Adam Cebula

strona 20

O robieniu doskonałego niczego

Jest co najmniej kilka powodów do pisania o bardzo doskonałym niczym.

Pierwszy to taki, że pracownia uczonego jest bardzo wdzięcznym elementem scenografii każdego filmu SF. Tak jak pracownia czarnoksiężnika w filmie fantasy. I tu, i tam piętrzą się dziwaczne przedmioty, dzieją się rzeczy dziwne i niezrozumiałe. Nie ma co ukrywać, że właśnie ta scenografia kiedyś mi zaimponowała. Ktoś, kto siedzi w takim wnętrzu i panuje nad tymi wszystkimi mocami, sam owiany mgłą legendy, to postać, która zawsze pociągała mnie o wiele bardziej od szybkich rewolwerowców i mocarzy obracających dwuręcznymi mieczami.

Upłynęło trochę czasu, nim się przekonałem, że prawdziwa uroda nauki polega na tym, że wszystko daje się zrozumieć. Dziwaczne przedmioty tracą swą tajemniczość, bulgotanie w kolbach zmienia się w całkiem konkretne wrzenie ciekłego azotu, kolorowe lampki uzyskują znaczenie kontroli przepływu chłodzącej wody, napięcia zasilającego, wszystko staje się zrozumiałe i celowe. To powód drugi. Rozumienie świata nie tylko pomaga, ale dostarcza wiele radości.

Jest do tego wszystkiego podejście z całkiem innej strony. Jednym z najbardziej poważanych i tajemniczych zawodów w dzisiejszym świecie jest fizyk-teoretyk. Mniej zorientowani celują na fizyka jądrowego, ale ludzie, choć trochę związani z nauką, wiedzą, o kogo chodzi. Teoretycy zdobywają sławę i pieniądze, stają się symbolami niedoścignionej wiedzy. Można wymienić niemal jednym tchem: Albert Einstein, Richard Feynman, Niels Bohr, a z bliższych nam Hawking. To oni są symbolami współczesnej nauki, oni jawią się jako wielcy magowie, którzy posiedli nadludzką wiedzę. O eksperymentatorach jest ciszej. Mało kto potrafi powiedzieć, kto zbudował pierwszy działający mikroskop elektronowy, zapewne ludzie nawet nie wiedzą, że istnieje coś takiego, skaningowy mikroskop tunelowy i że to od niego zaczął się cały hałas dotyczący nanotechnologii, bo właśnie ta maszyna pozwala przeprowadzać operacje w skali nanometrów, a nawet manipulować pojedynczymi molekułami.

No cóż, chodzi też o pieniądze. Gdzie sława, tam i kasa płynie. Jednak trochę to dziwne, że sprzedajne są dziwaczne i całkowicie niezrozumiałe teorie świata w jedenastu wymiarach, natomiast to, co dotykalne i widzialne, jak najbardziej konkretne, jakoś ludzi nie rajcuje. Była nawet swego czasu taka tendencja, źle skrywana, udowadniania wyższości teorii nad eksperymentem. Autorzy dumnie przekonywali, że do stworzenia teorii względności Albertowi Einsteinowi nie był potrzebny wynik eksperymentu Michelsona- Morleya, w którym obaj genialni doświadczalnicy stwierdzili, że prędkość światła nie zależy od układu współrzędnych, w jakiej się ją mierzy (trochę na wyrost mówiąc). I w rzeczywistości tak było. Teoria względności powstała rzeczywiście jako niemal wytwór czystego umysłu. Jednak bez późniejszych pomiarów byłaby tylko ciekawostką.

Tak czy owak, świat współczesny powstaje głównie dzięki upartej i niewdzięcznej robocie eksperymentalnej. To właśnie ta dłubanina pozwala dziś masowo produkować takie urządzenia, jak kineskop telewizyjny. GIN opisał w "Autobahn nach Poznań" świat bez elektryczności, który okazał się bardzo egzotyczny. Nasz świat jest pełen takich szczegółów, drobnych wynalazków, bez których "wszystko" wyglądałoby inaczej. Nie zdajemy sobie sprawy z ich znaczenia, nawet nie wiemy o ich istnieniu. Pomyślałem sobie, że o pewnych "magicznych praktykach" trzeba coś więcej napisać.

Jedną z najważniejszych technologii jest "produkcja niczego", czyli po prostu przestrzeni, w której nie ma materii, można powiedzieć: zwykłej próżni. Starożytnym całkowita pusta przestrzeń w głowie się nie mieściła. Dla nas dziś jest czymś całkowicie normalnym.

Jak głosi anegdota, w czasie, gdy Japończycy postanowili dogonić świat zachodni, postanowili uruchomić produkcję lamp elektronowych. Rozpoczęli negocjacje w sprawie zakupu technologii w Anglii (opowiadam z pamięci) i w ramach wzajemnych kontaktów zostali zaproszeni do zwiedzenia fabryki. Po wycieczce delegacja uznała, że wie już wszystko i bez zapłaty za wiedzę uruchomiono zakład w Japonii. Ale lampy nie działały. Nie pokazano tylko jednego etapu produkcji pompowania lamp. Nie wiem, czy w całej historii jest choć ziarno prawdy, lecz, muszę przyznać, że gdybym wystartował z poziomu popularnej wiedzy technicznej, nie wiedząc tego, czego się nauczyłem na studiach, pewnie wpadłbym w podobną pułapkę. Bowiem uzyskanie próżni wydaje się zadaniem rzeczywiście łatwym. Co prostszego? Odwracamy wentylek w pompce do roweru i już mamy pompkę próżniową.

Taka maszyna pozwala naprawdę uzyskać próżnię "mechaniczną". Możemy z jej pomocą przeprowadzić bardzo przekonujące doświadczenie, w którym pokażemy, że w szklanej rurze bez powietrza z jednakową prędkością spada kawałek ołowiu i  kaczy puch. Możemy skutecznie pozamykać słoiki z konfiturami (kto dziś jeszcze stosuje słoiki Wecka?). Z próżnią uzyskaną za pomocą mechanicznej pompy niewiele więcej da się zrobić, może za wyjątkiem bardzo efektownych napisów ze świecących rur z gazem, zwanych powszechnie neonami.

Pompa mechaniczna nie jest w stanie wypompować wszystkich gazów, nawet gdyby pracowała tylko "na samą siebie". Przyczyna tkwi w tym, że zawsze istnieje coś takiego, jak objętość resztkowa. Jeśli tłok pompy spręża bardzo już rozrzedzone gazy, aby wyrzucić je w atmosferę, musi podnieść ich ciśnienie do atmosferycznego. Zawsze istnieje jakaś objętość zaworu, przestrzeń, której nie jest w stanie wypełnić tłok. Powiem od razu, że dzięki postępom mechaniki, za pomocą różnych sztuczek, pompy mechaniczne są w stanie "wyciągnąć" gazy do ciśnienia 1/10000 mm słupa rtęci. Jednak to rekordy. Przeciętny wynik to 1/1000 mm słupa rtęci. Jest to naprawdę znakomity wynik, jeśli uświadomimy sobie, że ciśnienie atmosferyczne to ok. 760 mm słupa rtęci. Można więc powiedzieć, że bez specjalnych zabiegów jesteśmy w stanie zmniejszyć ciśnienie prawie milion, lub nawet 10 milionów razy.

Po co jednak nam próżnia, zwłaszcza taka znakomita? Wystarczy wspomnieć kilka epokowych eksperymentów, jak choćby ten, za którego wyjaśnienie Einstein dostał nagrodę Nobla, zjawisko fotoelektyczne. W opisie w podręcznikach czytamy o zwyczajnej bańce szklanej, z której wypompowano powietrze. Mamy cynkową blaszkę, na którą świecimy światłem i drugą blachę, anodę, która wyłapuje wybite z cynku elektrony. Zjawiska nie zaobserwujemy w powietrzu, świecąc zwyczajnie na kawałek cynku, bo wybite z niego elektrony trafią po przebyciu mikroskopijnego odcinka na cząsteczki powietrza, które je zatrzymają. Ten odcinek, jaki średnio w danym ośrodku coś może przebyć bez zderzenia, nazywa się średnią drogą swobodną. Musimy tak bardzo rozrzedzić powietrze, by elektrony "średnio" nie zderzały się z powietrzem na drodze do anody. By z doświadczenia był większy zysk, potrzebujemy jeszcze lepszej próżni, ale o tym za chwilę. Do tego, by elektrony swobodnie przebywały odległości rzędu centymetrów potrzeba rozrzedzić powietrze tak, że jego ciśnienie spadnie do mniej więcej jednej milionowej milimetra słupa rtęci.

Jest to sprawa do dyskusji, czy przy takich warunkach można jeszcze mówić o ciśnieniu gazu. Tak, czy owak, nie potrafimy zmierzyć na manometrze rtęciowym tak małych różnic wysokości. O tym, jakie jest ciśnienie gazu, przekonujemy się metodami pośrednimi. Tak naprawdę mierzą one już tylko gęstość cząsteczek na jednostkę objętości.

Wysoka próżnia była niezbędna także do obserwacji ruchów elektronów w polu magnetycznym, do zbudowania pierwszej lampy oscyloskopowej. Bez próżni nie byłoby całej naszej współczesnej fizyki, wiedzy o cząstkach elementarnych, nie byłoby wielu efektownych obserwacji. Istnieje nawet coś takiego, co zwie się tradycyjnie "ultrafioletem próżniowym". To całkiem zwykłe promieniowanie elektromagnetyczne, nawet zupełnie zwyczajne świecenie gazu pod wpływem wyładowania elektrycznego, lecz otrzymywane w próżni. Przyczyna takiego karkołomnego postępowania leży w tym, że fale o długości mniejszej niż 200 nm (zakres widzialny to od głębokiej czerwieni, którą widzimy przy długości fal 700 nm do wstrząsającego ultrafioletu osiąganego przy 400 nm) są bardzo silnie pochłaniane przez atmosferę. Jeśli chcemy na coś poświecić tak "bardzo ultrafioletowym" światłem, to pomiędzy źródłem i tym, co oświetlamy, nie może być powietrza. Jedynie próżnia nie pochłonie tak krótkiego promieniowania.

Maszyneria jest w idei prosta: mamy komorę, w której panuje ciśnienie dość wysokie, by zachodziło wyładowanie, z niej poprzez wąską szczelinę światło wychodzi do kolejnej komory, która jest intensywnie odpompowywana, bo oczywiście oprócz światła przez szczelinę wylatuje także roboczy gaz. Czasami potrzebne jest kilka takich stopni, bo w obszarze, gdzie znajduje się próbka, potrzebne jest ciśnienie drobny miliard razy mniejsze od tego, które panuje w komorze wyładowczej. Ten opis, niejako przy okazji straszenia ludzi ultrafioletem: ileż to trzeba się nabiedzić czasami, by go mieć.

Można powiedzieć, że gdybyśmy nie opanowali technologii wysokiej próżni, utkwilibyśmy z rozwojem cywilizacyjnym gdzieś w okolicach roku 1900, może 1915, gdy się udało zbudować triodę. Działałoby radio, ale o telewizji można by tylko pomarzyć: może coś na kształt tarczy Nipkowa, na pewno nie solidny kineskop.

Gdyby nie opanowanie tak zwanej ultrapróżni, prawdopodobnie nie byłoby tak dziś fascynującego rozwoju techniki elektronicznej, informatyki, komputerów. Choć w urządzeniach półprzewodnikowych nie ma próżni, to nie tylko jest ona niezbędna do wytworzenia elementów półprzewodnikowych. Nie jest to zresztą taka "ekstra", ale bez niej nie można sobie wyobrazić podstawowych w tej dziedzinie procesów technologicznych.

Nie byłoby bez ultrapróżni całej dziedziny wiedzy, zwanej fizyką powierzchni. To odrębne zagadnienie. Można jednak problem pobieżnie przedstawić. Jeśli chcemy badać, co się dzieje podczas przechodzenia choćby elektronu z jednego materiału do drugiego (bo urządzenia półprzewodnikowe to złącza), to musimy się dowiedzieć, co się dzieje przy granicy materiału. Wygodnie jest także sprawdzić, jak zachowa się jeden materiał w kontakcie z innym, obserwując reakcję pojedynczych cząsteczek na powierzchni. Także poznanie bardzo elementarnych właściwości wymaga wiedzy o tym, co jest tak naprawdę na powierzchni badanego materiału. Wspomniana blaszka cynkowa musi być właśnie z tego metalu, gdyż do wybicia z niego elektronu potrzebna jest niewielka energia. Gdy weźmiemy inny metal, nie zauważymy w zakresie widzialnego światła żadnego efektu, gdyż energię, która wyrzuci z niego elektron, przenoszą dopiero fotony z zakresu ultrafioletu.

Mierzy się coś takiego, jak praca wyjścia z metalu. Jest to jedna z najczęściej szukanych własności materiału. W dużym przybliżeniu sprawdzamy, jakiej siły (tak naprawdę energii) trzeba, żeby wyrwać elektron na przykład z kawałka metalu. Gdy choćby chcemy zrobić sobie działo elektronowe do kineskopu, musi ono zawierać grzaną katodę, najważniejszy element, bo on stanowi źródło elektronów, które, uformowane w bardzo wąski strumyczek, posłusznie rysują na ekranie obraz. Elektrony wylatują z katody, która może być zwyczajnym kawałkiem metalu dzięki wysokiej temperaturze. Wyskakują wyrzucane termicznymi drganiami atomów. Im wyższa temperatura, tym więcej elektronów, tym jaśniejszy obraz. Jednak im wyższa temperatura, tym większa moc pożerana przez grzejniki. Chciałoby się odkryć materiały, które mają jak najmniejszą pracę wyjścia. Tak powstały tak zwane katody tlenkowe, sztuczka fizyków, która pozwoliła obniżyć temperaturę i zachować dużą wydajność działa elektronowego. Aby jednak zmierzyć pracę wyjścia, powierzchnia próbki musi być czysta. Tymczasem w normalnych warunkach pokrywa się ona natychmiast warstwą atomów (cząsteczek) "co tylko jest". Warstwa zmienia czasami bardzo mocno własności powierzchni. Mamy sposoby, żeby się jej pozbyć. Najprostszą metodą jest wygrzanie próbki. Zanieczyszczenia odparowują, ale jeśli próżnia w jakiej się to odbywa nie jest dostatecznie dobra, w ciągu sekund usiądą tam na nowo. Takie problemy szczególnie przeszkadzają nawet nie przy badaniach elementów przeznaczonych do lamp elektronowych, w których zresztą panuje nie najlepsza próżnia, ale właśnie podczas poznawania własności materiałów, z których wykonujemy przyrządy półprzewodnikowe.

Gdyby nie umiejętność otrzymywania próżni odpowiadającej ciśnieniu mniej niż jedna miliardowa słupka rtęci (to już całkowita abstrakcja!), być może mielibyśmy tranzystory, ale kiepskie, być może bylibyśmy teraz na etapie układów scalonych zawierających niewiarygodną ilość kilkunastu bramek logicznych, z ogromną ilością kilkuset tranzystorów. Czyli jakieś 40 lat do tyłu i bez szans na ruszenie do przodu...

Jak się to robi? Najbardziej zadziwiające metody musieli stosować uczeni w czasach, gdy nie było dobrych i wypróbowanych metod. Pompy tłokowe znane było już od czasów najmniej Herona. W kopalniach, które budowano w końcu średniowiecza, pracowały już prymitywne ssące pompy do wody, ale jak już wspomniałem, ta metoda nadawała się do osiągnięcia dosyć kiepskiej próżni. Radzono więc sobie różnymi sztuczkami. Stosunkowo najprostsza metoda to kaskadowe połączenie, w której wylot jednej pompy łączymy z wlotem drugiej. Teoretycznie tą metodą można by uzyskać dowolnie niską próżnię, lecz niestety okazało się, że pompa paruje, posiada szereg nieszczelności, które ujawniają się dopiero przy bardzo niskich ciśnieniach. Nie byłoby też dobrym pomysłem umieszczenie jednej pompy wewnątrz baniaka odpompowywanego przez drugą pompę. Być może to rozwiązanie dałoby rezultaty, lecz zamiast budować takie dziwne urządzenia (swoją drogą "normalnie" stosuje się kaskadowe łączenie pomp), ludzie zaczęli myśleć.

Rezultatem są urządzenia, które swym kształtem i sposobem działania mogą się laikowi wydać magicznymi maszynami. Już wcześnie zauważono, że całkiem niezłe wyniki w pompowaniu ma zwykła wodna pompka. Jej zasada działania jest trochę dziwna, w strumień szybko płynącej wody wstawiamy koniec rury prowadzącej do naczynia, które chcemy odpompować. No i tyle. Urządzenie zadziwia swą prostotą i skutecznością. Jednak oczywiście nie nada się do wytworzenia ultrapróżni. Jednak metodę zmodyfikowano. Strumień wody zastąpiono strumieniem par rtęci. Współcześnie, a prawdę mówiąc gdzieś od lat 50-tych XX wieku, stosuje się pompy tego typu z parami oleju. Są to pompy, które oczywiście współpracują z normalnymi "tłokowymi" pompami. Nazywamy je pompami dyfuzyjnymi. Pozwalają uzyskać próżnię odpowiednią choćby do produkcji lamp radiowych, czy kineskopów telewizyjnych.

Jest jeszcze prostsza i bardzo skuteczna konstrukcja. Dosyć dawno zauważono, że powierzchnie ciał stałych mają zdolność przyklejania cząsteczek gazu. Zazwyczaj im niższa temperatura, tym więcej cząsteczek siada na takiej powierzchni. Jeśli by więc zastosować coś, z odpowiednio wielką powierzchnią i odpowiednio obniżyć temperaturę, to może pociągnie?

Tak powstały pompy tak zwane zeolitowe. Zwykła metalowa puszka wypełniona zeolitem (jest to substancja powstała z ziemi okrzemkowej po specjalnej obróbce chemicznej). Pojemnik zanurzamy w ciekłym azocie, a do jego wlotu podłączamy rurą naczynie, które chcemy odpompować. Nasze naczynie zaczyna gwałtownie ssać gaz. Gdy już się nassie, zamykamy pompowane naczynie, zamiast termosu z azotem nadziewamy na puszkę grzejnik elektryczny i wysoką temperaturą wyganiamy gazy. Odpowiednio zbudowane i przygotowane "zeolity" potrafią pompować od ciśnienia atmosferycznego.

Często stosuje się je jako pomocnicze tak zwane pułapki zeolitowe par oleju, które się ulatniają z mechanicznych (tak zwanych rotacyjnych) pomp próżniowych.

Takie urządzenia pozwalają nam na osiągnięcie próżni tak zwanej "technologicznej", około jednej milionowej słupa rtęci. W tych warunkach udaje się większość procesów. Jednak do wspomnianych badań powierzchni potrzebne są jeszcze lepsze warunki. Osiąga się je za pomocą kolejnych dziwnych urządzeń. Są to pompy jonowe, czasami nazywane jonowo-magnetycznymi. Zasada ich działania opiera się o zjawisko pochłaniania gazów przez cząsteczki rozpylonego metalu. To już całkowicie nie wygląda na pompę, bo nie ma wylotu gazów. Cząsteczki są "zamurowywane" w ściankach naczynia przez rozpylony metal. W pompach jonowo-magnetycznych rozpylany jest tytan przez wyładowanie w bardzo rozrzedzonym gazie.

Charakterystyczną cechą tych pomp są wielkie i bardzo silne magnesy, które wymuszają spiralny ruch jonów, bez których zgasłoby wyładowanie w gazie. Pisząc te słowa, zdaję sobie sprawę, że prawdopodobnie niczego już nie wyjaśniam. Nie o to już chodzi. Chciałem pokazać, że istnieje cała dziedzina wiedzy, która powstała tylko dlatego, że żyjemy na dnie bardzo gęstego oceanu gazowego, i że dzięki tej dziedzinie, dzięki skomplikowanym sposobom, które powstały przez włożenie ogromnej pracy, mamy dziś na przykład komputery. Nasza wiedza to wypadkowa nie tylko genialnych pomysłów, ale także zmysłu obserwacji. Jest jeszcze jeden motyw tej pisaniny: nasi humaniści pewnie nie bardzo zdają sobie nawet sprawę, że istnieje taka dziedzina jak technika próżni, że technologia ultrapróżni to coś ciut innego, niż zwykłej wysokiej próżni. Pewnie tak jest, bo w sztandarowych rozprawach filozoficznych tyczących naszej cywilizacji choć zaczynamy od niewątpliwie technicznego urządzenia, jakim jest koło, choć kwieciście opowiada się o wynalazku Gutenberga, zazwyczaj nie mając pojęcia, co naprawdę wynalazł, choć mówi się o maszynie parowej, potem radiu, telewizji, komputerze, to o technice próżni nigdzie nie przeczytałem. A tymczasem jest to jedna z podstawowych technik badawczych współczesnej fizyki i nie ma najmniejszej przesady w stwierdzeniu, że odgrywa ona podstawową role w tworzeniu tak zwanej kultury materialnej. Inaczej mówiąc, trzeba wyjaśnić, że choć współczesne laboratorium na skutek wielkiej ilości błyszczących naczyń przypomina browar, to tu chodzi o to, żeby zrobić jak najdoskonalsze NIC.

	(Stanowisko sterowania aparaturą. Kilka nienajnowszych komputerów. Błyszczące baniaki to pojemniki na ciekły azot. Otaczają nas regały wypełnione urządzeniami pomiarowymi, zazwyczaj jest ciasno, jak w kabinie stacji kosmicznej.)
	(Pompa mechaniczna, zwana rotacyjną jest zawsze wetknięta w jakiś ciemny kąt i usmarowana olejami.)
	(Typowy wygląd zasadniczej części aparatury próżniowej: spory baniak wykonany ze stali kwasoodpornej. Charakterystyczne są skręcane na wielkie śruby masywne złącza. Cały ten baniak bywa wygrzewany do temperatury nawet 400 stopni Celsjusza. Jako uszczelki stosuje się więc miedziane krążki, które, aby uzyskać szczelność, trzeba zgnieść, konieczne są więc wielkie siły. Widoczna w dolnej części prostokątna puszka z nadzianymi na nią obejmami, to pompa jonowo-magnetyczna, obejmy to bardzo silne magnesy. Widoczne niewielkie iluminatory nie służą raczej do zaglądania do środka aparatury, ale do naświetlania próbek.)
	(Drobny szczegół w plątaninie rur: zawór dozujący, za pomocą którego możemy do aparatury wprowadzić kontrolowane ilości gazów.)
	(Rzut oka na aparaturę z drugiej strony. Widoczne spore okno, które tym razem może służyć do obserwacji tego, co się dzieje wewnątrz. Ponieważ musi ono zapewnić niemal absolutną nieprzenikalność dla gazów, ma konstrukcję całkowicie odmienną od tego, co spotykamy nawet na łodziach podwodnych. Szkło jest zatopione do metalowego pierścienia, który jest wspawany w masywny kołnierz, aby można było wszystko razem skręcić grubymi śrubami. Zazwyczaj szkło ma specjalnie dobrane parametry, aby mogło przepuszczać promieniowanie spoza widzialnego zakresu.)
	(Jeśli chcemy coś poruszyć wewnątrz aparatury, ruch jest przekazywany za pomocą mieszków wykonanych ze stali kwasoodpornej. Na zdjęciu precyzyjny manipulator ze śrubami mikrometrycznymi.)

Koniec