Odkrycie na wagę złota

WAntwerpii przełomu XVI/XVII w. liczba malarzy znacznie przekraczała łączną liczbę piekarzy i rzeźników. Jednym z tamtejszych artystów był Pieter Bruegel młodszy – malarz przełomu epoki renesansu i baroku, doskonały kopista. Jego warsztat powielał dzieła ojca artysty, znakomitego Pietera Bruegla starszego. On sam tworzył także obrazy na podstawie rycin ojca. Jednym z takich dzieł jest „Alchemik”.

Tygle, kolby, miechy, wielki i zapewne drogi aparat do destylacji, porozrzucane w nieładzie naczynia, kartki z notatkami – istny bałagan. Kuchnia pełniąca równocześnie funkcję laboratorium. Po lewej stronie, tuż obok paleniska, alchemik, w dziurawych spodniach i podartej koszuli, o rozwichrzonych niczym Einstein włosach i nieogolonej twarzy, nachylony nad swoją pracą zdaje się nie zwracać uwagi na to, co dzieje się wokół. Właśnie ma zamiar przetopić ostatnią srebrną monetę, którą z sakiewki przed chwilą wyciągnęła stojąca tuż za nim żona. Pomocnik alchemika, w kapturze przydającym mu ośle uszy, klęczy z miechem w rękach, posłusznie wykonując polecenia. Całość pracy odbywa się pod dyktando uczonego w nienagannym stroju, wyraźnie wyróżniającym go na tle biedy i bałaganu domostwa. Być może uczony nie uczestniczy w pracy bezpośrednio, lecz pojawia się za pośrednictwem ,,mądrości” zapisanych w wielkich księgach, którym zawierzył szalony alchemik. W jednej z nich słowny kalambur: ,,Alghe Mist”, czyli ,,wszystko zawiodło”. W tle widać dzieci bawiące się w pustej spiżarni, a za oknem ostateczna przestroga – to, na co teraz nikt nie zwraca uwagi, a co wydarzy się za chwilę: nasz alchemik wraz z żoną odprowadza dzieci do przytułku.

Jakie szaleństwo ogarnęło przedstawionego na obrazie mężczyznę? Wyposażenie pracowni sugeruje, iż próbuje on w drodze transmutacji uzyskać złoto. Czy kieruje nim chciwość, chęć łatwego wzbogacenia się, czy też szlachetne pragnienie poznania tajemnic natury? Obraz ­Bruegla zdaje się nie pozostawiać w tej kwestii wątpliwości: alchemia to szarlataneria prowadząca naiwnych ślepców do ruiny i upadku. Dzisiaj wiedzą o tym nawet dzieci, jeśli uważnie wsłuchały się w „Opowiadanie wiatru” Andersena albo „Rumpelsztyka” braci Grimm. Mimo to alchemia nie zawsze była oceniana negatywnie. Tylko w malarstwie niderlandzkim XVII w. istnieje co najmniej kilkadziesiąt obrazów o tej tematyce. Alchemik czasami jest przedstawiany jako naiwny głupiec, a czasami jako szlachetny uczony.

Nawet wśród najwybitniejszych postaci rodzącej się nauki nie brakowało takich, którzy parali się alchemią.

W 1936 r. dom aukcyjny Sotheby’s wydał katalog opisujący 329 manuskryptów Newtona, z czego ponad jedną trzecią stanowią notatki alchemiczne. Wśród nich znajdują się również takie, które dotyczą przemiany metali nieszlachetnych w złoto. Kto jednak posądza Newtona o naiwność, popełnia błąd. Racjonalność jego postępowania należy oceniać w kontekście stanu wiedzy ówczesnej epoki.

Arystoteles uważał, że wszelkie substancje składają się z czterech elementów: ognia, ziemi, powietrza i wody. Jeśli tak, to przemiana np. ołowiu w złoto polega na zmianie proporcji tych elementów. Co więcej, doszukiwano się dowodów na to, że taki proces faktycznie zachodzi w przyrodzie. Prawie wszystkie znajdowane rudy ołowiu zawierają odrobinę ­srebra, a prawie wszystkie rudy srebra zawierają trochę złota. Łatwo błędnie zinterpretować tę obserwację: z biegiem lat ołów może przemieniać się w srebro, a srebro w złoto. Alchemicy próbowali przyspieszyć proces, który według nich zachodził w naturze.

Dzisiaj wiemy, zgodnie z intuicją Newtona, że przemiana metali nieszlachetnych w złoto jest możliwa. Fizyka XX w. spełniła to marzenie alchemików: złoto zostało wyprodukowane w laboratoriach. Chociaż nasza ciekawość została zaspokojona, to ludzka chciwość nie – jak dotychczas koszty produkcji wielokrotnie przewyższają wartość uzyskanego złota.

Wyobraźmy sobie, że zamiast renesansowego uczonego na obrazie Bruegla pojawia się współczesny fizyk. Stare księgi znikają, a na ich miejscu widzimy aktualny zestaw podręczników akademickich. Jakich podpowiedzi udzieliłby alchemikowi fizyk?

Użyjmy siły naszej wyobraźni. Mamy przed sobą nieznaną substancję i chcemy zrozumieć, czym ona tak naprawdę jest. Po pierwsze, możemy sprawdzić jej właściwości: co się stanie, gdy ją podgrzejemy, co będzie, gdy wymieszamy ją z inną substancją? Można zadać wiele podobnych pytań, ale zanim zabrniemy zbyt daleko, zauważmy, że substancja, którą poddajemy badaniom, może się składać z kilku innych, bardziej pierwotnych substancji. Rozsądniej będzie więc, jeśli rozdzielimy naszą próbkę na elementy składowe i zajmiemy się badaniem właściwości podstawowych składników. Właśnie dlatego na obrazie Bruegla widać tygle i aparat do destylacji. Kwintesencją tego typu alchemiczno-chemicznych studiów jest odkryta w XIX w. tablica pierwiastków, zwana układem okresowym pierwiastków lub tablicą Mendelejewa. Powstała wskutek pogrupowania podstawowych elementów ze względu na ich właściwości chemiczne. Zrozumienie struktury układu okresowego nastąpiło dopiero w XX w. Okazało się, że położenie pierwiastka w układzie okresowym zdeterminowane jest przez strukturę wewnętrzną atomów, z których ten pierwiastek się składa.

Jak przekonać się o istnieniu atomów? Zwykły mikroskop nic tutaj nie pomoże. Chociaż hipoteza atomistyczna powstała jeszcze w starożytnej Grecji, to dopiero w XIX w. uzyskano silne naukowe argumenty na jej poparcie. Przyczyniło się do tego wiele osób, lecz jedną z najważniejszych był Ludwig Boltzmann. Założył on, iż substancje składają się z wielkiej ilości drobnych elementów spełniających prawa fizyki statystycznej. Hipoteza ta pozwoliła uzasadnić niektóre właściwości substancji. Te drobne elementy to atomy, np. wodór, tlen lub cząsteczki (molekuły) utworzone z atomów połączonych za pomocą wiązań chemicznych (np. cząsteczka wody utworzona z połączenia dwóch atomów wodoru z atomem tlenu). Początkowo środowisko fizyków i filozofów przyrody bardzo sceptycznie przyjęło to odkrycie. Boltzmann załamał się i w 1906 r. popełnił samobójstwo. Jedne z kluczowych wyników przemawiających za poprawnością teorii atomistycznej przedstawili niezależnie Albert Einstein i polski fizyk Marian Smoluchowski.

Z teorii atomistycznej wynika, że aby zrozumieć różnicę pomiędzy ołowiem a złotem, trzeba poznać strukturę wewnętrzną odpowiadających im atomów. W porównaniu do setek lat mało owocnej pracy alchemików tym razem sprawy potoczyły się prędko.

Pod koniec XIX w. odkryto elektron – cząstkę ponad tysiąc razy lżejszą od ­hipotetycznych wówczas atomów, obdarzoną ujemnym ładunkiem elektrycznym. Lekki elektron stał się świetnym kandydatem na element składowy atomu. Jeśli atomy są elektrycznie obojętne, to musi istnieć drugi składnik o ładunku dodatnim. Na początku XX w. istniało już kilka konkurujących ze sobą modeli. W 1913 r. Niels Bohr przedstawił swoją hipotezę: dodatnio naładowane ciężkie jądro okrążane przez elektrony. W 1920 r. odkryto cząstkę o ładunku dodatnim, czyli proton, a w 1932 r. elektrycznie neutralny neutron. Na początku XX w. powstała mechanika kwantowa. W ramach niej model atomu był prawie kompletny: ciężkie jądro składające się z protonów i neutronów otoczone przez chmurę elektronów. Transmutacja polega na zmianie liczby protonów w jądrze atomu.

Dwa atomy o tej samej liczbie protonów, lecz różnej liczbie neutronów, określa się mianem izotopów. Pierwiastki, a nawet różne izotopy jednego pierwiastka, mogą różnić się między sobą stabilnością. Od końca XIX w. było znane zjawisko promieniotwórczości. Odkrył je Henri ­Becquerel, który razem z Pierre’em Curie i Marią Skłodowską-Curie w 1903 r. za swoje badania otrzymał Nagrodę Nobla. W 1901 r. podczas jednego z eksperymentów Ernest Rutherford i jego student Frederick Soddy zrozumieli, czym jest rozpad promieniotwórczy. Soddy wykrzyknął słynne słowa: ,,Rutherford, to transmutacja!”. Promieniowanie, które wysyłane jest przez niektóre pierwiastki, to nic innego jak produkty samoczynnego rozpadu ciężkich niestabilnych atomów na lżejsze.

Pierwiastki naturalnie występujące na Ziemi są stabilne lub rozpadają się powoli. Jeśli chcemy wyprodukować z nich złoto, to trzeba je do takiej przemiany pobudzić. Można to zrobić na kilka sposobów. Rozszczepienie jądrowe polega na rozbiciu cięższych jąder na mniejsze. Synteza jądrowa to z kolei proces, w którym lżejsze jądra łączą się, tworząc cięższe. Jądra atomów cięższych niż żelazo (np. złota) zawierają wiele protonów, więc posiadają duży dodatni ładunek elektryczny. Bardzo trudno do nich przyłączyć inne jądra atomowe (dodatnie ładunki odpychają się) – synteza jądrowa przestaje być energetycznie opłacalna. Neutron nie posiada ładunku elektrycznego, a zatem łatwiej spowodować, by przyłączył się nawet do ciężkiego jądra. Proces ten nazwano wychwytem neutronu. Takie dodatkowe neutrony w jądrze często zmieniają jego stabilność. Jeśli neutrony w jądrze przemienią się w protony (tzw. rozpady beta), to zwiększy się liczba protonów i otrzymamy nowy cięższy pierwiastek.

Fizycy próbowali różnych sposobów, by zmusić atomy do transmutacji. Produkty naturalnego rozpadu promieniotwórczego poruszają się z dużymi prędkościami umożliwiającymi syntezę jądrową. Próbowano również zaprząc do pracy wyładowania elektryczne, czyli elektrony. W 1924 r. Japończyk Hantaro Nagaoka wraz ze współpracownikami, oraz niezależnie berlińczycy Adolf Miethe i Hans Stammreich, ogłosili, że udało się im spełnić marzenie alchemików: rtęć przemienili w złoto. Do dzisiaj status tych eksperymentów nie jest jasny. Okazało się, że najbardziej skuteczna metoda wymaga zastosowania akceleratorów cząstek. W 1941 r. Rubby Sherr, Kenneth Tompkins Bainbridge i Herbert Anderson rozpędzili w akceleratorze jądra ciężkiego wodoru (proton i neutron) i za ich pomocą zbombardowali lit. Powstały poruszające się z dużymi prędkościami neutrony, które zostały wychwycone przez atomy rtęci. Cały proces doprowadził do powstania niewielkich ilości trzech izotopów złota. Niestety, były one niestabilne.

Byłoby to iście bajkowe zakończenie historii alchemika, któremu udało się stworzyć złoto, ale okazało się ono fałszywe, a w dodatku po chwili zniknęło – brakowało tylko, by rozpadając się na inne pierwiastki, zabiło swojego twórcę. Ale historia na tym się nie zakończyła.

W 1980 r. Glenn Seaborg z Lawrence Berkeley National Laboratory rozszczepił atomy bizmutu. Jednym z produktów były stabilne atomy złota. Zamiast bizmutu można użyć ołowiu – choć koszty w ten sposób przeprowadzonej transmutacji pozostają o wiele większe niż wartość uzyskanego złota.

Jeśli tak trudno na Ziemi wyprodukować nawet odrobinę złota, to w jaki sposób powstało ono w przyrodzie?

Weźmy do ręki złotą biżuterię. Śledząc historię atomów, które trzymamy w ręce, poprzez sklep jubilerski trafilibyśmy do jednej z kopalń złota. Wiedza alchemików nie pozwalała sięgnąć im dalej. Nauka pozwala nam dzisiaj cofnąć się aż do chwili, gdy te atomy powstały.

Po Wielkim Wybuchu pozostały wodór, hel i odrobina litu. Cięższe atomy, aż do żelaza włącznie, zostały wyprodukowane w gwiazdach w procesie syntezy jądrowej. To grawitacja ściskając atomy we wnętrzu gwiazd umożliwia rozpoczęcie procesu syntezy. Lekkie atomy łącząc się w cięższe wydzielają olbrzymie ilości energii – to dlatego gwiazdy świecą. Znaczna część materii, która nas otacza, nawet tej, z której zbudowane są nasze ciała, pochodzi z gwiazd. Proces wychwytu neutronów może zachodzić w gwiazdach, ale nie są one efektywną „fabryką” atomów cięższych niż żelazo.

Wszechświat wypełniony jest niezliczoną ilością galaktyk. Galaktyki składają się z setek miliardów gwiazd. Choć w skali galaktycznej pojedyncza gwiazda niewiele znaczy, to od czasu do czasu jesteśmy świadkami niezwykłego przedstawienia: powstaje supernowa – wybuch gwiazdy, który swoim blaskiem może przyćmić nawet całą galaktykę. Jeden z mechanizmów prowadzących do powstania supernowych związany jest ze śmiercią masywnych gwiazd, które zaczynają się gwałtownie kurczyć, co prowadzi do gigantycznej eksplozji. W krótkim czasie uwalniane są wielkie ilości energii. Od lat 50. XX w. wierzono, że w trakcie takiej eksplozji istnieją dogodne warunki, by za pośrednictwem procesu wychwytu neutronów powstały w dużych ilościach wszystkie ciężkie pierwiastki. Współczesne precyzyjne komputerowe symulacje nie potwierdzają tej hipotezy.

Po wybuchu szczątki supernowej tworzą spektakularną mgławicę, jak np. Mgławica Kraba. W centrum pozostaje czarna dziura lub gwiazda neutronowa. Gwiazda neutronowa jest niewyobrażalnie gęsta, składa się głównie z neutronów i przypomina wielkie jądro atomowe, powiększone do rozmiarów ok. 20 km. Choć zawiera wszystko, co jest niezbędne do syntezy ciężkich pierwiastków, to potężne więzy grawitacyjne uniemożliwiają rozpoczęcie tego procesu. Wiele lat temu przedstawiono hipotezę, iż kolizja gwiazdy neutronowej z inną gwiazdą neutronową lub czarną dziurą uwalnia zawarty w niej materiał i uruchamia proces syntezy poprzez wychwyt neutronów.

Do niedawna ten alternatywny mechanizm powstawania ciężkich pierwiastków, w tym złota, był uważany za mało prawdopodobny. Choć jest on bardzo efektywny, to przypuszczano, że takie zderzenia, ochrzczone mianem kilonowych, występują niezmiernie rzadko. Pierwszą kilonową dostrzeżono w 2013 r., ale nie udało się wtedy przeprowadzić precyzyjnych obserwacji. Kilonowe są kilkaset milionów razy jaśniejsze od Słońca, ale i tak znacznie mniej jasne od supernowych.

Olbrzymia grawitacja gwiazd neutronowych nie tylko ściska zawarte w niej neutrony, ale także zniekształca strukturę czasu i przestrzeni. Prawie cała energia zderzenia takich gwiazd uwalniana jest w postaci fal grawitacyjnych – zmarszczek na strukturze czasu i przestrzeni, przemierzających wszechświat niczym fale powierzchnię oceanu.

17 sierpnia 2017 r. po raz szósty w historii dokonano detekcji fali grawitacyjnej. Ta detekcja pod wieloma względami wyróżniała się na tle pozostałych. Sygnał odpowiadał zderzeniu dwóch gwiazd neutronowych, a nie czarnych dziur, co dawało nadzieję na zaobserwowanie skutków zderzenia za pomocą zwykłych teleskopów. Rzeczywiście, niecałe dwie sekundy po fali grawitacyjnej pojawił się błysk (wysokoenergetyczne fotony). Detekcji fali grawitacyjnej dokonały dwa amerykańskie detektory LIGO i uruchomiony kilka tygodni wcześniej europejski detektor Virgo. Potrójna detekcja umożliwiła ustalenie kierunku, z którego nadbiegł sygnał. Wszczęto alarm. Około stu instrumentów na wszystkich kontynentach i w przestrzeni kosmicznej wpatrzyło się w stronę, z której nadbiegł sygnał. Dostrzeżono kilonową.

Bezprecedensowa kampania umożliwiła zgromadzenie wielu danych. Tylko 16 października 2017 r., tuż po odtajnieniu obserwacji, pojawiło się ponad sto prac naukowych na ten temat. Jedna z nich została podpisana przez ponad cztery tysiące astronomów, co stanowi jedną trzecią wszystkich profesjonalnych astronomów żyjących obecnie na Ziemi.

Obserwacje zmiany koloru kilonowej potwierdziły, że w zderzeniu gwiazd neutronowych wyprodukowane zostały olbrzymie ilości ciężkich pierwiastków. Szacuje się, iż masa złota, które powstało, jest niewiele mniejsza od masy Jowisza, czyli dziesiątki razy przekracza masę Ziemi. Jednak ilość wyprodukowanego złota nie jest najważniejsza. Równoczesna detekcja fali grawitacyjnej i obserwacja jej źródła rozpoczęły nową erę w historii astronomii. To zupełnie nowy sposób na poznawanie wszechświata. Wydarzenie z 17 sierpnia 2017 r. głęboko zrewidowało naszą wiedzę. Czekamy na następne!

Czy alchemik z obrazu Bruegla byłby oczarowany takim rozwiązaniem tajemnicy złota? To zależy, czy kierowała nim ciekawość, czy chciwość, bo na kosmicznym zderzeniu, które zaobserwowaliśmy, trudno zarobić. Wydarzyło się ono 130 mln lat świetlnych od nas. ©

Autor jest doktorem habilitowanym, pracuje w Zakładzie Astrofizyki Relatywistycznej i Kosmologii w Obserwatorium Astronomicznym UJ.