E=mc2 to najsłynniejszy wzór fizyki. Oczywiście każdy wie, że "wymyślił" go Einstein. Dla słuchaczy dra Sowińskiego to bułka z masłem. Mimo to fizyk postanawia pytanie: co oznacza wzór E=mc2 ?

Pada odpowiedź z sali: "Energię można zamienić w masę, a masę w energię". Słuchacze przytakują. "Przykro mi, ale to nie jest prawda" - ocenia Sowiński i zapada cisza. Czas na drugie pytanie: "Skąd się bierze ten wzór?". Młody człowiek stwierdza: "To wniosek z teorii względności". Starszy pan w rogu sali dodaje: "ze szczególnej teorii względności". Inny mężczyzna nie zgadza się z nim i mówi: "Chyba z ogólnej". Na sali konsternacja, a prowadzący podsumowuje: "Przykro mi, ale to również nie jest prawdą. Dziś opowiem o tym wzorze, który wszyscy znają, ale prawie nikt nie wie co on oznacza. Ba, nawet nie wie skąd on wynika".

Otwierają się zeszyty. Ludzie którzy stali w drzwiach, bo chcieli już wracać do domów, szukają wolnych krzeseł. Muszą usiąść niestety na ziemi, bo wszystkie miejsca są zajęte. Ktoś wyciąga komórkę, wybiera numer i dość głośno mówi do słuchawki "Wiesz co? Spóźnię się. Zostaję na jeszcze jeden wykład.".

Dr Sowiński zaczynam opowiadanie od historii elektrodynamiki. Mówi o magnesach i prądach, o Maxwellu i jego prawach. Tłumaczy, jak doszło do przewidzenia istnienia fal elektromagnetycznych, podaje własności fal em. - m.in., że fale em. oprócz tego, że przenoszą energię, przenoszą również pęd. A związek pomiędzy energią a pędem jest proporcjonalny.

Podczas tego wywodu specjalnie sprawia wrażenie jakby zboczył z tematu. Jak później przyzna, chodzi mu o to, aby na sali zapadło zdziwienie: "Miało być o E=mc2, a jest o falach elektromagnetycznych. Facet jakiś dziwny jest chyba". Wtedy mówi: "Proszę Państwa z tego wynika, że E=mc2 ". Tego się nikt ze słuchaczy nie spodziewał.

Naukowiec dokładnie i wnikliwie tłumaczy eksperyment myślowy, który ze wzoru na proporcjonalność energii i pędu fali elektromagnetycznej prowadzi wprost do wzoru E=mc2. Wykorzystuje tu deskorolkę, na której tłumaczy zasadę zachowania pędu i zjawisko odrzutu. Z wyjaśnień wynika, że wzór E=mc2 oznacza, iż przeniesienie pewnej porcji energii E z jednego miejsca do drugiego jest dla zewnętrznego obserwatora (takiego, który nie widzi co się dzieje w środku) całkowicie nieodróżnialne od sytuacji, w której zamiast energii przeniesiona byłaby masa m=E/c2. Oba te przeniesienia są całkowicie równoważne w sensie mechanicznym. Nie można ich odróżnić. Nie ma tu nic o teorii względności.

Tu dr Sowiński pozwala sobie na krótką dygresję o jednostkach fizycznych. Używa bowiem kalorii, a nie dżuli i tym samym łamie prawo o legalnych jednostkach. Wszystko wyjaśnia na przykładach.

Jeśli do 1kg wody w temp. pokojowej dostarczymy energii potrzebnej na jej zagotowanie to sytuacja ta będzie nieodróżnialna (w sensie mechanicznym) od dostarczenia do tej wody pewnej masy. Waga wskażę zatem większą masę wody po jej podgrzaniu niż przed jej podgrzaniem. To nie znaczy, że energia zamieni się na masę, to jedynie znaczy, że woda cieplejsza ma większą masę niż woda zimniejsza. Energia nadal będzie energią (w tym przypadku termiczną). Cieplejsza woda ma więcej energii niż woda zimniejsza. Mechanicznie to znaczy, że ma większą masę. Wzrost masy jest jednak w tym przypadku nieznaczny, na 12 miejscu po przecinku. Wody z taką dokładnością nie da się odmierzyć, a tym bardziej stwierdzić takiego nikłego przyrostu masy.

Drugi przykład to jonizacja 1 kg wodoru, przebiegająca analogicznie. Tym razem zmiana masy widoczna jest na 9 miejscu po przecinku. To też bardzo mało. Dopiero w trzecim przykładzie - przy rozszczepieniu 1 kg jąder deuteru - wzrost masy jest znaczący i wykrywalny: przybywają około 2 gramy. Wniosek jest taki, że wzór E=mc2 zawsze obowiązuje. Ale tylko w przypadku sił subatomowych jego stosowanie ma sens praktyczny.

Fizyk przedstawiam wykres zależności energii wiązania od liczby nukleonów w jądrze. Jak mówi, skoro przy rozszczepieniu jądra deuteru rośnie jego masa (trzeba dostarczyć energii), to znaczy, że przy jego fuzji (łączeniu) energia będzie się wydobywała. Podając sposób produkowania energii przez fuzję jądrową dr Sowiński nawiązuje do pseudonaukowych argumentów tzw. ekologów. Pokazuje porównanie z produkcją energii z węgla. Wyśmiewa różne pomysły organizacji zielonych i brukselskiej biurokracji. "Jedyna realna dziś możliwość dla świata to energia atomowa" - ocenia.

Naukowiec wraca do tematu - chyba coś jest nie tak, bo przecież my produkujemy energię przy rozszczepianiu, a nie fuzji! Sala się z nim zgadza. Chyba coś musiał pomylić. Wszyscy zastanawiają się: "Co tu jest nie tak?". Z sali padają różne pomysły. Fizyk bierze pod uwagę wszystkie możliwości, zachowując powagę prawdziwego naukowca, który jest gotowy przyjąć każdą logiczną argumentację.

Nikt z sali nie trafia jednak na prawidłowe rozwiązanie tej zagadki. Zatem prowadzący zaczyna głośno myśleć i pokazując proste slajdy z jednocyfrowymi liczbami przekonuje siebie i słuchaczy, że istota leży w stosunku energii wiązania jądra do liczby jego nukleonów, czyli średniej energii wiązania jądra przypadającej na jeden nukleon. Jeśli podczas syntezy ona rośnie, to energia jest pochłaniana. Jeśli maleje, to jest emitowana.

Doświadczalna zależność średniej energii wiązania od liczby nukleonów jądrze zostaje przedstawiona na wykresie. Widać krzywą, która najpierw rośnie, a później maleje. Wniosek - przy lekkich jądrach fuzja produkuje energię, a przy ciężkich rozszczepienie. Dokładnie tak, jak podpowiadała słuchaczom wiedza ogólna. W ekstremum leży jądro żelaza. To jedyne jądro, które zarówno podczas rozszczepienia, jak i podczas fuzji pochłania energię. Jest zatem najbardziej stabilnym jądrem spośród wszystkich jąder jakie znamy.

Dr Sowiński wyświetla tablicę Mendelejewa z podziałem na pierwiastki "do" i "od" żelaza. Jak wyjaśnia, te pierwsze mogą powstawać spontanicznie w fuzji lżejszych jąder, bo wtedy energia się wydziela. Te drugie nie mogą. Na początku Wszechświata był tylko wodór. Wszystko co powstało, powstało z fuzji tego wodoru w inne, cięższe pierwiastki. Dzieje się to we wnętrzu gwiazd. Np. w Słońcu wodór zamienia się w hel. Dlatego Słońce produkuje energię.

Pojawia się naturalne pytanie: "Jak powstały pierwiastki cięższe niż żelazo, którym trzeba dostarczyć energii?". Nikt na sali nie wie. Odpowiedź zna Sowiński: "Podczas wybuchu supernowej. W ostatnim stadium ewolucji gwiazd zapada się ona. Na skutek skumulowania energii grawitacyjnej dochodzi do wyrzucenia materii (wybuchu). Tak dostarczona energia pozwala przeprowadzić fuzję ponad żelazem.".

Prowadzący prosi, aby słuchacze wyobrazili sobie, że jądro każdego atomu (inne od wodoru), powstało gdzieś kiedyś na jakiejś gwieździe. Nie ma bowiem innego miejsca, gdzie mogłyby one powstać. Następnie zwraca się do pań z prośbą o przyjęcie do wiadomości faktu, że każda złota czy srebrna biżuteria składa się z jąder atomów, które gdzieś kiedyś brały udział w wybuchu supernowej. Jest to bowiem jedyne miejsce gdzie mogłyby one powstać.

Na sali niedowierzanie. Chłopiec dopytuje: czy to znaczy, że składamy się ze składników, które kiedyś były w jakiejś gwieździe? Sowiński odpowiada prosto: "Tak, i była to gwiazda, która przestała istnieć zanim powstało nasze Słońce z naszym układem słonecznym. Czyli wcześniej niż ok. 5 mld lat temu".

Cisza. "Wszyscy byli całkowicie zaskoczeni. Zapewne każdy teraz troszkę inaczej będzie patrzył na samego siebie. To, co usłyszeli, całkowicie zmienia perspektywę patrzenia na problemy dnia codziennego i swoje ciało" - oceni później doktor.

Na razie jednak prosi słuchaczy o wyrozumiałość. "Wiem, że to co usłyszeliście troszkę Was zaskoczyło, ale muszę powiedzieć jeszcze jedną może mało istotną rzecz." Żartuje: "Muszę to zrobić, bo mam ten slajd przygotowany, a nie wiem jak go ominąć bez pokazywania. Widząc państwa miny po informacji o naszym +gwiazdowym+ pochodzeniu najchętniej bym go nie pokazał". Jednak słuchacze nie dają się już zwieść. Nauczeni doświadczeniem domyślili się, że za chwilę znów zatrzęsie się ziemia.

Fizyk pokazuje informację o Słońcu. W ciągu każdej sekundy produkuje ono 90 i 21 zer kilokalorii energii. Czy to dużo? Dla porównania wszystkie elektrownie świata, włączone równocześnie na całą moc produkowałyby w jednej sekundzie "jedynie" 20 i 9 zer kilokalorii energii czyli ok. 5 bilionów razy mniej. Aby Słońce mogło tyle energii produkować, to w ciągu każdej sekundy 657 mln ton wodoru musi zamieniać się na 652 mln ton helu. To znaczy, że w ciągu każdej sekundy słońce traci 5 mln ton masy. Naukowiec podkreśla: "W ciągu każdej sekundy! To najszybsza dieta w tej części Wszechświata. Ale Słońce jest olbrzymie. W ciągu całego swojego życia (16 mld lat) straci w ten sposób zaledwie 0,1 proc. swojej masy."

Po wykładzie z sali padło bardzo wiele pytań. Najpierw na forum publicznym, a później już w indywidualnych rozmowach. Rozmowy przeciągnęły się ponad godzinę i ostatecznie przerwał je portier, który musiał zamknąć budynek na noc.

***

Prezentacja fizyka na deskorolce zwyciężyła w konkursie na wyróżniający się wykład popularnonaukowy wygłoszony podczas XIII Festiwalu Nauki (2009) zorganizowany przez Radę Programową Festiwalu Nauki. KOL

PAP - Nauka w Polsce

agt/bsz