Twoja wyszukiwarka

TOMASZ WŁODEK
ASTRONOMIA I RZYMIANIE
Wiedza i Życie nr 8/2001
Artykuł pochodzi z "Wiedzy i Życia" nr 8/2001

Kwitnie półlegalny handel ołowiem wydobytym i przetopionym przez rzemieślników w starożytnym Rzymie. Nabywcami są firmy elektroniczne specjalizujące się w produktach hi-tech i fizycy poszukujący niewidzialnej części Wszechświata.

W dawnych dobrych czasach, gdy Europa była zjednoczona w pierwszej Unii Europejskiej, czyli Imperium Romanum, na terenach południowej Hiszpanii i Sardynii rozwinął się świetnie prosperujący przemysł wydobywczy. Okolice te obfitowały w złoża rud srebra, których eksploatację prowadziły wyspecjalizowane w tej działalności rody rzymskie. Wśród najbardziej obrotnych przedsiębiorców ówczesnej epoki znaleźli się Caius i Marcus Pontilleni, twórcy prawdziwej spółki akcyjnej zajmującej się wydobyciem i obróbką rud oraz wytopem srebra.

W większości złóż rudy srebra były wymieszane z rudami ołowiu, toteż podczas wytopu należało oba metale rozdzielić. Chyba nigdy się nie dowiemy, w jaki sposób przy ówczesnym poziomie wiedzy chemicznej wynaleziono odpowiednią technologię. Wytopione srebro trafiało do skarbca Imperium, przynosząc przedsiębiorcom gigantyczne zyski. Produkt uboczny wytopu, czyli ołów, był wprawdzie znacznie mniej cenny, ale także znajdował wiele zastosowań praktycznych. Rzym oraz inne miasta Półwyspu Apenińskiego pochłaniały każdą ilość tego surowca. Ołowianą blachą kryto dachy. Z ołowiu wykonywano klamry służące do spinania kamiennych elementów budynków, kotwice statków oraz ciężarki do sieci rybackich. Ba, nawet wodę z akweduktów doprowadzano do łaźni publicznych oraz prywatnych rezydencji ołowianymi rurami (to nie było najlepszym pomysłem, ponieważ picie wody płynącej takimi rurami prowadziło do zatruć organizmu, ale w tamtych czasach jeszcze nikt o tym nie wiedział).

Aby zaspokoić ten popyt, w Hiszpanii i na Sardynii przetapiano bryły ołowiu, odlewając z nich sztaby o wadze 33 kg, które gromadzono przy hutach. Co jakiś czas przewożono je nad morze, ładowano na transportowe galery i wysyłano do Italii. W pierwszym wieku przed naszą erą na jedną z takich galer załadowano w Hiszpanii 1500 sztab przeznaczonych dla odbiorców w Rzymie. Po drodze statek zawinął na Sardynię, gdzie być może doładowano jeszcze nieco ołowiu z miejscowych kopalń. Ostatni etap podróży wiódł do Ostii, portu Rzymu. Statek nigdy tam jednak nie dotarł. Przy południowo-zachodnim wybrzeżu Sardynii, w okolicy wysepki Mal di Ventre, silny prąd morski wyrzucił go na jedną ze zdradliwych podwodnych skał. Wrak z przewożonym ładunkiem spoczął na głębokości około 30 m.

Kosmiczne manko

W połowie dwudziestego wieku, gdy astronomowie zdołali już poznać i skatalogować zawartość Wszechświata, zauważono bardzo niepokojącą rzecz: deficyt materii. Od czasów Newtona wiadomo, że obiekty materialne przyciągają się wzajemnie z siłą wprost proporcjonalną do ich mas. Gdyby gwiazdy się nie przyciągały, to zbudowane z nich wirujące galaktyki rozpadłyby się pod działaniem siły odśrodkowej. Okazuje się jednak, że materia, która świeci i daje się obserwować, nie wystarcza do utrzymania galaktyk w równowadze. Jest jej dziesięć razy za mało! Oznacza to ni mniej, ni więcej, że nie dostrzegamy ponad 90% zawartości Wszechświata.

Ciemna strona Wszechświata

Schemat detektora WIMP-ów znajdującego się w Gran Sasso (Włochy)

Kwestia "dlaczego widzimy we Wszechświecie tylko znikomą część materii, którą powinniśmy widzieć", czyli zagadnienie "deficytu masy", stanowi jedną z największych zagadek fizyki. Nikt jeszcze nie zdołał jej rozwiązać, choć oczywiście podano wiele różnych hipotez próbujących wyjaśnić, gdzie należy szukać owych brakujących 90% Wszechświata. Wszystkie postulują istnienie niezwykłej ciemnej materii (proszę jej nie mylić z "czarnymi dziurami" chodzi o coś zupełnie innego). Materia ta wypełnia Wszechświat, lecz jest niedostrzegalna dla naszych oczu i przyrządów, a z obiektami, które dają się obserwować, oddziałuje jedynie za pomocą sił grawitacyjnych. Zgodnie z jedną z hipotez ciemną materię tworzą ciężkie cząstki elementarne bardzo słabo oddziałujące z dobrze nam znanymi protonami, neutronami i elektronami. Od angielskiego Weakly Interacting Massive Particle (słabo oddziałująca cząstka o dużej masie) nazywa się je WIMP-ami (co w anglosaskim uchu jest zabawną grą słów: wimp - to słabeusz i mięczak). Taki hipotetyczny WIMP powinien bez przeszkód "przenikać" przez kulę ziemską, a nawet przez gwiazdy zupełnie jakby ich w ogóle nie było! Jeżeli WIMP-y naprawdę istnieją, to w każdej sekundzie ogromne ich ilości przelatują we wszystkich kierunkach przez nasze ciała (oczywiście nie zdajemy sobie z tego sprawy, ponieważ są dla nas niezauważalne).

Podjęto rozmaite próby eksperymentalnego wykrycia tych hipotetycznych cząstek, które - jak dotąd - kończyły się niepowodzeniem. Mimo to w USA, Europie i Rosji budowane są kolejne generacje detektorów, za pomocą których próbuje się udowodnić istnienie WIMP-owej ciemnej materii. Wszystkie te urządzenia, niezależnie od zastosowanej w nich techniki, mają jedną wspólną cechę: próbują rejestrować niezwykle słaby sygnał, mogący łatwo utonąć w "powodzi" różnego rodzaju szumów.

Najpoważniejszym źródłem szumów zakłócających pracę detektorów jest promieniowanie kosmiczne, czyli nadlatujące z kosmosu cząstki elementarne i jądra atomowe. Promieniowanie to jest silnie pochłaniane przez skorupę naszej planety, dzięki czemu jego intensywność szybko maleje w miarę zagłębiania się pod ziemię. Detektory ciemnej materii należy zatem chować głęboko pod powierzchnią gruntu (im głębiej, tym lepiej). W USA umieszcza się je w opuszczonych kopalniach, w Europie specjalnie w tym celu wywierconych tunelach (pod masywem górskim Gran Sasso w środkowych Włoszech), zaś w Rosji pod górami Kaukazu. Pod kilometrami skał promieniowanie kosmiczne przestaje być poważnym problemem. Jednak nawet w najgłębszych kopalniach i tunelach eksperymentatorzy napotykają inną przeszkodę, znacznie trudniejszą do wyeliminowania niż promieniowanie kosmiczne - promieniotwórczość.

Stół, na którym piszę te słowa, ściany mojego pokoju i cała materia, która nas otacza, zawiera pewne (bardzo małe) ilości pierwiastków promieniotwórczych. Ich rozpadające się jądra emitują słabe promieniowanie, nazywane promieniowaniem tła. Nie stanowi ono żadnego zagrożenia dla zdrowia, ale jest poważną przeszkodą przy poszukiwaniach ciemnej materii. Potencjalny sygnał oznaczający zarejestrowanie WIMP-ów jest bowiem jeszcze słabszy i z łatwością może zostać zagłuszony przez sygnały wywołane przez rozpady promieniotwórcze. Jak temu zaradzić?

Oczywista odpowiedź brzmi: detektor należy obudować materiałem pochłaniającym promieniowanie tła, np. ołowiem. Osłonięty detektor będzie rejestrował mniej szumów i sygnał ciemnej materii będzie "łatwiej czytelny". Obudowano więc detektory ołowiem - i co się okazało? Szum nieco zmalał, ale nadal był zbyt silny jak na wymogi rejestracji WIMP-ów. Stwierdzono bowiem, że ołów mający stanowić osłonę przed promieniowaniem sam jest radioaktywny!

Dzieje się tak dlatego, że ołów w-stępuje jako mieszanina kilku odmian izotopowych. Jedna z nich to radioaktywny 210Pb. W rudzie ołowiu występuje w bardzo niewielkich ilościach, jednak każda świeżo wytopiona bryła tego metalu zawiera minimalną radioaktywną domieszkę. Proszę się nie bać. Promieniowanie ołowiu jest bardzo, ale to bardzo słabe. Kawałki ołowiu (śrut, ciężarki do wędki) można zupełnie bezpiecznie trzymać w ręce. Niemniej jednak w eksperymentach odznaczających się ogromną czułością, takich właśnie jak próby wykrycia ciemnej materii, owa śladowa radioaktywność stanowi dla eksperymentatorów bardzo poważny problem. Co zatem robić?

Ołów od Pontillenich

Najprościej byłoby od "zwykłego" ołowiu oddzielić radioaktywny 210Pb. Jest to jednak przedsięwzięcie bardzo trudne technicznie i bardzo kosztowne. Udało się opracować technologie umożliwiające pewne zmniejszenie zawartości 210Pb, ale nawet taki tylko częściowo "uzdatniony" ołów jest straszliwie drogi. Istnieje inny sposób na oczyszczenie ołowiu z radioaktywnych domieszek. 210Pb powstaje, gdy leżąca pod ziemią ruda ołowiu jest bombardowana promieniowaniem pochodzącym z sąsiednich warstw skalnych. Między naturalnym rozpadem i produkcją nowych radioaktywnych jąder ustala się równowaga i ilość 210Pb utrzymuje się na niezmiennym poziomie. Gdy ruda zostanie wydobyta i przetopiona, wówczas radioaktywny izotop przestaje być wytwarzany, a dzięki nadal postępującym rozpadom jego ilość systematycznie maleje.

Połowiczny czas życia 210Pb to 22 lata. Oznacza to, że po tym czasie rozpadnie się połowa jego pierwotnej ilości, a intensywność promieniowania emitowanego przez ołów spadnie o połowę. Po dalszych 22 latach pozostanie tylko jedna czwarta, po następnych 22 latach już tylko jedna ósma pierwotnej liczby atomów 210Pb. Jeśli wytopioną bryłę ołowiu odłożyć do magazynu na tysiąc lat, to przez ten czas 210Pb rozpadnie się prawie całkowicie, zaś pozostały ołów przestanie być radioaktywny!

Fizycy nie mogą oczywiście czekać przez tysiąc lat na to, by 210Pb w osłonach detektorów całkowicie się rozpadł. Ale można na sprawę spojrzeć inaczej: gdyby tak do budowy osłon użyć ołowiu wydobytego i wytopionego tysiące lat temu? Byłby już zupełnie "czysty" (nie zawierałby domieszek radioaktywnych). Tylko skąd wziąć taki stary ołów? Niewielkie ilości można znaleźć w starych budynkach, ale to jest kropla w morzu potrzeb. Odpowiedź przyszła zupełnie nieoczekiwanie. Na początku lat osiemdziesiątych profesor Frank Avignone z University of South Carolina głowił się nad problemem oczyszczania ołowiu z domieszek 210Pb, gdy przypadkowo dowiedział się, że archeologowie odnaleźli na Morzu Karaibskim zatopiony hiszpański galeon sprzed 500 lat. Wydobyli z niego działa, broń, jakieś narzędzia i przedmioty codziennego użytku, a także sporą liczbę ołowianych sztab, które umieszczone były na dnie okrętu jako balast, aby nadać mu stateczność. To było to, czego szukał! Kilkusetletni ołów powinien być wolny od domieszek! Profesor szybko skontaktował się z archeologami i bez trudu otrzymał od nich balast okrętowy (z punktu widzenia archeologii były to tylko bezwartościowe bryły metalu). Ołów z galeonu trafił wprost do podziemnego detektora.

Nieco później przed takim samym problemem stanął profesor Ettore Fiorini z Mediolanu. Również i jemu pomógł przypadek: dowiedział się, że w pobliżu wyspy Mal di Ventre odnaleziono znany nam już wrak rzymskiego okrętu przewożącego kilka ton ołowianych sztab. To była prawdziwa gratka! Środowisko fizyków postanowiło sfinansować ekspedycję archeologiczną mającą przebadać i wydobyć wrak transportowca. Nietrudno się domyślić, że w zamian za sponsoring fizycy zażądali ołowianych sztab. Archeolodzy zgodzili się na te warunki z zastrzeżeniem, że wytłoczone na sztabach nazwiska i znaki towarowe zostaną wycięte i zachowane jako przedmioty o wartości historycznej. Rzymski ołów został wydobyty i przebadany. Zgodnie z przewidywaniami okazało się, że w ciągu tysiącleci radioaktywne domieszki rozpadły się prawie bez śladu. Znalezisko trafiło do laboratoriów fizycznych i zostało w całości użyte do konstrukcji detektorów. Starożytne wraki okazały się doskonałym źródłem zaopatrzenia w czysty ołów! Przyniosło to jednak nieprzewidziane konsekwencje.

Nie ma jak konkurencja

Kilka lat temu grupa amerykańskich uniwersytetów przystąpiła do prac związanych z kolejnym eksperymentem związanym z poszukiwaniem ciemnej materii. W końcu 2000 roku specjalnie zaprojektowany detektor CDMS (Cold Dark Matter Search - poszukiwania chłodnej ciemnej materii) miał zostać umieszczony w kopalni Soudan w stanie Minnesota na głębokości 2 km pod powierzchnią ziemią. Jego projektanci i budowniczowie również potrzebowali "czystego" ołowiu, i podobnie jak ich poprzednicy postanowili skorzystać z pomocy archeologów, oferując sfinansowanie ekspedycji mającej na celu odnalezienie i wydobycie jakiegoś rzymskiego statku. Niestety, pojawiły się komplikacje. Powszechnie używana w przemyśle elektronicznym cyna do lutowania zawiera pewną ilość ołowiu. Oznacza to, że znajduje się w niej radioaktywny izotop 210Pb. Radioaktywność cyny do lutowania jest oczywiście na tyle słaba, że w codziennej praktyce można o niej zapomnieć, a konstruktorzy radioodbiorników i telewizorów zupełnie nie muszą się nią martwić.

Co innego jednak, gdy budowane są jakieś superczułe obwody elektroniczne: promieniowanie emitowane przez zawarty w cynie ołów może poważnie zakłócać ich pracę. Tak oto przemysł elektroniczny już wcześniej stanął wobec problemu, na który napotkali fizycy, szykując się do polowania na WIMP-y. Jak już wiemy, opracowano technologię oczyszczania ołowiu; istnieje nawet firma, która dostarcza na rynek ołów ze zmniejszoną zawartością 210Pb. Taki ołów jest jednak nie tylko bardzo drogi, lecz także dużo mniej czysty niż ołów "archeologiczny". Gdy więc po świecie rozeszła się wieść, że fizycy w swych eksperymentach wykorzystują ołów wydobywany z wraków statków, na scenie pojawiła się słynna "niewidzialna ręka rynku". Firmy zainteresowane zdobyciem archeologicznego ołowiu bez trudności podbiły jego cenę na tyle, że stał się on nieosiągalny dla fizyków.

Konstruktorzy detektora CDMS zostali na lodzie. Dopiero po długich poszukiwaniach zdołali nabyć ołów archeologiczny od... innego dostawcy. Tak, innego dostawcy! W odpowiedzi na nieoczekiwanie zapotrzebowanie w krajach śródziemnomorskich błyskawicznie powstały firmy specjalizujące się w poszukiwaniu zatopionych statków i wydobywaniu znajdującego się w nich ołowiu. Co więcej, zaczęły one konkurować ze sobą, co spowodowało obniżenie cen. Podobny proceder uprawiano już wcześniej, prowadząc podwodne poszukiwania greckich i rzymskich rzeźb, waz, monet i w ogóle wszystkiego, co budziło żądze kolekcjonerów. Jak się łatwo domyśleć, znaleziska w rodzaju Wenus z Milo, za którą można zainkasować grube miliony, są bardzo rzadkie, podczas gdy wydobywanie ołowiu oferuje zarobek mniejszy, ale znacznie bardziej pewny. Znaleziska w rodzaju tego z Mal di Ventre, gdzie ilość ołowiu mierzono w tonach, nie trafiają się oczywiście zbyt często, ale stosunkowo łatwo znaleźć ołowiane kotwice czy sztaby używane niegdyś na żaglowcach jako balast.

Historia lubi się powtarzać, więc znad Morza Śródziemnego znów transportuje się wydobyty przez Rzymian ołów. Tym razem dociera on jednak nie do Rzymu, lecz do... Silicon Valley. Wszystko to dzieje się na granicy legalności, bo handel przedmiotami o wartości historycznej jest wszędzie zakazany. Przed wydobyciem "swojego" ołowiu fizycy musieli wejść w sojusz z archeologami i zdobyć liczne zezwolenia. Inni nie są tak praworządni. Działają dyskretnie, wszelkie transakcje zawierają po cichu, zaś firmy elektroniczne wykorzystujące rzymski ołów nigdy nie zdradzają źródeł zaopatrzenia. Nie jest wprawdzie jasne, do kogo należą wraki zatopione na wodach międzynarodowych i nikt nie jest pewien, czy wolno je wydobywać w celach komercyjnych. Poszukiwacze wolą jednak dmuchać na zimne i nie rozpowiadają o swoich znaleziskach, tym bardziej że konkurencja nie śpi: chętnie dowiedziałaby się, gdzie spoczywają rzymskie wraki i to nie tylko z uwagi na ołów, który można na nich znaleźć.