Klocki natury

Pomysł ściśnięcia całej ludzkości do objętości kostki cukru wydaje ci się durny? A gdybym ci powiedział, że 99,9999999999999 procent objętości zwykłej materii to pusta przestrzeń? Gdyby istniał jakiś sposób wyssania tej pustej przestrzeni z atomów w naszych ciałach, cała ludzkość faktycznie mogłaby się zmieścić w objętości kostki cukru.

Jak mawiał jeden z najwspanialszych fizyków Richard Faynman, który grywał także na bębnach w klubach nocnych (taki z niego śmieszek) "tam na dole" jest naprawdę popieprzony świat. Mówiąc "tam na dole" Faynman miał na myśli dolną skalę wymiarów. Bo oprócz tego, że atomy są prawie puste to są w dodatku bardzo małe. Otóż dziesięć milionów atomów, ułożonych jeden obok drugiego, zmieściłoby się w średnicy kropki na końcu tego zdania. Skoro Atomy są tak małe to jak je odkryto?

To długa historia. Zaczęła się ok 440 roku p.n.e. Grecki rockowiec Demokryt wciągając przed swoim koncertem kokę dzielił ją swoją kartą kredytową na coraz mniejsze porcję, a że był już lekko wstawiony po kilku łychach miał w swojej nabuzowanej głowie bardzo głębokie myśli. Zastanawiał się mianowicie czy dzieląc porcję koki na na połowę może jedną połowę dzielić jeszcze raz na połowę i tak w nieskończoność. Ok. Żartowałem. Demokryt nie był żadnym rockowcem tylko filozofem, ale jedna z anegdot głosi, że zamiast księżycowego pyłu rozbijał garnki i zastanawiał się czy może je dzielić w nieskończoność na drobinki. Uznałem, że wersja z rockmenem lepiej zajdzie w pamięć.
Dla Demokryta było nie do pomyślenia, aby materię dało się dzielić w nieskończoność. Jego zdaniem prędzej czy później okaże się, że maleńkiej porcji materii nie da się podzielić już bardziej. Greckie słowo a-tomos znaczy niepodzielny. Dlatego nasz starożytny rockman nazwał swoje hipotetyczne cegiełki materii atomami. To była jednak tylko hipoteza. Tylko i aż bo trzeba przyznać, że nikt jeszcze nie przewidział z takim wyprzedzeniem teorii naukowej.

Newtona oświeciło po spadnięciu jabłka z drzewa a Demokryta po kilku kreskach.

Jak już wspominałem atomy są bardzo małe. Nie da się ich zobaczyć więc dowody ich istnienia były trudne do znalezienia. Osiemnastowieczny matematyk Daniel Bernoulli był autorem pierwszych pośrednich dowodów na istnienie atomów. Zakładał on (i słusznie), że duża liczba atomów może zachowywać się w taki sposób, że wywoła efekt możliwy do zaobserwowania ludzkimi zmysłami.
Bernoulli wyobrażał sobie gaz np powietrze lub parę wodną, jako zbiór miliardów miliardów atomów znajdujących się w nieustannym ruchu. Coś jak rój rozdrażnionych pszczół. I w ten sposób człowiek pojął na czym polega zjawisko ciśnienia.
Gdy atomy gazu zostają uwięzione np w balonie, bombardują jego ściany. Jeżeli zmniejszymy objętość balonu (zamkniętego) dwukrotnie, atomy gazu, które balon wypełniają będą pokonywać dwukrotnie mniejszą odległość między zderzeniami ze ścianami balonu. W takim razie będą się zderzać ze ściankami dwukrotnie częściej a zatem ciśnienie dwukrotnie wzrośnie. I tak dalej.

Kolejny dowód na istnienie atomów przedstawił Albert Einstein, który wyjaśnił zjawisko tzw ruchów Browna. Zjawisko to odkrył angielski botanik Robert Brown. Obserwował on ruchy zawiesiny pyłków widłaka w wodzie. W 1827 obserwując pyłki przez mikroskop Brown odkrył, że poruszają się one dziwnym, zygzakowatym ruchem. Jak to wyglądało? To tak jakby wrzuć mi do bokserek nadajnik GPS, dać mi grubą gotówkę i puścić do pubu. W trakcie mojego powrotu na ekranie nadajnik GPS zaznaczałby trajektorie podobne właśnie do ruchów Browna.

Jednak przyczyną szalonych ruchów zawieszonych w wodzie pyłków nie były procenty. To wina atomów.
Wyobraź sobie gigantyczną nadmuchiwaną gumową piłkę o rozmiarach większych od człowieka, popychaną na boisku przez dużą grupę graczy. Piłka to cząsteczki zawiesiny. Gracze to cząsteczki wody. Jeżeli każdy z graczy porusza się i uderza piłkę niezależnie od pozostałych (jak wczoraj gracze realu madryt w meczu z juventusem :D ) to w pewnym momencie po jednej stronie piłki znajdzie się więcej graczy niż po drugiej stronie. Taka chwilowa nierównowaga sił wystarczy aby spowodować zmianę kierunku ruchu piłki. W dłuższym czasie działanie wszystkich graczy powoduje, że piłka porusza się chaotycznym ruchem po całym boisku. Swoją drogą taki sport musiałby naprawdę śmiesznie wyglądać. Na podobnej zasadzie chaotyczny ruch pyłku jest spowodowany bombardowaniem przez molekuły wody, które również mogą w pewnym momencie znaleźć się po jednej stronie pyłku w większej ilości niż po przeciwnej.

I tak oto dowiedliśmy istnienia atomów. Później okazało się, ze Demokryt jednak nie do końca miał rację bo atomy można podzielić na jeszcze mniejsze części. Ale o tym w następnym wpisie.