Czy naukowcy doznają „ odkrywczych objawień”, czy też dokonują odkryć dzięki permanentnej analizie problemu i czy punktoza w dokonywaniu takich odkryć pomaga?

Przyjęło się uważać, że objawienie jest zarezerwowane w zasadzie tylko dla proroków czy świętych. Jednak określenie wizjoner raczej nie ma konotacji religijnych. Skąd przychodzą więc naukowcom do głowy rozwiązania problemów? Niekiedy oczywiście wynikają z prowadzenia systematycznych analiz, w trakcie których dojście do rozwiązania jest konsekwencją mozolnej, logicznej pracy. Czasem opierają się o działania na zasadzie prób i błędów, co oczywiście nie oznacza, że wybór tego, co jest próbowane, odbywa się w sposób chaotyczny. Jednak historia nauki obfituje w anegdoty, zmyślone historie, jak również opisy udokumentowane, które sugerują, że niektóre odkrycia przypominają bardziej objawienia/wizje niż odkrycia dokonane metodą naukową. Co albo kto jest źródłem incepcji (infekcji koncepcyjnych), które spotykają naukowców? Zapewne najprostszą odpowiedź będzie taka, że świat, który obserwują. Czy nie jest to jednak spłycanie zjawiska – sprowadzanie go do banału?

Punktoza to potoczne określenie zjawiska polegającego na tym, że naukowcy prowadzą nie takie działania, które dają poważne efekty naukowe, tylko takie, które przynoszą dużo punktów w systemach oceny. Takie systemy oceny otwierają drzwi do awansów naukowych, ale nie musi to sprzyjać autentycznemu rozwojowi naukowemu.

Sny Kartezjusza, Afreda Wallace’a i Otto Loewiego

Kartezjusz twierdził, że słynne „Cogito ergo sum – Myślę więc jestem” to owoc snu – medytacji, w czasie której odkrył, że możemy śnić cały czas, a to co uznajemy za nas otaczające, może być złudzeniem. Może coś być na rzeczy, skoro twórcy takich filmów, jak „Matrix” czy „Incepcja” inspirowali się sceptycyzmem Kartezjusza.

Alfred Russel Wallace oznajmił, że idea ewolucji naturalnej nawiedziła go we śnie. Był antyszczepionkowcem i jak wielu naukowców jego czasów interesował się np. spirytualizmem, co dla niektórych stanowi argument, by podważać jego wersję o śnie ewolucjonistycznym.

Wiele opisów jest jednak bardzo wiarygodnych. Laureat nagrody Nobla Otto Loewi opisał, że zaplanował we śnie, jak badać przewodnictwo nerwowo-mięśniowe – szerzej opisał synapsy. Pierwszej nocy miał wizję. W ciągu dnia nie mógł sobie przypomnieć planu eksperymentu. Na szczęście kolejnej nocy wizjonerski sen się powtórzył, albo nawet był kontynuowany.

„W noc poprzedzającą Niedzielę Wielkanocną [1920 r.] obudziłem się, zapaliłem światło i zapisałem kilka notatek na maleńkim kawałku cienkiego papieru. Potem znowu zasnąłem. O szóstej rano przyszło mi do głowy, że w nocy zapisałem coś ważnego, ale nie udało mi się rozszyfrować bazgrołów. Następnego wieczoru o 15:00 pomysł powrócił. Był to projekt eksperymentu mającego na celu ustalenie, czy hipoteza o transmisji chemicznej, którą wypowiedziałem 17 lat temu, była słuszna. Natychmiast wstałem, poszedłem do laboratorium i przeprowadziłem prosty eksperyment na sercu żaby, zgodnie ze schematem nocnym.”

Ciekawe, że Loewi stwierdził, iż idea ta tliła się w jego umyśle przez siedemnaście lat.

Inny noblista, Niels Bohr opowiadał, że elektrony krążące wokół jądra atomowego, podobnie jak planety wokół Słońca, przyszły mu do głowy we śnie. Testując swoją „wyśnioną” hipotezę, stwierdził, że struktura atomowa jest w rzeczywistości do niej podobna.

Bohr jak na fizyka wypowiadał się w sposób, który burzy pojmowanie racjonalności.

„Musimy jasno powiedzieć, że w przypadku atomów języka można używać tylko tak, jak w poezji.”

Zwykło się uważać, że poezja jest miejscem, w którym zatraca się granicę między racjonalnością, a metafizyką. Poezja jest miejscem bliższym snów, a fizyka jawy. Tymczasem fizyk stwierdził, że istnieje związek między poezją a nauką.

Mendelejew, Elias Howe, August Kekulé, Srinivasa Ramanujan

Mendelejew tak opisuje swoją wizję, kiedy wpadł na pomysł układu okresowego.

Widziałem we śnie tablicę, na której wszystkie pierwiastki układały się zgodnie z wymaganiami. Budząc się, od razu zapisałem to na kartce papieru. Poniżej jego notatki (pamiętnik).

Ktoś złośliwy mógłby przypomnieć, że doktorat Mendelejewa dotyczył metod otrzymywania etanolu. Ale raczej nie wypada tym tłumaczyć jego odkrycia.

Amerykański wynalazca Elias Howe poświęcił wiele czasu, próbując stworzyć „maszynę do zszywania tkanin”. Wreszcie przytrafił mu się dziwny sen. W śnie został porwany przez kanibali. Dostał 24 godziny na zbudowanie maszyny do szycia. Nie zrobił tego, został więc nabity na włócznię z dziurami na obydwu końcach. Wtedy wynalazł maszynę do szycia nazwaną stębnówką.

August Kekulé odkrył strukturę benzenu również w czasie wizji sennej. Benzen śnił mu się jako wąż zjadający swój ogon. Na marginesie wąż zjadający swój ogon był w Europie znany głownie jako symbol alchemików (uroboros). Związek uroborosa z alchemią próbował nawet wyjaśnić Carl Jung.

Kekulé tak opisał swój sen:

Odwróciłem krzesło do kominka i pogrążyłem się w półśnie. Znowu atomy harcowały przed moimi oczami. Tym razem mniejsze grupy trzymały się skromnie z tyłu. Moje duchowe (mentalne) oko, wyostrzone przez powtarzające się podobne wizje, rozróżniło teraz większe twory o różnorodnym kształcie. Długie szeregi, kilkakrotnie ściśle ze sobą złączone, wszystko w ruchu, wijące się wężowato i skręcające się. Patrzę! Co się stało? Jeden z węży chwycił swój własny ogon i szyderczo kręcił się przed moimi oczami. Obudziłem się jak rażony piorunem i resztę nocy spędziłem na poznawaniu wniosków z tej hipotezy.

Friedrich August Kekulé – Biography, Facts and Pictures (famousscientists.org)

Srinivasa Ramanujan jest uznawany za ważnego matematyka, chociaż nie miał pełnego wykształcenia naukowego (zmarł niestety młodo). Twierdził, że bóstwo Hindu Namagiri ukazywało mu się w snach podpowiadając matematyczne dowody. Jeden z jego snów miał być taki.

„Podczas snu przeżyłem coś niezwykłego. We śnie pojawił się czerwony ekran utworzony przez płynącą krew. Obserwowałem go. Nagle czyjaś dłoń zaczęła pisać na ekranie. Cały zamieniłem się w uwagę. Ręka ta napisała wiele całek eliptycznych. Utkwiły mi one w pamięci. Gdy tylko się obudziłem, poświęciłem się pracy.”

Historia Ramanujana została sfabularyzowana w filmie „Człowiek, który znał nieskończoność”.

Nie wszystkie historie o snach naukowców są równie wiarygodne, ale nie tylko w trakcie snów dokonywali odkryć w odmiennych stanach świadomości.

Albert Einstein i Nikola Tesla mieli doświadczać tzw. świadomych snów, dzięki którym dokonywali odkryć. W przypadku Einsteina trzeba uważać, żeby nie pomylić powieści (noweli) (Einstein’s Dreams), w której w sposób literacki, ale mający niewiele z rzeczywistością, opisano odkrycie teorii względności.

Podobnie trzeba traktować bardzo krytycznie historię o tym, że sen o schodach przyczynił się do odkrycia struktury DNA przez Jamesa Watsona. Watson, kiedy opisuje bardzo szczegółowo odkrycie, nic o tym ni mówi.

Zjawisko to dotyczy nie tylko naukowców. Muzycy (Paul McCartney “Yesterday”), pisarze (Mary Shelley “Frankestein”), poeci, reżyserzy (James Cameron Terminator, Stephen King “Misery”), malarze (Salvador Dali), informatycy (Larry Page – Google) i wielu innych „zostali nawiedzenie w snach ideami”.

Oczywiście sam proces dokonywania takich odkryć nie musi mieć miejsca we śnie. Anegdoty o jabłku, które uderzyło w głowę Newtona czy wannie, w której miał siedzieć Archimedes mają o tyle związek z rzeczywistością, że za pomocą symbolicznych historii pokazują, iż umysły tych odkrywców permanentnie analizowały problem.

Zapewne wszystkie te osoby były skupione na problemie, którym się zajmowały przez wiele tygodni, a nawet miesięcy, przechodząc w tym czasie w stan z pogranicza analizy i medytacji. Nie da się ukryć, że nie jest to coś czego, uczą w podręcznikach metodologii prowadzenia badań naukowych. Jest to raczej połączenie bardzo długotrwałej wręcz obsesyjnej analizy z „iskrą bożą”.

Podsumowanie czyli czy można mieć takie sny, albo dokonywać takich odkryć żyjąc w punktozie…

Oczywiście większość naukowców to ani Kartezjusze, ani Mendelejewowie, ale wniosek z powyższych przykładów płynie jeszcze jeden. Ciągłe wikłanie naukowców w dziesiątki spraw administracyjnych, punktoz itp. nigdy nie będzie służyło takiemu skupieniu się na problemie, na jakie mogli sobie przyzwolić badacze, których rozwiązania opisano w powyższych przykładach. Mogą się raczej przyśnić punkty niż odkrycia.

Zimna fuzja – czyli porozmawiajmy o sci-fi

Skąd moje wątpliwości? Skoro zostałem poproszony o rozwinięcie myśli zawartej w cytowanym komentarzu, to skorzystam z możliwości publikacji na łamach naszego portalu − tu mam po prostu więcej znaków za darmo. Autor cytowanego komentarza omyłkowo nazwał trwające od lat pięćdziesiątych ubiegłego wieku badania nad fuzją jądrową badaniami nad “zimną fuzją”. Projekty takie jak np. ITER starają się opanować w warunkach ziemskich fuzję termojądrową. Jak do tej pory próby te spełzły na niczym i nie sądzę, aby udało się szybko osiągnąć jakiś znaczący przełom niezależnie od zainwestowanych środków, bo to po prostu karkołomne zadanie.

Fuzja termojądrowa to fuzja “gorąca” − bardzo gorąca, bo mowa o materii rozgrzanej do milionów kelwinów, którą trzeba kontrolować za pomocą np. pola magnetycznego. Tylko w takich warunkach jądra atomowe mogą się skleić, tworząc inne. Wiemy to z obserwacji − także naocznych. Słońce “świeci”, a energia do tego procesu musi skądś się brać. Jedynym źródłem jest sama materia, z której jest ono zbudowane. Wiemy również że proces ten jest inny niż proces spalania węgla. Z doświadczeń w warunkach ziemskich wiemy też, że gdy porównać masę np. dwóch protonów i dwóch neutronów z masą jądra 4He (składającego się z dwóch protonów i dwóch neutronów), to okaże się, że choć położyliśmy po obu stronach wagi takie same nukleony, to jądro helu jest lżejsze. Oznacza to, że łączenie lekkich jąder w cięższe powoduje, iż otrzymujemy energię, którą można wykorzystać.

Tylko jak przekonać jądra np. wodoru, aby zachciały połączyć się w jądro helu? Przenoszą ten sam ładunek elektryczny, czyli gdy zbliżać je do siebie, to będą się odpychać − co ustalił niejaki Coulomb, stawiając barierę związaną z oddziaływaniem elektrostatycznym. Pokonanie tej bariery jest możliwe, o czym świadczy istnienie np. tlenu, żelaza czy uranu. Jądra tych pierwiastków zawierają wiele protonów o dodatnim ładunku elektrycznym, które powinny się odpychać, a jednak istnieje tajemnicza siła, która je spaja. Jest silniejsza od elektromagnetyzmu, więc nazwano ją oddziaływaniem silnym. Jest ono krótkozasięgowe: obszar, na którym przeważa nad elektromagnetyzmem to dystans około 10-15 m (biliardowe części metra) i taki jest mniej więcej rozmiar protonu, będącego jądrem powszechnie występującego protu, tj. jednego z izotopów wodoru. Tego akurat mamy we Wszechświecie mnóstwo, więc opanowanie procesu, który pozwoliłby zamienić go w hel i uzyskać energię, to gra warta świeczki.

W gwiazdach, posiadających masy nieporównywalnie większe niż masa naszej planety, sprawiają to grawitacja i temperatura. Ogromna temperatura oznacza po prostu, że cząstki bardzo energicznie drgają, a to z kolei oznacza wysoką energię kinetyczną, zdolną do pokonania bariery związanej z ładunkiem elektrycznym i umożliwiającą zbliżenie się cząstek na tyle, by oddziaływanie silne mogło złączyć je w większe jądro. Jak wysoka temperatura pozwoli nam na fuzję? Około 15 milionów kelwinów. Dla porównania, mój termometr na zewnątrz pokazuje wartość 291,15 K. Wszystkie nasze dotychczasowe próby z fuzją polegały na rozgrzaniu materii w ten czy inny sposób i utrzymaniu jej razem na tyle długo, by proces ten mógł zajść tak, jak zachodzi w gwiazdach. I jak do tej pory jedyne sukcesy można porównać do rozpalenia zapałki przy pomocy lasera: da się, ale to niepraktyczne. Opanowanie fuzji na gorąco wymaga jeszcze wielu lat badań i rozwiązania wielu problemów związanych z radioaktywnymi odpadami czy promieniowaniem gamma, które powstają w takim procesie w obfitości.

A co z “zimną fuzją”? Tak nazywa się każdy proces, który mógłby doprowadzić do powstania nowego jądra atomowego z połączenia dwóch lżejszych w warunkach mniej ekstremalnych niż te panujące we wnętrzach gwiazd. Biorąc pod uwagę powszechność występowania paliwa, które można wykorzystać do fuzji jądrowej, to mielibyśmy spokój z energią właściwie do końca istnienia Układu Słonecznego! Jeśli do tego czasu nie wymyślimy czegoś innego, to i tak nie będzie to miało żadnego znaczenia dla naszego gatunku. Czy to jednak możliwe w jakikolwiek sposób? Czy bez olbrzymiej temperatury i grawitacji da się jakoś przekonać cząstki o tożsamym ładunku elektrycznym do zbliżenia się do siebie na tyle, by siły jądrowe mogły zadziałać?

Naukowcy z Lawrence Livermore National Laboratory mają sposób! Oprócz projektu znanego jako National Ignition Facility, który bada fuzję na gorąco, bada się tam również zjawisko tzw. “eksplozji Coulombowskiej”. Jeśli zgromadzić jądra deuteru w jednym miejscu, a następnie je zjonizować, to zaczną się odpychać − tym silniej, z im większą liczbą sąsiadów muszą się odpychać. Daje to mnóstwo energii potencjalnej, którą można zamienić w kinetyczną. Proces ten polega na rozprężeniu deuteru w komorze próżniowej w niskiej temperaturze. Powstała mgła jest jonizowania impulsami lasera. Całkowita jonizacja atomów deuteru powoduje, że zaczynają się one odpychać tak silnie, iż mogą przekroczyć barierę elektrostatyczną. Przy czym ten proces, jak wykazały wielokrotnie powtarzane eksperymenty, jest możliwy wyłącznie w skali mikro. To nie jest droga do zbudowania reaktora, który umożliwi nam pozyskiwanie energii z procesu fuzji w sposób ciągły i użyteczny.

Czy więc istnieją jakieś sposoby, aby doprowadzić do fuzji w inny sposób, niż nadając cząstkom temperatury rzędu milionów kelwinów lub rozpędzając je w akceleratorach takich jak LHC? Skoro rozmawiamy o cząstkach posiadających ładunki elektryczne, to może wykorzystać jakoś silne pole magnetyczne, którym zepchniemy jądra deuteru na tyle blisko, aby zaszła fuzja? Tak, to możliwe, z tym że potrzebne by było pole o natężeniu ok. 1011 T, czyli mniej więcej takie, jakie panuje we wnętrzach gwiazd neutronowych − wystarczające do zabicia każdego żywego organizmu. Nie chcemy tego robić.

No, ale może da się jakoś inaczej? Przecież można rozpędzić jony w polu elektromagnetycznym i ostrzelać nimi inne, znajdujące się względem nich w spoczynku? Taką możliwość dają kryształy piroelektryczne, tj. takie, które wytwarzają pole elektryczne w wyniku podgrzewania. Taki eksperyment wykonano w 2005 roku na Uniwersytecie Kalifornijskim, gdzie podgrzewano kryształ z jednej strony. Powodowało to powstanie pomiędzy jego końcami pola elektrycznego, które przyśpieszało jony natężeniem rzędu 25 GV/m! Zmierzona energia jonów dochodziła do 100 keV, co odpowiada temperaturze ok. 1 GK a więc znacznie przewyższającej potrzebną do zajścia fuzji. To faktycznie działa; problemem jest tylko, tak jak w poprzednim przypadku, skala: nie da się wykorzystać tego zjawiska do budowy reaktora, bo nie istnieją odpowiednio duże kryształy ani nie da się ich wytworzyć w żaden sposób. Zresztą nawet gdyby się dało, to w większej skali sama temperatura cząstek zniszczyłaby taki kryształ, a jednorazowa elektrownia nam do niczego niepotrzebna. W małej skali to świetne źródło neutronów i nic poza tym.

No to może jeszcze inaczej? Weźmy taką cząsteczkę wody: H2O czyli H+ i OH. Można rozbić ją na dwa jony − da się tak zrobić przy pomocy elektrolizy, podczas której przepływ prądu sprawi, że jony naładowane dodatnio będą zbierać się na katodzie, a ujemnie na anodzie. A jeśli zbierze się dostateczną ilość odpowiednich jonów? Tak właśnie pomyśleli panowie Pons i Fleischmann gdy w 1989 prowadzili elektrolizę ciężkiej wody − tj. wody zawierającej w cząsteczce jądra deuteru zamiast protu − przy użyciu porowatej katody wykonanej z palladu. Dodatkowe ciepło wytwarzane w tym procesie oraz produkty reakcji wskazywały na fuzję. Podobne wyniki szybko osiągnięto w kolejnych laboratoriach − ot, naukowcy tak bardzo chcieli, żeby to była prawda, że ulegli efektowi potwierdzenia (o którym więcej możecie przeczytać tutaj Efekt potwierdzenia, czyli złoty interes Martina Frobishera) i widzieli coś, czego tak naprawdę nie było. Kolejne dokładne testy i eksperymenty zaprzeczyły, aby w takich warunkach mogło dochodzić do fuzji, choć nie wykluczono, że panowie wpadli na trop jakiego nowego zjawiska fizycznego.

Wiadomo też o niejakim A. Rossim, który w 2011 uzyskał patent na urządzenia nazwane “katalizatorem energii”. Ma ono rzekomo prowadzić do fuzji atomów niklu i wodoru, powodując powstanie miedzi. Komora reaktora ma zawierać jakieś bliżej niesprecyzowane katalizatory i ogrzewać się w wyniku zjawiska oporności elektrycznej. Ponieważ Rossi odmawia poddania urządzenia niezależnym testom, jak również nie opublikował opisu rzekomo zachodzącego zjawiska, to uważam, że można je postawić na tej samej półce, na której trzymamy “perpetuum mobile” i homeopatię. Mamy rok 2024 i żadna wielka korporacja nie zainteresowała się przez tyle lat tak wspaniałym wynalazkiem? Nikt nie chce taniego źródła energii? No, głupi ludzie…

Oczywiście nie można wykluczyć, że fuzja tego rodzaju zachodzi spontanicznie, choć niezwykle wolno − jednak, jak wskazują obliczenia, czas potrzebny na zajście takiego zjawiska (jeśli jest możliwe) przekracza czas życia Wszechświata jakiś miliard razy.

Rozwiązaniem naszych problemów z energią wydają mi się reaktory torowe, o których pisałem więcej w tekście pt. O torze i kserze. Przede wszystkim wiemy, że mogą działać, i taka technologia już istnieje − po prostu musimy ją wdrożyć na szeroką skalę i upewnić się, że nie zachodzi nic nieprzewidzianego. Paliwo do nich jest praktycznie wszędzie, same są w stanie dopalić już istniejące odpady z innych reaktorów, a ich odpadami będą w większości cenne gazy szlachetne lub izotop plutonu mający zastosowanie w bateriach RTG (Radioisotope Thermoelectric Generator o których więcej w tekście Pluton-238 – na przystanku po drodze w Kosmos). Dodatkowo będą to konstrukcje samoistnie bezpieczne. Bądźmy realistami: fuzja to faktycznie rzecz atrakcyjna, ale czy ekonomiczna i możliwa do wdrożenia w skali stu lat?

(c) by Lucas Bergowsky
Jeśli chcesz wykorzystać ten tekst lub jego fragmenty, skontaktuj się z autorem
.

Końca nie widać…

W rozmowie, którą prowadziłem ze znajomą z Twittera, padło pytanie o to, czy są jeszcze jakieś nieodkryte pierwiastki. Uważam, że odpowiedź “tak” stanowczo nie wyczerpuje tematu, więc jak zwykle zastanówmy się nad tym, co pamiętamy z lekcji chemii w szkole. Pewnie pamiętacie, że siódmy okres układu zawierał w sobie trzyliterowe symbole zaczynające się od “U”: pojawiał się tam symbol Uub a następnie Uut, Uuq, Uup, Uuh i tak dalej aż do Uuo. Kryły się pod nimi pierwiastki, których istnienia domyślaliśmy się z prawa okresowości, na którym opiera się układ okresowy.

Zacznijmy może od wyjaśnienia znaczenia samych symboli pierwiastków hipotetycznych. Zgodnie z nazewnictwem IUPAC (Międzynarodowej Unii Chemii Czystej i Stosowanej) symbol takiego pierwiastka jest zawsze trzyliterowy i pochodzi od połączenia pierwszych liter rdzeni liczbowych odpowiadających kolejnym cyfrom jego liczby atomowej, przy czym pierwsza litera takiego symbolu jest zawsze duża. Spójrzmy więc na ilustrację poniżej:

Jest to banalnie proste. W nazwie wystarczy połączyć trzy rdzenie. Spróbujmy więc odczytać symbol Unq według tej reguły. Un (1) nil (0) quad (4), czyli mowa o pierwiastku o liczbie atomowej 104, nazywanym według tej reguły unnilquad. Pod symbolem Uup kryje się wobec tego ununpent i tak dalej. Według tej reguły można konstruować kolejne nazwy i symbole hipotetycznych pierwiastków właściwie aż do Eee czyli ennenenu, mającego liczbę atomową 999, czyli dokładnie tyle protonów w jądrze. Tylko czy tworzenie takich symboli ma sens fizyczny, czy to tylko sztuka dla sztuki, gdyby ktoś chciał potrenować dykcję?

Stan wiedzy na dzień dzisiejszy jest taki, że możecie spokojnie zapomnieć o symbolach od Uub do Uuo. Obecnie układ okresowy zawiera 118 nazwanych pierwiastków; te o liczbach atomowych od 112 do 118 noszą kolejno nazwy: kopernik, nihon, flerow, moskow, liwermor, tenes i oganeson. Jeśli nie znacie tych nazw, to żaden wstyd − wszystkie odkryto po roku 2000. Nie wiem tylko, czy “odkryto” jest tu właściwym słowem. Wszystkie pierwiastki zawierające w jądrze więcej protonów niż ołów nie posiadają żadnych stabilnych izotopów. Ulegają rozpadowi radioaktywnemu z czasem półtrwania od miliardów lat (dzięki temu w naturze istnieją jądra takich pierwiastków jak tor czy uran) do milisekund. Jedyne jądra cięższe niż uran, jakie znaleźliśmy na naszej planecie, to śladowe ilości jąder neptunu i plutonu w rudach naturalnie występującego uranu. I to jest dziwne.

Jedyny proces rozpadu radioaktywnego, który zwiększa liczbę protonów jądrze, to rozpad beta minus, w którym jeden z neutronów przemienia się w proton. Uran nie rozpada się w ten sposób; wszystkie znane nam jego izotopy ulegają rozpadowi, emitując cząstkę alfa, tj. cząstkę składającą się z dwóch protonów i dwóch neutronów. Neptun i pluton mają więcej protonów w jądrze niż uran więc na pewno nie powstały w wyniku jego rozpadu. Najtrwalszy izotop neptunu to 237Np, którego czas połowicznego rozpadu to około 2 miliony lat; w przypadku plutonu jest to około 80 milionów lat dla najtrwalszego 244Pu i około 24,4 tysiąca lat dla spotykanego tam również izotopu 239Pu. Nawet jeśli jakiekolwiek ilości tych izotopów istniały przy powstaniu naszej planety, to nie było szans, aby dotrwały do naszych czasów. No ale jak sam napisałem, znaleźliśmy ich śladowe ilości w rudach uranu, a więc musiały się tam skądś pojawić.

Analiza złóż uranu, w których natrafiono na wspominane izotopy, naprowadziła badaczy na rozwiązanie. W 1972 roku grupa francuskich badaczy zauważyła, iż w złożu znajdującym się w Oklo na terenie Gabonu występuje pewna różnica zawartości izotopów uranu w rudzie. Jak do tej pory wszystkie badane złoża cechowała pewna prawidłowość: pochodząca z nich ruda uranu zawierała dokładnie 0,72% izotopu 235U; próbki pochodzące z Oklo zawierały go zaś znacznie mniej. Prawdę mówiąc, skład izotopowy rudy z tej kopalni bardzo przypominał skład wypalonego paliwa jądrowego. Co było takiego szczególnego w tym miejscu? Jaki był powód, dla którego ruda wydobywana w tej kopalni była inna niż wszędzie?

Obecnie neptunu mamy coraz więcej. Jak wspomniałem wcześniej, jest to odpad z wypalonych prętów paliwowych, których używamy w elektrowniach atomowych. Wymuszamy rozpad izotopu 235U, bombardując go neutronami, no ale pręty zawierają również w przewadze izotop 238, który może taki neutron pochłonąć, zwiększając swoją liczbę masową o 1. Takie jądro jest niestabilne i ulega rozpadowi beta minus, przemieniając się w neptun; dalsze bombardowanie pozwoli uzyskać pluton. Nasuwa się pytanie: czy taki proces mógł zajść naturalnie? Przecież paliwo używane w elektrowniach atomowych wymaga wcześniejszej obróbki, tak aby stosownie zwiększyć zawartość izotopu 235. Tak, teraz wymaga − ale czy taka konieczność występowała zawsze w przeszłości? Izotopy mają różne czasy połowicznego rozpadu. Zawartość tego, którego czas półtrwania jest krótszy, będzie maleć w czasie. I tak dzieje się z naturalnie występującym uranem: zawartość rozszczepialnego izotopu maleje, choć miliardy lat temu była wyższa. Oznacza to, iż wystarczyło zgromadzić w jednym miejscu odpowiednią jego ilość, aby mogła zajść reakcja łańcuchowa. O to postarała się rzeka płynąca w pobliżu Oklo, odpowiedniczka dzisiejszej Ogowe. Jej wody wymywały rudy uranu, gromadząc je np. w zakolach. Kolejnym szczęśliwym zbiegiem okoliczności jest sama woda − używamy jej w naszych reaktorach zarówno jako chłodziwa, jak i moderatora. Szacuje się że naturalny reaktor w Oklo mógł działać przez ok. 300 tysięcy lat, wytwarzając 100 mld kWh energii.

Czy tak więc wytworzono pozostałe pierwiastki siódmego okresu? Bombardując coraz cięższe jądra neutronami? Nie, to absolutnie bez sensu. Szanse na powstanie jądra w ten sposób są niewielkie, co oznacza konieczność posiadania wydajnych źródeł neutronów, a tymi są inne radioaktywne pierwiastki, których nie posiadamy nieograniczonych ilości. Swobodny neutron istnieje średnio około 15 minut, zanim ulegnie przemianie w proton, więc nie ma sensu nałapanie ich na zapas. Zresztą, jak wspomniałem, im jądro ma większą liczbę atomową, tym krócej istnieje, więc nie tylko musielibyśmy mieć dużo neutronów, ale również używać ich z odpowiednią precyzją, tak aby wstrzelić się we właściwy moment. Pewnym rozwiązaniem wydaje się użycie cząstek alfa: jeśli jądro je pochłonie, to zyskuje dwa protony i dwa neutrony, co daje więcej możliwości. Tak zresztą uzyskano pierwiastki takie jak np. kaliforn, nobel czy lorens. Tylko że nadal mówimy o liczbach atomowych nie większych niż 103. Dalsze doklejanie cząstek alfa w ten sposób staje się ekstremalnie trudne. Potrzeba nam bardziej wydajnego źródła neutronów i innych obiektów, które możemy wykorzystać.

O jakim bardziej wydajnym źródle mowa? Oprócz reaktorów mamy przecież bomby atomowe, w których zachodzą dokładnie te same procesy, co w reaktorze. I jest to prawda: w obszarach testów broni atomowej znaleziono pewne ilości jąder ameryku i kiuru. Tylko znów nie jest to odpowiednia metoda, aby produkować ciężkie jądra pierwiastków. Nie możemy w imię nauki robić rzeczy powodujących przedostawanie się odpadów tego rodzaju do środowiska, a w przypadku eksplozji bomby atomowej jest to nieuniknione: produkty rozszczepienia przedostają się do atmosfery, by opaść w najmniej spodziewanych miejscach. Pewne ilości ameryku znaleźliśmy m.in. na Antarktydzie oraz w koralowcach. Jak więc stworzyliśmy jądra pierwiastków od 104 do 118? Nie inaczej niż wcześniejsze: bombardując ciężkie jądra, tyle że nie cząstkami alfa, a czymś o wiele cięższym − jonami. Z tym że nie mogą być to jądra dowolnych pierwiastków, ale takich, których izotopy zawierają odpowiednie liczby protonów i neutronów. Jądra koperniku uzyskano na przykład, ostrzeliwując tarczę wykonaną z ołowiu jonami cynku rozpędzonymi uprzednio w akceleratorze do około 1/10 prędkości światła. Następnie powstałe jądra trzeba jak najszybciej schłodzić i liczyć na to, że uda się je złapać w odpowiednich detektorach. Ostatni z pierwiastków, tj. oganeson, udało się wytworzyć w ilości zaledwie czterech… jąder. To naprawdę droga zabawa: potrzeba odpowiednich izotopów, które dają szansę zlepienia się z ostrzeliwanymi w proporcjach pozwalających na istnienie choćby przez ułamek sekundy.

Czy wobec tego warto kontynuować? Prowadzić skomplikowane eksperymenty, których efektem są izotopy nie mające żadnego realnego zastosowania z uwagi na czas ich istnienia? Czy warto próbować z ósmym okresem? Gdzie jest koniec układu?

Mamy powody, aby przypuszczać, że ostatni z odkrytych pierwiastków, choć w konfiguracji elektronowej przypomina pozostałe gazy szlachetne, w standardowych warunkach jest ciałem stałym. Przyczyny tego należy upatrywać w tym samym zjawisku, które opisałem w tekście pt. Dlaczego złoto jest złote?. Im większa liczba protonów w jądrze, tym większa musi być liczba elektronów w samym atomie, aby pozostawał on elektrycznie obojętny. O ile nie można tych obiektów traktować jak naładowanych elektrycznie kuleczek krążących wokół jądra pozlepianego z kuleczek o ładunku przeciwnym, o tyle można im przypisać pewną cechę obiektów krążących po orbitach − moment pędu. Im jądro większe, tym szybciej musi się poruszać elektron znajdujący się na najbardziej zewnętrznej powłoce elektronowej. W przypadku superciężkich pierwiastków prędkości te stają się istotnymi ułamkami prędkości światła, co powoduje, że musimy uwzględniać efekty takie jak np. relatywistyczny wzrost bezwładności ciał w ruchu, popularnie, choć niezbyt szczęśliwie nazywany “relatywistycznym wzrostem masy”. Jakie ma to znaczenie dla granicy układu okresowego? Żaden obiekt obdarzony masą nie może osiągnąć prędkości światła, gdyż wymagałoby to nieskończonej energii. W przypadku oganesonu prędkości elektronów na powłoce walencyjne to około 70% prędkości światła. Może to oznaczać, że granica układu okresowego jest już gdzieś niedaleko, a jest nią ta liczba protonów, powyżej której elektron musiałby poruszać się szybciej niż światło. Szacuje się, że jest to nie więcej niż liczba Z = 210. Jeśli granicą jest prędkość c, to układ okresowy zamyka hipotetyczny biunnil.

Tylko jak to sprawdzić, skoro już obecnie wytwarzane jądra istnieją przez ułamki sekund? Pewnym rozwiązaniem może być model, przy którego powstaniu ogromy udział miała urodzona w Katowicach Maria Goeppert-Mayer. Zaproponowała ona mechanizm wyjaśniający powód, dla którego pewne izotopy są szczególnie stabilne. Pozwolę sobie zacytować słowa samej badaczki:

Wyobraź sobie salę pełną tańczących walca. Tancerze przesuwają się dookoła tej sali w koncentrycznych kołach. Dalej pomyśl, że w każdym kole możesz zmieścić dwa razy więcej tancerzy jeśli jedna para wiruje w kierunku ruchu wskazówek zegara, a druga w przeciwnym. A potem dodatkowa wariacja: pomyśl, że ci tancerze wirują w porywach, jak mistrzowie. Niektóre z tych par, które wirują w kierunku wskazówek zegara robią porywy w tym samym kierunku. Porywy pozostałych par są w kierunku przeciwnym. Tak samo z parami wirującymi w kierunku przeciwnym do kierunku wskazówek zegara – niektóre wykonują zrywy w tym samym kierunku, inne w przeciwnym.

Nie przypomina wam to czegoś? Atomy są szczególnie stabilne, gdy mają wypełnioną ostatnią powłokę elektronową, tak jak gazy szlachetne. Jądra wg. Marii są szczególnie stabilne, gdy mają wypełnione odpowiednie powłoki nukleonowe, które mogą być zajmowane przez pary protonów i neutronów. Liczby protonów i neutronów przy których powłoki nukleonowe są zamknięte, a dany izotop bardziej trwały w stosunku do sąsiednich, to 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 i 184 dla samych neutronów. Biorąc pod uwagę, że najcięższe stabilne jądro to 208Pb o magicznych liczbach protonów (Z=82) i neutronów (N=126), to rzecz wydaje się warta uwagi, zwłaszcza że sprawdza się również w innych przypadkach. Obliczenia wskazują iż kolejne liczby magiczne dla protonów to być może 114 i 120 a dla neutronów może być to liczba 196. Oznacza to że izotopy pierwiastków z ósmego okresu takie jak 304Ubn i 310Ubh powinny wykazywać podwyższoną trwałość i mieć izotopy istniejące nawet kilka miesięcy, choć ja przychylam się do opinii mówiących o godzinach.

fot. domena publiczna

Większość syntezowanych superciężkich jąder rozpada się w czasie rzędu milisekund, ale gdy uda się uzyskać jądra o większych liczbach neutronów, to zauważamy obszar nazywany wyspą stabilności W przypadku koperniku (Z=112) dodawanie kolejnych neutronów sprawia że jego izotop o liczbie masowej 285 ma czas połowicznego rozpadu ok. 29 sekund, a metastabilny izomer nawet 9 minut! Gra wydaje się być warta świeczki, stąd nasze, dotychczas bezskuteczne, próby syntezy unbinilu i unbiheksu. Jeśli uda się nam uzyskać odpowiednio stabilne izotopy tych pierwiastków, będzie to okazja, aby sprawdzić obliczenia, z których wynika, iż kolejna wyspa stabilności powinna znajdować się w okolicach liczby atomowej 164, gdzie mogą występować izotopy o czasach półrozpadu nawet rok i dłużej.

Takie pierwiastki mogą mieć interesujące zastosowania jako wydajne źródła neutronów czy materiał, którego będziemy używać do rozpoczęcia reakcji łańcuchowych w przyszłych reaktorach torowych. A najważniejszym powodem ich odkrycia jest w gruncie rzeczy nasza ciekawość, dzięki której nauka nigdy się nie kończy a Wszechświat zaskakuje nas coraz bardziej.

(c) by Lucas Bergowsky
Jeśli chcesz wykorzystać ten tekst lub jego fragmenty, skontaktuj się z autorem
.