Jak zmusić kogoś do ciężkiej pracy? – to prawidło powinno być znane każdemu nauczycielowi. Wystarczy go porządnie wkurzyć. Być może nie jest to zbyt humanitarne, ale cel uświęca środki i być może „...za dzień, za dwa, za noc, za trzy…” ktoś kiedyś podziękuje i będzie szczerze wdzięczny. W trzeciej części „Najkrótszej historii cząstek” zostały opisane odkrycia największego geniusza XX wieku i tytana ciężkiej umysłowej pracy – Alberta Einsteina.

Jak ta frustracja działała w świecie nauki? Od zawsze człowiek próbował zbudować perpetuum mobile, czyli urządzenie, które by działało samo z siebie... i z tej frustracji zrodziło się drugie prawo termodynamiki, które mówi, że zbudowanie takiego urządzenia nigdy nie będzie możliwe.

Wydawało się przez jakiś czas, że możemy poruszać się z dowolnymi prędkościami, szybciej nawet niż światło. Einstein w teorii względności wykazał, że jest to niemożliwe, i że prędkość światła jest jedną z niewielu stałych obowiązujących w całym Wszechświecie.

W pewnym momencie wydawało się też, że możemy za pomocą potężnych mikroskopów wejrzeć w głąb materii. Badania w tej kwestii wykazały, że mamy ograniczone możliwości obserwacji i nigdy nie będziemy w stanie przekroczyć bariery, przeogromnie niewielkiej co prawda, bo tylko 10^-34m. Tę niemożność nazywamy dzisiaj zasadą nieoznaczoności.

Mimo tylu frustracji i wielu niemożności badania nad cząstkami elementarnymi się odbywają. Jak to wygląda w praktyce? Opisując to językiem szkolnym, można porównać te badania do rzucania kamieniami przez okno do Sali lekcyjnej pełnej uczniów. Po sile i rodzaju „wrzasku” rozpoznajemy, że coś tam jednak jest!

Promieniowanie

Jeszcze do niedawna w każdym domu znajdowało się urządzenie, które w niewiele zmienionej postaci wykorzystują do dzisiaj fizycy podczas badań cząstek elementarnych – mówimy tutaj o akceleratorze cząstek, czyli zwyczajnym „bańkowym” telewizorze. Najważniejszym elementem takiego telewizora jest kineskop, czyli szklana bańka, z której wypompowano powietrze. Gdy do jednego końca przyłożymy napięcie, to po przeciwnej stronie będzie pojawiała się dziwna poświata, którą nauczyliśmy się ujarzmiać i wytwarzać na żądanie ruchome i kolorowe obrazy.

Ale skąd to dziwne świecenie? Pod koniec XIX wieku fizycy sądzili, że spowodowane jest jakimiś promieniami, ale składniki tego promieniowania były niewidzialne. Co więcej – święciła swój tryumf teoria falowa Maxwella i nikomu nawet nie przyszło na myśl, że fale te mogą mieć coś wspólnego z cząstkami.

Roentgen

W 1895 roku niemiecki fizyk Roentgen eksperymentował z rurami wypełnionymi gazem i dostrzegł, że w pewnych warunkach z rury wydostaje się jeszcze jeden rodzaj promieniowania, który potrafi przenikać przez szkło i inne materiały, a dodatkowo zaczernia klisze fotograficzne. Pierwszym „królikiem doświadczalnym” była żona Roentgena, która stała na drodze nieznanego promieniowania - promienie przeniknęły bez trudu przez skórę i mięśnie, a zatrzymały się na kościach.

Elektron

Do roku 1897 sądzono, że atomy są najmniejszymi i niepodzielnymi cząstkami, z których zbudowana jest cała materia świata. Thompson wykonywał eksperymenty z rurami, z których wypompowywał całe powietrze i mimo tego pojawiały się promienie katodowe. Doszedł więc do wniosku, że cząsteczki, z których (być może) składają się te promienie nie mogą być atomami, ale muszą być od nich zdecydowanie mniejsze. Nazwał je korpuskułami, lecz dzisiaj powszechnie mówimy o nich elektrony.

Podobne badania prowadził jego student – Rutherford i odkrył, że tak naprawdę mamy do czynienia z dwoma rodzajami promieniowania i jednocześnie z dwoma rodzajami cząstek. Nazwał je „alfa” i „beta”, a obecnie wiemy, że są to jądra helu i elektrony. Wówczas nikt jednak nie przypuszczał, że niepodzielny atom może mieć jądro, wokół którego gonią jak szalone elektrony. Dopiero kolejne genialne eksperymenty Rutherforda, w których bombardował cienką folię ze złota cząstkami „alfa” udowodniły, że atom musi mieć swoją wewnętrzną strukturę, i że cała masa atomu skupiona jest w bardzo małym jądrze.

Rutherford zrozumiał, że atom nie może być „kuleczką”, ale jego wewnętrzna budowa przypomina raczej miniaturowy układ słoneczny. Dowody były jednoznaczne, ale nikt nie potrafił wyjaśnić i wyliczyć, jak taki atom mógłby funkcjonować. Kolejny raz fizyka znalazła się na zakręcie - za chwilę Einstein domknie sprawę fizyki klasycznej, a już zaczyna się wszystko walić, i znów całą fizykę trzeba będzie wymyślać na nowo.

mgr inż. Wacław Libront