Czego nie widać gołym okiem

NA OGÓŁ nie widzimy drobniutkich cząsteczek kurzu unoszących się w powietrzu. Ale gdy tylko przez okno zaświeci słońce, to, co było niedostrzegalne, nagle ukazuje się naszym oczom. W intensywnym oświetleniu ukryte przedtem drobinki stają się widoczne dla ludzkiego wzroku.

Pomyślmy o widzialnym świetle, które gołym okiem odbieramy jako białe lub bezbarwne. Co się dzieje, gdy światło słoneczne pada pod odpowiednim kątem na kropelki wody? Działają one niczym pryzmat i w rezultacie widzimy przepiękne barwy tęczy!

Ludzkie oko odbiera jako kolory światło o różnych długościach fali, odbijane przez otaczające nas przedmioty. Na przykład trawa sama nie wysyła zielonego światła, lecz pochłania wszelkie fale świetlne prócz tych, których długość odpowiada barwie zielonej. Właśnie to światło, odbite od trawy, trafia do naszych oczu, więc trawę widzimy jako zieloną.

Człowiek uzbraja oko w przyrządy

Liczne rzeczy niewidzialne gołym okiem stały się obecnie widzialne dzięki nowoczesnej technice. Gdy przez zwykły mikroskop przyjrzymy się jałowej z pozoru kropli wody, dojrzymy w niej najróżniejsze poruszające się żyjątka. Włos, który normalnie widzimy jako gładki i równy, w powiększeniu okazuje się szorstki i karbowany. Mikroskopy o wielkiej rozdzielczości powiększają nawet milion razy — tak powiększony znaczek pocztowy miałby rozmiary państewka!

Pod jeszcze silniejszymi mikroskopami naukowcy uzyskują dziś obrazy powierzchni w skali atomowej. Mogą zobaczyć rzeczy, które całkiem niedawno były poza zasięgiem ludzkiego wzroku.

Można też obserwować coś zupełnie innego — gwiazdy na nocnym niebie. Ile zdołamy ich dostrzec? Gołym okiem najwyżej kilka tysięcy. Ale kiedy 400 lat temu wynaleziono lunetę, ludzie zobaczyli, że jest ich znacznie więcej. W latach dwudziestych naszego stulecia silny teleskop w obserwatorium astronomicznym na Mount Wilson ujawnił, że oprócz naszej galaktyki istnieją inne, również składające się z niezliczonych gwiazd. Naukowcy, uzbrojeni we współczesne wymyślne urządzenia do obserwacji wszechświata, szacują, że istnieje dziesiątki miliardów galaktyk, z których niejedna utworzona jest z setek miliardów gwiazd!

Dzięki teleskopom wyszło na jaw coś zdumiewającego: te miliardy gwiazd, które na pozór znajdują się tak blisko siebie, iż wyglądają niczym „droga mleczna”, w rzeczywistości są od siebie niezmiernie odległe. Natomiast niezwykle silne mikroskopy pozwalają zobaczyć, że to, co oglądane gołym okiem wydaje się zwartą substancją, w rzeczywistości jest zbudowane z atomów, te zaś są prawie zupełnie puste.

 Niewyobrażalnie małe

Najmniejszy punkcik widoczny pod zwykłym mikroskopem jest utworzony z przeszło dziesięciu miliardów atomów! Co więcej, w roku 1897 odkryto, że w skład atomu wchodzą maleńkie cząstki — nazwano je elektronami. Później okazało się, że jądro atomu, wokół którego krążą elektrony, zbudowane jest z większych od nich cząstek: neutronów i protonów. Atomy dzielą się na poszczególne rodzaje, tworząc 88 naturalnych pierwiastków ziemskich, i choć mają bardzo zbliżoną wielkość, różnią się masą, co wynika z niejednakowej liczby elektronów, neutronów i protonów.

Elektrony (a w wypadku wodoru pojedynczy elektron) wirują w przestrzeni wokół jądra atomowego z częstotliwością miliardów obrotów na milionową część sekundy; ich ruch nadaje atomom kształt i sprawia, że zachowują się, jak gdyby były jednorodne. Masa protonu lub neutronu równa się masie około 1840 elektronów. Zarówno proton, jak i neutron jest w przybliżeniu 100 000 razy mniejszy od całego atomu!

Żeby zrozumieć, jak puste są atomy, porównajmy do czegoś jądro atomu wodoru oraz obiegający je elektron. Gdyby to jądro, zbudowane z pojedynczego protonu, miało wielkość piłki tenisowej, elektron znajdowałby się od niego w odległości trzech kilometrów!

Obchody setnej rocznicy odkrycia elektronu były okazją do następującej refleksji: „Mało kto wątpi w stosowność uroczystości poświęconych czemuś, czego żaden człowiek nie widział, co nie ma uchwytnych wymiarów, ma za to mierzalną masę, ładunek elektryczny i wiruje jak bąk (...) Nikt już dzisiaj nie wątpi o istnieniu rzeczy, których nie może zobaczyć”.

Jeszcze mniejsze drobinki

Doprowadzając za pomocą akceleratorów do zderzeń pomiędzy cząstkami materii, naukowcy niejako wejrzeli w jądro atomu i w rezultacie opisali wiele cząstek elementarnych o dość tajemniczych nazwach, jak choćby pozytony, fotony, mezony, kwarki i gluony. Nie da się ich zobaczyć nawet pod najsilniejszymi mikroskopami. Ale dzięki różnym detektorom, na przykład komorze Wilsona, komorze pęcherzykowej czy licznikowi scyntylacyjnemu, można wykryć ślady ich istnienia.

Uczeni widzą dzisiaj rzeczy jeszcze do niedawna niewidoczne. W trakcie badań coraz lepiej uświadamiają sobie doniosłą rolę czterech oddziaływań uważanych za podstawowe. Chodzi o grawitację, oddziaływanie elektromagnetyczne oraz dwie inne siły, działające na poziomie jąder atomowych — tak zwane oddziaływanie silne i oddziaływanie słabe. Niektórzy uczeni pracują nad sformułowaniem „teorii wszystkiego”, mającej stanowić zrozumiałe wyjaśnienie całego wszechświata: makro- i mikrokosmosu.

Jaka nauka wypływa z faktu, że można zobaczyć rzeczy, których nie widać gołym okiem? Do jakich wniosków prowadzi niejednego człowieka zdobyta wiedza? Na te pytania odpowiedzą kolejne artykuły.

[Ilustracje na stronie 3]

Obraz atomów niklu (u góry) i platyny

[Prawa własności]

Za zgodą IBM Corporation, Research Division, Almaden Research Center