Priča o atomu i njegovim česticama

Grci

Pitanje, od čega je napravljeno sve ovo što vidimo, pipamo itd... provlači se kroz istoriju i muči naučnike i filozofe stolećima. Zapravo već 2600 godina, jer ga je postavio još Tales iz Mileta koji je živeo u VI veku pre nove ere. Milet je bio grčki grad na obali Male Azije koji je ljudskoj civilizaciji podario prve filozofe i naučnike, a Tales je opet bio prvi među tim prvim filozofima i naučnicima. A bio je i prvi koji se ozbiljno zamislio nad pitanjem od čega je svet sastavljen, prvi koji je dao naučan odgovor na to pitanje i prvi koji je dao pogrešan odgovor. A njegov odgovor je bio - voda. Kamenje, drveće, konji, sve je to zapravo voda, govorio je Tales.

Danas taj odgovor izaziva naš blagi podsmeh, ali u suštini to nije bio tako loš odgovor, pogotovo kad se u obzir uzme činjenica da je u Talesovo vreme poznavanje prirode bilo sasvim oskudno i uglavnom pogrešno, i da se nauka tek čupala iz mitova, magije i religije. Sem toga, mi ni danas, 2600 godina kasnije, sa mnogo većim znanjem i razumevanjem prirode i zakona koji njom upravljaju, još nemamo potpun odgovor na to pitanje, pa je ono i dalje misterija.

Hajde da malo raspravimo to o vodi. Voda ima neke izuzetne osobine. Nalazimo je svuda i bez nje život na Zemlji nije moguć. Biljke rastu kad ih zalivate, pune su vode i možete ih iscediti (setite se samo Kraljevića Marka i suve drenovine), a i mnogi predmeti cvrče i ispuštaju vodu kad ih dobro zagrejete. Sem toga, voda postoji u tri stanja, tečnom, čvrstom i gasovitom i lako prelazi iz jednog u drugo i - i kad to sve imate na umu nije daleko od pameti zaključiti kako je u osnovi svega, voda. Uostalom, sve do 18. veka mnogi naučnici su verovali da se voda može pretvoriti u zemlju! Postojali su opiti koji su to i dokazivali. Ne verujete? Uzmite jedno pet litara vode i kuvajte je i kuvajte i na kraju će vam u loncu ostati malo čvrste tvari: zemlja! (ovo je inače jedan od primera kako se iz eksperimenta može izvući pogrešan zaključak; u svom čuvenom opitu kada je kuvao vodu ravno 101 dan, Lavoazije je dokazao da ta čvrsta tvar nije nastala od vode već od reakcije same posude u kojoj je kuvao vodu).

Demokrit, IV vek pre n.e.

Nakon Talesa svi mudri ljudi su imali mišljenje o tome od čega je sastavljen svet, svaki sa svojim razlozima i dokazima: Anaksimandar, Anaksimen, Empedokle itd, ali sve ćemo ih preskočiti jer nas najviše interesuje genije po imenu Demokrit iz Abdere koji je živeo otprilike od 460. do oko 370. godine pre nove ere. Demokrit je puno putovao po svetu i puno pisao, a pisao je o svemu, o kosmologiji, astronomiji, fizici, o slikarstvu, botanici, magnetizmu, muzici, lingvistici itd. Verovao je da u kosmosu postoji mnoštvo svetova koji se rađaju i umiru, da u kosmosu ne postoji „gore" i „dole" i tako dalje. Poznat je njegov rad «O praznini".

Demokrit je ovako rezonovao. Ako uzmete jabuku (iz nekog razloga u ovom i sličnim razmišljanjima uvek se koristi jabuka) i delite je na sve sitnije delove, na kraju ćete doći do jednog delića koji više ne može da se deli ma koliko savršeno oštar i tanak nož imate (ovo je misaoni eksperiment, pa oštrina i debljina noža zavise samo od mašte). Dakle, sečete i sečete i na kraju dođete do delića koji više jednostavno ne može da se preseče jer je nedeljiv, ili, kako bi to Grci rekli, jer je atom (atom u prevodu znači „nedeljiv"). E, od atoma, tih sićušnih čestica, je sve i napravljeno, tvrdio je Demokrit. I voda, i konj, i zemlja, sve. Postoji mnogo vrsta atoma koji se među sobom razlikuju po obliku, neuništivi su itd.

Bilo je onih koji su prihvatili Demokrita i njegov atomizam i još više onih koji nisu i to je, što se tiče pitanja od čega je svet sastavljen, bilo sve za narednih 2200 godina. Postojale su razne teorije, razna filozofiranja, ali bez ičeg opipljivog i bez konkretnih rezultata. Osnovni delić, ili kako se to u popularnoj literaturi kaže, osnovna ciglica, ostala je samo na nivou teorije i neuhvatljiva u praksi. Da ne budemo nepravedni, bilo je dobrih teorija i mnogi velikani nauke i filozofije su rekli puno mudrih misli o ciglici. Kepler, Galilej, Njutn, Ruđer Bošković i mnogi drugi rasvetljavali su koliko su mogli ovu misteriju i zaslužuju priznanje, ali ipak čitav period do 19. veka bio je samo velika priprema, skupljanje naučnog znanja i upoznavanje suštine prirode koje će stvoriti osnovu za.... čitajte dalje!

Dalton

Dalton 1766-1844

Tako dolazimo do Džona Daltona koji je živeo od 1766. do 1844. Dalton je bio naučnik kakvog viđamo u veselim filmovima: rasejan, zamišljen, okupiran trouglovima i brojevima, i potpuno zbunjen u svim situacijama izvan nauke. Nije uopšte čudno što se nije ženio. Em, on za taj narodni običaj nije imao vremena, em ni jednoj devojci nije bio potreban takav muž. Dobro, možda baš i nije bilo sasvim tako, ali iz onog što u knjigama piše o Daltonu tako nekako sledi. Uostalom, kako drukčije shvatiti čoveka koji je dobar deo života posvetio izučavanju kišnice? Evo još nešto o ovom osobenjaku pre nego što pređemo na ono glavno. Dalton je otkrio da je svet obojen! Da je mnogo koloritniji nego što ga je on lično video. Danas se mana oka koju je Dalton imao zove daltonizam, ako niste znali. Drugim rečima Dalton je bio slep za boje i uspeo je to da shvati i to u ono vreme kada ta mana nije bila poznata i kada su neki čitav život proveli u sivilu, a da toga nisu bili svesni. Zaveštao je svoje oči nauci, da se ispitaju nakon njegove smrti. 150 godina kasnije to je i učinjeno i otkriveno da njegova DNK ne sadrži gene koji daju pigment osetljiv na zelenu boju.

Sem ovoga Dalton je dokazao da izvori nastaju od nagomilane kišnice u zemlji, da zapremina gasa zavisi od temperature, i tako dalje.

E sad sledi ono o čemu i treba da pričamo. U Daltonovo vreme hemija je već bila uznapredovala, skupilo se dosta znanja pa je nedostajao samo jedan bistar um koji će shvatiti to što je shvatio Dalton. Priča ide ovako. Hemijska jedinjenja se sastoje od elemenata uvek u istim razmerama. Da biste napravili ugljen monoksid treba vam 12 grama (kilograma itd.) ugljenika i 16 grama (kilograma itd.) kiseonika. Dakle, odnos je 12:16. Odgovarajuće razmere se pojavljuju u svim hemijskim jedinjenjima, ma koliko ona bila složena. Kako to objasniti? Dalton je pošao od toga da svaki najmanji delić nekog hemijskog elementa ima svoju određenu težinu, a i da se elementi vezuju jedan sa drugim u odnosu jedan prema jedan, pa zato u hemijskim jedinjenjima uvek postoji ista razmera sastavnih elemenata: jedan delić vodonika + jedan delić kiseonika = voda. Ili, hemijskim jezikom pisano, voda je HO. A taj najsitniji delić je nedeljiv. Dalton ga je nazvao: atom.

Kraj fizike

Bez obzira što Dalton nije bio sasvim u pravu (ne vezuju se elementi 1:1; recimo da biste dobili vodu treba vam dva atoma vodonika i jedan atom kiseonika, pa je formula H2O), bilo je to kolosalno saznanje. Svet je konačno našao svoju ciglicu. Tako se činilo. Fizičari su bili malo razočarani što je do tog otkrića došao jedan hemičar i što je ispalo da za njih, fizičare, polako ponestaje posla. Krajem veka se počelo ozbiljno govoriti o kraju fizike, dobrim delom baš zbog otkrića atoma jer se smatralo da je otkriveno sve što je bilo za otkrivanje i da je fizici ostalo još samo da malo preciznije izmeri ono što je ostalo da se meri. Bilo je mladih, ambicioznih ljudi koji su krenuli na neke druge nauke jer se fizika kao nauka gasila i pretvarala u zanat.

Međutim, ispostavilo se nešto kasnije da to nije tako ni blizu i da atom ne da nije kraj fizike, već da je jedan novi početak i to početak ogromne oblasti kojoj se ne vide horizonti i koja je postala najveći izazov najvećim umovima koji hodaju zemljom. Uskoro je naime postalo jasno da Daltonov atom nije taj atom za kojim su tragali naučnici od Demokrita pa sve do današnjih dana. Daltonov atom jeste najmanja čestica hemijskog elementa, recimo gvožđa, ali ona nije najsitnija čestica, ona cigljica od koje je napravljen ovaj svet, pa i sam atom gvožđa. Atom gvožđa je samo najmanja čestica gvožđa, ali i ta čestica je sastavljena od sitnijih čestica. Zato kažemo da je atom gvožđa, kiseonika, ugljenika itd. hemijski atom, a ne i onaj atom o kome je Demokrit govorio, onaj atom, nedeljiva čestica od koje je napravljen hemijski atom.

Atom ima strukturu, sastavljen je od sitnijih čestica i ta istina se otkrivala u burnim vremenima 19. i 20. veka. Tompson je otkrio elektron, Raderford atomsko jezgro i tako dalje, sledio je čitav niz uzbudljivih otkrića, a sve to je dovelo do zbunjujuće činjenice da što atom više razlažete i što ga više poznajete nailazite na sve veće misterije i neke, za ljudski um, neshvatljive činjenice. Ispostavilo se da atom ne samo da obiluje raznim delićima već i da se ti delići podvrgavaju nekim čudnim zakonima i da im je ponašanje ponekad toliko začuđujuće da ljudski um mora da ustukne, bar za sada, na ovom nivou znanja. Ima onih koji veruju da čovekov um u svojoj evoluciji nije dosegao tu moć da shvati zakone koji vladaju u atomu. Pogađate već, govorimo o kvantnoj fizici.

Šta je to atom

Šta je to atom? Sićušna tačkica, toliko mala da ih treba deset miliona da bi popunili jedan milimetar prostora. Ali kad uđete u atom vidite jedno ogromno, gotovo beskrajno ništavilo sa nešto malo materije koncentrisane u jezgru i još manje u elektronima koji jurcaju daleko, daleko na horizontu. Zamislite nekoliko zrnaca peska na sredini fudbalskog terena i nekoliko sitnijih zrnaca koji jure oko igrališta - to je atom uvećan nebrojeno puta. Pustoš sa nešto zrnaca, ali prožeto silama. Ne pitajte fizičara šta je to sila, počeće da vam priča o Empedoklu.

Empedolke, V vek pre n.e.

Empedokle je živeo u petom veku pre nove ere, uglavnom u Agrigentu, gradu na južnoj obali Sicilije. Učinio je mnoga dela zbog kojih je ostao upamćen kao filozof, naučnik i šarlatan. Otkrio je vazduh (jeste, nekad se nije znalo da tako nešto postoji), da biljke imaju pol, tvrdio je da svetlosnom zraku treba vreme da pređe neki put, našao dokaz o postojanju centrifugalne sile. Jednom je vratio u život neku ženu za koju se 30 dana verovalo da je mrtva. A imao je i originalnu teoriju o evoluciji. Kaže da je u početku bilo bezbroj živih bića u najrazličitijim oblicima koja su se tek naknadno spojila u ovo što danas postoji. Tako je bilo glava bez vratova, ruku bez ramena, očiju bez čela itd. Preživeli su samo neki oblici, kao što vidimo. Za sebe lično, verovao je da je bog.

E taj Empedokle je smatrao da je sve što postoji sagrađeno od zemlje, vode, vazduha i vatre - svaki predmet od ova četiri elementa, samo u različitim proporcijama tih elemenata. A svaki element teži da zauzme svoje mesto pa tako imamo dole zemlju, iznad nje je voda, a iznad vode vazduh. Na vrhu, na nebesima, je vatra. Smrtnici žive na zemlji, a bogovi u vatri. Priča kaže da se na kraju Empedokle pridružio svojim božanskim srodnicima skokom u vulkan Etnu.

Sile

Ono što, međutim, nas od svih Empedoklovih učenja zanima jeste da se svi elementi pokoravaju moćnim silama, a to su Ljubav i Razdor. Ljubav spaja, a Razdor razdvaja sve elemente od kojih je sačinjen svet.

E, to je to, kaže naš fizičar, s tim što ne postoje dve, već četiri osnovne sile, (a možda i samo jedna, ali ko to dokaže ući će u elitu Nobelovaca).

Te četiri sile su ove. Gravitaciona koja je najslabija, ali deluje na sve materijalno i deluje unedogled daleko. Jača od nje je elektromagnetna, ali ona deluje samo na materiju koja je naelektrisana. Dve preostale sile su nuklearne jer im je domet ograničen na nukleus, tj. jezgro atoma. Jedna se zove jaka, jer je zbilja takva, najsnažnija sila od svih. Druga je slaba, a i jeste slaba (iako mnogo jača od gravitacione) i ona ima ključnu ulogu kod raspada čestica.

E sad, pošto se ovom tekstu bliži kraj moraćemo malo da požurimo. Uostalom, o atomu treba bi trebalo da piše neki pravi fizičar.

I konačno...

Dakle, da konačno raščlanimo prirodu na njene osnovne elemente. Ovako: uzmete jabuku i seckate je savršenim nožem. Posle nekog vremena izdelili ste jabuku na najsitnije hemijske supstance i to su molekuli. Ima tu svakakvih supstanci, ali uzmite molekul vode. Isečete ga na tri dela, tj. na dva atoma vodonika i jedan atom kiseonika. Uzmete da sečete kiseonik. Jedan rez i dobijete jezgro atoma i elektrone koji zuje okolo. Izdvojimo jedan elektron i - gotovo, nema dalje. Elektron se dalje ne može deliti, došli smo do cigle. Ali možemo seći jezgro. Presečemo ga i dobijemo protone i neutrone. Kad njih isečemo dobijemo kvarkove. I opet nema dalje. Kvarkovi su druga vrsta cigle i to je to.

(Zapravo nije, stvari su mnogo složenije, jer postoje još neke cigle, a i anticigle. Ali o tim detaljima ja nisam u stanju da pišem te to ostavljam nekom fizičaru.)