Nazwa wzięła się od tradycyjnego angielskiego deseru — puddingu z rodzynkami. W modelu Thomsona dodatnio naładowana materia wypełniała całą objętość atomu jak ciasto, a ujemne elektrony tkwiły w niej jak rodzynki.

To był model spójny i elegancki. Wyjaśniał, dlaczego elektrony można z atomu wybić (na przykład w efekcie fotoelektrycznym) — rodzynki można wyjąć z ciasta. Wyjaśniał, dlaczego atomy są elektrycznie obojętne — ładunek ujemny rodzynków równoważył ładunek dodatni ciasta. I wyjaśniał, dlaczego atomy są stabilne — elektrony, przyciągane do środka przez dodatnie ciasto, oscylowały wokół położeń równowagi.

Thomson nie był odosobniony w poszukiwaniu modelu atomu. W 1903 roku japoński fizyk Hantaro Nagaoka zaproponował konkurencyjny model — atom „typu Saturna”, z dodatnim jądrem otoczonym krążącymi elektronami, niczym pierścieniami planety. Ale to model Thomsona zdobył większą popularność. Był prostszy, bardziej intuicyjny i lepiej pasował do ówczesnej wiedzy.

Miał jednak jedną poważną wadę. Był mylny.

VII. Dyrektor, nauczyciel, mentor

Zanim jednak przejdziemy do obalenia modelu Thomsona — co stanie się udziałem jego własnego ucznia — musimy zatrzymać się na chwilę przy samym Thomsonie jako człowieku instytucji. Bo Thomson to nie tylko odkrywca elektronu. To także jeden z największych nauczycieli w dziejach fizyki.

Gdy w 1884 roku obejmował kierownictwo Laboratorium Cavendish, było ono już prestiżowe — kierowali nim przed nim James Clerk Maxwell i lord Rayleigh. Ale Thomson uczynił z niego prawdziwą kuźnię talentów. Przez trzydzieści pięć lat jego dyrekcji przez laboratorium przewinęła się plejada nazwisk, które później zapisały się złotymi zgłoskami w historii nauki.

Siedmiu jego uczniów i współpracowników otrzymało Nagrody Nobla. Ernest Rutherford — Nagroda Nobla z chemii w 1908 roku za badania nad rozpadem promieniotwórczym. Lawrence Bragg — Nagroda z fizyki w 1915 roku za analizę struktury kryształów za pomocą promieni X. Charles Barkla — Nagroda z fizyki w 1917 roku za odkrycie charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego pierwiastków. Francis Aston — Nagroda z chemii w 1922 roku za wynalezienie spektrografu mas i odkrycie izotopów. Charles Thomson Rees Wilson — Nagroda z fizyki w 1927 roku za metodę obserwacji torów cząstek naładowanych w komorze mgłowej. Owen Richardson — Nagroda z fizyki w 1928 roku za badania emisji termoelektronowej. Edward Victor Appleton — Nagroda z fizyki w 1947 roku za badania jonosfery.

Do tego dochodzą nazwiska, które nie dostały Nobla, ale zapisały się w historii — Paul Langevin, John Townsend, Geoffrey Ingram Taylor. I dwaj goście z zagranicy, którzy przyjechali do Cambridge uczyć się od Thomsona, a potem sami stali się gigantami: Niels Bohr z Danii i Max Born z Niemiec.

Co ciekawe, Thomson otrzymał Nagrodę Nobla w 1906 roku, ale nie wprost za odkrycie elektronu. Komitet Noblowski, zawsze konserwatywny, przyznał mu ją „w uznaniu wielkich zasług jego teoretycznych i eksperymentalnych badań nad przewodnictwem elektryczności przez gazy”. To była formuła, która mieściła w sobie odkrycie elektronu, nie nazywając go wprost.

W 1908 roku Thomson został pasowany na rycerza. W 1912 roku otrzymał Order Zasługi. W latach 1916–1920 był prezesem Royal Society, brytyjskiej akademii nauk. W 1918 roku został masterem Trinity College — najwyższy zaszczyt, jaki Cambridge mogło ofiarować jednemu ze swoich synów. W 1931 roku, w uznaniu zasług dla chemii, otrzymał Medal Daltona od Manchester Literary and Philosophical Society — to samo towarzystwo, któremu John Dalton przedstawiał swoją teorię atomową sto dwadzieścia lat wcześniej.

VIII. Pochowany obok Newtona

Joseph John Thomson zmarł 30 sierpnia 1940 roku w Cambridge. Miał osiemdziesiąt trzy lata. Europa płonęła w ogniu II wojny światowej, ale Cambridge zatrzymało się, by oddać hołd swojemu wielkiemu synowi.

Jego prochy spoczęły w Opactwie Westminsterskim, w samym sercu brytyjskiej nauki. Miejsce to nie jest przypadkowe. Thomson został pochowany obok grobu Izaaka Newtona. Niewiele dalej spoczął później jego największy uczeń, Ernest Rutherford.

Jest w tym pewna ironia losu, która każe się zatrzymać i pomyśleć. Thomson, człowiek, który udowodnił, że atom nie jest niepodzielny, który rozbił jednotorową wizję materii na kawałki, spoczywa obok Newtona, twórcy mechaniki klasycznej, który wierzył w absolutną przestrzeń, absolutny czas i absolutną niepodzielność najmniejszych cząstek. Dwa groby, dwa światopoglądy, dwa etapy tej samej wielkiej podróży w głąb materii.

I jest jeszcze jedna ironia. Thomson, „ojciec elektronu”, człowiek, który nadał tej cząstce status korpuskuły, który dowodził jej materialności, doczekał się, że jego własny syn, George Paget Thomson, otrzymał Nagrodę Nobla w 1937 roku za… udowodnienie, że elektron ma naturę falową. Ojciec pokazał, że elektron jest cząstką. Syn pokazał, że jest falą. Razem, choć nieświadomie, złożyli się na fundamentalną prawdę mechaniki kwantowej: dualizm korpuskularno-falowy, jedno z najdziwniejszych i najgłębszych odkryć fizyki XX wieku.

IX. Co zostaje po odkryciu

Gdy dziś patrzymy na model „ciasta z rodzynkami”, wydaje się naiwny. Wiemy przecież, że atom jest prawie pusty, że elektrony krążą w ogromnej odległości od jądra, że materia to w 99,9999% pusta przestrzeń. Model Thomsona jest historycznym eksponatem, ciekawostką z podręczników, przykładem, jak bardzo można się mylić, mając dobre intencje i znakomite dane.

Ale to myślenie jest niesprawiedliwe. Model Thomsona był pierwszym modelem atomu, który uwzględniał istnienie cząstek subatomowych. Był pierwszą próbą odpowiedzi na pytanie, które po odkryciu elektronu stało się palące: skoro atom ma budowę, to jak ona wygląda? Thomson odpowiedział na to pytanie najlepiej, jak potrafił, dysponując wiedzą i narzędziami swojej epoki. I przez kilka lat jego model był jedynym modelem na rynku.

Dopiero w 1909 roku, gdy Ernest Rutherford — uczeń Thomsona — wpadł na pomysł, by ostrzelać złotą folię cząstkami alfa, model „ciasta z rodzynkami” miał zostać poddany ostatecznemu testowi. A wynik tego testu miał wprawić naukowców w osłupienie. Ale to już opowieść na następny rozdział.

Na razie zatrzymajmy się przy Thomsonie i jego elektronie. Przy tym, jak jeden człowiek, w jednym laboratorium, w jednym przełomowym roku, otworzył drzwi do wnętrza atomu. Demokryt myślał o atomach jako niepodzielnych. Dalton nadał im ciężar. Thomson pokazał, że mają wnętrze. I że to wnętrze jest zamieszkane przez maleńkie, ujemne istotki, tańczące w dodatnim cieście. Myląc się co do szczegółów, miał rację co do zasady: atom jest złożony. A to wystarczyło, by fizyka wkroczyła na nową drogę.

Rozdział 4: Złota folia i puste przestrzenie

I. Człowiek, który miał głos jak dzwon

Gdy Joseph John Thomson ogłaszał swoje odkrycie elektronu, w laboratorium Cavendish przebywał młody człowiek z drugiego końca świata, który z uwagą śledził te wydarzenia. Nazywał się Ernest Rutherford i pochodził z Nowej Zelandii — z kraju tak odległego, że w ówczesnej Anglii uchodził niemal za egzotyczny. Urodził się 30 sierpnia 1871 roku w Brightwater, niedaleko Nelson, jako czwarte z dwanaściorga dzieci szkockiego imigranta, który trudnił się kołodziejstwem, inżynierią i prowadzeniem młyna lnianego. Jego matka, Martha Thompson, była nauczycielką, która zaszczepiła w dzieciach szacunek do edukacji.

Rodzina Rutherfordów nie należała do zamożnych. Ernest, jak wielu chłopców z farm, od dziecka uczył się pracy fizycznej — pomagał ojcu przy tartaku, zbierał chmiel na wakacjach, a nawet wyrzeźbił drewnianą tłuczkę do ziemniaków dla swojej babci, która do dziś znajduje się w zbiorach Royal Society. Te proste, fizyczne doświadczenia w warsztacie ojca miały go ukształtować: Rutherford przez całe życie pozostał człowiekiem czynu, który ufał twardym faktom, a nie spekulacjom.

Mimo skromnych warunków, chłopiec uczył się znakomicie. W 1887 roku otrzymał stypendium Marlborough Education Board do Nelson College, a następnie studiował w Canterbury College na Uniwersytecie Nowej Zelandii w Christchurch. W 1893 roku uzyskał tytuły z matematyki i fizyki, a rok później licencjat z nauk ścisłych. Grał w rugby, był popularny wśród kolegów i już wtedy przejawiał niezwykły talent eksperymentatorski — jego pierwsze badania wykazały, że żelazo może być magnetyzowane przez fale wysokiej częstotliwości, co samo w sobie było odkryciem.

W 1895 roku Rutherford otrzymał stypendium Wystawy Światowej, które pozwoliło mu wyjechać do Anglii i podjąć studia w Laboratorium Cavendish pod kierunkiem J.J. Thomsona. Był pierwszym studentem z zagranicy, któremu to pozwolenie dano. Przed wyjazdem zaręczył się z Mary Newton, córką swojej gospodyni z Christchurch, którą poślubił w 1900 roku.

Thomson szybko rozpoznał talent Nowozelandczyka. Rutherford początkowo zajmował się detekcją fal elektromagnetycznych, ale wkrótce, wraz z Thomsonem, rozpoczął badania nad przewodnictwem gazów pod wpływem promieni X. Wkrótce odkrycie Becquerela i odkrycie radu przez Curieów skierowały jego uwagę w stronę nowego, fascynującego zjawiska: promieniotwórczości.

W 1898 roku, zaledwie po trzech latach w Cambridge, dwudziestosiedmioletni Rutherford otrzymał propozycję objęcia katedry fizyki na Uniwersytecie McGill w Montrealu. Przyjął ją z entuzjazmem — pozwalała mu to sprowadzić do Kanady czekającą na niego narzeczoną. W Montrealu spędził dziewięć lat, które zaowocowały serią odkryć, jakie przyniosły mu światową sławę.

Wspólnie z Frederickiem Soddy’m, młodym chemikiem z Oksfordu, Rutherford opracował teorię rozpadu promieniotwórczego. Udowodnili, że atomy jednego pierwiastka mogą samorzutnie przekształcać się w atomy innego — to był cios w wielowiekowe przekonanie o niezmienności i niezniszczalności atomów. W 1903 roku został członkiem Royal Society. W 1904 roku otrzymał Medal Rumforda. W 1908 roku, za badania nad rozpadem pierwiastków i chemią substancji promieniotwórczych, otrzymał Nagrodę Nobla — ale nie z fizyki, a z chemii.

Rutherford przyjął to z właściwym sobie humorem. Mówił potem, że z wszystkich przemian, jakim ulegają pierwiastki, najszybszą i najbardziej zadziwiającą była jego własna przemiana — z fizyka w chemika.

W 1907 roku Rutherford wrócił do Anglii, obejmując katedrę fizyki na Uniwersytecie w Manchesterze. Tam czekało go największe odkrycie życia.

II. Detektywi w laboratorium

Do Manchesteru Rutherford ściągnął dwóch niezwykle utalentowanych współpracowników. Pierwszym był Hans Geiger, młody Niemiec, który później wsławił się wynalezieniem licznika cząstek. Drugim był Ernest Marsden, zaledwie dwudziestoletni student z Nowej Zelandii, który przyjechał do Manchesteru uczyć się fizyki pod okiem wielkiego rodaka.

Ich zadanie, które Rutherford im powierzył, było pozornie proste. Mieli bombardować cienką złotą folię cząstkami alfa i badać, pod jakimi kątami te cząstki się rozpraszają.

Czym były cząstki alfa? Rutherford już wcześniej odkrył, że promieniowanie wysyłane przez pierwiastki promieniotwórcze dzieli się na dwa rodzaje: słabiej przenikliwe cząstki alfa i silniej przenikliwe cząstki beta. Wkrótce, we współpracy z Thomasem Roydsem, udowodnił, że cząstki alfa to po prostu jądra helu — atomy helu pozbawione elektronów, o dodatnim ładunku i masie cztery razy większej od protonu.

W 1909 roku Geiger i Marsden zasiedli do pracy. Źródłem cząstek alfa był rad. Wiązka cząstek padała na niezwykle cienką folię ze złota — tak cienką, że miała zaledwie kilkaset atomów grubości. Wokół folii umieszczono ekran z siarczku cynku, który miał właściwość świecenia w miejscu, w które trafiła cząstka alfa (była to tak zwana scyntylacja). Geiger i Marsden, siedząc w zaciemnionym laboratorium, mieli liczyć te maleńkie błyski, obserwując je przez mikroskopy.

Wyniki, których się spodziewali, były oczywiste. Model atomu Thomsona — „ciasto z rodzynkami” — przewidywał, że dodatni ładunek atomu jest rozłożony równomiernie w całej jego objętości. Cząstki alfa, będąc również dodatnio naładowane, powinny przechodzić przez folię praktycznie niezaburzone. Ewentualne rozproszenie, gdyby już nastąpiło, powinno być niewielkie — o ułamki stopnia. Najwyżej o parę stopni.

I rzeczywiście, większość cząstek przechodziła prosto. Ale Geiger i Marsden postanowili sprawdzić również to, co Rutherford zasugerował im jakby od niechcenia: czy jakieś cząstki nie odbijają się od folii pod dużym kątem? A może nawet wracają do źródła?

Ustawili ekran po tej samej stronie folii, co źródło cząstek, i zaczęli obserwować. Ku swemu zdumieniu zobaczyli słabe, ale wyraźne błyski. Nieliczne cząstki — mniej więcej jedna na osiem tysięcy — odbijały się od złotej folii i wracały z powrotem.

Rutherford tak opisał to później: „To było najbardziej niezwykłe wydarzenie w moim życiu. Równie niezwykłe, jak gdybyś wystrzelił piętnastocalowy pocisk w kawałek bibułki, a on odbił się i cię trafił”.

III. Rozbitek w katedrze

Gdy Rutherford uświadomił sobie wagę tego wyniku, musiał na nowo przemyśleć wszystko, co wiedział o budowie atomu. Model Thomsona legł w gruzach. Nie dało się nim wyjaśnić odbicia cząstek alfa. Gdyby dodatni ładunek był rozłożony równomiernie, pole elektryczne wewnątrz atomu byłoby zbyt słabe, by odrzucić ciężką, szybką cząstkę alfa z powrotem.

Wnioski mogły być tylko dwa, i były one radykalne.

Po pierwsze, dodatni ładunek atomu musi być skupiony w niezwykle małym obszarze. Tylko ogromne natężenie pola elektrycznego w pobliżu tego skupiska mogło odepchnąć cząstkę alfa. Po drugie, ten obszar musi zawierać prawie całą masę atomu — bo tylko wtedy, uderzając w niego, cząstka alfa mogła się odbić.

Rutherford obliczył, że promień jądra atomowego musi być około dziesięć tysięcy razy mniejszy od promienia całego atomu. Jeśli atom byłby wielkości katedry, jądro byłoby wielkości muchy unoszącej się gdzieś w jej środku. Reszta to pustka — ogromna, przerażająca, niemal całkowita pustka.

W 1911 roku Rutherford opublikował swoją teorię w artykule zatytułowanym „The scattering of α and β particles by matter and the structure of the atom”. Zaproponował w nim model atomu, który przeszedł do historii jako model planetarny. Atom składa się z maleńkiego, dodatniego jądra, zawierającego niemal całą masę, oraz krążących wokół niego elektronów — tak jak planety krążą wokół Słońca.

Była to wizja piękna w swej prostocie, ale niosła ze sobą poważny problem. Zgodnie z klasyczną elektrodynamiką Maxwella, elektron krążący wokół jądra powinien nieustannie tracić energię na promieniowanie i w efekcie, po ułamku sekundy, spaść na jądro. Atom Rutherforda był teoretycznie niestabilny. Na to pytanie odpowie wkrótce Niels Bohr, ale to już materiał na następny rozdział.

Rutherford, jak na człowieka czynu przystało, nie przejmował się nadmiernie tym problemem. Dla niego liczyły się fakty doświadczalne. A fakt był taki, że cząstki alfa odbijały się od złotej folii. Resztą mieli się zająć teoretycy.

IV. Baron, który nie znosił teorii

Rutherford był postacią niezwykle barwną. Miał potężny, donośny głos, który słychać było na całym wydziale fizyki. Piotr Kapica, rosyjski fizyk, który pracował z Rutherfordem w Cambridge, nadał mu przydomek „Krokodyl” — na cześć postaci z opowiadań swojego rodaka, Korneya Czukowskiego. Krokodyl był zwierzęciem, które nigdy się nie cofa i ma niezwykle przenikliwe spojrzenie. Rutherford rzeczywiście miał zwyczaj patrzeć swoim współpracownikom prosto w oczy i zadawać celne, czasem miażdżące pytania.

Nie miał cierpliwości do lewicowej polityki ani do teoretycznych spekulacji. Jego akcent opisywano jako połączenie wiejskiego zachodnioangielskiego z cockneyem. Mówił głośno, szybko i często nie przebierał w słowach. Gdy jeden z jego studentów przyszedł z wynalazkiem, który miał usprawnić jakiś pomiar, Rutherford spojrzał nań i warknął: „Młody człowieku, jeśli pana aparat działa, to znaczy, że jest w nim błąd”.

Mimo to był mentorem, który wychował całe pokolenie genialnych fizyków. Pod jego kierunkiem pracowali James Chadwick (odkrywca neutronu), John Cockcroft i Ernest Walton (pierwsi, którzy rozbili jądro atomowe za pomocą sztucznie przyspieszonych protonów), Patrick Blackett, a także Niels Bohr i Otto Hahn. Siedmiu jego uczniów otrzymało Nagrody Nobla. W czasie I wojny światowej zajmował się akustyczną detekcją okrętów podwodnych.

W 1914 roku został pasowany na rycerza. W 1919 roku, po odejściu Thomsona, objął kierownictwo Laboratorium Cavendish w Cambridge. W 1925 roku został prezesem Royal Society. W 1931 roku otrzymał tytuł barona Rutherford of Nelson.

V. Alchemia XX wieku

W Cambridge Rutherford dokonał kolejnego przełomowego odkrycia. W 1919 roku, bombardując azot cząstkami alfa, zaobserwował, że z jąder azotu wylatują jakieś lekkie, dodatnio naładowane cząstki. Okazało się, że są to jądra wodoru — protony.

Rutherford po raz pierwszy w historii dokonał świadomej przemiany jednego pierwiastka w drugi: azotu w tlen. Marzenie alchemików stało się rzeczywistością. Atom nie był już niezniszczalny. Można było go rozbić, przekształcić, wydobyć z niego energię.

W 1920 roku Rutherford postulował, że protony są fundamentalnymi składnikami jąder wszystkich atomów. Wprowadził nazwę „proton” (od greckiego protos — pierwszy). Zasugerował również istnienie cząstki neutralnej, która znajdowałaby się w jądrze obok protonów — bez niej nie można było wyjaśnić, dlaczego jądra atomów cięższych od wodoru nie rozpadają się pod wpływem odpychania elektrostatycznego protonów. Ta cząstka, neutron, została odkryta przez jego ucznia Jamesa Chadwicka w 1932 roku.

VI. Śmierć, która była następstwem etykiety

Śmierć Rutherforda miała w sobie tragizm, który każe się zastanowić nad absurdami ludzkich konwenansów. 19 października 1937 roku, w wieku 66 lat, Rutherford trafił do szpitala w Cambridge z powodu przepukliny pępkowej. Operacja była rutynowa i nie powinna stanowić zagrożenia. Ale Rutherford był parem Anglii — baronem. Zgodnie z ówczesnym protokołem, operować go mógł tylko lekarz posiadający tytuł szlachecki. Czekano na odpowiedniego chirurga. Czekano zbyt długo.

Stan Rutherforda pogorszył się nagle. Doszło do niedrożności jelit. Gdy w końcu przeprowadzono operację, było już za późno. Zmarł tego samego dnia.

Jego prochy spoczęły w Opactwie Westminsterskim, w nawie głównej, obok grobów Izaaka Newtona i Michaela Faradaya. Na pogrzebie zebrały się tłumy. Król Jerzy VI, rodzina królewska, najwięksi uczeni świata. Wszyscy przyszli oddać hołd człowiekowi, który odkrył, że atomy są w 99,9999% puste.

VII. Co zostaje po baranie z Nelson

Gdy dziś myślimy o atomie, myślimy o nim właśnie w kategoriach Rutherfordowskich — jako o maleńkim jądrze otoczonym chmurą elektronów. To on pokazał, że materia jest w istocie prawie niczym. Że to, co wydaje się nam twarde i nieprzeniknione, jest w istocie strukturą niemal całkowicie pustej przestrzeni, w której od czasu do czasu pojawia się drobina masy.

Rutherford miał w zwyczaju powtarzać swoim studentom: „Nie mamy pieniędzy, więc musimy myśleć”. To zdanie streszcza jego podejście do nauki. W czasach, gdy fizyka eksperymentalna dopiero raczkowała, on potrafił, za pomocą prostych, wręcz prymitywnych narzędzi, wydobyć z natury jej najgłębsze tajemnice.

Odkrycie jądra atomowego było momentem zwrotnym w dziejach ludzkiego poznania. Demokryt myślał o atomie jako o niepodzielnej kuli. Dalton nadał mu wagę. Thomson odkrył, że ma on wnętrze. A Rutherford pokazał, jakie to wnętrze jest — puste, z maleńkim, gęstym jądrem w środku.

Gdy następnym razem usiądziecie na krześle, pomyślcie przez chwilę, że między wami a drewnem nie ma prawie żadnego kontaktu. Elektrony z atomów waszego ciała odpychają się od elektronów atomów krzesła na tyle silnie, że unoszą was nad nim. Nie dotykacie go naprawdę. Siedzicie na polu elektrycznym, w odległości ułamka nanometra od powierzchni. To Rutherford pierwszy zrozumiał, jak bardzo jesteśmy — dosłownie — oderwani od ziemi.

Gdy zmarł, James Chadwick, jego uczeń i następca, napisał w pożegnalnym artykule: „Stworzył więcej nowej fizyki niż ktokolwiek inny od czasów Newtona”. I trudno się z tym nie zgodzić. Bo jeśli Newton odkrył prawa rządzące ruchem planet, to Rutherford odkrył prawa rządzące ruchem najmniejszych składników materii. A oba te światy — kosmos i atom — okazały się zaskakująco do siebie podobne. Pełne pustki, pełne ruchu, pełne tajemnic.

W 1908 roku, gdy odbierał Nagrodę Nobla w Sztokholmie, Rutherford nie wiedział jeszcze, że za trzy lata dokona odkrycia, które przyćmi wszystko, co zrobił wcześniej. Ale może przeczuwał. Bo był nie tylko genialnym eksperymentatorem, ale też człowiekiem o niezwykłej intuicji. Gdy Geiger i Marsden przynieśli mu wyniki swoich obserwacji, nie musiał długo myśleć. Wiedział, że ta jedna na osiem tysięcy cząstek, która odbiła się od złotej folii, zmieniła wszystko. I miał rację.

Rozdział 5: Kwantowy skok i model planetarny

I. Duńczyk, który przybył z deszczem

W październiku 1911 roku do Manchesteru przyjechał młody Duńczyk. Był szczupły, nieśmiały, mówił cicho i miał zwyczaj długiego milczenia przed udzieleniem odpowiedzi. Nazywał się Niels Henrik David Bohr i właśnie ukończył doktorat w Kopenhadze na temat właściwości elektronów w metalach. Teraz, dzięki stypendium Fundacji Carlasberga, przybył do Anglii, by pracować u samego J.J. Thomsona w Cambridge. Był to wybór oczywisty — Thomson był odkrywcą elektronu, największym autorytetem w dziedzinie budowy atomu.

Niestety, współpraca z Thomsonem nie układała się najlepiej. Bohr, który od dziecka miał zwyczaj myśleć bardzo głęboko i bardzo powoli, nie potrafił nawiązać kontaktu z brytyjskim mistrzem. Gdy przedstawił Thomsonowi swoje uwagi do jego teorii, spotkał się z chłodnym przyjęciem. Thomson był człowiekiem, który nie lubił, by młody adiunkt z Danii podważał jego koncepcje.

Na szczęście w grudniu tego samego roku Bohr spotkał na obiedzie u fizyka C.G. Knudsena innego gościa — nowozelandzkiego eksperymentatora, który właśnie przeniósł się z Montrealu do Manchesteru. Ernest Rutherford zaprosił Bohra do swojego laboratorium. Bohr przyjął zaproszenie i w marcu 1912 roku przeniósł się do Manchesteru. To była jedna z najważniejszych przeprowadzek w dziejach nauki.

Rutherford zrobił na Bohrze ogromne wrażenie. Był jego całkowitym przeciwieństwem — głośny, bezpośredni, pewny siebie, człowiek czynu, który nie znosił teoretycznych spekulacji. A jednak między tymi dwoma, tak różnymi ludźmi, nawiązała się nić porozumienia. Rutherford miał to do siebie, że potrafił rozpoznać talent, nawet gdy przejawiał się w formie cichego, zamyślonego Duńczyka, który godzinami wpatrywał się w sufit, nim coś powiedział.

W Manchesterze Bohr zetknął się z problemem, który od dwóch lat dręczył fizyków. Model atomu Rutherforda — piękny, prosty, oparty na twardych faktach doświadczalnych — był teoretycznie niemożliwy. Zgodnie z prawami elektrodynamiki klasycznej, elektron krążący wokół jądra powinien nieustannie tracić energię na promieniowanie i w efekcie, po ułamku sekundy, spaść na jądro. Atom byłby więc tworem nietrwałym, a jednak atomy istniały i były stabilne.

Co więcej, atomy emitowały światło o ściśle określonych, charakterystycznych dla każdego pierwiastka barwach. Widma emisyjne — bo o nich mowa — były dla fizyków kompletną zagadką. Dlaczego wodór, najprostszy z pierwiastków, daje akurat takie, a nie inne linie widmowe? Dlaczego sód świeci na żółto, a neon na pomarańczowo-czerwono? Klasyczna fizyka nie miała na to odpowiedzi.

II. Balmer i jego tajemnicza liczba