Poniższy materiał edukacyjny został stworzony w ramach projektu Unii Europejskiej o akronimie PANS (Public Awarness of Nuclear Science). Materiały NUPEX'u (NUclear Physics EXperience), w dwunastu językach można znaleźć w witrynie http://www.ncbj.edu.pl/nupex

Czym zajmuje się fizyka i technika jądrowa?
S

Broń jądrowa

Autor: Alessandro Pascolini, tłumaczenie: Ewa Droste
1

1. Broń jądrowa

Zbudowanie bomby atomowej (nazwa powszechna, ale nieścisła, gdyż dotyczy w istocie bomby jądrowej) było wydarzeniem epokowym, które doprowadziło do zakończenia II Wojny Światowej (na Pacyfiku - przyp.tłum.), powstania w świadomości zbiorowej nowego rodzaju zagrożenia, a także silnego wpływu na decyzje polityczne i stosunki międzynarodowe w ciągu następnych 60 lat. W jego wyniku pojawiły się zupełnie nowe relacje pomiędzy ludźmi nauki i społeczeństwem. Uczeni zostali zmuszeni do stawienia czoła problemom etycznym i rozważenia swojej odpowiedzialności wobec całej ludzkości – musieli odpowiedzieć na pytania, którymi nigdy wcześniej nie musieli się zajmować.

„Energia jądrowa”, rzeźba w brązie autorstwa Henry Moore’a, poświęcona pierwszej, samopodtrzymującej się reakcji jądrowej, przeprowadzonej w 1942 roku. Rzeźba (odsłonięta w 1967 w Chicago) upamiętnia miejsce początku ery nuklearnej.

1.1. Historia

Znaczenie wojny w dawnych społeczeństwach

Ścisły związek wojny i wiedzy od zawsze towarzyszył dziejom ludzkości i aż do niedawna rzadko był podważany. Wojna była stale obecna w ludzkiej historii, a walka była postrzegana jako społeczna konieczność i czynnik rozwoju gospodarczego.

Obowiązkiem i sprawą honoru obywateli było walczyć najlepiej jak potrafią dla swojej społeczności. W wielu kulturach początkiem sztuki były sławiące walkę eposy czy pomniki. Postęp techniczny i rozwój przemysłu szły zawsze w parze z potrzebami militarnymi.

Upadek Lachish (40 km od Jerozolimy) - płaskorzeźba alabastrowa z pałacu asyryjskiego władcy, Króla Sennacheriba, który panował w Niniwie w latach 704-681 przed Chrystusem
2

2. Doskonalenie broni jako obywatelski obowiązek uczonych

Gdy wojownicy uważani są za wiodącą grupę społeczną, a prowadzenie wojny za ważną społeczną potrzebę, uczeni, z konieczności, są gotowi pracować nad umocnieniem siły militarnej swej społeczności.

Stare sagi i mity przypisują wynalazki nowych broni bóstwom, uwydatniając w ten sposób należyte uznanie dla osiągnięć w dziedzinie technik wojennych.

3

3. Archimedes - inżynier bez zapału

Dla Archimedesa, wielkiego matematyka, jakakolwiek działalność prowadząca do wytwarzania czegokolwiek nie była warta jego geniuszu, oddanego czystej nauce.

Król Syrakuz, Heron II, zdołał jednak nakłonić Archimedesa do przejścia od abstrakcyjnych teorii do praktycznych zastosowań: budowania broni zaczepnej i obronnej krótko– i długozasięgowej. Broń ta wykazała swoją przydatność w 212 roku przed Chrystusem, w czasie obrony Syrakuz przed armią rzymską pod wodzą Marcellusa, który zdobył miasto dopiero po 8 miesiącach oblężenia.

Żywą prezentację Archimedesa i jego rozlicznych aktywności można znaleźć w "Żywocie Marcellusa" Plutarcha. Można tam też znaleźć opis niezwykłych broni.

Giulio Parigi – Wynalazki Archimedesa: zapalające zwierciadła i „żelazna pięść” - Galeria Uffici, Florencja

Archimedes (287 – 212 przed Chrystusem)

Archimedes jest jednym z najsławniejszych matematyków świata, nie tylko antycznego. Był wielkim wynalazcą i wybitnym astronomem. Zajmował się matematyką i zastosował idee matematyki do genialnych konstrukcji . Pompa jego pomysłu – „śruba Archimedesa” – nadal jest szeroko stosowana.

Urodził się prawdopodobnie w 287 r przed Chrystusem, w Syrakuzach na Sycylii, wówczas kolonii greckiej. Podobnie jak jego ojciec, Fedeas, zajmował się astronomią – określił dokładnie najdłuższe i najkrótsze dni w roku. Podróżował po Morzu Śródziemnym, studiował matematykę w Aleksandrii, jednak większość życia spędził w Syrakuzach.

Oto niektóre z jego wynalazków i odkryć:

  • Odkrył związek pomiędzy powierzchniami i objętościami kuli oraz walca, w którą wpisana jest ta kula; pozwoliło to mu na wyznaczenie objętości kuli
  • Podał wartość stosunku obwodu koła do jego średnicy – czyli liczbę "pi" (wówczas określił tylko cztery cyfry: 3,142)
  • Sformułował prawo hydrostatyki, do dzisiaj nazywane „prawem Archimedesa” – każde ciało zanurzone w cieczy traci na swym ciężarze tyle, ile waży ciecz w objętości zanurzonej części
  • Opisał działanie dźwigni. Wykazał, że niewielka siła może poruszyć ciężki obiekt – cytowane jest jego słynne powiedzenie „Dajcie mi punkt podparcia, a poruszę Ziemię”.

W roku 212 przed Chrystusem wojska rzymskie oblegały Syrakuzy. Machiny wojenne, zbudowane wg. pomysłu Archimedesa opóźniły zdobycie miasta o ponad 8 miesięcy: katapulty miotały głazy na rzymskie legiony, gigantyczne haki chwytały i zatapiały łodzie, a „żelazna pięść” i zapalające zwierciadła niszczyły flotę. Była to „jednoosobowa obrona” przed armią rzymską. Ostatecznie Syrakuzy zostały zdobyte, jeden z żołnierzy dopadł Archimedesa na dziedzińcu, gdy analizował on problemy geometrii – tradycja przypisuje Archimedesowi ostatnie, przedśmiertne słowa do żołnierza „Nie niszcz moich okręgów”. Rysunek kuli wpisanej w walec, wyryty na płycie nagrobnej, upamiętniał wielkiego matematyka, przez wielu naukowców uznawanego za „ojca rachunku całkowego”.

Popiersie Archimedesa,
Muzeum Narodowe w Neapolu
Włoski znaczek pocztowy z popiersiem Archimedesa
i rysunkiem pompy jego pomysłu
4

4. Szkoła Aleksandryjska - teoria i doświadczenia na rzecz sztuki wojennej

W III i II wieku przed Chrystusem, pod panowaniem dynastii Ptolomeuszy, Aleksandria stała się ważnym ośrodkiem badań naukowych w wielu dziedzinach, nie wyłączając wiedzy o technice prowadzenia wojen. Aleksandryjscy uczeni dążyli do połączenia nauk teoretycznych i rzeczywistych potrzeb praktycznych.

Ktesibiosowi, założycielowi szkoły, przypisywany jest wynalazek broni działającej na sprężone powietrze, Filon z Bizancjum zaś prowadził systematyczne badania miotaczy (wyrzutni) opartych na ścisłych prawach mechaniki. Traktaty Herona opisywały ówczesną sztukę wojenną, podając m.in. tablice balistyczne dla artylerii, czy przestrzenne modele machin wojennych, budowanych zgodnie z podstawowymi prawami fizyki.

Machiny oblężnicze wg Filona w greckim kodeksie z XI wieku.
5

5. Logistyka wojsk rzymskich

Zbudowanie starożytnego Imperium Rzymskiego wymagało prowadzenia przez kolejne stulecia wojen w całej Europie, Północnej Afryce, czy na Bliskim Wschodzie. Źródłem sukcesów nie były jednak nowe udoskonalenia techniczne dokonane przez ludzi nauki, tylko struktury armii, ulepszane przez dowódców wojskowych o niezwykłych talentach organizacyjnych.

Zarówno Witruwiusz (I w. przed Chrystusem.), jak i Vegetius (IV w. po Chrystusie) w swoich traktatach opisywali machiny wojenne z Aleksandrii, bez zastanawiania się nad naukowymi zasadami ich konstrukcji: uwaga autorów skupiała się głównie na zagadnieniach organizacji i zarządzania armiami.

Vegetius, Flavius Renatus - „De re militari” - wydanie ilustrowane, Erfurt 1512: drabiny oblężnicze
[ostatnie wydania. w jęz. polskim : „Zarys wojskowości”, , wyd. Meander 1973 Marcus Pollio Vitruvius „O architekturze ksiąg dziesięć”, PWN, W-wa 1956]
6

6. Myślenie i praktyka w wiekach średnich

W wiekach średnich, zarówno w cywilizacji chrześcijańskiej, jak i cywilizacji islamu, świat uczonych i świat rzemiosła nie miały wiele wspólnego. Osiągnięcia w obu tych dziedzinach nie wpływały wzajemnie na siebie. Zmiany zaczęły następować dopiero w wieku XIII – Ramon Lullo, Robert Grossetestes i Roger Bacon kładli nacisk na konieczność doświadczeń w nauce i niezbędność wsparcia techniki teorią naukową; w początku XIV wieku Villard de Honnecourt, Guido de Vigevano i Conrad Keyser wprowadzili nową formę kształcenia inżynierów wojskowych .

Guido de Vigevano, „Texaurus Regis Franciae”, wieża oblężnicza
7

7. Inżynierowie Renesansu - radość z poczucia swej potęgi

Ludzie włoskiego Renesansu byli jednocześnie i artystami i rzemieślnikami, humanistami i ludźmi wojny, organizatorami wielkich festynów - geniuszami przekonanymi o tym, że są w stanie stworzyć wszystko. Brunelleschi, Jacopo Fontana, il Taccola, Valturio, Leon Battista Alberti, Filarete, Francesco di Giorgio Martini i wielu innych z entuzjazmem poświęcali swoje zainteresowania wytwarzaniu machin – również wojennych, broni czy fortyfikacji odpowiednich do nowej broni palnej. Chcieli wykazać, że umysł ludzki jest zdolny do przyjęcia i przezwyciężenia każdego wyzwania, tworząc sztukę i kulturę w każdych okolicznościach.

Opis środowiska kulturalnego, w którym działali inżynierowie Renesansu można znaleźć w książce Bertranda Gille "Les ingénieurs de la Renaissance".

7.1. Machiny wojenne, część 1

 

7.2. Machiny wojenne, część 2

 
8

8. Leonardo - stałe poszukiwania

Leonardo da Vinci w swoich licznych próbach zawsze starał się dotrzeć do naukowych podstaw działania zarówno natury, jak i urządzeń technicznych.

W liście do Ludwika Sforzy, władcy Mediolanu, nie przedstawił się jako artysta, lecz jako inżynier biegły w sprawach sztuki wojennej. Prace Leonarda, dotyczące, min. uzbrojenia czy fortyfikacji nadal pozostają dla nas „cudami techniki”.

Leonardo, „Codex Atlanticus”: Broń powtarzalna
9

9. Galileusz i metoda naukowa

Galileusz, który odkrył wartość matematyki jako logicznego narzędzia we wnioskowaniu naukowym, uznawał konieczność doświadczalnego potwierdzania teorii. Zawsze pociągały go problemy techniczne i podczas pobytu w Arsenale w Wenecji brał udział w ulepszaniu okrętów i urządzeń wojskowych. Zastosował swoją znajomość balistyki i geometrii do rozwijania technik wojskowych - zaczepnych i obronnych.

Galileusz „All’architettura militare” (O architekturze wojennej): Atak na twierdzę

Galileusz – pionier fizyki (1594-1642)

Galileusz jako pierwszy zastosował "doświadczalną metodę naukową". Studiował zjawisko swobodnego spadku i postulował stałą wartość przyspieszenia ziemskiego dla wszystkich ciał w danym miejscu. Zbudował jeden z pierwszych teleskopów na świecie, dzięki któremu dokonał znaczących odkryć, włączając księżyce Jowisza i fazy Wenus (podobne do faz ziemskiego Księżyca). Poczynione obserwacje utwierdziły go w przekonaniu o prawdziwości Systemu Heliocentrycznego. Rozwinął nowoczesną teorię ruchu i stworzył podwaliny pod dynamikę Newtona.

Był profesorem astronomii najpierw na Uniwersytecie w Pizie, a następnie na Uniwersytecie w Padwie, gdzie propagował swoje teorie. Prowadzona praca naukowa doprowadziła go do konfliktu z ówczesnym Kościołem Katolickim – w 1633 r. Inkwizycja oskarżyła Galileusza o herezję i zażądała publicznego odwołania poparcia dla nauki Kopernika i systemu heliocentrycznego. Został skazany na dożywotnie więzienie, ale ze względu na podeszły wiek pozwolono mu odsiadywać wyrok w areszcie domowym we własnej willi nieopodal Florencji.

10

10. Precyzyjne zegary tworzą imperia

Chronometry żeglarskie, pozwalające na dokładne określanie długości geograficznej utorowały drogę państwom europejskim do ekspansji na cały świat i tworzenie kolonii w dalekich krajach.

W 1656 r Chrystiaan Huygens, korzystając z praw mechaniki Newtona, zbudował precyzyjny zegar wahadłowy, potrzebny mu do własnych badań astronomicznych, a w 1680 r budował chronometry dla Kompanii Holenderskich Indii Wschodnich.

W latach 1730. precyzyjne chronometry żeglarskie produkował w Anglii John Harrison.

Chronometr Harrisona – H1
(Narodowe Muzeum Morskie, Greenwich).

Christiaan Huygens (1629—1695)

Christiaan Huygens (1629-1695) był jeden z największych uczonych XVII wieku, o wielkim dorobku w różnych dziedzinach matematyki, rachunku prawdopodobieństwa i astronomii (wyjaśnił kształt pierścieni Saturna), mechaniki (opisał ruch wahadła), optyki – (zapoczątkował falową teorię światła), muzyki (sugerował 31–tonową tzw. "temperację równomierną").

Budował wysokiej jakości instrumenty naukowe (teleskopy, zegary). Nawiązywał kontakty z współczesnymi naukowcami, i walnie przyczynił się do utworzenia w Paryżu Królewskiej Akademii Nauk.

Problem pomiaru długości geograficznej

Gdy podróżujemy w kierunku wschodnim, po przebyciu każdych 15º długości geograficznej nastawiamy zegarki na czas lokalny przesuwając wskazówki o 1 godzinę do przodu, a przy podróży w kierunku zachodnim o 1 godzinę do tyłu. Znając różnicę czasów lokalnych w dwóch dowolnych punktach na kuli ziemskiej, możemy zatem podać ich odległość w stopniach długości geograficznej. Było to bardzo ważne dla XVII-wiecznych żeglarzy i nawigatorów. Czas lokalny wyznaczano przez obserwację Słońca, ale do wyznaczenia długości geograficznej wymagana była znajomości czasu lokalnego punktu odniesienia.

W 1714 r. rząd brytyjski wyznaczył nagrodę 20 000 funtów za rozwiązanie problemu wyznaczania długości geograficznej z dokładnością do 1/2 stopnia (czyli pomiaru czasu z dokładnością do 2 minut) – w owych czasach zadanie niewykonalne. Dopiero John Harrison (1693-1776) zbudował serię coraz lepszych zegarów, które ostatecznie osiągnęły większą dokładność.

11

11. Szkoły wojskowe

Wieki XVIII i XIX przyniosły pojawienie się w wielu krajach Europy szkół wojskowych, które przygotować miały kadry dowódcze i techniczne: najpierw w roku 1739 w Turynie (stolicy królestwa Sardynii, które obejmowało wówczas m.in. Piemont i Sabaudię), a potem w 1748 w Méziéres (Francja).

Zwycięstwa armii napoleońskich przekonały władców europejskich o ważności właściwego zaplecza technicznego dla działań militarnych - szkoły wojskowe tworzą Prusy (1816), Szwecja (1818), następnie w Rosja, Belgia i Hiszpania.

Szkoły techniczne pozostawały nadal pod kontrolą sfer wojskowych. Większość wykładowców wywodziła się z armii, a udział ludzi ze środowisk naukowych i uniwersyteckich był niewielki.

Mundury studentów École Polytechnique w latach 1814 i 1815.
Laboratorium Justusa Liebig’a w Giessen, jedna z pierwszych XIX-wiecznych pracowni uniwersyteckich poświęconych badaniom dla przemysłu.
12

12. Badania dla przemysłu i dynamit Nobla

W wieku XIX nowym źródłem poparcia dla badań zastosowaniowych i technicznych stają się duże firmy i korporacje przemysłowe – najpierw w USA, następnie w Niemczech. Wprowadziło to tajność i planowanie badań - nowe procedury, które umniejszały tradycyjne swobody uczonych, oraz, przez ograniczanie możliwości publikowania, zmniejszały ich szanse na uzyskanie rozgłosu. Decydujące znaczenie dla armii miał teraz przemysł chemiczny. Wynalezienie trotylu -TNT (trójnitrotoluenu) w 1863 i dynamitu (1867) miało zatrważające skutki dla prowadzenia działań wojennych.

Brytyjscy robotnicy w fabryce dynamitu.
Pawilon firmy Schneider na wystawie światowej EXPO 1900 w Paryżu.

Alfred Bernard Nobel (1833 - 1896)

Pochodził z rodziny bogatych przemysłowców. Rozpoczął edukację od nauk przyrodniczych, języków obcych i literatury oraz licznych podróży po Europie i Stanach Zjednoczonych, następnie studiował inżynierię chemiczną. Prowadząc doświadczenia celem przekształcenia niezwykle niebezpiecznej nitrogliceryny w bezpieczny dla handlu i technicznie wygodny materiał wybuchowy wytworzył, w 1867 r., dynamit. Rynek dynamitu rozwijał się bardzo szybko, a Alfred Nobel okazał się być bardzo zręcznym przedsiębiorcą i człowiekiem interesu. Nobel bardzo się interesował problemami społecznymi, jak również i problemem pokoju – miał w tych dziedzinach poglądy, jak na owe czasy, niezwykle radykalne. Nagrody Nobla stały się dopełnieniem i spełnieniem jego życiowych ideałów.

13

13. Chemia dla frontów I Wojny Światowej

Ogromne zapotrzebowanie na materiały wybuchowe na frontach I wojny światowej wymagało od przemysłu optymalizacji produkcji i wprowadzania nowych technik.

W Niemczech przemysłowiec Fritz Haber utworzył strukturę organizacyjną do badań chemicznych dla celów wojennych – było to 6 zespołów roboczych, złożonych z cywilnych naukowców i ludzi wojska.

To na frontach I wojny światowej po raz pierwszy zastosowano broń chemiczną – gazy bojowe: chlor i fosfogen w 1915 r. oraz gaz musztardowy (iperyt) w r. 1917, co doprowadziło do 1 400 000 dodatkowych ofiar.

Żołnierze podczas produkcji materiałów wybuchowych w czasie I wojny światowej.
14

14. I Wojna Światowa - mobilizacja organizacji naukowych

I Wojna Światowa wprowadziła na pola bitewne wiele innowacji technicznych, jak bunkry, miotacze ognia, broń chemiczną, bombardowanie z powietrza, łodzie podwodne dalekiego zasięgu... Te wszystkie, nowe techniki nie wprowadziły jednak istotnych zmian w sztuce wojennej. Żołnierze walczyli zgodnie z tradycyjną taktyką, ponosząc ogromne ofiary w wyniku nowych technik walki, a sztaby, z natury konserwatywne, pozostawały nieufne w stosunku do wszelkich nowości.

I Wojna Światowa : Irena Curie wychodząca z ambulansu rentgenowskiego armii francuskiej.

Z drugiej strony, po raz pierwszy zaczęto wymagać od zespołów naukowych wspomagania militarnego wysiłku rządów, a struktury państwowe wzięły na siebie odpowiedzialność i roztoczyły kontrolę nad badaniami naukowymi przez instytucje administracyjne, jak np. ministerstwa nauki. Odtąd nauka i przemysł stawały się coraz bardziej zależne od rządów i ich finansowego wsparcia.

 
Notki biograficzne (z roku 2000)
Alessandro Pascolini, Włoch, profesor fizyki teoretycznej na Uniwersytecie w Padwie. Jego badania obejmują teoretyczną fizykę jądrową oraz zjawiska nieliniowe. W ciągu ostatnich 20 lat był aktywnym uczestnikiem projektów dotyczących rozbudzenia społecznej świadomości wagi nauk przyrodniczych. W roku 2004 został nagrodzony za działalność popularyzatorską przez Europejskie Towarzystwo Fizyczne. Jest aktywnym uczestnikiem seminariów, warsztatów naukowych oraz innych działalności w ramach Konferencji Pugwash na temat Problemów Nauki i Świata.
Ewa Droste jest magistrem fizyki, specjalistką z fizyki jądrowej, zatrudnioną na stanowisku fizyka w Dziale Szkolenia i Doradztwa w Instytucie Problemów Jądrowych w Świerku.