Odkryj smak fizyki - Jerzy Przystawa - PDF.pdf

Jerzy Przystawa W Y D A W N I C T W O NAUKOWE PWN

Jerzy Przystawa ODKRYJ SMAK FIZYKI Wydanie drugie zmienione WYDAWNICTWO NAUKOWE PWN WARSZAWA 2013

Spis treści XI Przedmowa XV Od autora Fizyka bada naro dżiny Wszechświata 3 Promieniowanie reliktowe 11 Co to jest ciało doskonale czarne i jak można je rozpoznać? 13 Na drodze do Wielkiego Wybuchu 22 Hubble: Wszechświat się rozszerza 23 A cóż to jest efekt Dopplera? 28 Zagadkowe występowanie pierwiastków 30 Wracamy do Gamowa 34 Autorzy „ot , (3,*y” o pochodzeniu pierwiastków chemicznych 33 Trudno przekonać fizyków ifilozofów 37 Tylko gdzie jest to promieniowanie, które powinno być wszędzie, a nikt go nie zaobserwował? 37 Czy Wszechświat jest/byljednorodny? 38 Czy promieniowanie tla jest jednorodne? 39 Wysoko wgóry 39 Loty balonowe 40 Obserwatorium na pokładzie U-2 41 Konieczne jest wyjście w kosmos 41 COBE 43 Trzeba udać się na Biegun Południowy 1 Rozdział Spis treść i V

2 Rozdział Promieniowanie i kwanty 51 Czego potrzeba, aby odkrycia takie były możliwe ? 62 Przewodnik Piekary 63 O przewrocie,jaki w pierwszej połowie XX wieku dokonał się w fizyce 70 Pierwszy zgłasza się Max Planck 73 Drugi zgłasza się Einstein 3 Rozdział Mechanika kwantowa 87 Mechanika kwantowa 94 Granice poznania 94 Problem kota Schródingera 100 O czym nie powinni mówić fizycy? 102 Mechanika kwantowa rzuca wyzwanie naukom lorda Kelvina 103 Zasada nieoznaczoności 4 Rozdział Wokół jądra atomowego 113 Wokół jądra atomowego 127 Jak się dokonuje odkrycia na miarę Nagrody Nobla? 133 Jak naprawdę wygląda atom? Doświadczenie Rutherforda VI Spis treści

5 Rozdział Na drodze do wyzwolenia energii jądrowej 141 Krokodyl z Cambridge rozbija jądro 143 Ale jak to jest w ogóle możliwe? 146 Skąd wziąć energię potrzebną do pokonania bariery potencjału? 149 Gamowjeszcze raz! 131 Pierwsza brama do wyzwolenia energii jądrowej została otwarta 132 JamesChadwickodkrywa neutron 156 Zaroiło się na świecie od badań jądrowych! 6 Rozdział Energia, materia i nawet antymateria 164 Ile energii wyzwala się przy rozszczepieniujednego jądra litu? 165 Jakiej energii odpowiada taka masa? 166 Ile energii zużywa cala Polska w ciągu jednego roku? 167 Ile jąder litu trzeba rozszczepić, aby uzyskać taką energię? 168 Antymateria 179 Gdzie jest antymateria? 181 Pozytonowa tomografia komputerowa Spis treść i VII

7 Projekt Manhattan Rozdział i broń jądrowa 187 „Kopenhaga” 189 Nieudany wysiłek niemiecki 193 Epizodz ciężką wodą 196 Leó Szilard- spiritus movens 201 W Wielkiej Brytanii 202 „M anhattan” 203 Leslie Grovesi Robert Oppen 213 Sowiecka broń jądrowa 8 Rozdział Pierwsza rewolucja einsteinowska: Czas 222 Prędkość świada 229 Przesłanka druga: zasada względności 232 W iekXIX - wiek elektryczności i elektromagnetyzmu 244 Ale równania Maxwella mają jeden drobny „feler”! 243 Przekształcenia (transformacje) Lorentza 247 Albert Einstein: Panowie, tu chodzi o czas! VIII Spis treści

9 Rozdział Druga rewolucja einsteinowska: Przestrzeń 255 Pięć postulatów Euklidesa 256 Dygresja: Albertyna 257 Geometria hiperboliczna 264 Czasoprzestrzeń Minkowskiego 265 Jaka jest geometria Wszechświata? 10 Cząstki Rozdział elementarne 275 Elektrony, protony,neutrony 276 Układ okresowy 282 Co począć z rozpadem beta? 284 Neutrino Pauliego 289 Poltergeist-złośliwy duch domowy 290 Cowan i Reines 293 „Poltergeist”wiecznie żywy 294 „MakuluBass Goggafanger” 298 Neutrina 0 różnych „zapachach”ifa1 300 Neutrina „oscylują”! Spis treść i IX

11 Symetrie porządkujące Rozdział opis fizyczny świata 306 Cosmografia del minor mon do 311 Prawa zachowania 313 Prawo zachowania pędu 315 Prawo zachowania momentu pędu 316 Prawo zachowania energii 316 Lawina cząstek elementarnych 320 Symetrie C, P i T - symetrie odbić ładunku, przestrzeni 322 Twierdzenie CPT 323 Istnieją symetrie wewnętrzne 325 Kwarki (ąuarks) 329 Rewolucja Listopadowa 333 Model Standardowy 334 Uwięzienie i kolor kwarków 12 Symetria Rozdział spontanicznie złamana 349 Inny przykład:krzepnięcie (krystalizacja) 352 Jak to się ma do świata cząstek elementarnych? 353 Pola i cząstki 355 Przesunięcie Lamba 357 Lagranżjan 358 Model Standardowy jeszcze raz 358 Co z grawitacją? 359 Bozon Higgsa 365 Indeks nazwisk 371 Indeks rzeczowy X Spis treści

Przedmowa Zaintrygowany tytułem Odkryj smakfizyki potencjalny czytel­ nik zadaje sobie pewnie pytanie,czy taka książka może byćdlaniego odpowiednia, czy warto się w nią zagłębiać. Myślę, że rzut oka na przedmowę pozwoli mu przekonać się, że jak najbardziej warto. Odkryj smakfizyki powstała na bazie wykladówProfesora Przy- stawy dla studentów wydziałów humanistycznych Uniwersytetu Wrocławskiego, którzy zapragnęli poszerzyć swój program studiów. Ale to książka nie tylko dla nich, choć spodziewam się, że istotnie będzie się cieszyła dużym powodzeniem wśród humanistów wielu polskich uczęlni,zarówno wykładoweów,jak i studentów. Odkryj s?nakfizyki to przede wszystkim lektura dla czytelników po prostu kochających naukę - kimkolwiek są: dla amatorów lite­ ratury popularnonaukowej, dla początkujących saidentów fizyki, dla licealistów wykazujących uzdolnienia i zainteresowanie fizyką. Nigdy nie jest za wcześnie ani za późno, aby poznać smak fizyki,jej piękno, różne drogi dochodzenia doprawdy, bogactwo i różnorodność twórczości naukowej, komplikacje i prostotę odkryć, a także ich zna­ czenie dla nas wszystkich.Jak wspomina autor, książką, która może w największym, stopniu wpłynęła na moje życie, albowiem, zdecydowa­ ła o wyborze kierunku studiów i całej mojej karierze zawodowej, była książka Arkadiusza Piekary „Fizyka stwarza nową epokęTrafiłem na nią w bibliotece szkolnej Liceum. [...] i przeczytałem,ją, gdy imałem. 13 lat.Jestem przekonany,że Odkiyjsmakfizyki może miećpodobne znaczenie dla obecnego pokolenia młodzieży, zapoznając z kolejną, najnowszą epokąstworzoną przez fizykę. Przedmowa XI

Sięgając po tę książkę, czytelnik dowie się o fascynujących osiągnięciach fizyki XX wieku opisanych językiem przystępnym, aprzy tym precyzyjnym. Za­ dziwi go pewnie zdumiewający fakt, że dzisiaj teońa i eksperyment zgadzają się dojedenastego miejsca znaczącego, cojest zgodnością absolutnie rekordową! Mam nadzieję,że wśród czytelników znajdą się również politycy decydujący o fundu­ szach na rozwój nauk ścisłych w Polsce. Dedykuję im znakomite stwierdzenie polskiego fizyka, prof. Arkadiusza Piekary: Fizykajest funda?nente?n wszystkich nauk przyrodniczych i technicznych. Przestańmy mówić o praktycznych „zasto­ sowaniach”fizyki. Fizyka bowiem, nie „znajduje”zastosowania w technice,fizyka stiuorzyla technikę,jestjej źródłem, i istotą. Ifizyka ciągle tworzy nowe techniki. Mam także wrażenie,że dużą korzyść isatysfakcję z lektury tej książki mogą odnieść ludzie nauki różnych kierunków, zarówno humanistycznych,jak i ści­ słych, którzy zamknięci na co dzień w obszarze swoich specjalności będą mogli dowiedzieć się szerzej o tym, że pierwsza połowa X X wiekuprzyniosła dwa wiel­ kie, rewolucyjneprzeło?ny wfizyce: teońę względności i inechanikę kwantową. Obie teońe uzyskały piękną ?nate?natyczną strukturę, obie zostały potwierdzone w roz­ licznych eksperyinentach, a druga połowa wieku dala model narodzin i rozwoju Wszechświata i odkryła bogactwo świata cząstek elementarnych uporządkowa­ nego genialnym modelem standardowym. Wielką zaletą książki Odkryj sinakfizyki jest też jej świetny poziom mery­ toryczny. Autor przedstawia problemy fizyki XX wieku w sposób wysoce kom­ petentny - sam jest fizykiem (teoretykiem ciała stałego), uprawiającym naukę aktywnie i z dużym powodzeniem. Nie znam drugiej książki, która by przed­ stawiała te problemy równie całościowo, wyczerpująco i przystępnie. Zwykle można znaleźć jedynie poszczególne „podproblemy” rozsiane wewnątrz róż­ nych podręczników czy monografii. Tutaj zaś mamy spójną, całościowąwizję, zaprezentowaną niemal jak w powieści. Niezwykle żywe przedstawianie kolej­ nych kroków prowadzących do odkryć nadaje bowiem książce posmak literatu­ ry „przygodowejTwciągającej czytelnika, który nie może się wprost oderwać od śledzenia dalszych losów badań. Widać w tym wieloletnie doświadczenie autora jako utalentowanego wykładowcy i nauczyciela akademickiego. Chciałbym tutaj podkreślić, że traktuje on swoje nauczycielskie powoła­ nie znacznie szerzej niż uczenie wyłącznie fizyki. W omawianej książce znaj­ dujemy sporą ilość dygresji. Na przykład natury historycznej, o ograniczeniach XII Przedmowa

nakładanych na uprawianie nauki i niekiedy tragicznych losach konkretnych naukowców w czasach totalitarnych reżimów, faszystowskiego i sowieckiego, 0 burzliwym rozwoju nauki w Japonii, o fascynującym przedsięwzięciu tech­ nicznym i organizacyjnym projektu „Manhattan” prowadzącego do pierwszej broni jądrowej. Autor informuje czytelnika o polskich korzeniach wybitnych naukowców (np. Kroto, Fajans, Nernst, Kapica,Michelson) i znanych uczelni (Uniwersytet Królewiecki). Przypomina ważną rolę przedwojennych polskich szkól (Liceum w Rydzynie i Krzemieńcu),ich dalsze losy po wojnie, przy okazji porównuje ówczesny status i rangę zawodu polskiego nauczyciela z obecnym. Przy omawianiu promieniotwórczości wspomina polsko-francuskich uczonych - Marię i Piotra Curie i ich córkę Irenę. Wymienia odkrywcówhiperjąder - pro­ fesorów Uniwersytetu Warszawskiego Mariana Danysza iJerzego Pniewskiego, przedstawia krytyka mechaniki kwantowej - docenta Instytutu Badań Jądro­ wych Michała Gryzińskiego. Przytaczam wątki „poboczne”książki, gdyż uważam,że sąbezcenne dla po­ szerzania wiedzy młodego czytelnika (i nie tylko jego) dotyczącej cywilizacyjne­ go rozwoju świata. Co nie znaczy, że dominują one w całości dzieła. Podstawo­ wym celem realizowanym w książce jest fascynujący opis kolejnych odkryć fizyki XX wieku, przy tym nie tylko ich przedmiotu, ale równocześnie mechanizmów prowadzących do odkryć. Dowiadujemy się, czego potrzeba, aby odkrycia takie były możliwe - niezbędnajest ciekawośćświata ipotrzebajego zrozwnienia, dla­ czego cośsię nie udaje, cośprzeszkadza. Ambitni, ciekawifizycy, dociekają uparcie przyczyn drobnego zakłócenia, kieruje niini ten niezbędny niepokój wewnętrzny, potrzeba wyjaśnienia czegośniezrozwnialego [...]. Ulubiony?n słowem.,jakim. Dy- son określa właściwe, twórcze podejście do nauki, jest słowo „wywrotowy”. Uważa on, że w nauce nie tylko nie wolno być ortodoksem, ale trzeba być wywrotowcem. 1przez cale swoje życie był wierny tej zasadzie [...]. Zdaniem. Diraca,jest rzeczą dużo bardziejprawdopodobną, żeprawdziwajest teoria, która cechuje sięmatema­ tycznym pięknem, niż teoria „brzydka ”, którapoprostupasuje do danych doświad­ czalnych. Na przykładach kariery wielu wybitnych naukowców (często noblistów), przedstawionych w tekście, poznajemy rolę autorytetu naukowego, zarówno pozytywną, jak i negatywną: inlodzi adepci nauki przychodzą po naukę do au­ torytetów. To autory tetprofesorski mówi nam., którędy mamy iść, co robić, a czego Przedmowa XIII

się wystrzegać. Oczywiście, nie wszyscy się teinupoddają. Ale ci, którzy siępoddają, z reguły najlepiej na tym. wychodzą: szybko zdobywają kolejne stopnie naukowe itp. Autorytetjest w stanie złam.ać prawie każdą kańerę, zniechęcić dopodejmo­ wania lub kontynuowania badań, a nawet w ogóle wykluczyć z grona badaczy. Geniusz, ja k się wydaje, tak czy inaczej sobie poradzi. W życiu codziennym au­ torytety naukowe nie odbiegają od reszty społeczeństwa: mogą niczym się nie wyróżniać, ale też zdarzają się niezwykli pasjonaci (Germer),ekscentrycy i bon vivanci (Schródinger), skromni i nieśmiali (Chadwick), samoucy (Faraday). Tacy oni są, ci wszyscy dwudziestokilkuletni, trzydziestoletni geniusze, o których tutaj bez przerwy mówimy: to nie są książkowe inole, zasuszone w bibliotekach, to nie są wyobrażani na różnych inalowidlach staruszkowie - bajeczni mędrcy, to chłopcy (a zdarzają się i dziewczęta!)z te?npera?nente?n, do różańca i do tańca, by ju ż nie wspominać tego zawadiaki, który między jednym pojedynkie?n a drugim, życzył sobiejeszcze grać na skrzypcach! Potrzeba fantazji, żeby wy?nyślićneutrino, alepotrzeba też żelaznej logiki myślenia, żeby wszystkie fakty poukładać wgłowie i wyciągnąć wnioski, za które nagrodąjest nieśinierteiność. Spodziewam się, że tak jak ja, szerokie kręgi czytelników dostrzegą i doce­ nią liczne zalety tej książki, rozsmakująsię w fizyce, zachwycą pięknem nauki. Prof. dr hab. AndrzejHolas Warszawa, dn. 15.07.2010 Instytut Chemii Fizycznej PAN XIV Przedmowa

Od autora Inspirację do napisania tej książki zaczerpnąłem od wielkiego polskie­ go nauczyciela, imiwersyteckiego profesora i akademika, Arkadiusza Piekary (1904-1989). Osobiście nie miałem okazji spotkać profesora, ale jego książka Fizyka stwarza nową epokę, którą prze czytałem, mając 14 lat, zaważyła w sposób decydujący na wyborze mojej drogi życiowej i zawodowej. Teraz, kiedy ta dro­ ga już się kończy, trochę żałując, że nie zrobiłem tego wcześniej,postanowiłem zrewanżować się Arkadiuszowi Piekarze i napisać o mojej profesji coś na wzór tego, czego On dokonał w trudnych warunkach kończącej się II wojny świato­ wej. W podjęciu się tego zadania pomógł mi mój młodszy kolega, prof. Robert Olkiewicz, Dziekan Wydziału Fizyki i Astronomii Uniwersytetu Wrocławskie­ go, który doprowadził do otworzenia specjalnego semestralnego wykładu dla studentów wydziałów humanistycznych i społecznych, a mnie zaproponował prowadzenie tego wykładu. Na kanwie tego wykładu, zatytułowanego Miejsce i znaczeniefizyki wpoznaniu i rozumieniuświata,powstała niniejsza książka. Nie było moją ambicją ani przedstawienie historii fizyki, ani wyjaśnienie jakichkolwiek z kluczowych zagadek nauki i świata, jakich rozwiązywaniem zajmuje się fizyka. Chciałem tylko czytelnikowi przybliżyć urok tej trudnej i - zdawało by się - niedostępnej dyscypliny, którą tak wielu utalentowanych i in­ teligentnych młodych ludzi odrzuca na samym wstępie, ponieważ gruntownie zniechęciła ich do tego nieumiejętność mówienia o niej. Ten niedostatek, nieste­ ty, cechuje zbyt wielu nauczycieli i wykładowców tego przedmiotu. Święty Tomasz z Akwinu dał nam klasyczną definicję prawdy: oeritas est adeąuatio rei et inteUectus - prawda jest zgodnością intelektualnego poznania i rzeczywistości. Żadna inna dziedzina wiedzy nie ilustruje tak dobitnie sensu tego tomaszowego podejścia do prawdy. Tylko w fizyce mają miejsce takie przy- Od autora XV

padki, że oto miody człowiek siada, bazgrze coś na papierze,jakieś przedziwne hieroglify, a z tych hieroglifów wylania się RÓW NANIE - kwintesencja wysił­ ku intelektualnego. Z tego równania wynikają konsekwencje, które inni ludzie, w innych laboratoriach i pracowniach, sprawdzają z ogromną, niewiarygodną wręcz dokładnością! I te równania, płynące z ich INTELEKTU, jak prawdzi­ wy Deus ex Machina, zmieniają oblicze Ziemi. To wokół tych niesamowitych równań kręcić się będzie moje opowiadanie. Jestem, oczywiście, świadomy,że to opowiadanie nie jest, w żadnym razie, na miarę ich wielkości i znaczenia, ale ufam, że może, mimo wszystkich moich niedociągnięć, pozwoli niektórym z moich czytelników odkryć smak potrawy o nazwie fizyka. Z przyjemnością dziękuję moim uczonym kolegom i przyjaciołom,którzy zachęcali mnie do zrealizowania tego zamiaru i dzielili się ze mną swoimi uwa­ gami: Ludwikowi Dobrzyńskiemu, który wniósł najwięcej uwag i poprawek; Jurkowi Lukierskiemu, który swoje poświęcenie posuwał tak daleko, że nawet chodził na moje wykłady; Andrzejowi Holasowi, którego uwagi dostarczyły mi wiele satysfakcji; Cześkowi Oleksemu, który nigdy nie skąpił mi swego czasu, iJanuszowiJędrzejewskiemu,który jako Dyrektor Instytutu Fizyki Teoretycznej Uniwersytetu Wrocławskiego wspomagał mnie na różne sposoby. Nie mogę nie wspomnieć i o Łukaszu Turskim, który wprawdzie manuskryptu nie oglądał, ale bez którego pomocysztuka jego wydania byłabybardzo długa. Książka powstawała w Instytucie Fizyki Teoretycznej U niwersytetu Wro­ cławskiego, a nad jej zakończeniem pracowałem już w Narodowym Centrum Badań Jądrowych w Świerku. Dyrekcjom obu Instytutów należy się moja do- zgonn awdzięczność. Jerzy Przystawa XVI Od autora

ROZDZIAŁ 1Fizyka bada narodziny Wszechświata

Dwukrotnie, w roku 1978 i w roku 2006, NagrodęNoblaprzyznano fizykom za badania dotyczące tzw. promieniowaniareliktowego. Promieniowanie reliktowe Nagrody Nobla bywają różne: czasem uhonorowane jest jakieś doniosłe, konkretne odkrycie naukowe,czasem jestto nagroda „za caloksztal^bywa­ ją lata chude, kiedy Komitet Noblowski z trudem znajduje kogoś godnego wyróżnienia,czasem,w latach tłustych, ma nadmiar znakomitych kandyda­ tów, a czasem po prostu nie wyróżnia nikogo. W roku 2006 uhonorowani zostali dwaj astrofizycy amerykańscy, John C. Mather z Ośrodka Lotów Kosmicznych NASA wGreenbelt, w stanie Maryland, i George F. Smoot z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley.Jak głosi komunikat Komite­ tu, nagrodę tę otrzymali za „odkrycie zgodności kosmicznego mikrofalo­ wego promieniowania tła z modelem ciała doskonale czarnego i obserwację anizotropii tego promieniowania? Wyróżnienie to w sposób bezpośredni łączy się z przyznaną 28 lat wcześniej Nagrodą Nobla, jaką otrzymali dwaj radioastronomowie, Arno Allan Penziasi Robert Woodrow Wilson z Bell Telephone Laboratories za „odkrycie kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła” Oba te wyróżnienia znakomicie ilustrują różne drogi dochodzenia do prawdy,bogactwo i różnorodność twórczości naukowej,komplikacje i pro­ stotę odkryć, a także ich znaczenie dla nas wszystkich. Nagrodę Nobla przyznaje się zwykle dopiero wtedy, gdy odkrycie na­ ukowe zostaje szeroko uznane izaaprobowane jako wielkie osiągnięcie przez społeczność naukową. Praca Penziasa iWilsona, opublikowana w Astrophysics JournalLetterswlipcu 1965 roku, wyglądała nad wyraz skromnie:liczyła żale- Pro m ienbw anie reliktowe 3

Rys. 1.1. | Satelita COBE dwie 600 slow i nosiła tytuł: „AMeasurementofExcessAntenna Temperaturę at4080Megacyclesper Secondrczyli „Pomiar nadwyżki temperatury anteny przy częstości 4080 megacykli na sekundę”Nie można powiedzieć, żebybył to tytuł niesłychanie atrakcyjny i przyciągający uwagę, sygnalizujący odkry­ cie, które jeden z astronomów NASA określił jako „największe i najbardziej doniosłe odkrycie w pięciusedetniej historii nowożytnej astronomii” Sami autorzy zresztą niezupełnie zdawali sobie sprawę z jego wagi, a Robert Wil­ son przyznał, że uświadomił mu to dopiero artykuł opublikowany 21 marca 1965 wNew York Times. Penzias iWilson nie kryli,że odkrycia dokonali dość przypadkowo iw czasie prac, których celem było coś innego. Skromnie napi­ sali więc w cytowanej pracy,że „możliwe wyjaśnienie obserwowanej nadwyżki szumu podają Dicke, Peebles, Roli i Wilkinson”w innym liście do Redakcji, opublikowanym w tym samym czasie.Jednak kiedy wynik poszedł w świat, pojawiły się od razu opinie, że jest to być może największe odkrycie od czasu, gdy Mikołaj Kopernik ogłosił swójzDe Revolutionibus Orbium Coelestium. Zupełnie inaczej przedstawia się sprawa z nagrodą dla Smoota i Ma- thera, którzy swoje rewelacje ogłosili podczas wiosennego kongresu Amery­ kańskiego Towarzystwa Fizycznego w kwietniu 1992 roku. Smoot iMather Fizyka bada narodziny W szechśw iata

scali bowiem na czele licznych zespołów badawczych, aprezentowane wyniki były ukoronowaniem ćwierć wieku intensywnych poszukiwań, w których zaangażowane były ogromne pieniądze, wysiłek wielu uczonych, teoretyków i doświadczalników, wspaniałych inżynierów, konstruktorowi wynalazców, rezultatem eksperymentów w przestrzeni kosmicznej, lotów balonowych, samolotowych, rakiet iwreszcie tajemniczego satelity o nazwie CO BE- Co- smic BackgroundExplorer - Badacz Tła Kosmicznego, specjalnie w tym celu skonstruowanego, wyniesionego w listopadzie 1989 roku na orbitę około- ziemską, który od 3 lat przeprowadzał pomiary, dostarczał kosmicznych in­ formacji, analizowanych iopracowywanych przez całe zespoły badaczy. Można powiedzieć, że cały świat naukowy czekał, czy misja COBE za­ kończy się powodzeniem. Pomiary COBE miały bowiem odpowiedzieć na pytanie: czy odkryte przez Penziasa i Wilsona kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła - KMPT - ma charakter promieniowania ciała do­ skonale czarnego oraz czyjego rozkład w przestrzeni jest jednorodny, czy anizotropowy. Pomiary COBE przyniosły odpowiedź twierdzącą, a obraz tego niejednorodnego nieba - swego rodzaju mapy Wszechświata - szybko obiegł całą kulę ziemską1. Po ogłoszeniu pierwszych wyników COBE najsławniejszy może astro­ fizyk świata, Stephen Hawking,stwierdził, żejest to największe odkrycie stu­ lecia, a ?noże nawet największe odkrycie wszech czasowi Rys. 12 .1Mapa fluktuacji kosmicznego promienio­ wania tła 1 Zdjęcie przedstawia odchylenia od średniej temperatury promieniowania tła, która wynosi 2,725 kelwinów. Różnica pomiędzy temperaturą najwyższą(kolor niebieski) i najniższą (czerwo­ ny) wynosi ok. 30 mikrokclwinów, awięc 0,00003 K. Prom ieniow anie reliktowe 5

Będziemy w tej książce mówić oróżnych „rewolucjachjakich w ciągu ubiegłego stulecia dokonywała fizyka, o przemianach w naszym myśleniu 0 otaczającej nas rzeczywistości, o wpływie fizyki na nasze życie codzienne 1na filozofię. Dlatego wypada nam przyjrzeć się bliżej,o jaką rewolucjęko- pernikańską tutaj chodzi iczy te opinie były uzasadnione, czy niebyły tylko przejawem emocjonalnego stosunku badaczy do tych odkryć. Analiza tego przykładu i historia odkrycia pokazują nam nie tylko, jak fizyka i fizycy dochodzą do prawdy o rzeczywistości, ale także, na czym w istocie polega związek iwspółpraca fizyki teoretycznej i doświadczalnej. Jeśli nawet wykrycie kosmicznego mikrofalowego promieniowania tla zasługuje na opinię odkrycia na miarę odkrycia Kopernika, to wypada powiedzieć, że,przynajmniej jeśli chodzi o autorów tej rewelacji, Penziasa iWilsona, nie było odkryciem, którego oczekiwali. Chociaż każdy z mło­ dych adeptów nauki nosi w teczce niewypełnione oświadczenie o uzyska­ niu Nagrody Nobla, to młodzi, świeżo upieczeni niespełna trzydziestolet­ ni doktorzy nauk fizycznych, Arno Penzias i Robert Wilson, poszukiwali jedynie ciekawej pracy i interesującego tematu przyszłych badań. 28-letni Penzias uzyskał doktorat na Uniwersytecie Columbia, a o 3 lata młodszy Wilson przywędrował z Kalifornii. Nadarzała się dobra okazja,bo w roku 1960 w ośrodku Bell Telephone w Holmdel zbudowano gigantyczną an­ tenę, przypominającą ogromny róg, która miała być wykorzystana do celów telekomunikacyjnych, w szczególności do utrzymywania łączności z satelitą „Echo” umieszczonym na orbicie 12 sierpnia 1960. Zadaniem jej było utrzymywanie łączności mikrofalowej pomiędzy laboratoriami Jet Propulsion Laboratory w Kalifornii i Bell Telephone w Holmdel. Jednakże problem, do zajmowania się którym zatrudniono obu mło­ dych radioastronomów, szybko stracił na znaczeniu, ponieważ już w lip- cu 1962 roku na orbitę okołoziemską wszedł nowy satelita, bardziej no­ woczesny i wszechstronny, Telstar,za pomocą którego po raz pierwszy dokonano satelitarnej transmisji obrazu telewizyjnego. Zasady działania Telstara były zupełnie inne i wielka antena rogowa przestała być po­ trzebna. Spadło więc zapotrzebowanie na usługi obu radioastronomów ijuż w 1963 powiedziano im, że Bell Telephone nie stać na zatrudnianie dwóch takich specjalistów na pełnym etacie. Penzias i Wilson, po kole- 6 Fizyka bada narodziny W szechśw iata

żeńsku, podzielili się etatem po połowie, co pokazuje ciekawą stronę ich Rys. 13. | Antena rogowa osobowości, bo wydaje się, że mało kogo byłoby stać na takie rozwiązanie. Myślę też, że jest w tym pewna egzotyka i przykład raczej dość bezlito­ snego podejścia do młodych talentów w tym najbardziej rozwiniętym kraju świata. Warto zwrócić uwagę, że wypowiadano im pracę wtedy, gdy Penzias i Wilson już pisali doniesienie naukowe swego życia, które miało im wkrótce przynieść nieśmiertelną sławę i Nagrodę Nobla. Jest to też dowód na to, że ani kierownictwo Bell Labs, ani sami autorzy nie mieli wyobrażenia o ogromnej wadze ich odkrycia. Antena, jaką obsługiwać mieli Penzias i Wilson, była wysokoczulą an­ teną kierunkową,na co wskazuje jej oryginalny rogowy kształt - niczym luneta czy teleskop skierowany w konkretną stronę nieba. Tymczasem oka­ zało się, że w którąkolwiek stronę ją skierowali, przy pewnych częstościach pojawiał się sygnał zakłócający, o minimalnym natężeniu, ale jednak takim, że radiometr je rejestrowali którego pochodzenie było niezrozumiale.Wła­ śnie taki, jaki sygnalizuje tytuł ich epokowego listu do redakcjiA strophysi- cal JournalLetters: przy częstotliwościach ok. 4080 megacykli na sekun­ dę - a więc odpowiadający drganiom zachodzącym ok. 4 miliardów razy w ciągu każdej sekundy2. 2 W polskiej nomenklaturze stosujemy najczęściej jednostkę nazywanąhcrc (H z), od nazwiska fizyka niemieckiego Heinricha H ertza (1857-1894); lH z = l cykl/s. Prom ieniow anie reliktowe 7

Fizycy zajmują się mierzeniem różnych wielkości i porównywaniem ich ze sobą, dlatego musimy umówić się co do tego, jak się w fizyce porów­ nuje wielkości, co to znaczy „małe/a co „duże”. Zasadniczym pojęciem dla fizyka (a powinno być dla każdego) jest pojęcie rzędu wielkości. Będziemy więc mówić, że jakaś rzecz jest większa (lub mniejsza) od innej o rząd wielkości, jeśli jest ok. 10 razy większa (lub 10 razy mniej­ sza).Jeśli jest większa o dwa rzędy wielkości, to znaczy, że jest ok. 100 razy większa. Tak więc metr jest o dwa rzędy wielkości większy od centymetra ( lm = 100 cm), kilometr jest o trzy rzędy wielkości większy od metra, a o pięć rzędów większy od centymetra. Ponieważ pomiary fizyczne zawsze dają nam jakiś wynik liczbowy, więc te wyniki zapisujemy z reguły w syste­ mie dziesiętnym i za pomocąpotęg liczby 10. Zamiast pisać 1km = 1000 m = 100 000 cm = 1000 000 mm, piszemy 1 km = 103m = 105cm = 106mm albo zamiast pisać 1mm =0,1 cm = 0,001 m = 0,000001 km, piszemy 1mm = 10_1cm = 10-3m = 10~6km. Mówimy zatem, że milimetr to wielkość o 6 rzędów wielkości mniejsza od kilome tra. Przy takiej umowie częstotliwość drgań 4080 megacyklina sekundę zapi- szemyjako 4080 Mgc/s = 4080.1 000 000 c/s = = 4,08 •1 000 • 1000 000 = 4 ,0 8 .109c/s i powiemy, że Penziasi Wilson wykryli nadwyżkę promieniowania o czę­ stotliwości rzędu dziesięć do dziewiątej cykli na sekundę. Otaczająca nas przestrzeń jest wypełniona promieniowaniem elektro­ magnetycznym, albowiem nieustannie i w każdej temperaturze promieniują wszystkie ciała. Promieniująnadajniki radiowe itelewizyjne,Słońce,gwiazdy, nasze ciało, droga,samochody,wszystko. Spektroskopia, awięc dziedzina na- 8 Fizyka bada narodziny W szechśw iata

uki i techniki, która wykrywa i mierzy te wszystkie rodzaje promieniowania, potrafi na podstawie tych pomiarów określić, zjakim i ciałami czy substancja mi mamy do czynienia, wszystkie one mają albowiem swoje charakterysty ki. Wszystkie te rodzaje promieniowania mają naturę falową, a więc różnią się przede wszystkim długościami wypromieniowanych fal elektromagne tycznych. Załączony rysunek pozwoli nam zorientować się w świecie tych różnych rodzajów promieniowania. Podaje on długości fal elektromagne tycznych emitowanych przez różne obiekty (w metrach) iodpowiadające im częstotliwości drgań (w cyklach na sekundę). Jak widzimy, wykryte promieniowanie o częstotliwości 4,08 •109 cykli na sekundę odpowiada długości fali rzędu 10*1 metra, a więc 0,1 m, czyli 10 cm, w tym konkretnym wypadku jest to nawet określona pojedyncza długość fali 40,8 cm,jest to zatem promieniowanie, które należy do zakre su mikrofalowego. Typowym obiektem emitującym promieniowanie tego rzędu wielkości jest kuchenka mikrofalowa. Do zidentyfikowania źródła promieniowania nie wystarcza podanie za kresu fal, jakie ono emituje, konieczne jest bardziej szczegółowe określenie częstodiwości, jakie towarzyszą temu promieniowaniu, innymi słowy,ważny jest również rozkład widmowy,czyli to, z jakim natężeniem występująw nim Rys. 1-4.1Widmo promie niowania elektromagne różne częstodiwości. No i, naturalnie,gdzie się to źródło znajduje. tycznego Radiowe Mikrofale Podczerwień Światło Ultrafiolet Rentgenowskie Gamma Typ promieniowania 103 10'2 1(J5 widzialne lor5 10'10 10'12 Długość fali [m] 0,5 X 10-6 Budyńek Człowiek Motyl Ostrze igły Pierwotniaki Molekuły w w Atomy W Jądra atomowe dało o skali zbliżonej do długości fali Częstotliwość (Hz) -272 °C -173 °C 9,727 °C ~ 10.000.000 °C Temperatura ciałą którego maksimum promieniowania jest w danej długości fali Prom ieniow anie reliktowe 9

Otóż Penzias iW ilson stwierdzili, że nie można ustalić, gdziejest źródło tego „szumu? ponieważ pojawia się on przy dowolnym ustawieniu anteny! Promieniowanie to nie mogło zatem pochodzić od gwiazd,ponieważ gwiaz­ dy występują w określonych kierunkach, a ich widma były już przebadane. Nie mogło pochodzić od leżącego niedaleko Nowego Jorku, bo takie samo promieniowanie nadbiegało ze wszystkich innych kierunków. Podejrzewali więc,że musi to byćjakaś właściwość samego urządzenia,że źródło tkwi wsa­ mej antenie. Podejrzenie padło nawet na parę gołębi, które zagnieździły się w kąciku anteny,iże togołębie odchody zakłócająwidmo. Czyścili więc ante­ nę bardzo dokładnie, anawetwynajęli gołębiarza, abypozbyć się ptaków. Do kroniki nauki światowej przeszła,specjalnie skonstruowana,pułapka na gołę­ bie, która dziś znajduje się w SmithsoniarPsNational Air and Space Museum. Niestety, wszystkie te zabiegi w żaden sposób nie wpłynęły na poziom i charakterystykę zakłócającego pomiary szumu. Historia notuje,że zdespe­ rowany Arno Penzias zwierzył się ze swoich kłopotów Bernardowi Burkę z MIT. I wtedy przytrafiło się coś, co dowcipnie określił jeden z ich kole­ gów: „they looked for dung but found gold, which is just opposite of the experience of most of us” - „szukali gówna, a znaleźli złoto, odwrotnie niż to się przytrafia większości z nas.” Penzias i Wilson dowiedzieli się, że w niedalekim Princeton jest gru­ pa kosmologów, mianowicie wspomniani już Robert Dicke,James Peebles, P. S. Roił i DavidW ilkinson, którzy już od dłuższego czasu pracują nad tzw. modelem Wielkiego Wybuchu, z którego wynika,że powinno istnieć w ko­ smosie jednorodne promieniowanie o centymetrowej długości i że pracują nad zbudowaniem radiometru umożliwiającego jego wykrycie. Zpewnych teorii kosmologicznych wynika, że promieniowanie to powinno być cha­ rakterystyczne dla ciała doskon ale czarnego o temperaturze kilkukelwin ów. Iśmiejąjakieś stare prace teoretyczne,związane z nazwiskiem George’a Ga- mowa, przewidujące istnienie takiego promieniowania, ale o tych pracach już dawno zapomniano,ponieważ takiego promieniowania nie udało się nikomu wykryć. W tej sytuacji Penzias i Wilson zabrali się za dokładne pomiary tego „szumu”którego spowodowanie przypisywali gołębim odchodom. Po kil­ ku miesiącach pomiarów okazało się, że rzeczywiście,promieniowanie, 10 Fizyka bada narodziny W szechśw iata

które zakłócało ich pomiary, odpowiada co do swojej charakterystyki pro- mieniowaniuciała doskonale czarnego o temperaturze ok. 3 K, czyli -270 stopni w skali Celsjusza. Co to jest ciało doskonale czarne ijak można je rozpoznać? Wszystkie ciała emitująjakieś promieniowanie,jakieśpromieniowanie odbi­ jają i jakieśpochianiają. Przez ciało doskonale czarne rozumiemy takie ciało, które nie odbija żadnego promieniowania i pochłania wszystkie rodzaje pro­ mieniowania w jednakowym stopniu. Najlepszym przykładem jest odpo­ wiednio głęboka wnęka - dziura, w którą wpada wszelkie promieniowanie i nie zostaje odbite. Gdyż ulicy patrzymy na otwarte okno, wówczaswydaje nam się ono czarne,bo nie odbija promieniowania, tylko je pochłania. Ciało doskonale czarne ma zawsze określoną temperaturę iwypromie- niowuje różnego rodzajufale elektromagnetyczne.Jest to promieniowanie termiczne. Charakterystycznyjest rozkład widmowy tego promieniowania, inny dla każdej temperatury. Rys. 1.6. |Rozkład widmo- I właśnie taką charakterystykę tego „szumu”uzyskali Penzias i Wilson: promieniowania dała £ / y c o j doskonale czarnego, ten „szum” byl dochodzącym z każdego kierunku promieniowaniem ciała 7,

Rys. 1.7 |T-shirtz odkry­ ciem Penziasa iWilsona go. Fakt ten przyjmujemy dziś za jeden z kamieni węgielnych mechaniki kwantowej. Odkrycie Penziasa iWilsona trafiło na T-shirty wyprodukowane z oka­ zji tego wydarzenia. Widzimy wzór Plancka, w którym występują trzy uni­ wersalne stale fizyczne: stała Plancka h, prędkość światła w próżnic i stała Boltzmanna k.Jeśli do tego wzoru zamiast T wstawimy 3 K, to otrzymamy wykres zarejestrowanej przez Penziasa i Wilsona zależności gęstości energii (natężenia) od częstotliwości (a właściwie od długości fali) promieniowania. Wszystko przyozdobione rubasznym, a wymownym napisem : „NAUKA. To naprawdę działa, wy... tacy owacy.” Rys. IB .|Arno Penzias iRobertWilson 12 Fizyka bada narodziny W szechśw iata