Atom

Nie pamiętam pierwszego razu, gdy zobaczyłem atom, ale pamiętam pierwszą lekcję przyrody, na której je poznawaliśmy — i zafascynowały mnie. Ich złożoność na rysunkach, które nam pokazywano, oraz to, jak mogły się łączyć i tworzyć substancje, sprawiły, że chciałem wiedzieć więcej: dużo o nich czytałem, o ich miejscu w układzie okresowym, o ich cząstkach, a nawet o tym, jak wykorzystuje się je do wytwarzania energii w naszych domach.

Znacznie później nauczyłem się programować i chciałem odzwierciedlić to, czego nauczyłem się na lekcjach i z książek. Chciałem stworzyć atom, zobaczyć, jak się porusza, sprawić, by każda z jego części wyglądała realistycznie; łączyć je i, być może, zbudować w symulatorze coś większego. Ale wydarzyło się coś nieoczekiwanego: nie byłem już ciekawym świata nastolatkiem, lecz dorosłym o innym sposobie myślenia. Więc zacząłem badać temat od zera. A rezultat był zaskakujący: po latach czytania książek na ten temat wystarczyło zaledwie kilka godzin krytycznego myślenia, by odkryć szczegóły, których wcześniej nie dostrzegałem.

Choć relacje bardzo się różnią, niemal wszystkie sięgają czasów starożytnych i brzmią mniej więcej tak:

„Mówi się, że pierwsze badania nad atomami sięgają czasów starożytnych, gdy najbardziej dociekliwi zastanawiali się, na ile części można podzielić wszystko. Po długich studiach doszli do wniosku, że rzeczy można dzielić tylko do pewnej granicy, pozostawiając na końcu fragmenty tak małe i niedostrzegalne, że nazwali je atomami."

Aby uchwycić tę ideę, wyobraź sobie, że niesamowicie się nudzisz i chwytasz cokolwiek podzielnego — wykałaczkę, liść, kawałek owocu — i dzielisz to na pół. I jeszcze raz. I jeszcze raz… aż w końcu nie możesz dalej. I proszę: masz atom! …a przynajmniej taka była idea.

Gdybyśmy mogli zatrzymać czas i pozostać przy tej opowieści, mógłbym bez trudu zbudować swój symulator: wystarczyłoby sprawić, by jabłko dzieliło się na dwa, na trzy…, ustalić granicę i gotowe. Ale to był dopiero początek historii.

To, co następuje, jest owocem dogłębnego studium faktów historycznych i odkryć, które stopniowo kształtowały to, co dziś nazywamy atomami.

Na początku XIX wieku brytyjski chemik John Dalton, w obliczu braku układu okresowego i symboli do przedstawiania pierwiastków chemicznych, stworzył własny system graficznej reprezentacji. Zasadniczo sporządził listę znanych pierwiastków — złota, srebra, węgla, tlenu... — i narysował przy każdym z nich okrąg z innym wzorem w środku, aby móc je od siebie odróżnić.

Dalton wyobrażał sobie atomy jako maleńkie, lite, niepodzielne kule, które powszechnie nazywał „cząstkami ostatecznymi", czymś w rodzaju granicy materii, poza którą nie można jej już podzielić. Jego praca zdołała raz na zawsze połączyć abstrakcyjną koncepcję atomu z eksperymentem chemicznym, dlatego historycznie uznaje się go za ojca teorii atomowej.

Niemal wiek później inny brytyjski naukowiec, Joseph John Thomson, próbując wyjaśnić naturę promieni katodowych, twierdził, że składają się one z maleńkich korpuskuł niosących elektryczność. Aby wyjaśnić, skąd biorą się takie cząstki, argumentował, że mieszkają one wewnątrz atomów, coś na kształt rodzynek w budyniu, i zbudował na tej podstawie teorię atomową opartą na tym budyniu z rodzynkami.

Warto zauważyć, że Thomson nigdy nie pokazał światu ani jednej z tych korpuskuł: wywnioskował je ze swoich eksperymentów, ale ich nie zobaczył. Mimo to idea ta zdobyła Nagrodę Nobla w 1906 roku i utrwaliła się jako fakt. Od tamtej pory atom przestał być skromną hipotezą i stał się czymś, czego nikt nie odważył się kwestionować. Wydarzenia te całkowicie zmieniły reguły gry dla ówczesnych naukowców, czyniąc z atomu i jego teorii pewną trampolinę do sukcesu.

Lata później nowozelandzki naukowiec Ernest Rutherford również połączył swoje badania nad promieniotwórczością z atomami i argumentował, że nie są one statyczne jak budyń Thomsona, lecz bardzo przypominają miniaturowy układ słoneczny. Dodał również nowy element — maleńkie jądro, w którym skupiona była niemal cała masa — i zbudował na nim nową teorię atomową.

Nowy planetarny model atomowy przypominał bardzo małe, dodatnio naładowane jądro, wokół którego krążyły cząstki o ładunku ujemnym (elektrony), tworząc coś na kształt układu orbitalnego. Trzeci element, neutron, jeszcze się nie pojawił: nie zostanie odkryty aż do 1932 roku. Za swoje badania nad substancjami promieniotwórczymi Rutherford otrzymał Nagrodę Nobla w 1908 roku.

Niemal równolegle z sukcesem Rutherforda młody Duńczyk Niels Bohr, próbując poprawić błędy w planetarnym modelu atomowym, dodał do niego poziomy orbitalne, poziomy energetyczne, skoki między orbitami, a nawet emisję i absorpcję światła, które uznał za fale elektromagnetyczne. Dzięki swojej pracy Bohr przekształcił to, co wcześniej było teoretyczną mapą wyjaśniającą pewne zjawiska, w coś, co wymagało zapełniania tablic, by to zrozumieć. W uznaniu swojego wkładu w strukturę atomów Niels Bohr zdobył Nagrodę Nobla w 1922 roku.

Po Bohrze pojawiła się niemal nieskończona lista błyskotliwych umysłów. Wszyscy oni dodawali coraz bardziej szalone teorie na temat atomów — nigdy wcześniej niewidzianych — rozbudowując swój aparat matematyczny do astronomicznych rozmiarów. Szczerze mówiąc, po godzinach lektury na ten temat, przyglądanie się każdemu modelowi atomowemu przypominało oglądanie sań Świętego Mikołaja: czegoś skandalicznie rozreklamowanego, czego nikt nigdy nie zdołał zobaczyć.

Skoro modele atomowe są mapą wyobrażeniową, nasuwa się bardziej szczere pytanie: czy kiedykolwiek widziano coś przypominającego atom? Krótka odpowiedź jest niewygodna: zależy, co rozumiemy przez widzenie.

Aby to lepiej wyjaśnić, wyobraźmy sobie, że patrzymy na jabłko: światło odbija się od jego powierzchni, dociera do nas i tworzy jego obraz w naszych oczach. Ale poniżej około 200 nanometrów ta sztuczka przestaje działać: zwykłe światło nie zwraca już portretu tego, co istnieje; wydaje się je omijać, nie rysując go, i płynie dalej, jakby to coś było przezroczyste. Tylko bardzo szczególne światło — niezwykle intensywne, jak to wytwarzane w wielkich akceleratorach cząstek — zdołało zbliżyć się do tej skali, a mimo to to, co dostarcza, to nie fotografie, lecz wzory: sylwetki i cienie.

Nauka, wykorzystując całą dostępną jej technologię, zaszła zdumiewająco daleko: potrafi zlokalizować rozmyte sylwetki, policzyć je, uporządkować jedna po drugiej, zmierzyć pole elektryczne w niewiarygodnie małych skalach. Ale każde z tych osiągnięć to pomiar przebrany za obraz, a nie bezpośrednie spojrzenie. To, co dziś nazywamy „zdjęciem atomów", wciąż pozostaje mapą — o wiele lepszą niż mapy Thomsona czy Bohra, ale mapą mimo wszystko. I trzeba to powiedzieć spokojnie, bez dramatyzowania: zmierzyliśmy jego ślad z niezwykłą precyzją; zobaczyć je, w prostym sensie, w jakim widzimy jabłko, jeszcze nie. I to samo dotyczy niemal wszystkiego, co bardzo małe lub bardzo odległe.

Hipoteza niemal naciągana, ale kluczowa: co by się stało, gdybyśmy w obliczu jej nieprawdopodobieństwa postanowili jednym pociągnięciem usunąć atom, wymazać każdy z jego modeli z klas szkolnych oraz ze wszystkich bez wyjątku gałęzi wiedzy?

Pierwszą rzeczą, jaka by się wydarzyła, byłby zupełny chaos w klasach i w edukacji. Podręczniki musiałyby zostać przepisane, wymazując ponad 200 lat historii. Miliony stron zostałyby pełne pojęciowych „dziur", przekreślonych słów lub zakazanych terminów, które uczyniłyby teksty całkowicie nieczytelnymi. Równania Schrödingera, struktury Lewisa i diagramy wiązań molekularnych utraciłyby podstawową przesłankę, zamieniając się w bezsensowne bazgroły. Całe rozprawy poświęcone nanotechnologii, fizyce jądrowej czy biochemii straciłyby ważność za jednym zamachem.

Nauka, ze swojej strony, nie zatrzymałaby się: szukałaby innych dróg — matematycznych, filozoficznych — aby wyjaśnić to, co wcześniej wyjaśniał atom. Bo świat nadal byłby zbudowany z tego samego. Wymazalibyśmy tylko mapę, nie terytorium.

Choć może się to wydawać mało prawdopodobne, za tym całym wysiłkiem — i tysiącami ludzi poświęcających całe życie, by coraz lepiej rysować atom — kryje się zakład: zgłębianie tego, z czego zbudowana jest materia na głębszym poziomie, obiecuje wszechświat pełen możliwości.

Transmutacja pierwiastków chemicznych mogłaby stać się wykonalna. Reaktory jądrowe już dziś zamieniają pierwiastki takie jak uran w pluton i cez. Bombardowanie lżejszych pierwiastków cząstkami również może zamienić je w cięższe. Jednak każda z tych przemian jest niezwykle kosztowna i niepraktyczna, a na dodatek zwraca znikome ilości. Wszystko to mogłoby się zmienić, gdybyśmy lepiej rozumieli ten proces i mogli kontrolować go na niższym poziomie.

Mówiąc żartem, moglibyśmy zamienić kamienie w złoto lub diamenty, wypełnić nimi banki, a potem zamienić je z powrotem w skały; a nawet pójść dalej i stworzyć nowe pierwiastki chemiczne o nowych właściwościach: materiały przeciwstawiające się grawitacji, nadprzewodniki w wysokich temperaturach… historię bez końca.

Druga nagroda jest już włączona, i to nie w laboratorium, lecz w Twoim domu: znaczna część światowej elektryczności pochodzi z ogromnego wysiłku, który pozwala nam wszystkim z niej korzystać. Lepsze zrozumienie materii mogłoby otworzyć sposoby wytwarzania energii, których jeszcze nie znamy, znacznie lepsze i wydajniejsze niż obecne. To nie licząc możliwości jej wykorzystania do celów militarnych, co na przestrzeni historii przyniosło tragiczne skutki.

Ale nie wszystko przyniosłoby tragedię. Za tymi badaniami kryje się nadzieja na udoskonalenie technologii takich jak jądrowy rezonans magnetyczny, niezbędny do diagnozowania chorób; lub na znalezienie nowych sposobów przetwarzania informacji, które mogłyby zaprowadzić przyszłe komputery do niewyobrażalnych granic. I, bez wątpienia najbardziej ambitny i wyobrażeniowy ze wszystkich, rysuje się stary cel: zrozumieć, czym jest czas i, być może, nauczyć się go kontrolować.

Wszystko to tłumaczy, dlaczego tak wielu nigdy nie odkłada ołówka i wciąż prowadzi badania. Jeśli dzięki mapie tak niewyraźnej i wyobrażeniowej jak atom zaszliśmy już tak daleko, jak daleko zaszlibyśmy, gdybyśmy mogli zrozumieć i kontrolować materię na jej najniższym poziomie?

Ostatecznie mój symulator pozostał jedynie próbą. Jak zapewne się domyślasz, symulowanie atomu na komputerze było jak próba łapania motyli z zawiązanymi oczami. Mimo to wszystko to sprawiło, że zainteresowałem się nie tylko atomami i ich wyobrażeniowymi modelami, lecz także podjąłem cały wszechświat wiedzy, która kiedyś nas fascynowała i którą, tak naprawdę, niewielu z nas zna.