Suzie Sheehy
Kwintesencja wszystkiego. Dwanaście eksperymentów, które zmieniły nasz świat

Tytuł oryginału
The Matter of Everything.Twelve Experiments that Changed our World

ISBN

Copyright © Suzie Sheehy, 2022
All rights reserved

Copyright © for the Polish translation by Tomasz Lanczewski, 2024
Copyright © for the Polish edition by Zysk i S-ka Wydawnictwo s.j., Poznań 2024

Redakcja
Agnieszka Czapczyk

Projekt graficzny okładki
Paweł Panczakiewicz

Projekt typograficzny i łamanie Grzegorz Kalisiak

Wydanie 1

Zysk i S-ka Wydawnictwo
ul. Wielka 10, 61-774 Poznań
tel. 61 853 27 51, 61 853 27 67
dział handlowy, tel./faks 61 855 06 90
sklep@zysk.com.pl
www.zysk.com.pl

Wszelkie prawa zastrzeżone. Niniejszy plik jest objęty ochroną prawa autorskiego i zabezpieczony znakiem wodnym (watermark).

Uzyskany dostęp upoważnia wyłącznie do prywatnego użytku. Rozpowszechnianie całości lub fragmentu niniejszej publikacji w jakiejkolwiek postaci bez zgody właściciela praw jest zabronione.

Konwersję do wersji elektronicznej wykonano w Zysk i S-ka Wydawnictwo.

Wstęp

Kilka lat temu siedziałam przed laptopem, zastanawiając się nad pozornie łatwym pytaniem, które właśnie zadało mi czterech profesorów fizyki cząstek z Uniwersytetu Oksfordzkiego. Nie pamiętałam ich nazwisk nie tylko z nerwów, ale też dlatego, że moja doktorska rozmowa kwalifikacyjna była prowadzona przez niestabilne łącze internetowe z pokoju motelowego na australijskim odludziu. Zapytali mnie: Co panią fascynuje w fizyce cząstek elementarnych?

To na pewno było podchwytliwe pytanie: rozmowy rekrutacyjne w Oksfordzie zawsze są bardzo trudne. W tym momencie zdecydowałam, że najlepiej będzie postawić na szczerość. Opowiedziałam więc o moim zadziwieniu faktem, że fizyka wydaje się opisywać wszystko: od najmniejszych cząstek subatomowych, przez atomy, z których składają się nasze ciała, aż po największe skale Wszechświata, i jak to wszystko wiąże się ze sobą. Zakończyłam swoją wypowiedź konstatacją, że podstawą wszystkiego jest fizyka cząstek.

Pięć lat wcześniej studiowałam inżynierię lądową na Uniwersytecie w Melbourne. Nigdy nie przypuszczałam, że mogę zostać fizykiem; chociaż w szkole lubiłam ten przedmiot, znałam go tylko na tyle, na ile jest to potrzebne w karierze inżyniera. Wszystko zmieniło się rok po uzyskaniu dyplomu uniwersyteckiego, gdy zostałam zaproszona przez znajomych na doroczne wydarzenie w kalendarzu studentów fizyki, czyli obóz astronomiczny.

Pewnego piątkowego popołudnia opuściliśmy Melbourne i dwie godziny później dotarliśmy do „parku ciemnego nieba” Leon Mow. Wyboista droga gruntowa doprowadziła nas do budynku z blaszanym dachem, gdzie rozładowaliśmy piwo i teleskopy, a następnie rozbiliśmy namioty w pobliżu dużej polany. Gdy słońce zaszło, temperatura spadła, a dźwięk cykad zaczął wypełniać powietrze. Aby widzieć cokolwiek w ciemnościach, z pomocą gumki do włosów owinęłam wokół latarki kawałek czerwonego celofanu. Wgramoliłam się do śpiwora, doceniając jego podwójną funkcję: źródła ciepła i bariery dla owadów. Wdychałam znajomy zapach eukaliptusów. Potem spojrzałam w górę.

„Tam jest jeden!” – krzyknął znajdujący się obok mnie mężczyzna, gdy meteor przeciął niebo. Kiedy moje oczy przyzwyczaiły się do ciemności, w pełnej krasie ujawnił się prawdziwy cud „parku ciemnego nieba”. Rozmowy przeszły w szepty, które po chwili zmieniły się w milczenie. Wenus powoli chowała się za horyzontem i pojawiły się inne planety. W ciągu tej nocy miałam okazję poczuć powoli, lecz nieustannie zmieniającą się naturę nocnego nieba. Przez teleskopy moich przyjaciół widziałam wspaniałe pierścienie Saturna, znane ze zdjęć, ale przez obiektyw sprawiające wrażenie dziwnie nowych, gwiazdy powstające w mgławicach pełnych świetlistego pyłu i zawierające miliony gwiazd gromady kuliste krążące wokół naszej galaktyki w odległości stu tysięcy lat świetlnych.

Najbardziej niezwykły widok stanowił jasny pas gwiazd i pyłu, świecący łuk naszej galaktyki, Drogi Mlecznej. Gdy z półkuli południowej spoglądamy w kierunku środka naszej galaktyki w kształcie dysku, znajdujemy się mniej więcej w dwóch trzecich odległości od jej centrum; okrążamy naszą gwiazdę, Słońce, która sama porusza się w Drodze Mlecznej. Nasza galaktyka przemierza Kosmos wraz z lokalną grupą galaktyk z prędkością około 600 kilometrów na sekundę. Oprócz niej są miliardy podobnych galaktyk, gwiazd i mgławic, czarnych dziur i kwazarów, materii utworzonej z energii przekształconej na ogromnych połaciach przestrzeni i czasu.

Leżąc wtedy na polanie w Leon Mow, w pełni zrozumiałam, jaka jestem mała, jak krótko żyję i jak trudno jest mi wyrazić słowami ogrom tego, co widzę. Na niebie nie było gwiazd i planet, w śpiworze nie było mnie; wszystko to stanowiło po prostu część jednego ogromnego układu fizycznego zwanego Wszechświatem. Ja też stanowiłam jego część. Oczywiście wiedziałam to już wcześniej, ale aż do tamtej chwili nigdy tak naprawdę nie odnalazłam w tym układzie swojego miejsca.

Nagle wszystko inne przestało mieć znaczenie. Chciałam wiedzieć więcej o grawitacji, cząstkach elementarnych, ciemnej materii i teorii względności. O gwiazdach, atomach, świetle i energii. Przede wszystkim pragnęłam poznać, jak to wszystko jest ze sobą połączone i w jaki sposób ja jestem z tym powiązana. Chciałam wiedzieć, czy naprawdę istnieje teoria wszystkiego. Miałam głębokie przeczucie, że to wszystko ma znaczenie, że ma znaczenie dla mnie jako człowieka, a zrozumienie tego jest na tyle ważnym celem, że gdyby udało mi się tego dokonać choć w niewielkim stopniu, nie zmarnowałabym tej krótkiej chwili danej mi jako świadomej istocie. Postanowiłam zostać fizykiem.

Celem fizyki jest zrozumienie, jak zachowuje się Wszechświat i wszystko, co się w nim znajduje. Jednym ze sposobów, w jakie próbujemy to zrobić, jest zadawanie pytań. Gdy studiowałam fizykę, pytanie, które wydawało się leżeć u podstaw tego wszystkiego, brzmiało: Czym jest materia i jak oddziałuje, tworząc wszystko wokół nas – w tym nas samych? Przypuszczam, że próbowałam pojąć sens własnego istnienia. Zamiast jednak studiować filozofię, zabrałam się do tego w bardziej okrężny sposób: spróbowałam zrozumieć cały Wszechświat.

Ludzie zadawali pytania o naturę materii od tysiącleci, ale dopiero w ciągu ostatnich stu dwudziestu lat ciekawość ta doprowadziła nas do uzyskania pewnych odpowiedzi. Dziś nasze rozumienie najmniejszych składników przyrody i sił, które nimi rządzą, opisuje dziedzina fizyki cząstek, jedna z najbardziej zadziwiających, zawiłych i twórczych podróży, w jakie kiedykolwiek wyruszył człowiek. Obecnie dysponujemy gruntowną wiedzą na temat fizycznej materii Wszechświata i tego, jak wszystko do siebie pasuje. Odkryliśmy bogactwo i złożoność naszej rzeczywistości, których ludzie zaledwie kilka pokoleń temu nie byliby sobie w stanie wyobrazić. Obaliliśmy ideę atomów jako najmniejszych cząstek naszego świata i odkryliśmy fundamentalne cząstki, które nie odgrywają żadnej roli w zwykłej materii, ale wydają się niezbędne dla matematyki, a ta w niepojęty sposób opisuje naszą rzeczywistość. W ciągu zaledwie kilku dekad nauczyliśmy się, jak dopasować wszystkie te elementy do siebie, od wybuchu energii na początku Wszechświata po najdokładniejsze pomiary w przyrodzie.

Nasz pogląd na najmniejsze elementy przyrody w ciągu ostatnich stu dwudziestu lat zmienił się gwałtownie: od promieniotwórczości i elektronu do jądra atomowego i fizyki jądrowej, wraz z rozwojem mechaniki kwantowej (która opisuje przyrodę na najmniejszych skalach). W XX wieku prace te stały się znane jako tak zwana fizyka wysokich energii, ponieważ odkryto nowe cząstki i punkt ciężkości przeniósł się z jądra atomowego: dzisiaj badanie wszystkich cząstek i ich budulca oraz sposobu, w jaki się zachowują i przekształcają, nazywa się po prostu fizyką cząstek.

Model standardowy fizyki cząstek klasyfikuje wszystkie znane cząstki w przyrodzie i ich oddziaływania. Stanowi kwintesencję wszystkiego, co zostało opracowane dzięki staraniom wielu fizyków przez dziesięciolecia, a stosowana przez nas obecnie jego wersja pojawiła się w latach siedemdziesiątych. Ta teoria to absolutny triumf: jest matematycznie elegancka i niewiarygodnie precyzyjna, a mimo to jej równania mieszczą się na kubku do herbaty. Za czasów studenckich nie mogłam się nadziwić temu, jak całościowo model standardowy wydawał się opisywać działanie natury na podstawowym poziomie.

Model standardowy mówi nam, że cała materia tworząca naszą codzienną rzeczywistość składa się zaledwie z trzech cząstek. Jesteśmy zbudowani z dwóch rodzajów kwarków, zwanych górnymi i dolnymi, które wchodzą w skład protonów i neutronów. Te dwa typy kwarków wraz z elektronami są budulcem atomów, utrzymywanych w całości przez siłę elektromagnetyczną oraz silne i słabe oddziaływania jądrowe. I to by było na tyle. Oto my i wszystko wokół nas1. Jednak pomimo tego, że składamy się wyłącznie z kwarków i elektronów, my – ludzie – w jakiś sposób doszliśmy do wniosku, że natura to coś znacznie więcej.

Triumf naszej wiedzy nie nastąpił wyłącznie dzięki koncepcyjnym i teoretycznym krokom milowym. Stereotyp samotnego geniusza siedzącego za biurkiem i opracowującego teorie jest w dużej mierze błędny. Od ponad stu lat fizycy próbują w sposób na wskroś praktyczny odpowiedzieć na pytania w rodzaju: Co znajduje się wewnątrz atomu?; Jaka jest natura światła?; Jak ewoluował nasz Wszechświat? Powodem, dla którego możemy dziś powiedzieć, że wiemy to wszystko, co wiemy, że nasze modele teoretyczne według nas odzwierciedlają rzeczywistość, nie jest to, że dysponujemy pięknymi formułami matematycznymi, ale że przeprowadziliśmy eksperymenty.

Podczas gdy wielu z nas już jako dzieci zetknęło się z pomysłem, że protony, neutrony i elektrony tworzą otaczający nas świat, niewiele mówi się o tym, jak zrodziła się ta koncepcja. A przecież proton jest milion milionów razy mniejszy niż ziarnko piasku i wcale nie jest oczywiste, że można pracować z materią w tak małej skali. Na tym polega kunszt fizyki eksperymentalnej: podążać za naszą ciekawością od zalążka pomysłu, poprzez realny fizyczny element aparatury, aż po zdobywanie nowej wiedzy. Tego wieczoru w „parku ciemnego nieba” zdałam sobie sprawę, że bardziej podoba mi się fizyka, kiedy mogę ją poznawać namacalnie, i to właśnie doprowadziło mnie do pomysłu zostania fizykiem doświadczalnym.

Podczas gdy fizycy teoretyczni mogą bezpiecznie upajać się rachunkami matematycznymi, eksperymenty czynią nas przerażająco podatnymi na zagrożenia – wkraczamy bowiem do świata rzeczywistego. Na tym polega różnica między teorią a eksperymentem. Nawet jeśli pomysły fizyka teoretyka muszą uwzględniać wyniki eksperymentów, fizyk doświadczalny ma bardziej zniuansowaną pracę. Nie tylko weryfikuje koncepcje fizyków teoretyków; zadaje też własne pytania oraz projektuje i konstruuje aparaturę, której może użyć do przetestowania tych pomysłów.

Eksperymentator musi rozumieć i umieć wykorzystywać teorię, ale nie może być przez nią ograniczony. Musi ponadto pozostać otwarty na pojawienie się nieoczekiwanych i nieznanych odkryć. Musi także pojąć wiele innych rzeczy: jego praktyczna wiedza rozciąga się od elektroniki po chemię i od spawania po prawidłowe obchodzenie się z ciekłym azotem. Następnie musi połączyć te wszystkie elementy, by móc manipulować materią, której nie widzi.

Prawda jest taka, że wykonywanie doświadczeń jest trudne, a proces ten wiąże się z wieloma nieudanymi próbami i niepowodzeniami. Potrzeba szczególnego rodzaju ciekawości i osobowości, aby chcieć to robić. Jednak w całej historii wiele osób miało w sobie pasję i wytrwałość, aby podążyć tą drogą.

W ciągu ostatniego stulecia eksperymenty, które naukowcy wykonywali w fizyce cząstek, przeszły drogę od domowych instalacji obsługiwanych przez jedną osobę do największych maszyn na Ziemi. Epoka wielkiej nauki, która rozpoczęła się w latach pięćdziesiątych XX wieku, rozrosła się i obecnie prowadzi do eksperymentów obejmujących współpracę ponad stu krajów i dziesiątek tysięcy naukowców. Budujemy podziemne zderzacze cząstek składające się z wielu kilometrów bardzo precyzyjnego sprzętu elektromagnetycznego w ramach projektów trwających ponad ćwierć wieku i kosztujących miliardy dolarów. Osiągnęliśmy punkt, w którym żaden kraj nie jest w stanie osiągnąć takich wyników w pojedynkę.

Jednocześnie nasza codzienność przeszła równie radykalną przemianę. W 1900 roku większość gospodarstw domowych musiała jeszcze czekać co najmniej dwadzieścia lat na elektryczność, konie były głównym środkiem transportu, a średnia długość życia w Wielkiej Brytanii czy Stanach Zjednoczonych nie przekraczała pięćdziesięciu lat. Dziś żyjemy dłużej, po części dlatego, że kiedy zachorujemy, szpital dysponuje skanerami do magnetycznego rezonansu jądrowego, tomografii komputerowej i pozytonowej tomografii emisyjnej, które pomagają w diagnozowaniu chorób, a także szeregiem leków, szczepionek i zaawansowanych technologicznie urządzeń służących do leczenia pacjentów. Mamy komputery, łączą nas sieć WWW i smartfony, które stworzyły zupełnie nowe branże i sposoby pracy. Nawet otaczające nas towary, od opon w samochodach po kamienie szlachetne w biżuterii, są projektowane, ulepszane i rozbudowywane przy użyciu nowych technologii.

Kiedy myślimy o ideach i technologiach składających się na współczesny świat, rzadko kojarzymy to z równoległym torem rozwoju fizyki doświadczalnej, choć te dwa aspekty są ze sobą ściśle powiązane. Wszystkie wspomniane powyżej przykłady powstały w wyniku eksperymentów mających na celu lepsze poznanie materii i sił przyrody – a owa lista to tylko czubek góry lodowej. W ciągu zaledwie dwóch pokoleń nauczyliśmy się kontrolować pojedyncze atomy, by budować urządzenia komputerowe tak małe, że trudno je dostrzec nawet przez mikroskop. Umiemy wykorzystywać niestabilną naturę materii do diagnozowania i leczenia chorób. Potrafimy zajrzeć do wnętrza starożytnych piramid przy pomocy wysokoenergetycznych cząstek z Kosmosu. Wszystko to jest możliwe dzięki naszej zdolności do manipulowania materią na poziomie atomów i cząstek, czyli wiedzy, która pochodzi z badań wiedzionych ciekawością.

Postanowiłam zostać fizykiem eksperymentalnym w dziedzinie fizyki akceleratorów: specjalizuję się w wymyślaniu prawdziwych urządzeń, które służą do manipulowania materią w najmniejszych skalach. Fizycy akceleratorowi nieustannie odkrywają nowe sposoby formowania wiązek, aby dowiedzieć się więcej o fizyce cząstek, ale w coraz większym stopniu nasza praca ma wpływ na inne dziedziny społeczne. Moi studenci, przyjaciele i słuchacze nadal są często zaskoczeni, kiedy mówię im, że w najbliższym im szpitalu niemal na pewno znajduje się akcelerator cząstek, że ich smartfony działają dzięki mechanice kwantowej, a fakt, że mogą korzystać z internetu, zawdzięczają fizykom cząstek. Budujemy akceleratory cząstek do badania wirusów, czekolady i starożytnych zwojów. Nasze zrozumienie geologii i pradawnej historii naszej planety w najdrobniejszych szczegółach jest wynikiem badań w zakresie fizyki cząstek.

Badania wywołane ciekawością przenoszą nas poza granice naszej wiedzy i oczekiwań, wiodąc ku pomysłom, barierom i rozwiązaniom zmieniającym bieg historii. Poprzez poszukiwanie nowej wiedzy wypełniamy lukę między tym, co zgodnie z naszą wiedzą jest możliwe, a tym, co uważamy za niemożliwe. Właśnie tam ciekawość prowadzi do naprawdę przełomowych innowacji. Fizyka, a w szczególności fizyka cząstek, dostarcza prawdopodobnie najbardziej zdumiewających przykładów tego zjawiska.

Jak więc ciąg eksperymentów fizycznych doprowadził do wszystkich tych aspektów naszego współczesnego świata? Oczywiście przeprowadzono tysiące doświadczeń i każde z nich w jakiś sposób przyczyniło się do poszerzenia naszej wiedzy. W tej książce przeprowadzę was przez dwanaście kluczowych eksperymentów – a zarazem odkryć – które obecnie uważamy za fundamentalne dla zrozumienia naszego świata. Rozpoczniemy od doświadczeń przeprowadzonych przez parę osób w małych laboratoriach w Anglii i Niemczech na przełomie XIX i XX wieku – badań, które wskazywały na krach fizyki klasycznej i przekonały nas do istnienia bytów mniejszych od atomów. Przechodząc dalej, zobaczymy, jak eksperymenty w Chicago pomogły zweryfikować pojawiające się koncepcje mechaniki kwantowej, fundując fizykom z całego świata loty w balonach na ogrzane powietrze i wspinaczkę na szczyty gór śladami nowych cząstek. Każdemu z tych eksperymentów towarzyszyła naprzemiennie frustracja i radość, którą to mieszankę emocji – owo szczególnie ludzkie doświadczenie uprawiania praktycznej nauki – znam aż za dobrze z mojego własnego laboratorium. Zaleta patrzenia na podejmowane wysiłki z perspektywy czasu jest jednakowoż niebagatelna: wiem to, czego pierwsi eksperymentatorzy wiedzieć nie mogli – jak potoczyły się losy ich odkryć i wynalazków. Kolejne eksperymenty przeniosą nas w obszar rywalizacji między Stanami Zjednoczonymi, Niemcami i Wielką Brytanią w wyścigu o zbudowanie pierwszego akceleratora cząstek i rozszczepienie atomu. Doświadczenia te miały na celu wytworzenie sztucznych pierwiastków promieniotwórczych w Kalifornii i doprowadziły do nieoczekiwanego odkrycia dokonanego przez naukowców przemysłowych, które stworzyło zarówno nowe narzędzie badawcze, jak i nowy sposób rozumienia astronomii. Na koniec prześledzimy historie zespołów i narodów współpracujących po to, aby wspólnym wysiłkiem zbudować wielkie eksperymenty, które stanowiły tło mojej własnej kariery: od amerykańskich laboratoriów, takich jak Brookhaven i Berkeley, przez Liniowy Zderzacz Stanforda i Fermilab, aż po Europejską Organizację Badań Jądrowych (CERN).

Rozpatrywane łącznie, eksperymenty te ucieleśniają ducha dociekliwości, który wypływa z ludzkiej ciekawości. W ciągu stulecia zmieniły nasze życie niemal w każdym obszarze, od informatyki po medycynę, od energetyki po komunikację i od sztuki po archeologię. Fizyka zawsze w swej istocie będzie zrozumieniem naszego miejsca we Wszechświecie, prawdą, którą poczułam, odkąd na nowo poznałam nocne niebo. Ta podróż pokazuje również, w jaki sposób fizyka doprowadziła do powstania tak wielu nowoczesnych technologii, które obecnie uważamy za oczywiste, oraz do praktycznych wyników, których nawet sobie nie wyobrażaliśmy. Mówi nam, że fizyka może nas wszystkich nauczyć czegoś o ciekawości i sile, którą wszyscy posiadamy, aby dokonywać przełomowych odkryć, mogących zmienić świat.

1 Możecie zauważyć, że nie wymieniłam tutaj grawitacji, mimo że doświadczamy jej na co dzień. Grawitacja nie została uwzględniona w modelu standardowym i jest niewiarygodnie słaba w porównaniu z pozostałymi trzema siłami. Pytanie, dlaczego tak się dzieje i jak połączyć ze sobą te teorie, stanowi jedno z największych wyzwań fizyki XXI wieku.

Część pierwsza. Demontaż fizyki klasycznej

Wyobraźnia to przede wszystkim zdolność do dokonywania odkryć. Wyobraźnia przenika do otaczających nas niewidzialnych światów, światów nauki. Wyobraźnia czuje i odkrywa to, co jest – rzeczywistość, której nie widzimy, a która istnieje poza naszymi zmysłami.

Ada Lovelace w liście do lorda Byrona, styczeń 1841 roku

1. Lampa katodowa: promienie X i elektron

Nasza opowieść rozpoczyna się w laboratorium w Würzburgu w Niemczech w 1895 roku. Nie przypominało ono czystych białych pomieszczeń wykorzystywanych przez współczesnych naukowców. Było wyłożone pięknym parkietem i miało imponujące wysokie okna wychodzące na park i winnice. Fizyk Wilhelm Röntgen zamknął okiennice i zabrał się do pracy. Na długim drewnianym stole ustawił szklaną rurkę wielkości małej butelki po winie, z której usunął większość powietrza za pomocą pompy próżniowej1. Wychodziły z niej przewody podłączone do metalowych elektrod – jedna na końcu rurki (katoda ujemna), a druga mniej więcej w połowie jej długości (anoda dodatnia). Po włączeniu prądu o wysokim napięciu wewnątrz pojawiła się poświata – tak zwane promienie katodowe, od których lampa wzięła swoją nazwę. Jak dotąd wszystko szło po myśli Röntgena. Nagle kątem oka zauważył, że po drugiej stronie laboratorium rozświetlił się mały ekran.

Podszedł bliżej, żeby to sprawdzić. Pokryty fosforem ekran emitował zielonkawe światło. Kiedy wyłączył lampę katodową, światło zniknęło. Gdy ponownie ją włączył, światło znów się pojawiło. Może to tylko złudzenie, może to odbicie światła od żarzącej się lampy katodowej? Przykrył ją czarnym kartonem, ale okazało się, że światło nie znika z ekranu. Nigdy wcześniej nie widział czegoś podobnego, więc uznał, że może to być jakieś ważne zjawisko.

Ten moment zmienił na zawsze oblicze fizyki. Począwszy od tej pierwszej zaskakującej obserwacji, eksperymenty z użyciem lamp katodowych otworzą dla fizyki zupełnie nowe obszary i zaczną obalać mity dotyczące świata natury narosłe przez tysiąclecia. Z czasem lampa katodowa doprowadzi do powstania technologii, które zmienią nasz sposób życia, pracy i komunikacji. A wszystko zaczęło się od świecącego ekranu i dociekliwości jednego człowieka.

Wilhelm Röntgen, podobnie jak większość naukowców na całym świecie pod koniec XIX wieku, uważał, że fizyka została niemal kompletnie zrozumiana. Wszechświat składał się z materii zbudowanej z „atomów”. Okazało się, że istnieją różne ich rodzaje, które odpowiadają rozmaitym pierwiastkom chemicznym. Cała złożoność otaczającego nas materialnego świata – od drzew po metale i od wody po futro – polega na różnicach w twardości, barwie i fakturze, ponieważ tworzą je różne atomy przypominające drobne kuliste klocki Lego. Mając odpowiednie instrukcje, można wziąć konkretny zestaw atomów i zbudować z niego dosłownie wszystko.

Zdawano sobie też sprawę, że istnieją siły, za pomocą których wszystko ze sobą oddziałuje. Dzięki grawitacji gwiazdy tworzą galaktykę, a nasza planeta krąży wokół Słońca. Nawet tajemnicze siły elektryczności i magnetyzmu zostały ostatecznie połączone w jedno oddziaływanie, zwane elektromagnetyzmem. Wszechświat stał się przewidywalny: jeśli znamy wszystkie zasady funkcjonowania materii i pozwolimy jej ewoluować, możemy przewidzieć z dowolną dokładnością jej ruchy.

Do zbadania pozostały tylko szczegóły, takie jak dokładny opis działania lampy katodowej, będący jednym z niewielu drobnych zjawisk, których nie potrafiono do końca wyjaśnić. Istniały oczywiście różne teorie, między innymi pomysł, że ta wewnętrzna poświata była związana ze zmarszczkami w hipotetycznym eterze, w którym światło miało się przemieszczać w podobny sposób, jak dźwięk przenosi się w powietrzu. Tymczasem w badaniach nad niuansami działania lampy katodowej Röntgen natknął się na problem. Nie tylko coś niewytłumaczalnego działo się wewnątrz lampy, zaobserwował też, że jakiś dziwny efekt pojawia się na zewnątrz.

Jako dziecko Röntgen niczym specjalnym się nie wyróżniał. Będąc synem kupca, uwielbiał poznawać wiejską i leśną przyrodę2. Wykazywał też dość duże zdolności do konstruowania urządzeń mechanicznych3 i ta umiejętność okazała się przydatna w jego późniejszej pracy eksperymentalnej. W wieku dorosłym ciemne włosy sterczały mu z czoła „jakby był stale naelektryzowany własnym zapałem”4.

Zapraszamy do zakupu pełnej wersji książki

1 Zwykle nazywana kineskopem. Ściśle rzecz biorąc, opisuję tutaj rurę Crookesa, ale wszystkie te lampy były podobne. Eksperymenty te muszą być przeprowadzane w wysokiej próżni, w przeciwnym razie promienie katodowe będą zderzać się z cząsteczkami gazu i zostaną rozproszone lub utracone. Średnia odległość między zderzeniami nazywana jest średnią drogą swobodną i dotyczy wszystkich molekuł, atomów i innych cząstek poruszających się w gazie. Średnia droga swobodna promieni katodowych w powietrzu jest niewielka, więc lampy te działają tylko w próżni.

2 Nobel Lectures, Physics 1901–1921, Elsevier, Amsterdam 1967.

3 Zob. O. Glasser, Wilhelm Röntgen and the Early History of the Roentgen Rays, Norman Publishing, San Francisco 1993. Można się zastanawiać, czy miała na to wpływ daleka gałąź jego drzewa genealogicznego, która zyskała sławę dzięki tworzeniu wyszukanych mebli o dziwacznych cechach mechanicznych. Więcej na ten temat w: Wolfram Koeppe, Extravagant Inventions: The Princely Furniture of the Roentgens, Yale University Press, New Haven 2012.

4 O. Glasser, Wilhelm Röntgen.