KOMENTARZ

ZADZIWIENIA

Philip Morrison

W stulecie

subatomowego Êwiata

Oko∏o roku 1875 James Clerk Êcie jest po prostu przep∏ywem ∏a-Maxwell, którego wspania∏e

dunków. W 1873 roku Maxwell

dzie∏o wcià˝ jest podstawà na-

pisa∏ co prawda o jednej „czà-

szej fizyki, opisywa∏ atomy jako „kamie-steczce elektrycznoÊci”, ale na-

nie fundamentów materialnego Êwiata tychmiast uzna∏ ten termin za

(...) niepodzielne i niezniszczalne; trwa-

„uproszczenie (...) niezgodne z

jàce po dziÊ dzieƒ, tak jak zosta∏y stwo-teorià, dobre jedynie jako pami´-

rzone, doskona∏e w liczbie, mierze i ciowa wskazówka”.

ci´˝arze”.

W po∏owie lat osiemdziesiàtych

W 1899 roku, 20 lat po przedwczesnej XIX wieku chemicy przedstawi-DUSAN PETRICIC

Êmierci uczonego, Joseph John Thom-li szczegó∏owe wyobra˝enie bu-

son, trzeci z kolei dyrektor utworzone-dowy wielu czàsteczek, i to bez pos∏u-wia∏y swój bieg podobnie jak ∏adunki go w University of Cambridge przez giwania si´ jakimikolwiek obraza-w polu magnetycznym – ka˝dy to móg∏

Maxwella laboratorium, mówi∏ ju˝

mi. „Chemiczna logika”, jakà zastoso-zobaczyç – i reagowa∏y równie˝ na po-zupe∏nie inaczej. A to dlatego, ˝e odkry∏

wali, oparta by∏a na przekonaniu, i˝

le elektryczne.

elektron. W ka˝dym zjawisku elektrycz-atomy sà ze sobà w przestrzeni powià-

Thomson przy∏o˝y∏ jednoczeÊnie sil-nym – t∏umaczy∏ – „zachodzi w grun-zane. W roku 1881 Herman von Helm-ne pole elektryczne i magnetyczne, po-cie rzeczy rozdzielenie atomu, jego cz´Êç holtz podczas wyk∏adu w Wielkiej Bry-przecznie do odpompowanej rury szkla-

(...) uwalnia sií pozostaje od niego od-tanii podkreÊla∏ w∏aÊnie to, czego uni-nej, wzd∏u˝ której rozchodzi∏y si´

dzielona”. To „rozszczepienie atomu”

ka∏ Maxwell: „JeÊli przyjmiemy kon-promienie katodowe. W ten sposób od-zwiàzane z przekazem elektronów za-cepcj´ (...) atomów, to nie unikniemy chylenie promieni spowodowane polem chodzi powszechnie w procesach elek-wniosku, ˝e sama elektrycznoÊç rów-magnetycznym mog∏o byç kompenso-

trycznych i chemicznych, takich choç-

nie˝ jest podzielona na (...) atomy elek-wane przez pole elektryczne. Przy w∏a-by jak solenie zupy.

trycznoÊci.” W 1891 roku George Sto-

Êciwych ustawieniach droga wiàzki, uja-Cofnijmy si´ do lat trzydziestych ney zaproponowa∏ nawet nazw´ dla wniana dzi´ki fluorescencji ekranu tam, XIX wieku, kiedy to Michael Faraday faradayowskiego „atomu elektrycz-gdzie zosta∏ on przez nià oÊwietlony, po-przepuÊci∏ pràd sta∏y pomi´-

zostawa∏a prosta. Stosunek obu

dzy dwoma p∏ytkami miedzia-

pól w takim zrównowa˝eniu

Chemicy przedstawili szczegó∏owe nymi zanurzonymi w niebie-wyznacza∏ stosunek ∏adunku

skozielonym roztworze siar-

wyobra˝enie budowy wielu czàsteczek, czàstki e do jej masy m.

czanu miedzi i zauwa˝y∏, ˝e

Aby osobno okreÊliç ∏adunek

i to bez pos∏ugiwania si´

ujemna p∏ytka – katoda – sta-

lub masćzàstki, trzeba by∏o

∏a sići´˝sza, a dodatnia l˝ej-

jakimikolwiek obrazami.

znaç jej pr´dkoÊç. Thomson ob-

sza. Dodatnie ∏adunki prze-

liczy∏ jà w niezwykle prosty

mieszczajàce si´ wraz z atomami

nego ∏adunku”, jeszcze zanim zosta∏

sposób: zmierzy∏ wzrost temperatury metalicznej miedzi Faraday nazwa∏ „jo-on wyizolowany – elektr[i]on.

ma∏ego metalowego naczynka, do któ-

nami”. Te jony zawsze przenosi∏y jakàÊ

Sensacjà roku 1896 by∏o zademon-

rego wpada∏a wiàzka. To pozwoli∏o mu mas´ ÊciÊle proporcjonalnà do ci´˝aru strowanie przez Wilhelma Conrada okreÊliç ca∏kowità energi´ kinetycznà atomów, z poprawkà 2 lub 3 z uwagi Roentgena promieni X – przenikliwego promieniowania, podczas gdy liczbńa ró˝ne wartoÊciowoÊci. (Metaliczne promieniowania elektromagnetyczne-elektronów móg∏ znaleêç na podstawie przewody ró˝nià siźasadniczo od cie-go pochodzàcego od promieni kato-przenoszonego przez nie ∏adunku.

k∏ych elektrolitów. Du˝y pràd mo˝e bez dowych, gdy zastosuje si´ wysokie Z tych pomiarów wyliczy∏ masí ∏adu-koƒca p∏ynàç w miedzianym drucie, nie napićie. Rok wczeÊniej Philipp Le-nek elektronu.

towarzyszy mu jednak przemieszcza-nard zidentyfikowa∏ promienie katodo-Thomson przedstawi∏ swoje prace

nie siátomów miedzi. Cokolwiek prze-we jako lekkie czàstki o ujemnym ∏a-szerszej publicznoÊci wiosnà 1897 ro-p∏ywa w drucie, nie sà to atomy metalu.) dunku. W Cavendish Laboratory w

ku. Obliczona przezeƒ wielkoÊç ∏adun-Równania Maxwella opisujàce zacho-Cambridge Thomson budowa∏ najdo-

ku e by∏a bliska wartoÊci podanej przez wawczy przep∏yw pràdu wskazywa∏y skonalsze wówczas rury wy∏adowcze, Faradaya: równa co do wielkoÊci ∏adun-na koniecznoÊç uwzgl´dnienia pola dzi´ki czemu uzyskiwa∏ najlepsze wiàz-kowi dodatniego jonu wodoru, ale ze elektrycznego, a nie lokalnych ∏adunki promieni katodowych i pog∏´bia∏ zna-znakiem przeciwnym. Masa m okaza-ków. Stàd jego niejasny poglàd na ∏adu-jomoÊç si∏ elektromagnetycznych. Pro-

∏a sińieznaczna, przesz∏o 1000 razy nek i wàtpliwoÊci, czy pràd rzeczywi-mienie katodowe rzeczywiÊcie zakrzy-Ciàg dalszy na stronie 76

74 ÂWIAT NAUKI Paêdziernik 1997

brzegów Nowej Fundlandii by∏y mu-versity), pierwszego paƒstwowego uni-ostatnie 150 km przebywali pe∏nym ga-zykà dla jego .._ /... /_ _.. /.._

wersytetu g∏uchoniemych.

lopem. Wells i Fargo prowadzili zachod-Jednym z doradców Fielda by∏ nieja-W po∏owie XIX wieku wielce intere-ni odcinek owej niedorzecznej, efeme-ki Samuel Morse, który od çwierçwie-sowano si´ w Ameryce wadami mowy rycznej poczty, znanej pod nazwà Pony cza uk∏ada∏ kable telegraficzne. W roku i s∏uchu oraz tym, jak powinno si´ je le-Express. Niedorzecznej, gdy˝ stracono 1844 po∏àczy∏ Baltimore z Waszyng-czyç. Inny jeszcze cz∏owiek, który wy-na niej wielkie sumy, efemerycznej, po-tonem i przekaza∏ jako pierwszà depe-bi∏ sió w∏asnych si∏ach i zrobi∏ fortunńiewa˝ dzia∏a∏a tylko pó∏tora roku, albo-szćytat z Biblii: „Pan to uczyni∏”

na ∏àcznoÊci, zak∏ada∏ szko∏y dla jàka-wiem w paêdzierniku 1861 roku ukoƒ-

(Psalm 22, 31), czym wprawi∏ Kongres

∏ów. By∏ to Henry Wells, sam jàka∏a, któ-

czono ju˝ lini´ telegraficznà ∏àczàcà w oszo∏omienie. Jednak˝e nie do tego ry zaczyna∏ jako agent frachtowy w No-wybrze˝a Atlantyku i Pacyfiku.

stopnia, by zechciano sfinansowaç jego wym Jorku, a w 1850 roku za∏o˝y∏

Zanim to wszak˝e nastàpi∏o, pracńa pomys∏y. Na szcz´Êcie dyrektorem han-wespó∏ z Williamem Fargo przedsi´-

tej poczcie porzuci∏ pewien doÊç nie-dlowym Morse’a by∏ szczwany lis, biorstwo turystyczne o nazwie Ameri-zwyk∏y kurier, Bill Cody, by zajàç siÁmos Kendall, by∏y minister poczty can Express. W tym˝e roku wyruszy∏o zaopatrywaniem w miśo kolei Union USA, przez którego posiad∏oÊç bieg∏ ten 55 tys. ludzi na zachód, do Kalifornii.

Pacific. Umia∏ on nie tylko p´dziç kon-kabel. Doradzi∏ Morse’owi, by zamiast SpoÊród nich 36 tys. dotar∏o tam, po-no jak wiatr, ale i po mistrzowsku strze-zabiegaç o wsparcie rzàdowe za∏o˝y∏

dobnie jak wi´kszoÊç przesy∏ek poczto-laç. Prawd´ mówiàc, na szcz´Êcie nie prywatne towarzystwo telegraficzne.

wych, drogà morskà, gdy˝ perspekty-ca∏kiem po mistrzowsku, choç dzi´ki W zamian za t´ dziecinnie oczywistà wa umierania z pragnienia czy udaru imponujàcym rekordom – 4280 zwie-rad´ Kendall zyska∏ 10% od pierwszych s∏onecznego, a tak˝e utrudnienia ze stro-rzàt zabitych w ciàgu oÊmiu miesićy 100 tys. dolarów zarobionych przez ny Indian cokolwiek zniechća∏y do ko-

(69 jednego tylko dnia) – zyska∏ sobie Morse’a i 50% od ca∏ej reszty. Tak ˝e rzystania z drogi làdowej.

przydomek „Buffalo” Bill. Bo gdyby w 1864 roku by∏ ju˝ bogatym cz∏owie-Jak zwykle pieniàdze pozwoli∏y prze-strzela∏ trochĺepiej, nie móg∏bym po-kiem. ˚ona Kendalla by∏a g∏ucha, po-zwyci´˝yç owe drobne niedogodnoÊci.

dziwiaç w londyƒskim zoo tego wspa-dobnie jak ˝ona Morse’a. Tote˝ Kendall W 1858 roku odkryto z∏oto w Kolorado nia∏ego bizona.

wspomóg∏ cz´Êcià tak ∏atwo zdobytej i w Kansas. W dwa lata póêniej listy pra-No to szufla, musz´ koƒczyç.

fortuny utworzenie National Deaf cujàcym tam górnikom dorćzali po-T∏umaczy∏

Mute College (obecnie Gallaudet Uni-kryci potem i kurzem jeêdêcy, którzy Boles∏aw Or∏owski

ZADZIWIENIA (ciàg daszy ze strony 74) za jego lat studenckich. Podobnie jak in-kawa∏ek azbestu nasàczony wczeÊniej ni pilni czytelnicy znalaz∏ w niej pewnà s∏onà wodà; w ˝ó∏tym Êwietle goràcych mniejsza od masy wodoru, najl˝ejszego osobliwoÊç: to materia, a nie przestrzeƒ

par sodu dominowa∏a wàska, podwój-z atomów. Dwa lata póêniej Thomson by∏a zarazem êród∏em, jak i noÊnikiem na linia spektralna.

znalaz∏ brakujàce logiczne ogniwo –

pól. Obydwaj m∏odzi teoretycy przyswo-Dopiero teraz mo˝na by∏o zaobserwo-elektrony nie by∏y czymÊ obcym, lecz ili sobie raczej poglàdy wielkiego fizy-waç, jak linie si´ poszerza∏y po w∏àczeniu sk∏adnikami zwyk∏ych atomów. Po-ka z Lejdy, Hendrika A. Lorentza, który silnego pola magnetycznego. Lorentz wtórzy∏ doÊwiadczenie, przyspiesza-doceniajàc równania Maxwella, w mia-wiedzia∏, ˝e elektrony krà˝àce po stacjo-jàc elektrony uwolnione z materia∏u rúp∏ywu lat przesunà∏ ich punkt ci´˝-

narnej orbicie z chwilà w∏àczenia ze-przy niskim napićiu. Ich ∏adunek i ma-koÊci i doda∏ jedno równanie, „si∏Ĺo-wn´trznego pola magnetycznego b´dà sa by∏y takie same jak promieni kato-rentza” dzia∏ajàcà na ∏adunek punktowy.

poruszaç sińieco szybciej (lub nieco dowych wytwarzanych przy wysokim Dla Lorentza pola istnia∏y jedynie wolniej, w zale˝noÊci od kierunku pola).

napićiu. Ka˝dy atom mo˝na by∏o teraz w pró˝ni. Atomowa materia by∏a noÊni-Móg∏ wić, korzystajàc ze zmierzonych rozdzieliç na elektrony i dodatnio na∏akiem dodatnich i ujemnych ∏adunków, przez Zeemana niewielkich zmian d∏ugo-dowanà reszt´. Niepodzielne zosta∏o których ruch i rozmieszczenie wytwa-

Êci fali, obliczyç stosunek ∏adunku do rozdzielone.

rza∏y ró˝norodne konfiguracje pól.

masy dla elektronów poruszajàcych si´

By∏em rozczarowany, gdy zda∏em so-DoÊwiadczenia wykazujàce realnoÊç w atomie. Spodziewano siśpolaryzo-bie spraw´, ˝e d∏uga droga do odkry-

∏adunków przeprowadza∏ nowicjusz wanego Êwiat∏a i wykryto je doÊwiad-cia Thomsona nie zainteresowa∏a tak Pieter Zeeman, a zinterpretowa∏ je na-czalnie. To pozwoli∏o ustaliç znak pro-dociekliwych i zdolnych studentów jak tychmiast starszy wiekiem teoretyk Lo-mieniujàcego elektronu – ujemny, taki Albert Einstein czy nieco m∏odszy Max rentz. Ich laboratorium w Lejdzie po-jak dla promieni katodowych.

Born. W ich listach i publikacjach z ko-dobnie jak inne dosta∏o od Henry’ego OczywiÊcie teoria Lorentza nie mo-lejnych dwóch lat widaç podziw dla od-Rowlanda z Johns Hopkins University g∏a byç kompletna. Nie mia∏ on ˝adnej krycia elektronów, ale samemu Thom-nowà, precyzyjnie wyrytà siatk´ dyfrak-

„mapy” atomu. Jednak jeszcze przed sonowi poÊwićajà ma∏o uwagi, a jego cyjnà, która o rzàd wielkoÊci poprawi∏a koƒcem 1896 roku badacze z Lejdy zna-umiej´tnoÊç rozdzielenia atomu pozo-zdolnoÊç rozdzielczà spektroskopii.

leêli pierwszà kluczowà informacj´: stawiajà bez wzmianki. Dlaczego?

Zeeman przeczyta∏ pochwalny esej elektrony o znanym ∏adunku i masie, Wydaje si´, ˝e ci m∏odzi teoretycy Maxwella o Faradayu, i to zachći∏o go poruszajàc si´ w atomie, wypromienio-traktowali odkrycie przez Thomsona do powtórzenia, tym razem z siatkà dy-wujà Êwiat∏o okreÊlonej linii spektral-subatomowego elektronu jedynie jako frakcyjnà, wczeÊniejszego o 30 lat do-nej. Gdy w 1901 roku Max Planck wpro-potwierdzenie wyników teoretycznych Êwiadczenia, w którym Faraday, pos∏u-wadzi∏ ideśkwantowanej energii,

przewidywaƒ, których oczekiwano od gujàc si´ pryzmatem, nie uzyska∏

rozpocz´∏a siósza∏amiajàca kariera fi-co najmniej roku. Einstein w wieku 67 lat oczekiwanych efektów. P∏omieƒ palni-zyki kwantowej.

wspomina∏, ˝e „teoria Maxwella by∏a ka Bunsena umieszczony mi´dzy bie-T∏umaczy∏

najbardziej fascynujàcym przedmiotem”

gunami elektromagnesu podgrzewa∏

Jan Kozubowski

76 ÂWIAT NAUKI Paêdziernik 1997