Promieniowanie Wodorowe - Roksal.pdf - Ciekawostki - teensy-4.0

Zenon E. Roskal

Odkrycie promieniowania neutralnego wodoru w per-

spektywie kosmofilozofii

1. Wstęp

Historia teoretycznego odkrycia linii wodoru o długości 21 cm (1420

MHz) oraz jego doświadczalnego potwierdzenia jest bardzo interesująca

z filozoficznego punktu widzenia, ale zarazem tylko w niewielkim stop-

niu jest opracowana. Dodatkowym argumentem jest także i to, że w bie-

żącym roku konfiguracja ciał niebieskich (Słońca i Księżyca) jest bardzo

podobna do tej jaka była w momencie dokonywania odkrycia 1 . Tech-

niczno-technologiczne uwarunkowania metod detekcji promieniowania

neutralnego wodoru oraz wykorzystanie tego promieniowania we

współczesnej kosmologii do poznania struktury i dynamiki naszej ga-

laktyki, ale także wielkoskalowej struktury wszechświata, supermasyw-

nych czarnych dziury oraz procesów tworzenia protogalaktyk to zagad-

nienia, które mogłyby być opracowane nie tylko z punktu widzenia ko-

smologii i filozofii nauki (kosmologii), ale także z perspektywy poznaw-

czej kosmofilozofii (filozofii przyrody nieożywionej). Większe znaczenie

dla kosmofilozofii ma jednak wykorzystanie tego odkrycia w programie

poszukiwania pozaziemskiej inteligencji. Dlatego skupimy się na tym

aspekcie odkrycia promieniowania neutralnego wodoru.

Kosmofilozofię można rozumieć jako uwspółcześnioną wersję filozofii

przyrody nieożywionej (kosmologii filozoficznej) rozwijanej w ramach

_____________

1 Często powodem podejmowania przez historyków nauki danej problematyki są

rocznice (najlepiej wyrażające się w pełnych dziesiątkach lat) wydarzeń z nią związa-

nych. W kalendarzu słonecznym oznacza to, że uwzględnia się tylko pozycję Słońca

zupełnie natomiast pomija się pozycję Księżyca. Niektóre odkrycia dokonane jednak

zostały przy charakterystycznej konfiguracji obu tych niebieskich ciał. Do takich odkryć

należy też doświadczalne potwierdzenie istnienia promieniowania neutralnego wodoru.

Odkrycia tego dokonano w nocy z soboty na niedzielę wielkanocna 25 marca 1951 r. Taka

konfiguracja Słońca i Księżyca prawie dokładnie przypada w tym roku [2008 – przyp.

red.], gdyż niedziela wielkanocna przypada na 23 marca. Jest to okoliczność, która może

rozszerzać argumentację uzasadniającą aktualność problematyki odkrycia promieniowa-

nia neutralnego wodoru. Okrągła rocznica (50-ta, pół wieku) przypada natomiast w

przyszłym roku w związku z publikacja artykułu Cocconiego i Morrisona na temat moż-

liwości nawiązania kontaktu z cywilizacjami pozaziemskimi. Por. przypis nr 23.

różnych szkół i nurtów filozoficznych, ale także jako kontynuację tej tra-

dycji filozoficznej, w której człowiek jest ujmowany jako twórca prze-

kształcający odziedziczony Ład świata w kosmos swojego Rozumu. W

ramach tej tradycji postuluje się stworzenie nowego gatunku – homo ga-

lacticus , który będzie posiadał najlepsze cechy ujawnione w historii ro-

dzaju ludzkiego i zarazem przerastał go wiedzą i moralnością. W tym

celu – zdaniem kosmofilozofów – nieodzowna jest nie tylko współpraca

realizująca globalne cele, ale także próba nawiązania kontaktu z cywili-

zacjami pozaziemskimi. Zadanie to stało się możliwe do zrealizowania

stosunkowo późno, wówczas gdy cywilizacja ziemska uzyskała tech-

niczne możliwości detekcji i emisji fal radiowych. Aczkolwiek pierwsze

próby tego rodzaju sięgają końca XIX wieku, to jednak dopiero po II

wojnie światowej poziom wiedzy technicznej okazał się na tyle zaawan-

sowany, że detekcja sygnałów od cywilizacji pozaziemskich stała się re-

alna. Centralną rolę w tym procesie odegrało odkrycie promieniowania

neutralnego wodoru, którego ,,magiczna częstotliwość’’ została wyko-

rzystana do nasłuchu sygnałów pochodzących od pozaziemskich cywili-

zacji.

Powiązanie odkrycia promieniowania neutralnego wodoru z poszu-

kiwaniem cywilizacji pozaziemskich jest powszechnie znane wśród ra-

dioastronomów, ale wiedza ta nie jest reflektowana przez (ko-

smo)filozofów. Wykorzystanie własności promieniowania neutralnego

wodoru, które jest w samym środku tzw. dziury wodnej 2 w programach

_____________

2 Pojęcie dziury wodnej zostało wprowadzone w związku z tłumieniem przez ziem-

ską atmosferę pewnych częstotliwości sygnałów radiowych. Okazuje się, że istnieje za-

kres częstotliwości między liniami neutralnego wodoru (1,42 GHz) i rodnika wodorotle-

nowego OH (1,64 GHz), w którym tłumienie to jest stosunkowo niewielkie. Por. M.

Subotowicz, W poszukiwaniu życia rozumnego we wszechświecie. Zagadnienia wybrane , Lu-

blin: Wydawnictwo UMCS 1995, s. 167–168. Pojęcie to wyposażane jest także w metafo-

ryczną interpretację, zgodnie z którą ten zakres częstotliwości jest analogiczny do zbior-

nika wodnego, wokół którego gromadzą się (i komunikują się między sobą) zwierzęta.

Podobnie cywilizacje pozaziemskie powinny wykorzystywać ten zakres częstotliwość do

wzajemnej komunikacji. W tym miejscu warto uczynić dygresję na temat tej metafory,

która – według jednego z wczesnych pomysłów F. Drake’a – przybrała formę zdjęcia

zatytułowanego ,,kałuża’’ i przedstawiającego różne gatunki zwierząt u wodopoju. Zdję-

cie to (nr 59) zostało wysłane w kosmos razem z innymi obrazami Ziemi zabranymi na

pokładzie Voyagera 1 i Voyagera 2. Por. C. Sagan (red.), Marmurs of Earth. The Voyager

Interstellar Record (tłum. pol. J. Bieroń, Szepty Ziemi. Międzygwiezdna wiadomość Voyagerów ,

Poznań, Zysk i S-ka 2003, s.110; por. także szczegółowe informacje na temat ,,okna wod-

nego’’ w pracy J. S. Szkłowski, Wszechświat, życie, myśl (tłum. pol. Z. Jethon), Warszawa,

PWN 1965, s. 292–295, który częstotliwość 1420 MHz nazywa ,,częstotliwością podsta-

wową’’.

CETI-SETI 3 wpisuje odkrycie nadsubtelnego promieniowania neutralne-

go wodoru pośrednio także i w kontekst kosmofilozofii. Interpretacje tej

tezy oraz wstępna charakterystyka kosmofilozofii to główne cele tego

artykułu.

Inne zastosowania promieniowania neutralnego wodoru zostaną tyl-

ko zaledwie wspomniane, gdyż zarówno ich liczba, jak i znaczenie dla

stanu współczesnej wiedzy o kosmosie jest tak duże, że byłoby nieporo-

zumieniem ich analizowanie w tak ograniczonej formie wypowiedzi.

2. Historyczno-teoretyczny kontekst teoretycznego odkrycia pro-

mieniowania neutralnego wodoru

W okresie okupacji na uniwersytecie w Lejdzie nie było możliwości

prowadzenia obserwacji astronomicznych. Dyrektorem obserwatorium

był wówczas Jan H. Oort (1900–1992), który starając się rozwiązać ten

problem organizował w miejsce obserwacji dyskusje. W małych grup-

kach studentów dyskutowano wówczas m.in. teoretyczne aspekty bada-

nia kosmosu wykorzystujące metody detekcji promieniowania elektro-

magnetycznego w zakresie fal radiowych.

Zastosowanie spektroskopu w astronomii przyczyniło się do głębokiej

przebudowy astronomii w drugiej połowie XIX wieku 4 . Jednakże – zda-

niem Oorta – detektory promieniowania radiowego nie mogą się równać

ze spektroskopem optycznym 5 . Oort był głęboko przekonany, że przy

_____________

3 Początkowo funkcjonował akronim CETI (Communication with ExtraTerrestial In-

teligence), później – jako bardziej adekwatny – wprowadzono akronim SETI (Search for

Extraterrestial Inteligence). Współcześnie są realizowane zbliżone programy o różnych

nazwach m.in. programy SERENDIP (Search for Extraterrestrial Radio from Nearby

Developed Populations) i META II (Million-channel Extra-Terrestrial Assay), COSETI

(Columbus Optical SETI). Por. F. Drake, D. Sobel, Czy jest tam kto? Nauka w poszukiwaniu

cywilizacji pozaziemskich , Warszawa, ,,Prószyński i S-ka’’ 1996, s. 308–312; Z. Dworak, Z.

Paprotny, Z. Sołtys, Milczenie wszechświata , Warszawa, WP 1997, s. 120–193, gdzie szcze-

gółowo programy te są charakteryzowane.

4 Nowe metody badania kosmosu wypracowane przez spektroskopię wykorzystującą

zjawisko Dopplera pozwoliły nie tylko na uzyskanie informacji na temat składu che-

micznego gwiazd oraz zjonizowanych obłoków gazu, ale także na temat ich ruchów. Nie

można było jednak przy pomocy tych metod uzyskać informacji na temat innych skład-

ników przestrzeni kosmicznej.

5 W owym czasie radioastronomia praktycznie nie istniała, aczkolwiek już w końcu

XIX wieku Thomas Alva Edison (1847–1931) i Oliver Lodge (1826–1884) próbowali wy-

kryć fale radiowe pochodzące ze Słońca. Przypadkowego odkrycia fal radiowych pocho-

dzących z kosmosu, jednakże nie ze Słońca, ale z Drogi Mlecznej dokonał w 1932 r. ame-

pomocy metod detekcji promieniowania radiowego nie można zmierzyć

ani odległości ani prędkości, ani wreszcie temperatury obserwowanych

obiektów 6 . W toku dyskusji zrodził się problem, który do rozwiązania

otrzymał jeden ze studentów Oorta – Van de Hulst. Problem został sfor-

mułowany w następujący sposób: czy można oczekiwać, że w zakresie

promieniowania radiowego docierają do nas sygnały od jakiegoś znane-

go składnika przestrzeni międzygwiezdnej? Jak wiadomo promieniowa-

nie radiowe charakteryzuje się tym, że jego kwanty mają bardzo małą

energię w porównaniu z kwantami promieniowania elektromagnetycz-

nego w tzw. oknie optycznym. Problem sprowadzał się zatem do tego

czy w zimnych przestrzeniach międzygwiazdowych może istnieć atom

lub cząsteczka, która ma poziomy energetyczne różniące się od siebie o

energię rzędu 10 -11 erga. Hendrik C. Van de Hulst teoretycznie wykazał,

że niezjonizowany atom wodoru (H I) posiada dwa poziomy energe-

tyczne o takiej różnicy energii.

W swoich rozważaniach Van de Hulst przede wszystkim zwrócił

uwagę na to, że najniższy poziom (–13,6 eV) jest rozczepiony dodatkowo

na dwa ze względu na sprzężenie magnetyczne pomiędzy protonem i

elektronem. Energia stanu podstawowego wodoru, określona przez od-

działywanie czysto elektrostatyczne różnicuje się o wielkość 6 x 10 -6 eV.

Powiększa się dla spinów zorientowanych równolegle i pomniejsza dla

spinów zorientowanych antyrównolegle. Przy zmianie orientacji spinu

elektronu emitowany jest foton o energii 6 x 10 -6 eV, któremu odpowiada

długości fali 21 cm, czyli w środku tzw. okna radiowego. Aczkolwiek

tego typu przejście jest wzbronione przez mechanikę kwantową, to jed-

nak dla danego atomu może ono zachodzić spontanicznie raz na 10 mi-

lion lat. Van de Hulst przyjął, że prawdopodobieństwo takiego przejścia

_____________

rykański inżynier-radiotechnik Karl Jansky (1905–1950). Jednakże astronomowie nie byli

zainteresowani tym odkryciami, gdyż nie dostarczały one nowych informacji. Subrama-

niam Chandrasekar (1910–1983), który był w latach 30-tych redaktorem czasopisma

Astrophysical Journal po otrzymaniu artykułu Janskiego na temat odkrycia promienio-

wania radiowego Drogi Mlecznej myślał, że jest to żart.

6 Prowadzone w latach 30-tych XX-wieku badania absorpcji światła w przestrzeni ko-

smicznej wykazały, że jest ona praktycznie pusta, zawierając niezwykle rzadko wystę-

pujące cząsteczki gazu i pyłu. Jednakże już w roku 1937 udało się (Otto Struve /1897-

1963/, Christian T. Elvey /1899-1970/) potwierdzić istnienie w przestrzeni między-

gwiezdnej obszarów zjonizowanego wodoru. Dwa lata później duński astrofizyk Bengt

Strömgren (1908–1987) wykazał, że przestrzeń międzygwiazdowa rozpada się na wyraź-

nie na dwa rozgraniczone obszary wokół gwiazd: wodoru neutralnego (obszary H I) i

wodoru zjonizowanego (obszary H II), tzw. sfery Strömgrena.

mogłoby być znacznie większe gdyby uwzględnić zderzenia pomiędzy

atomami. Szacunkowe obliczenia prowadziły do wyniku, zgodnie z któ-

rym jeden cm 3 wodoru emituje jeden foton o energii 6 x 10 -6 eV (21 cm)

raz na kilkaset lat. Przy uwzględnieniu objętości obłoków wodoru mię-

dzygwiezdnego Van Hulst mógł przyjąć, że takie promieniowanie po-

winno dać się zaobserwować. Według jego obliczeń 7 linia wodoru po-

winna mieć długość 21,16 cm, co odpowiada częstości 1417,777 MHz.

Hendrik C. Van de Hulst zdało sobie sprawę z tego, że obserwacja tej

linii może dać informację o prędkościach obłoków wodorowych w prze-

strzeni międzygwiezdnej, a także z pomiarów natężenia tej linii wnio-

skować o ilości wodoru. Jeszcze w czasie wojny – w 1944 roku – odbyło

się seminarium poświęcone pionierskim pracom Grote’a Rebera nad

mapą radiową Galaktyki 8 . W czasie tego seminarium Van de Hulst za-

prezentował swoje wyniki. W konkluzji stwierdził, że można będzie za-

obserwować słaby sygnał radiowy, który jest emitowany przez główny

składnik materii międzygwiazdowej jakim jest neutralny (niezjonizowa-

ny) wodór. Bezpośrednio po wojnie wyniki Van de Hulsta zostały opu-

blikowane a autor przystąpił do prób doświadczalnego potwierdzenia

_____________

7 W badania laboratoryjnych wykonanych po II wojnie światowej na uniwersytecie

Columbia wykorzystano do wyznaczenia częstotliwości promieniowania nadsubtelnego

neutralnego wodoru elementy aparatury wykorzystywanej w technice radarowej. Roz-

wiązania technologiczne wówczas uzyskane pozwoliły zmierzyć tę częstotliwość Pierw-

sze wyniki (1421, 3 ± 0, 2 MHz) uzyskali J. E. Nafe, E. B. Nelson i I. I. Rabi już 1947 r. ( The

Hyperfine Structure of Atomic Hydrogen and Deuterium , ,,Physical Review’’ 71 (1947): 914).

Kolejne pomiary wykonane trzy lata później (A. G. Prodell, P. Kusch, On the Hyperfine

Structure of Hydrogen and Deuterium , ,,Physical Review’’ 79 (1950): 1009–1010) dały po-

prawiony wynik (1 420, 4051 ± 0, 0003 MHz), ale przede wszystkim większą o kilka rzę-

dów wielkości precyzję pomiaru, co świadczy o bardzo szybkim postępie w zakresie

radiometrii na przełomie lat czterdziestych i pięćdziesiątych. Bardziej dokładne pomiary

A. G. Prodella i P. Kuscha były cytowane w artykule H. Ewena i E. Purcella, w którym

donosili o odkryciu promieniowania neutralnego wodoru. Badania te w poważnym

stopniu ułatwiły detekcję promieniowania neutralnego wodoru, gdyż – jak zauważył

Ewen – nie można było przegapić linii o tak precyzyjnie określonej długości w szerokim

zakresie odbieranych częstotliwości.

8 Grote Reber (1911–2002) przez pewien czas był jedynym radioastronomem. W 1937

zbudował samodzielnie paraboliczny radioteleskop (o średnicy 9,4 m), przy pomocy

którego zaobserwował kilka niezależnych źródeł promieniowania radiowego (znanych

dzisiaj pod nazwami Cassiopeia A, Cygnus A i Sagitarius A). G. Reber, Cosmic static ,

,,Astrophysical Journal’’ 91 (1940): 621–624. Aczkolwiek Holandia w tym czasie była

odcięta od amerykańskich czasopism, to jednak ten numer (z artykułem Rebera) dotarł J.

Oorta, który przekazał go Van de Hulstowi.

Promieniowanie Wodorowe - Roksal.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: