Jak powstała bomba atomowa

Tekst
0
Recenzje
Przeczytaj fragment
Oznacz jako przeczytane
Jak czytać książkę po zakupie
Czcionka:Mniejsze АаWiększe Aa

W zasadzie Bohrowi powinna się podobać ta Heisenbergowska demokratyzacja wnętrza atomu, a tymczasem wzbudziła w nim niechęć[113]. Wrócił z nart z własną, znacznie rozleglejszą koncepcją, wywodzącą się z dawnych rozmyślań o dwoistości i dwuznaczności, z Poula Martina Møllera i Sørena Kierkegaarda. Szczególnie dręczył go fakt, że jego bawarski uczeń nie oparł zasady nieoznaczoności na dualizmie cząstek i fal. Teraz Heisenberg doświadczył „przerażającego nieprzejednania” Bohra, które poprzednio obserwował w dyskusjach ze Schrödingerem. Szczęśliwie mediatorem był Oskar Klein, odgrywający wówczas rolę pisarza Bohra. Heisenberg był znakomity, ale miał dopiero dwadzieścia sześć lat. Ustąpił. Zgodził się, że zasada nieoznaczoności jest po prostu szczególnym przypadkiem ogólnej koncepcji, którą wymyślił Bohr. Po tym ustępstwie Bohr pozwolił, by Heisenberg oddał do druku napisaną już pracę, i zabrał się do pisania przemówienia, które miał wygłosić w Como.

We wrześniu w Como była piękna pogoda. Bohr rozpoczął od grzecznościowej wzmianki o Volcie, „wielkim geniuszu, dla którego uczczenia zebraliśmy się tu”, a następnie pogrążył się w rozważaniach. Zaproponował, by spróbować osiągnąć „pewien ogólny punkt widzenia”, który pomógłby „zharmonizować najwidoczniej sprzeczne poglądy różnych naukowców”[114]. Problem, powiedział Bohr, polega na tym, że warunki kwantowe obowiązują w skali atomowej, ale nasze instrumenty do mierzenia zjawisk kwantowych – w ostatecznej instancji nasze zmysły – działają w sposób klasyczny. Ta nieadekwatność narzuca naszemu poznaniu ograniczenia, których nie da się uniknąć. Wynik doświadczenia dowodzącego, że światło rozchodzi się w postaci fotonów, jest ważny w określonych dla tego doświadczenia granicach. Również wynik doświadczenia dowodzącego, że światło rozchodzi się w postaci fal, jest w określonych granicach prawdziwy. To samo dotyczy cząstek i fal materii. Możemy obie teorie uznać za słuszne z tej przyczyny, że „cząstki” i „fale” to jedynie słowa, pojęcia abstrakcyjne. Znamy nie cząstki czy fale, ale instrumenty stosowane w doświadczeniach, i wiemy, jak te instrumenty zachowują się podczas eksperymentów. Aparatura jest duża, wnętrze atomu małe i połączenie ich ze sobą musi być zgodne z pewnymi ograniczeniami.

Rozwiązanie, ciągnął Bohr, polega na przyjęciu różnych i wzajemnie wykluczających się wyników za równie ważne i korzystaniu z nich przy budowie złożonego obrazu atomowej dziedziny. Nur die Fülle führt zur Klarheit – tylko pełnia prowadzi do jasności. Bohr nigdy nie był zwolennikiem aroganckiego redukcjonizmu. Nawoływał natomiast do „wyrzeczenia się” (to określenie pojawia się w wykładzie w Como wielokrotnie) boskiego determinizmu fizyki klasycznej tam, gdzie odnosi się on do atomowego wnętrza[115]. Dla tego „ogólnego punktu widzenia” przyjął nazwę komplementarność, pochodzącą z łacińskiego słowa complementum – „to, co wypełnia lub uzupełnia”. Światło jako cząstki i światło jako fala, materia jako cząstki i materia jako fala są wzajemnie wykluczającymi się pojęciami abstrakcyjnymi, ale się uzupełniają. Nie można ich łączyć czy rozdzielać, muszą istnieć obok siebie, stanowiąc pozornie paradoks i sprzeczność, jednak przyjęcie tego niewygodnego, niearystotelesowskiego warunku sprawi, że fizyka będzie mogła wyjaśnić więcej, niż gdyby go nie przyjęto. Ponadto, jak dowiodła opublikowana niedawno zasada nieoznaczoności Heisenberga, tak właśnie zbudowany jest wszechświat, przynajmniej z ludzkiej perspektywy.

W Como wykładu Bohra słuchał Emilio Segrè, młody student politechniki. W historii współczesnej fizyki, którą napisał po przejściu na emeryturę, wyjaśnił komplementarność jasno i prosto: „Dwie wielkości są komplementarne, gdy pomiar jednej z nich wyklucza równoczesny dokładny pomiar drugiej. Podobnie dwie koncepcje są komplementarne, gdy jedna narzuca ograniczenia drugiej”[116].

Bohr analizował potem dokładnie, po kolei, sprzeczności fizyki klasycznej i kwantowej i wykazał, jak rozwiązuje je zasada komplementarności. W zakończeniu przedstawił pokrótce związek komplementarności z filozofią. Powiedział, że „sytuacja w fizyce jest analogiczna do powszechnej trudności w formułowaniu ludzkich idei, występującej nieodłącznie, gdy rozróżnia się podmiot od przedmiotu”[117]. Był to powrót do przeszłości, do dylematów licencjata w Przygodach duńskiego studenta oraz ich rozwiązanie: ja, które myśli, i ja, które działa, są różne, wzajemnie się wykluczają, ale stanowią komplementarne, abstrakcyjne pojęcia osobowości.

W następnych latach Bohr znacznie poszerzył granice swego „pewnego ogólnego punktu widzenia”, który stał się jego przewodnikiem nie tylko w zagadnieniach fizyki, ale także w ważnych sprawach politycznych. Wbrew oczekiwaniom Bohra nigdy jednak nie stał się najważniejszą, centralną ideą fizyki. W Como, zgodnie z przewidywaniami, nie udało mu się przekonać wielu starszych fizyków, stanowiących jednak mniejszość. Również Einstein po zapoznaniu się z komplementarnością nie został jej zwolennikiem. W 1926 roku, wypowiadając się w sprawie statystycznego charakteru teorii kwantów, napisał do Maxa Borna: „Mechanika kwantowa jest teorią wielce zajmującą. Niemniej jakiś głos wewnętrzny mówi mi, że nie jest ona tym, o co ostatecznie chodzi. Mimo tak znakomitych wyników teoria ta nie przybliża nas wcale do tajemnicy Prajedni. Tak czy owak, jestem głęboko przekonany, że Bóg nie gra w kości”[118]. Następna konferencja fizyczna, corocznie sponsorowana przez bogatego chemika belgijskiego Ernesta Solvaya, odbyła się w Brukseli, miesiąc po konferencji w Como. Wzięli w niej udział: Einstein, Bohr, Max Planck, Maria Curie, Hendrick Lorentz, Max Born, Paul Ehrenfest, Erwin Schrödinger, Wolfgang Pauli, Werner Heisenberg i wielu innych. „Mieszkaliśmy wszyscy w tym samym hotelu – wspomina Heisenberg – a najostrzejsze dyskusje prowadzone były nie w sali konferencyjnej, lecz w czasie posiłków w hotelu. Bohr i Einstein dźwigali główny ciężar tych bojów o nową interpretację teorii kwantów”[119].

Einstein nie zgodził się z koncepcją, że determinizm w skali atomowej jest zakazany, że subtelna struktura wszechświata jest niepoznawalna, że rządzi statystyka. „Pan Bóg nie gra w kości, to był zwrot, który często można było od niego usłyszeć podczas tych dyskusji – pisze Heisenberg. – Dlatego Einstein nie mógł zaakceptować zasady nieoznaczoności i próbował wymyślać eksperymenty, w których relacje te nie byłyby spełnione”[120]. Einstein przedstawiał eksperyment myślowy przy śniadaniu, dyskusja trwała przez cały dzień, „i z reguły przy kolacji dochodziliśmy do punktu, w którym Nielsowi Bohrowi udawało się udowodnić Einsteinowi, że nawet jego najnowszy eksperyment nie zdołał wstrząsnąć zasadą nieoznaczoności. Einstein wyglądał na nieco zakłopotanego, ale następnego dnia rano miał gotowy nowy eksperyment myślowy, bardziej złożony niż poprzedni”. Ciągnęło się to całymi dniami, aż Ehrenfest powiedział Einsteinowi z wymówką (byli starymi przyjaciółmi), że mu za niego wstyd, że występuje przeciw teorii kwantów równie bezzasadnie jak jego przeciwnicy przeciw teorii względności. Einstein był nieugięty (jeśli chodzi o teorię kwantów, pozostał jej przeciwnikiem do końca życia).

Bohr, choć był elastycznym pragmatykiem i demokratą, a nie absolutystą, pewnego razu, gdy znów usłyszał osobistą opinię Einsteina na temat hazardowych skłonności Boga, odciął się wreszcie swemu dostojnemu koledze, korzystając z jego terminologii. Bóg nie rzuca kości? „Nie naszą jest sprawą dyktować Bogu, jak powinien rządzić światem”[121].

6

Maszyny

Po wojnie Laboratorium Cavendisha kwitło pod kierownictwem Ernesta Rutherforda. Robert Oppenheimer cierpiał tam wprawdzie, głównie z tego powodu, że nie był eksperymentatorem, ale dla fizyków doświadczalnych Cambridge było dokładnie takim miejscem, jak je sobie wyobrażał Oppenheimer. C.P. Snow studiował tam nieco później, w latach trzydziestych; w swojej pierwszej powieści The Search, wydanej w 1934 roku, wyraził swe przeżycia słowami jednego z bohaterów, młodego naukowca:

Niełatwo zapomnę o tych środowych zebraniach w Cavendish. Były dla mnie treścią mych osobistych podniet naukowych; były to zebrania romantyczne, jeśli państwo chcecie, i nie znajdowały się bynajmniej na poziomie najwyższego doświadczenia [z powodu odkrycia naukowego], które miałem wkrótce poznać, ale tydzień po tygodniu wychodziłem z nich w te zimne noce wypełnione wyciem wschodniego wichru, który pędził z bagien wzdłuż ulic, wychodziłem rozpalony wewnętrznym żarem, bom widział i słyszał przywódców największego ruchu na świecie i znajdowałem się tuż obok nich[1].

W bardziej zatłoczonym niż przedtem laboratorium widać było oznaki zużycia i zniszczenia. Mark Oliphant pamięta, że gdy stał po raz pierwszy w korytarzu przed pokojem Rutherforda, zauważył „podłogę z gołych desek, niedbale pomalowane sosnowe drzwi, poplamione, wykończone zaprawą cementową ściany, marnie oświetlone przez brudne szyby okien w suficie”. Opisuje także, jak wówczas, pod koniec lat dwudziestych, wyglądał Rutherford, który miał około pięćdziesięciu pięciu lat. „Przyjął mnie mile duży człowiek z rumieńcami, rzedniejącymi jasnymi włosami, dużym wąsem, który bardzo mi przypominał właściciela sklepu i kierownika poczty w małej osadzie na wzgórzach za Adelaide, gdzie spędziłem część mojego dzieciństwa. Rutherford powitał mnie serdecznie i od razu poczułem się swobodnie. Nieco się ślinił podczas mówienia, od czasu do czasu przykładał zapałkę do fajki, która dymiła i sypała popiołem niczym wulkan”[2].

Rutherford nadal dokonywał zadziwiających odkryć, posługując się bardzo prostymi aparatami. W kwietniu 1919 roku, tuż przed przeniesieniem się z Manchesteru do Cambridge, wysłał do druku pracę, w której opisał swoje najważniejsze osiągnięcie dokonane po odkryciu jądra; później zakończył ją w Laboratorium Cavendisha razem z Jamesem Chadwickiem. Manchesterski artykuł z 1919 roku był właściwie podsumowaniem badań, jakie Rutherford przeprowadził w nielicznych wolnych chwilach w ciągu czterech lat wojny. Kierował wówczas niemal samotnie laboratorium i na zlecenie Admiralicji zajmował się opracowywaniem metod wykrywania łodzi podwodnych. Artykuł składał się z czterech części; pierwsze trzy były właściwie wstępem do rewolucyjnej czwartej zatytułowanej An Anomalous Effect in Nitrogen [Anomalia w azocie][3].

 

Ernest Marsden, którego pomiary rozpraszania cząstek alfa doprowadziły wcześniej Rutherforda do odkrycia jądra atomowego, w 1915 roku odkrył w czasie rutynowych prac doświadczalnych w Manchesterze pewne dziwne zjawisko, które okazało się niemal równie ważne. Marsden bombardował atomy wodoru cząstkami alfa – jądrami helu o masie atomowej 4 – emitowanymi z małej szklanej rurki wypełnionej gazowym radonem. Umieścił ją wewnątrz uszczelnionej mosiężnej komory zakończonej ekranem scyntylacyjnym z siarczku cynkowego. Usunął z komory powietrze i napełnił ją wodorem. Cząstki alfa emanujące z radonu zderzały się z atomami wodoru (masa atomowa około 1) jak kulki, przekazując im energię i popychając niektóre z nich w kierunku scyntylacyjnego ekranu. Marsden mierzył następnie ich zasięg, umieszczając przed ekranem metalową folię absorbującą cząstki i zwiększając jej grubość tak długo, aż ustały scyntylacje. Jak można było oczekiwać, w wyniku zderzeń z cięższymi cząstkami alfa lżejsze atomy wodoru odbijały dalej niż cząstki alfa – mniej więcej czterokrotnie dalej, stwierdził Rutherford – podobnie jak w zderzeniach zwykłych kulek o różnych rozmiarach.

Było to stosunkowo proste. Marsden zauważył jednak, że po usunięciu powietrza z komory sama szklana rurka z radonem „wywoływała szereg błysków, podobnych do błysków wodoru”[4]. Zrobił najpierw rurkę z kwarcu, potem zastosował niklową tarczę pokrytą związkiem radu i w obu wypadkach zaobserwował takie same jasne błyski, jakie wywoływał wodór. „Marsden doszedł do wniosku, że jest to bardzo przekonujący dowód na to, że wodór powstaje z samej substancji promieniotwórczej”. Gdyby to była prawda, byłoby to zaskakujące odkrycie, albowiem do tej pory stwierdzono jedynie, że atomy promieniotwórcze podczas rozpadu emitują jądra helu, elektrony i promienie gamma – nie był to jednak jedyny możliwy wniosek. Rutherford, który odkrył dwa z trzech podstawowych rodzajów promieniowania i nigdy nie znalazł w nich wodoru, nie był skłonny natychmiast zgodzić się z takim wnioskiem. W 1915 roku Marsden wrócił do Nowej Zelandii, gdzie zajmował się nauczaniem, a Rutherford dalej śledził anomalię. Przyszło mu do głowy dobre wyjaśnienie badanego zjawiska. „Zdarza mi się czasem znaleźć pół wolnego dnia, by osobiście przeprowadzić kilka doświadczeń – pisał do Bohra 9 grudnia 1917 roku – i sądzę, że otrzymałem wyniki, które, jak się ostatecznie okaże, będą miały wielkie znaczenie. Chciałbym, żeby pan był tutaj i żebym mógł omówić z panem te sprawy. Rejestruję i liczę lżejsze atomy wprowadzane w ruch przez cząstki [alfa]. [...] Próbuję także rozbić w ten sposób atom”[5].

Jego aparat był podobny do aparatu Marsdena; mała mosiężna komora zaopatrzona w kurki do wprowadzania i usuwania gazów z wnętrza, z ekranem scyntylacyjnym wmontowanym w jednym końcu. Źródłem cząstek alfa była mosiężna tarcza pokryta związkiem radu.


Schemat eksperymentu Rutherforda: D – źródło cząstek alfa, S – ekran scyntylacyjny z siarczku cynku, M – mikroskop

Najbardziej prawdopodobnym wyjaśnieniem detekcji atomów wodoru w doświadczeniu Marsdena była obecność zanieczyszczeń; wodór jest lekki, chemicznie czynny i w niewielkiej ilości wchodzi w skład wszechobecnego powietrza. Zadanie Rutherforda sprowadzało się zatem głównie do ścisłej eliminacji różnych możliwości. Musiał usunąć wszystkie prawdopodobne źródła atomów wodoru w komorze, by ostatecznie stwierdzić, skąd pochodzą. Zaczął od udowodnienia, że nie pochodzą z samego materiału promieniotwórczego. Ustalił, że mają tę samą masę i spodziewany zasięg co atomy wodoru, które w doświadczeniu Marsdena odbiły się w stronę ekranu po zderzeniu z cząstkami alfa. Po usunięciu powietrza z mosiężnej komory wprowadził do niej najpierw suchy tlen, a potem dwutlenek węgla i w obu wypadkach stwierdził, że zderzenia atomów wodoru z atomami tych gazów powodują ich spowolnienie – na ekranie ukazywało się coraz mniej błysków.

Potem zastosował suche powietrze. Wynik go zaskoczył; liczba błysków nie zmniejszyła się, jak w wypadku tlenu i dwutlenku węgla, lecz zwiększyła, i to dwukrotnie.

Te nowe scyntylacje „na oko wydawały się równie jasne jak scyntylacje wodoru”, zauważa ostrożnie Rutherford na początku rewolucyjnej czwartej części artykułu[6]. Podążył ich śladem. Jeżeli były to atomy wodoru, to ich źródłem mogły być zanieczyszczenia. Najpierw wykluczył więc tę możliwość. Dowiódł, że źródłem wodoru nie jest para wodna (H2O): mimo że osuszył powietrze jeszcze staranniej, nie było żadnej różnicy w liczbie błysków. Kurz mógł zawierać atomy wodoru, zupełnie jak niebezpieczne zarazki; wobec tego Rutherford przefiltrował powietrze wprowadzane do komory przez długi korek z bawełny, i znowu nie stwierdził różnicy.

W związku z tym, że liczba atomów wodoru wzrosła, gdy zastosowano powietrze, a zmalała po wprowadzeniu tlenu i dwutlenku węgla, Rutherford wyciągnął wniosek, „że dzieje się to albo na skutek obecności azotu, albo jednego z pozostałych gazów obecnych w powietrzu atmosferycznym”. Skoro powietrze zawiera 78 procent azotu, to ten gaz był najbardziej prawdopodobny. Sprawdził to prosto – porównał liczbę scyntylacji po wprowadzeniu do komory powietrza z liczbą scyntylacji po wprowadzeniu czystego azotu. Doświadczenie potwierdziło przypuszczenie: „W czystym azocie, w podobnych warunkach, liczba błysków o długim zasięgu jest większa niż w powietrzu”[7]. W końcu Rutherford ustalił, że atomy wodoru pochodzą rzeczywiście z azotu, a nie z samego źródła promieniotwórczego. Wówczas ogłosił swoje zadziwiające twierdzenie, podając je jak zwykle w brytyjskiej nauce ostrożnie niedopowiedziane: „Na podstawie otrzymanych dotychczas wyników trudno uniknąć wniosku, że atomy o dalekim zasięgu powstające w czasie zderzeń cząstek [alfa] z azotem nie są atomami azotu, ale prawdopodobnie atomami wodoru. [...] Jeżeli tak jest, musimy wyciągnąć wniosek, że atom azotu ulega rozpadowi”[8]. Gazety w 1919 roku ogłosiły o tym odkryciu w prostszy sposób: sir Ernest Rutherford rozbił atom.

Nie był to właściwie rozpad, ale przemiana, pierwsza sztuczna przemiana, jaką do tej pory przeprowadzono. Gdy cząstka alfa o masie atomowej 4 zderza się z atomem azotu o masie atomowej 14, wybija jądro wodoru (niedługo potem Rutherford zaproponował termin „proton” na oznaczenie jądra wodoru). Powstaje wtedy atom tlenu w postaci izotopu O17 zgodnie z rachunkiem: 4 + 14 − 1. Ilość O17 z pewnością nie wystarczy do oddychania; zaledwie jedna cząstka alfa na 300 tysięcy przedostaje się przez barierę elektrostatyczną wokół jądra azotu, by dokonać alchemicznej przemiany[9].

Odkrycie to dało początek nowej metodzie badania jądra. Fizycy ograniczali się do tej pory do badania rozpraszania promieniowania na jądrach lub do pomiaru promieniowania, które jądro emituje w sposób naturalny w czasie promieniotwórczego rozpadu. Teraz mieli metodę umożliwiającą również sondowanie wnętrza. Rutherford i Chadwick sięgnęli wkrótce po inne lekkie atomy, by sprawdzić, czy one również dadzą się rozbić. Jak się okazało, było to możliwe w wypadku wielu pierwiastków, takich jak bor, fluor, sód, glin, fosfor. W miarę przechodzenia do kolejnych pierwiastków z układu okresowego coraz trudniejsze stawało się pokonanie bariery elektrostatycznej. Naturalne źródła promieniotwórcze, które stosował Rutherford, emitowały stosunkowo powolne cząstki alfa; ich energia nie wystarczała do przeniknięcia przez barierę elektrostatyczną, która jest tym wyższa, im większa liczba atomowa pierwiastka. Chadwick i inni badacze w Laboratorium Cavendisha zaczęli mówić o znalezieniu sposobu na przyspieszenie cząstek. Rutherford, który gardził skomplikowaną aparaturą, sprzeciwiał się tym pomysłom. Niezależnie od tego, faktycznie przyspieszenie cząstek było trudnym zadaniem. Przez pewien czas w nowej dziedzinie fizyki jądrowej panował zastój.

Oprócz tłumu „chłopców” Rutherforda w Laboratorium Cavendisha pracowali badacze zatrudnieni jeszcze przez J.J. Thomsona. Jeden z nich, Francis William Aston, zajmował się inną, ale pokrewną dziedziną. Szczupły, przystojny, wysportowany, zamożny, był synem córki producenta broni z Birmingham i handlowca z branży metalowej, pochodzącego z Harborne[10]. W dzieciństwie robił z nabojów do butli z wodą sodową bomby wypełnione kwasem pikrynowym, budował także i wypuszczał wielkie balony z bibułki napełniane ciepłym powietrzem. Był kawalerem, w 1908 roku odziedziczył majątek ojca, jeździł na nartach, budował motocykle i brał udział w wyścigach, grał na wiolonczeli i odbywał podróże dookoła świata. W 1909 roku, mając trzydzieści dwa lata, zatrzymał się w Honolulu, by nauczyć się jazdy na desce surfingowej, którą później uważał za najwspanialszą dyscyplinę sportu. Aston był stałym partnerem Rutherforda w grze w golfa na polu Gogs w Cambridge. To właśnie on zawiadomił w 1913 roku na posiedzeniu Towarzystwa Brytyjskiego o rozdzieleniu dwóch izotopów neonu uciążliwą metodą dyfuzji przez ceramiczną rurę.

Aston studiował chemię, ale po odkryciu promieni rentgenowskich zajął się fizyką. Do Laboratorium Cavendisha ściągnął go w 1910 roku J.J. Thomson, który podejrzewał, że za pomocą rury wyładowczej rozdzielił neon na dwa składniki. Aston podjął mozolne zadanie, jakim było potwierdzenie tego wyniku metodą dyfuzji gazowej. Thomson stwierdził, że można uzyskać rozdzielone wiązki atomów różnych rodzajów, umieszczając rurę wyładowczą w równoległym polu magnetycznym i elektrostatycznym. Nie były to wiązki promieni katodowych; miał do czynienia z „promieniami” odpychanymi od przeciwległej elektrody – dodatnio naładowanej anody. Były to wiązki jąder atomów pozbawionych elektronów, czyli zjonizowanych. Można je było uzyskać z gazu wprowadzonego do rury; można też było powlekać anodę stałymi substancjami – w tym wypadku zjonizowane atomy tej substancji odrywały się od elektrody po wytworzeniu w rurze próżni i podłączeniu anody do zasilania.

Gdy wiązka składająca się z różnych jąder przechodzi przez pole magnetyczne, ulega rozszczepieniu na szereg wiązek, ponieważ kąt ugięcia trajektorii jądra zależy od jego prędkości, a ta od masy. Zmiana kierunku prędkości jądra w polu elektrostatycznym zależy natomiast od ładunku elektrycznego, czyli od liczby atomowej. „W ten sposób – pisze György de Hevesy – dowiedziono, że w rurze wyładowczej znajduje się ogromnie dużo różnych atomów i grup atomowych”[11].

W czasie wojny Aston pracował w Królewskich Zakładach Lotniczych [Royal Aircraft Establishment] w Farnborough, na południowy zachód od Londynu. Starał się uzyskać twardsze lakiery i tkaniny na pokrycia samolotów i nie przestawał zastanawiać się nad rurami wyładowczymi J.J. Thomsona. Chciał udowodnić jednoznacznie, że neon ma izotopy – Thomson nie był jeszcze o tym przekonany – dostrzegł również możliwość separacji izotopów innych pierwiastków. Rura wyładowcza wprawdzie to umożliwiała, ale dawała tylko ogólny obraz, wyniki bowiem były bardzo niedokładne.

Aston wrócił do Cambridge w 1918 roku. Już wcześniej uporał się z teoretycznym aspektem zagadnienia, a po powrocie zaczął budować zaplanowany precyzyjny instrument[12]. W jego aparacie pod działaniem napięcia elektrycznego następowała jonizacja gazu lub substancji pokrywającej elektrodę. Jądra przechodziły przez dwie szczeliny, dzięki czemu powstawała wąska wiązka, podobna do wiązki światła w spektrografie. Wlatywała w obszar silnego pola elektrostatycznego, które rozdzielało jądra o różnych ładunkach na oddzielne wiązki. Rozdzielone wiązki poddawane były działaniu pola magnetycznego, które z kolei sortowało jądra według masy, tworząc w ten sposób wiązki izotopów. Na koniec wiązki tak porozdzielanych jąder uderzały w kasetę płyty fotograficznej i były rejestrowane na wycechowanej błonie. Odchylenie wiązek w polu magnetycznym – wyznaczone przez miejsce zaczernienia filmu – pozwalało określić z dużą dokładnością masę różnych jąder.

Aston nazwał ten aparat spektrometrem masowym, albowiem podobnie jak spektrograf optyczny rozdziela światło według częstości, aparat rozdzielał pierwiastki i ich izotopy na podstawie ich masy. Spektrometr masowy natychmiast uznano za sensacyjny sukces. „W listach ze stycznia i lutego 1920 roku – mówi Bohr – Rutherford wyraził radość z pracy Astona”, która „przyniosła takie przekonujące potwierdzenie modelu atomu Rutherforda”[13]. W ciągu następnych dwudziestu lat Aston zidentyfikował 212 z 281 występujących w przyrodzie izotopów. Stwierdził, że masy atomów wszystkich pierwiastków, które badał, z godnym uwagi wyjątkiem wodoru, na ogół mają wartości niemal całkowite (w jednostkach masy atomowej), co stanowiło potężny argument na korzyść teorii głoszącej, że pierwiastki składają się po prostu z protonów i elektronów, czyli z atomów wodoru. Masy pierwiastków występujących w przyrodzie nie mają wartości całkowitych, ponieważ pierwiastki te występują w postaci mieszaniny izotopów o różnych, całkowitych masach atomowych. Aston udowodnił na przykład, „że neon składa się, bez żadnych wątpliwości, z izotopów 20 i 22, a jego ciężar atomowy wynosi 20,2 dlatego, że oba izotopy występują w stosunku mniej więcej 9:1”[14]. To zadowoliło nawet J.J. Thomsona.

 

Dlaczego jednak wodór jest wyjątkiem? Jeżeli pierwiastki zbudowane są z atomów wodoru, dlaczego atom samego wodoru, podstawowej cegiełki atomów, waży 1,008? Dlaczego cztery atomy wodoru tracą masę, gdy tworzą hel? Dlaczego masa helu nie jest równa 4,032? I dlaczego wynosi 4,002, a nie dokładnie 4, a tlenu 15,994, a nie dokładnie 16? Jakie znaczenie mają te niezwykle małe i zmienne odstępstwa od liczb całkowitych?

Atomy nie rozpadają się, rozumował Aston. Coś bardzo potężnego utrzymuje je w całości. To spoiwo nosi obecnie nazwę energii wiązania. W celu zyskania energii wiązania atomy wodoru upakowane w jądrze zużywają na to nieco swojej masy. To właśnie ten defekt masy wykrył Aston, gdy porównywał atom wodoru z innymi atomami zgodnie z regułą całkowitych wielokrotności. Poza tym stwierdził, że jądra mogą być upakowane albo ciaśniej, albo luźniej, co wymaga mniejszej lub większej energii wiązania, a ta z kolei wymaga mniej lub więcej masy – stąd biorą się nieznaczne różnice. Różnicę między zmierzonym ciężarem atomowym a liczbą całkowitą wyraził w postaci ułamka, tak zwanego wskaźnika upakowania[5*]; w przybliżeniu jest to różnica rzeczywistej masy atomowej pierwiastka i odpowiedniej liczby całkowitej, podzielona przez tę liczbę całkowitą. „Duży wskaźnik upakowania – twierdził Aston – wskazuje na luźne upakowanie, a zatem na małą trwałość, mały wskaźnik upakowania – odwrotnie”[15]. Naniósł wskaźniki upakowania na wykres i dowiódł, że pierwiastki w szerokim paśmie w środku układu okresowego (na przykład nikiel, żelazo, cyna) mają najmniejsze wskaźniki upakowania i dlatego są najtrwalsze, natomiast pierwiastki na krańcach układu okresowego (na przykład z najlżejszych pierwiastków wodór, a z najcięższych uran) mają duży wskaźnik upakowania i dlatego są najmniej trwałe. We wszystkich pierwiastkach zamknięta energia powstała z zamiany masy, ale jest ona najmniejsza w pierwiastkach o dużych wskaźnikach upakowania. Przy porównaniu helu z wodorem widać, że zniknęło prawie 1 procent masy wodoru (4 : 4,032 = 0,992 = 99,2 procent). „Gdybyśmy mogli przeprowadzić [wodór] w hel, prawie 1 procent masy uległoby anihilacji. Z relatywistycznej równoważności masy i energii, obecnie potwierdzonej doświadczalnie [Aston myśli tu o słynnym równaniu Einsteina E = mc2], wynika, że zostałaby uwolniona olbrzymia energia. Zatem przy zamianie wodoru [zawartego] w szklance do wody w hel powstałaby energia, która wystarczyłaby do przepłynięcia «Queen Mary» tam i z powrotem przez Ocean Atlantycki z maksymalną prędkością”[16].

W dalszej części wykładu wygłoszonego w 1936 roku Aston zastanawiał się nad społecznymi następstwami uwolnienia tej energii. Wyraził przekonanie, że uzbrojeni w niezbędną wiedzę „chemicy jądrowi będą mogli wytwarzać pierwiastki, tak jak zwykli chemicy związki chemiczne, i można uznać za pewnik, że w pewnych reakcjach uwalniać się będzie energia subatomowa”. I ciągnie dalej:

Znajdują się wśród nas tacy, którzy mówią, że takie badania powinny być prawnie zakazane, gdyż destrukcyjne siły człowieka są już wystarczająco duże. Niewątpliwie nasi starsi i bardziej do małp zbliżeni prehistoryczni przodkowie tak wyrażali sprzeciw wobec nowości – gotowanego pożywienia – i wskazywali na poważne niebezpieczeństwa towarzyszące stosowaniu nowego odkrycia, mianowicie ognia. Osobiście sądzę, że wszędzie wokół nas znajduje się dostępna energia subatomowa i że pewnego dnia człowiek uwolni i opanuje tę prawie niewyczerpalną energię. Nie możemy temu przeciwdziałać i możemy mieć tylko nadzieję, że nie użyje jej wyłącznie w celu wysadzenia w powietrze najbliższego sąsiada.[17]

Spektrometr masowy, który Aston wynalazł w 1919 roku, nie mógł uwolnić atomowej energii wiązania, ale za jego pomocą fizycy wyznaczyli tę energię i zidentyfikowali grupy pierwiastków, z których stosunkowo najłatwiej byłoby ją wyzwolić ze względu na ich stosunkowo małą trwałość. W 1922 roku Aston został uhonorowany Nagrodą Nobla z chemii za wynalazek spektrometru. Odebrał nagrodę równocześnie z Nielsem Bohrem. „Sztokholm był od tego czasu miastem naszych marzeń” – wspomina jego siostra, która zwykle z nim podróżowała[18]. Wrócił do Laboratorium Cavendisha, by budować większe i dokładniejsze spektrometry masowe. Obsługiwał je zwykle w nocy, ponieważ, jak wspominała jego siostra, „szczególnie nie znosił różnych ludzkich hałasów”, nawet rozmów dochodzących zza ścian pokoju. „Bardzo lubił zwierzęta, szczególnie koty i kocięta, i żadne trudności nie były zbyt duże, by się z nimi zaznajomić, ale nie lubił szczekających psów”[19]. Aston niezwykle poważał Ernesta Rutherforda, chociaż gromki głos dyrektora laboratorium musiał być dla niego ciężką próbą.

W badaniach nad przyspieszeniem cząstek atomów przodowały Stany Zjednoczone. Tradycje techniczne, które doprowadziły do postępu w przemyśle i wzbogaciły uzbrojenie, dotarły teraz do laboratoriów. W 1914 roku kongresman tak przepytywał świadka podczas przesłuchania w komisji budżetowej: „Co to znaczy – fizyk? Zapytywano mnie na sesji Izby Reprezentantów co, na zdrowy rozum, znaczy fizyk, i nie umiałem odpowiedzieć”[20]. Wojna jednak jasno wykazała, czym zajmują się fizycy i jakie znaczenie ma nauka dla rozwoju techniki, zwłaszcza wojskowej, dzięki czemu nie brakowało na nią pieniędzy płynących i ze źródeł rządowych, i z prywatnych fundacji. W ciągu dwunastu lat (między rokiem 1920 a 1932) dwukrotnie więcej Amerykanów wybrało zawód fizyka niż w ciągu poprzednich sześćdziesięciu lat. Byli lepiej kształceni niż ich poprzednicy, co najmniej pięćdziesięciu studiowało w Europie na koszt Narodowej Rady do spraw Badań, Rady Edukacji Międzynarodowej (International Education Board) lub nowo powołanej fundacji stypendialnej Guggenheima. W 1932 roku Stany Zjednoczone miały około 2,5 tysiąca fizyków, trzykrotnie więcej niż w 1919 roku. „Physical Review”, pismo mające takie znaczenie dla fizyków amerykańskich jak „Zeitschrift für Physik” dla Niemców, do lat dwudziestych uważano w Europie za zaściankowe, a może nawet śmieszne. Gdy w latach dwudziestych zwiększyło objętość ponaddwukrotnie, a od 1929 roku wydawano je co dwa tygodnie, zaczęło zdobywać czytelników w Cambridge, Kopenhadze, Getyndze i Berlinie.

Chcąc poznać typ tych mężczyzn – kobiet między nimi prawie nie było – i ich pochodzenie, psychometrycy przeprowadzili szczegółowe badania amerykańskich naukowców z tego pierwszego nowoczesnego pokolenia[21]. W jednej z analiz stwierdzono, że bardzo prężnymi ośrodkami kształcenia naukowców były małe liberalne uczelnie humanistyczne na Środkowym Zachodzie i na wybrzeżu Oceanu Spokojnego (w kształceniu prawników natomiast celowała w tym okresie Nowa Anglia). Połowa fizyków doświadczalnych i aż 84 procent teoretyków było synami ludzi z wykształceniem wyższym, przeważnie inżynierów, lekarzy i nauczycieli, pewna liczba eksperymentatorów, ale mniejszość, była synami rolników. Według najobszerniejszej z tych analiz żaden z ojców sześćdziesięciu czterech naukowców, w tym dwudziestu dwóch fizyków, nie był niewykwalifikowanym robotnikiem, tylko nieliczni fizycy byli synami przedsiębiorców; prawie wszyscy byli pierwszymi dziećmi lub najstarszymi synami. Średnio biorąc, fizycy teoretycy mieli najwyższy iloraz inteligencji wśród wszystkich badanych naukowców[22]; w zadaniach o charakterze słownym teoretycy uzyskali średnią 170, prawie o 20 procent wyższą niż eksperymentatorzy. Również zadania wymagające wyobraźni przestrzennej wykazały, że, średnio biorąc, fizycy teoretycy mają najwyższy iloraz inteligencji, na drugim miejscu byli fizycy doświadczalni.