Auguste Comte (1798–1857), jeden ze słynniejszych filozofów i ojciec współczesnej socjologii, większość swojego życia spędził na obrzeżach paryskich kół intelektualnych. Problemy zaczęły się, gdy został wyrzucony z Politechniki w Paryżu za serię zdarzeń, które rozpoczęła awantura z jednym z profesorów. Wspomniany profesor prowadził zajęcia ze studentami trzymając nogi na stole. Comte przyjął podobną pozycję, a gdy zwrócono mu uwagę, stwierdził: “Myślałem, że będzie Pan zadowolony, jeśli będę brał z Pana przykład“.

Nie skrępowane życie uczonego pozwoliło mu kierować myśli do tematu, który go najbardziej interesował – do natury wiedzy. Sformułował teorię, w której stwierdził, że wiedza rozwija się poprzez trzy etapy: teologiczny (lub mityczny), metafizyczny (abstrakcyjny) i “pozytywny” (naukowy). Ostatni z nich miał oczywiście najwyższy status i można o nim było mówić jedynie wtedy, gdy formułowało się weryfikowalne sądy o obserwowalnych zjawiskach. W swojej monumentalnej pracy Kurs Filozofii Pozytywnej Comte dokonał przeglądu wszystkich nauk aby stwierdzić, w którym miejscu trzyetapowego procesu się one znajdują.

Tak długo jak astronomowie mierzyli ruchy gwiazd i planet, twierdził Comte, byli oni naukowcami. Jednak nawet w przypadku planet ostrzegał: “Wiemy jak wyznaczyć ich odległości, wygląd, ruch, lecz być może nigdy nie dowiemy się niczego na temat ich chemicznej struktury“.

A co powiedzieć o gwiazdach? “Możemy nigdy nie poznać ich składu chemicznego“. Te twierdzenia są prawdziwe pod warunkiem, że wierzymy w dwa fakty. Po pierwsze: Jedynym sposobem stwierdzenia z czego dane ciało jest zbudowane jest jego badanie w laboratorium. Po drugie: Nie mamy możliwości zebrania próbki planetarnej lub gwiezdnej materii. Jednak już wtedy, gdy Comte formułował swoje sądy, w bawarskim warsztacie trwały prace, które zaowocowały transformacją sposobu w jaki myślimy o niebie.

W XIX wieku Europa była pogrążona w chaosie wojen napoleońskich, a potrzeby wojska były motorem rozwoju wielu nowych technologii (tak jak przedtem, potem i obecnie). W 1801 roku na przykład, francuskie rządy wojskowe w Bawarii borykały się z problemem kiepskiej jakości soczewek wykorzystywanych w wojsku. Widząc swoją szansę tam, gdzie inni widzieli zaledwie problem, dalekowzroczny biznesmen zakupił porzucony klasztor, zwany Benediktbeuren znajdujący się w okolicy Monachium. Założył fabrykę, której celem miało być poprawienie jakości szkła.

Firma postanowiła rozwiązać problem związany z jakością szkła. Jego producenci chcieli mieć pewność, że składniki tworzące materiał zostały w trakcie produkcji wystarczająco jednorodnie wymieszane. Trudność rozwiązania tego problemu prowadzi do tego, że świat oglądany przez stare i źle zrobione szyby zdaje się być zniekształcony. Jeszcze większy problem pojawiał się, gdy należało wykonywać soczewki do teleskopów.

Prawdopodobnie najlepszą rzeczą jaką wspomniana firma zrobiła, było zatrudnienie Josepha von Frauenhofera. Frauenhofer jako mały chłopiec został sierotą. Początkowo pracował przy cięciu szkła. Pewnego dnia, podczas pracy, zawalił się budynek w którym przebywał, grzebiąc młodego robotnika. Gdy odkopano go żywego i całego, stał się bohaterem. Władze Bawarii dały mu 18 dukatów, za które udało mu się uzyskać narzędzia potrzebne w pracy. Szło mu bardzo dobrze i w 1813 roku był już w kierownictwie prac prowadzonych w Benediktbeuren.

We współczesnych laboratoriach jest zwykle jedna osoba, która naprawdę dobrze wie jak działa wszystko wokół i do której wszyscy zwracają się, gdy coś idzie nie tak. Joseph von Frauenhofer był takim człowiekiem. W ciągu 10 lat znacznie poprawiła się jakość produkowanego przez fabrykę szkła, a produkowane instrumenty nie miały sobie równych w świecie. Przed Frauenhoferem stanął jednak nowy problem.

Pamiętać należy, że nawet tak uzdolnieni technicy jak Frauenhofer byli raczej artystami niż naukowcami. Nie istniał na przykład sposób zmierzenia niewielkich różnic w składzie szkła mieszanego w różnych cyklach produkcyjnych. A czemu to takie ważne? Rozważmy prosty instrument jakim jest pryzmat. Kiedy przez pryzmat przechodzi białe światło, tworzące je kolory uginają się pod różnymi kątami i w rezultacie powstaje barwny pas (widmo). Pryzmaty zrobione z nieco różniących się składem kawałków szkła, uginają światło o tym samym kolorze pod różnymi kątami. Jeśli więc jakiś eksperyment przeprowadzany w dwóch laboratoriach w dwóch różnych częściach Europy daje różny wynik, powstaje pytanie: Czy różnica jest wynikiem różnicy w budowie użytych pryzmatów, czy też jest rzeczywistym faktem fizycznym?

Wracając do problemu, potrzebowano pewnego rodzaju standardu kalibracyjnego – pewnych ustalonych długości fali świetlnej, które oba laboratoria mogłyby przepuścić przez swoje pryzmaty aby sprawdzić jak pracują ich instrumenty. Dzisiaj dysponujemy setkami takich standardów, w czasach Frauenhofera nie było jednak żadnego. Frauenhofer skierował swoją uwagę na odkrycie, którego dokonał w 1802 roku. Jeśli przepuści się światło słoneczne przez pryzmat o wyjątkowo dobrej jakości, zauważyć można serię ciemnych pasów rozłożonych nieregularnie w barwnym spektrum światła. Nikt ówcześnie nie wiedział jakie jest pochodzenie tych ciemnych linii, jednak Frauenhofer zdał sobie sprawę, że mogą one być wykorzystane do rozwiązania problemu kalibracji.

Ponad Londynem i Berlinem świeci to samo Słońce. Mierząc długości fal odpowiadających ciemnym liniom, laboratoria mogą sprawdzić pod jakimi kątami uginają światło ich pryzmaty. W ten sposób można wiarygodnie porównywać wyniki pomiarów bez konieczności martwienia się o stałość składu mieszanki, z której wyprodukowano szkło w Benediktbeuren.

Frauenhofer rozwijał swój pomysł. W latach dwudziestych XIX wieku miał już zmierzone przynajmniej 574 linie w widmie słonecznym. Powstała dokładna mapa pozwalająca cechować instrumenty. Odkrywca linii nigdy prawdopodobnie nie zainteresował się co jest przyczyną ich powstawania. Były dla niego po prostu narzędziem. Dziś nazywamy je liniami Frauenhofera.

Przez ponad pól wieku linie pozostawały użytecznym, ale nie wyjaśnionym do końca zjawiskiem.

Pozostawmy teraz problemy produkcji szkła i zajmijmy się rozwojem innej nauki – chemii. Pod koniec lat 50-tych XIX wieku Uniwersytet w Heidelbergu stał się jednym z największych centrów naukowych na świecie. Wśród pracujących tam uczonych wymienimy wyróżniających się dwóch: fizyka Gustava Kirchhoffa i chemika Roberta Bunsena.

Bunsen wynalazł palnik, który jest (powinien być…) obecnie na wyposażeniu laboratorium chemicznego w każdej szkole. Zajmował się chemią analityczną, nauką badającą skład chemiczny próbek. Pracował między innymi nad badaniem składu gazów powstających w hucie żelaza. W latach 50-tych zajmował się w Heidelbergu technikami identyfikacji gazów poprzez obserwację kolorów płomieni powstających podczas ich spalania. Właśnie do prowadzenia takich badań zbudowany został palnik Bunsena.

W międzyczasie Gustav Kirchhoff rozpoczynał swoją karierę w niemieckim systemie uniwersyteckim. W 1847 roku skończył Uniwersytet w Konigsbergu i ożenił się z córką swojego profesora. W wieku 21 lat sformułował prawa rządzące napięciem i natężeniem prądu elektrycznego (dziś prawa te noszą jego nazwisko), a w 1854 roku przeniósł się do Heidelbergu. Zasugerował Bunsenowi, aby zamiast obserwowania kolorów płomieni, zbadał widmo światła przez nie emitowanego. Od jakiegoś czasu było wiadomo, że światło płonących materiałów, po przejściu przez pryzmat, rozkłada się raczej na serię ostrych linii, zwanych liniami widmowymi niż na ciągły pas jak to ma miejsce w przypadku światła słonecznego. Pomysł Kirchhoffa był tym, dzięki czemu można było stwierdzać różnice w składzie chemicznym.

Dwójka uczonych potraktowała pomysł poważnie i stworzyła pierwszy w świecie instrument do analizy widma. Należało patrzeć na płonące materiały w systematyczny sposób, pozycjonując i katalogując zaobserwowane linie widmowe.

Jesienią 1859 Kirchhoff wykonał obserwację, która zmieniła oblicze astronomii. Przepuścił światło słoneczne przez spektrometr obserwując linie Frauenhofera. Stwierdził, że niektóre linie w widmie płonących metali odpowiadają tym, które obserwuje się w świetle słonecznym. Jeśli przepuści się światło Słońca przez płomienie sodu przed wpuszczeniem ich do spektrometru, niektóre linie Frauenhofera stają się ciemniejsze.

Kirchhoff zdał sobie sprawę, że ciemne linie powstają gdy atomy absorbują światło. Linie Frauenhofera powstawały, gdy światło Słońca biegnące od jądra gwiazdy było pochłaniane przez atomy sodu znajdujące się w atmosferze słonecznej. Światło było też pochłaniane przechodząc przez płomień w laboratorium. Dlatego linie stawały się ciemniejsze. Było to nie tylko wyjaśnienie własności promieniowania, był to początek nowego działu astronomii. Po raz pierwszy udało się człowiekowi stwierdzić obecność konkretnych atomów (sodu) w ciele niebieskim.

Dzisiaj wiemy już, że atom składa się z ciężkiego, dodatnio naładowanego jądra, wokół którego po ustalonych orbitach krążą lekkie i ujemnie naładowane elektrony. Gdy elektron przeskakuje z orbity dalszej od jądra na bliższą – emituje foton światła o ustalonej długości fali i energii równej różnicy energii elektronu pomiędzy orbitami. Gdy atom absorbuje foton, elektron może przeskoczyć z niższej na wyższą orbitę, a energia pochłonięto fotonu musi odpowiadać dokładnie różnicy energii pomiędzy orbitami. Kirchhoff nie wiedział o istnieniu elektronu, ale zdał sobie sprawę, że atom emituje światło o ustalonych długościach fali oraz jest w stanie pochłaniać promieniowanie o tych samych długościach.

Dla astronomów otworzyło się nowe okno – mogli oni teraz analizować skład chemiczny ciał niebieskich. Nowa dziedzina wiedzy rozwijała się bardzo szybko.

Angielski astronom amator, Norman Lockyer, zamontował mały spektroskop do swojego 15-centymetrowego teleskopu i dokonał serii ciekawych odkryć dotyczących Słońca. Stwierdził między innymi, że linie Frauenhofera plam słonecznych są ciemniejsze niż okolic i w ten sposób udowodnił, że plamy są miejscami o niższej temperaturze. Zaobserwował on jako pierwszy chromosferę i wykonał regularne obserwacje wyrzutów materii słonecznej (wcześniej obserwacje takie były możliwe tylko w czasie całkowitych zaćmień Słońca). Za swoje wybitne zasługi astronom stał się członkiem Królewskiego Towarzystwa Naukowego.

W 1868 dokonał dziwnego odkrycia – w widmie słonecznym, pomiędzy dwoma żółtymi liniami sodu odkrył linię, której nie powinno tam być. Nie należała ona do żadnego znanego pierwiastka (również do żadnego odkrytego od czasu wynalezienia spektroskopu). Lockyer doszedł do wniosku, że należy ona do pierwiastka, który nie istnieje na Ziemi. Nazwał go helem (od greckiego boga Słońca – Heliosa). Odkrycie to miało długofalową rolę dla rozwoju całej nauki. Dzięki zainteresowaniu jakie wywołało zaobserwowanie helu udało się Lockyerowi doprowadzić w 1869 roku do wydania pierwszego numeru czasopisma Nature, jednego z najpoczytniejszych obecnie tygodników naukowych. Założyciel był naczelnym redaktorem pisma przez 50 lat.

W latach 60-tych społeczność naukowa stanęła przed niezwykłym problemem. Spektroskopia pozwalała na odkrywanie nowych pierwiastków na Ziemi. Za każdym razem udawało się uczonym zdobyć wystarczającą jego próbkę, aby stało się możliwe przeprowadzenie standardowych testów w laboratorium. Fakt, że helu nie odkryto na Ziemi, a jego własności nie mogły być zbadane na Ziemi, mógł mieć poważne konsekwencje.

Jedną z podstaw ówczesnej astronomii była możliwość poznawania własności ciał niebieskich poprzez przeprowadzanie doświadczeń na Ziemi. Takie właśnie rozumowanie doprowadziło Isaaca Newtona do stwierdzenia, że powód dla którego jabłko spada na Ziemię jest tym samym, dla którego Księżyc krąży wokół Ziemi. Co by było gdybyśmy nie mogli na Ziemi przetestować procesów, które mają miejsce na Słońcu? Musielibyśmy przyznać rację Comte’owi.

Na szczęście problem szybko zniknął. W 1892 roku badając ziemską atmosferę odkryto argon stanowiący około pół procent jej składu. W 1895 Lockyer badał gaz zawarty w próbce uranu. Odkrył w nim linie, które wcześniej obserwowano jedynie w widmie Słońca. Hel został znaleziony na Ziemi. Kryzys był zażegnany.

W ten sposób narodziła się astrofizyka. Możliwość wykorzystania spektrografu do obserwacji ciał niebieskich otworzyła możliwość burzliwego rozwoju wiedzy o Wszechświecie w XX wieku.

Autor

Michał Matraszek