Manfred Kutyma: Tajemnica wyładowań elektrycznych w gazach

Przedruk artykułu z Zeszytów Eichendorffa nr 67 (2019). Tam także niemieckojęzyczna wersja artykułu.
Szczęście jest przypadkowym produktem pracy
Johannes Calvin, szwajcarski filozof i reformator wiary

Na wynikach jego badań i eksperymentów bazują odkrycia, które zrewolucjonizowały naukę o naturze i jej praktyczne zastosowania oraz gruntownie odmieniły nasze codzienne życie. Ich początkiem była obserwacja wyładowań elektrycznych w gazach oraz odkrycie i opisanie fenomenu promieniowania katodowego i anodowego. Na tej podstawie poznawczej wyrosły program dalszych eksploracji, zaowocował dokonaniami, które pobudziły praktyczne zastosowanie wyników badań naukowych oraz legły u podstaw rozwoju zupełnie nowych dziedzin wiedzy, medycyny, produkcji i techniki m. in. radiologii i radioterapii, technologii i nowych form oświetlenia, źródeł i transportu energii, mikroskopii i telekomunikacji oraz telewizji. Wiele z tych odkryć uhonorowanych zostało prestiżową Nagrodą Nobla, którą w 1901 roku jako pierwszy w dziedzinie fizyki otrzymał Wilhelm Conrad Röntgen, wynalazca przenikliwego promieniowania x (x-ray) i autor pierwszego rentgenogramu. Impulsu zmian tych istotnych dla rozwoju nauki i ogólnej poprawy jakości życia, szukać należy w geniuszu i postawie oraz wytrwałości i zgoła kalwińskiej pracowitości śląskiego uczonego – Eugena Goldsteina, kilkakrotnego kandydata do Nagrody Nobla.

*

Urodził się 5 września 1850 roku w Gleiwitz (Gliwicach), w zamożnej i rozkrzewionej na Górnym Śląsku kupieckiej rodzinie żydowskiej. Jego ojciec, Julius Goldstein, zajmował się dystrybucją napoi alkoholowych, głównie wina, matka, Bertha z domu Neumann, prowadzeniem gospodarstwa domowego. O jego dzieciństwie wiemy niewiele, poza tym, że wcześnie osierocony trafił pod opiekę bliskich krewnych i wyrastał w Ratibor (Raciborzu), mieście Josepha Eichendorffa, gdzie do wiosny 1869 roku odwiedzał tamtejsze gimnazjum. W 1869 roku jako 19-letni maturzysta rozpoczął studia medyczne na Friedrich-Wilhelm-Universität w Breslau (Wrocławiu). Już wkrótce po wybuchu wojny francusko-pruskiej wyjechał na stałe do Berlina, gdzie jako student, później doktorant i pierwszy praktykant uczelnianego instytutu fizyki – ale przede wszystkim jako uważny obserwator natury oraz zapowiadający się badacz i odkrywca – zaczął wgłębiać się w tajniki promieniowania jako emisji cząsteczek materii i energii, struktury wewnętrznej atomu oraz spektroskopii i spektrometrii mas. Te dziedziny wiedzy stały się treścią jego życia, spędzonego w odosobnieniu i bez reszty wypełnionego pracą; im poświęcił Goldstein z górą 50 lat i ponad 70 artykułów ogłoszonych drukiem. Wyrastał na uczonego pod naukową opieką profesora i rektora uniwersytetu berlińskiego, członka Pruskiej Akademii Nauk, filozofa

i przyrodnika, polihistora zwanego „kanclerzem fizyki”, Hermanna von Helmholtza[1].  Błyskotliwe pomysły i trafne ustalenia badawcze  Goldsteina, który od 1872 roku był pozaetatowym (komisarycznym) pracownikiem uczelni i w wieku 29 lat doktoryzował się w dziedzinie fizyki eksperymentalnej, wcześnie  zostały zauważone i wprowadzone do zasobu wiedzy o przyrodzie, głównie dzięki znajdującym się w nich oryginalnym i  szczegółowym opisom przebiegu rozładowań elektrycznych w gazach  rozrzedzonych. Przy zastosowaniu tzw. lamp wyładowczych, przeprowadził do 1885 roku setki eksperymentów i zużył niezliczoną ilość baniek (szklanych opraw stosowanych instrumentów), które zamawiał i opłacał na własny koszt; był wyjątkowo pracowity i produktywny, na swoje pomysłowe doświadczenia laboratoryjne, pisał jeden z jego biografów – Michael Hedenus, zużywał codziennie jedną ręcznie wykonaną bańkę szklaną.

Zainwestowany kapitał badawczy i finansowy początkowo nie przyniósł mu spodziewanego uznania i akademickiego awansu, nie otworzył automatycznie  zakładanej kariery państwowej, uniwersyteckiej. Jego nieco młodszy instytutowy kolega, Wilhelm H. Westphal (Zu Eugen Goldsteins 100. Geburtstag. In: Physikalische Blätter. Band 6, Nr. 9, 1950) wspominał go wiele lat później, już pośmiertnie jako sympatycznego starego kawalera („Papa Goldstein”), człowieka pomysłowego i dowcipnego, pozytywnie wyróżniającego się z otoczenia atrakcyjną sylwetką, starannym ubiorem i pielęgnowaną brodą, za którą wszak ukrywała się twarz osoby zagubionej i bezradnej, prowadzącej życie niejako w cieniu. Nosił w sobie głęboki żal, a swą postawą wyrażał rozczarowanie, bolesne poczucie braku uznania, którego wyrazy spodziewał się otrzymać we własnym kraju, a którego przejawy doznawał stopniowo i okazjonalnie na obczyźnie, zwłaszcza w Anglii i krajach Brytyjskiej Wspólnoty Narodów (Commonwealth); kiedy dla przykładu w 1909 roku zaproszony został do Winnipeg (Kanada), na kongres brytyjskich fizyków, przewodniczący obrad nowozelandzki chemik-noblista (1908), Ernest Rutherford, przywitał go osobiście  i przedstawił w audytorium jako wspaniałego starszego kolegę (great old man), a potem uhonorował go miejscem przy stole prezydialnym i posadził po swojej prawej stronie. Podróż statkiem z Liverpoolu spędził w pięcioosobowej grupie oraz towarzystwie młodszych kolegów po fachu: Otto Hahna (*1879, chemika-noblisty 1945 roku), Petera Pringsheima (*1881, znanego fizyka wywodzącego się z intelektualnej śląskiej rodziny kupiecko-przemysłowej; siostra jego ojca Alfreda, profesora matematyki, Katharina, była żoną noblisty Tomasza Manna), Otto Reichenheima (*1882, wybitnego fizyka, autora późniejszej laudacji z okazji 70-tych urodzin E. Goldsteina) oraz Wilhelma Wesphala.

Opierając się na wynikach badań laboratoryjnych  innego uczonego, Johanna W. Hittorfa, który jako pierwszy w świecie fizyki opisał właściwości promieniowania elektrycznie naładowanych cząstek materii (Glimmentladung), później (1897) poznanych jako wiązki elektronów niosących  ładunek ujemny, E. Goldstein wprowadził do nauk przyrodniczych i technicznych – stosowane do dziś – pojęcie promieniowania katodowego. Opisał jego właściwości oraz związane z nim zjawiska: defleksji (odchylenia promieni w polu magnetycznym), refleksji (odbicia i możliwości skierowania w pożądanym kierunku), emisji cieplnej (postaci termicznego widma świecenia). Zauważył, że promieniowanie katodowe w przeciwieństwie do optyki światła słonecznego, które od źródła rozchodzi się we wszystkich kierunkach, emitowane jest wyłącznie prostopadle do powierzchni katody, a niektóre substancje poddane jego działaniu nie tyko zmieniają barwę, ale same stają się  źródłem światła. Odkrycia te do dziś praktycznie wykorzystywane są m. in. w technologiach produkcji wysoko cenionych luster, mikroskopów, oświetlenia oraz lamp oscyloskopowych i kineskopowych. Goldsteinowi przypisuje się także upowszechnienie w nauce pojęcia protonu, trwałej cząstki jądra atomowego i głównego składnika promieniowania kosmicznego.  Jego interdyscyplinarne badania  nad przewodnictwem elektryczności, magnetyzmem, próżnią oraz fenomenem promieniowania, stały się dla wielu innych zachętą do podjęcia eksploracji uwieńczonych wysoką, niedawno kreowaną nagrodą szwedzkiego badacza i przemysłowca – Alfreda Nobla (dalej:  NN). W zakresie przewodnictwa elektryczności w gazach prowadził je Joseph J. Thomson (NN, fizyka, 1906), zaś promieniowania – jonizacyjnego, Ernest Rutherford (NN, chemia, 1908), katodowego, Philipp Lenard (NN, fizyka, 1905), cieplnego, Wilhelm Wien (NN, fizyka, 1911), elektromagnetycznego, Heinrich Hertz (jak E. Goldstein i H. Wienuczniowie H. Helmholtza), a wreszcie i odkrywca (1895) promieniowania przenikliwego X (X-Ray), rodzaju promieniowania elektromagnetycznego, które praktycznie jest generowane podczas hamowania rozpędzonych elektronów (promieni katodowych), i które otrzymało swą nazwę od imienia  odkrywcy, Wilhelma Conrada Roentgena, laureata pierwszej Nagrody Nobla (1901) w dziedzinie fizyki.

Kilka lat po odkryciu właściwości  promieniowania katodowego  Goldstein (1886) odkrył istnienie promieniowania jonów anodowych, fenomen, który zaobserwował po tylnej stronie przewierconej katody i nazwał go promieniowaniem kanałowym (znane jest fizyce także jako kanalikowe, anodowe lub dodatnie). Goldstein zaobserwował, że na promieniowanie anodowe składają się dodatnio naładowane jony, które obserwował w eksperymentach z rodzajem lampy wyładowczej, „rury” Williama Crookesa, urządzenia demonstrującego przebieg elektronów  między elektrodami w próżni, gdzie rozpędzone impulsem elektrycznym wybijają elektrony z atomów anody. Późniejsze badania wielu uczonych m. in. także  W. C. Roentgena,  poddających w eksperymentach laboratoryjnych promienie anodowe dodatkowo silnemu działaniu pola magnetycznego,pokazały wykrzywienia i rozdzielanie się wiązki jonów, co tłumaczyli różnicami w ich masie. Szczegółowe rozpoznanie właściwości promieniowania anodowego doprowadziło w końcu do odkrycia promieni rentgenowskich, szeroko odtąd wykorzystywanych praktycznie w celu obrazowania wewnętrznej struktury obiektów, ale i do obliczenia stosunku ładunku elektrycznego do masy  nukleonów (e/m) i tym sposobem do precyzyjnego  wskazania ciężaru atomów. Tym sposobem otwarta została możliwość powstania i dynamicznego rozwoju metrologii (wiedzy o pomiarach) i spektroskopii, odrębnego działu fizyki będącej nauką o widmach, ale i spektroskopii mas, badającej budowę i właściwości materii oraz dokonującej pomiaru cząsteczek i atomów oraz ich elementów.Odkryte przez Goldsteina promieniowanie kanałowe, w perspektywie późniejszego  rozwoju fizyki nuklearnej okazało się mniej użyteczne i z czasem uległo zapomnieniu.

Poprzez nawiązanie znajomości i podjęcie bliższych kontaktów z Wilhelmem J. Foersterem (1832–1921), uczniem W. Humboldta, profesorem astronomii i wieloletnim dyrektorem berlińskiego obserwatorium astronomicznego (Berliner Sternwarte), Ślązakiem, rodem z Zielonej Góry, Goldstein uzyskał emocjonalne i finansowe poparcie dla swoich szeroko zakrojonych badań w zakresie fizyki kosmicznej i astronomii, które stały się niejako – obok obserwacji lamp wyładowczych – podstawą jego drugiego nurtu zainteresowań badawczych, a które objęły fundamentalne problemy rozprzestrzeniania się elektryczności w kosmosie, zjawisko wahań pola magnetycznego, rodzenia się komet  i fenomenu zorzy polarnej, jak również okresowego występowania osobliwych plam na słońcu. 24 grudnia 1897 roku, niejako w formie bożonarodzeniowego prezentu, otrzymał do dyspozycji państwowy fundusz na „zbadanie istoty elektryczności w kosmosie”, a pół roku później – celem ich zrealizowania – niewielkie, jednopokojowe i spartańsko urządzone laboratorium, zatrudniające dmuchacza szkła, ulokowane w jego prywatnym mieszkaniu przy Grunewaldstraße (w dzielnicy Schöneberg), które opłacane było ze środków Berliner Warte. W 1913 roku berlińskie obserwatorium  przeniesione zostało z śródmieścia stolicy i z obiektu, który dla jego potrzeb (w latach 1832-1835) wybudował znany pruski architekt Karl F. Schinkel, do nowo wybudowanego gmachu w parkowej dzielnicy Poczdamu – Babelsberg, a z czasem i samo laboratorium (1927), które – dla podkreślenia wyjątkowej roli jego twórcy – po śmierci Goldsteina (1930) nazwane zostało jego imieniem; sytuacja przetrwała jednak zaledwie kilka lat, do czasu przejęcia władzy przez narodowych socjalistów.

Jeszcze w 1887 roku za swe rozliczne osiągnięcia naukowo-badawcze E. Goldstein otrzymałtytuł profesora nadzwyczajnego uniwersytetu berlińskiego, choć dotąd nie posiadał ani habilitacji, ani posady wykładowcy, etatu docenta; do końca życia zresztą pozostał par excellence badaczem, kariera akademicka była mu obcą. Dopiero rok później, dzięki osobistym staraniom W. Foerstera, zagwarantowano mu pełne zatrudnienie, etat i pozycję asystenta w laboratorium astronomicznym przy berlińskim obserwatorium gwiezdnym, którą sprawował do śmierci; zaprzysiężony jako pracownik państwowy z pruską pensją urzędniczą. Z tej pozycji przez trzy lata kierował wydziałem fizycznym berlińskiego towarzystwa astronomicznego „Urania” (noszące imię greckiej muzy, towarzystwo naukowe powstało w Berlinie w 1888 r. jako spółka akcyjna), a w latach 1892-1896 prowadził gościnnie (co znaczy, że z tego tytułu i z własnej kieszeni opłacał czynsz) badania w dopiero co do życia powołanym Instytucie Fizyczno-Technicznym Rzeszy (Physikalisch-Technische Reichsanstalt); jego dzisiejszą formą jest  Związkowy Instytut Metrologiczny, jako narodowa instytucja badań i kontroli miar. Korzystna początkowo pozycja asystenta i urzędnika państwowego miała się wnet okazać przeszkodą, gorsetem w organizacji prywatnej kariery naukowo-badawczej. Bo jako fizyk etatowo związany z obserwatorium oficjalnie nie uczestniczył Goldstein w realizacji programu badań podstawowych nowego Instytutu, którego pierwszym prezydentem został Hermann von Helmholtz, a wśród 65 zatrudnionych znajdowało się wielu wybitnych fizyków na etacie lub w kuratorium, m.in. W. Wien, W. Nernst, A. Einstein, M. Planck; stąd m. in. wiele znaczących odkryć Goldsteina, jak zabarwienia substancji pod wpływem promieniowania katodowego, fluorescencji czy promieniowania nadfioletowego nie uzyskało początkowo należytej rangi i uwagi.

Pomimo wielorakich  trudności E. Goldstein jeszcze za życia doczekał się wysokiego uznania w świecie naukowym. Był kilkakrotnie zgłaszanym kandydatem do Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki, ale doczekał się też konkretnych honorów i odznaczeń. Między innymi w 1903 roku nagrodą Prix Hébert Francuskiej Akademii Nauk, a w 1908 roku prestiżowym medalem Davida Edwarda Hughesa za „odkrycie natury wyładowań elektrycznych w rozrzedzonych gazach”, który brytyjska Royal Society przyznaje (od czasu śmierci uczonego w 1900 r.) za oryginalne odkrycia dokonane szczególnie w dziedzinie elektromagnetyzmu i jego praktycznych zastosowań. Na wyróżnienie składa się pozłacany medal oraz kwota pieniężna; jej pierwszymi laureatami zostali (w 1902 i 1903 roku) noblista J. J. Thomson oraz J. W. Hittorf, „inspirator” badań Goldsteina; pół wieku później raz jeszcze – w 1950 roku – otrzymał ją inny Ślązak, noblista – Max Born z Breslau (Wrocławia). W 1919 roku Goldsteinw towarzystwie W. C. Roentgena został honorowym członkiem Naukowego Towarzystwa Fizycznego (Physikalischen Gesellschaft), którego członkiem był od 1880 roku, a w 1927 roku został mianowany  dyrektorem berlińskiego Instytutu Astrofizycznego przy obserwatorium gwiezdnym w Poczdamie-Babelsberg. Opublikował ponad 70 artykułów gównie na tematy wyładowań elektrycznych w gazach oraz promieniowania i jego fizycznych właściwości.

W 1919 roku Goldstein poznał, a sześć lat później ożenił się z Laurą (*1866), wdową Kempke z domu Baer; małżeństwo zawarte w Berlinie i w zaawansowanym wieku obojga partnerów pozostało bezdzietne.

Na krótko przed śmiercią Goldstein doczekał się jeszcze należnej mu „nobilitacji”. Okazją do tego stały się zarówno obchodzone we wrześniu 1930 roku jego  80. urodziny, jak i zwołany do Königsberg (Królewca) zjazd niemieckich fizyków, na którym odkrycia i dorobek badawczy Goldsteina doczekały się uznania i włączone zostały do kanonu nauk fizycznych. Mowę pochwalną, laudację, w której przedstawione zostały zalety charakteru i osobowość oraz walory warsztatu i poznania naukowego Goldsteina, wygłosił znany niemiecki atomista, dyrektor instytutu fizyki Uniwersytetu Albrechta w Królewcu, Walter Kaufmann („Physikalische Zeitschrift” 20, 873, 1930). Zmarł trzy miesiące później, w dzień Świąt Bożego Narodzenia: 25 grudnia 1930 roku i został pochowany na cmentarzu gminy żydowskiej w Berlinie-Weiβensee. Jego 16 lat młodsza żona Laura nie przeżyła brunatnego terroru, została w 1943 roku zamordowana w obozie koncentracyjnym Theresienstadt (Terezin) na terenie Czech, wkrótce po deportacji z Berlina.

 

LITERATUR/LITERATURA:

Hedenus, Michael:  Der Komet in der Entladungsröhre. Eugen Goldstein, Wilhelm Foerster und die Elektrizität im Weltraum, GNT-Verlag Diepholz, Stuttgart 2007.

Hedenus, Michael:  Eugen Goldstein und die Kathodenstrahlen: Mit Astrophysik im Labor wurde der Entdecker der „Kanalstrahlen”︁ berühmt, Physikalische Blätter, 56, 9, (71–73), (2013).

Otto Lührs, Eugen Goldstein, In: W. Treue (Hrsg.), G. Hildebrand (Hrsg.), Berlinische Lebensbilder, Colloquium Verlag, 1987, S. 147–15.

Ramsauer, Carl: Eugen Goldstein, ein extremer Experimentator. In: Physik Journal. Band 10, Nr. 12, Dezember 1954, S. 543–548.

Sommerfeld, Arnold: Über einige spektroskopische Arbeiten Goldsteins, In: Naturwissenschaften, Bd. 8, Nr. 36, 1920, S. 723–725.

Westphal, Wilhelm: Goldstein, Eugen. In: Neue Deutsche Biografie (NDB). Band 6, Duncker & Humblot, Berlin 1964.

Westphal, Wilhelm:  Zu Eugen Goldsteins 100. Geburtstag, Physikalische Blätter, Band 6, 1950, Heft 9.

[1]Lekarz i fizjolog, matematyk i fizyk specjalizujący się w dziedzinie akustyki i optyki oraz elektro-, hydro- i termodynamiki w uniwersyteckim instytucie fizyki (Berliner Physikalische Institut). Był wychowawcą pokolenia nauczycieli akademickich i uczonych, spośród których wielu dostąpiło najwyższych w świecie zaszczytów naukowych.

[2] Urodzona w 1895 r. w Neisse (Nysie) na Górnym Śląsku, była profesorem fizyki na Uniwersytecie Georga Augusta w Getyndze, a w latach 136-1966 na Duke University, Durham, North Carolina. W 1946 r. wyszła za mąż za swego mentora, noblistę Jamesa Francka.