W Krakowie tlen i azot po raz pierwszy uzyskano w trwałej ciekłej postaci nadającej się do badań
W 1883 roku Zygmunt Wróblewski i Karol Olszewski na Uniwersytecie Jagiellońskim osiągnęli przełom w badaniach niskich temperatur: uzyskali tlen, a następnie azot w trwałej ciekłej postaci, dzięki czemu można było obserwować ciecz i mierzyć jej właściwości. Ważne zastrzeżenie: tlen skroplono chwilowo już w 1877 roku w eksperymentach Cailleteta i Picteta. Osiągnięcie krakowskie polegało na przejściu od krótkotrwałych oznak kondensacji do ilości cieczy, którą dało się utrzymać i badać. To moment, w którym „gazy trwałe” przestały być praktycznie nieosiągalnym stanem materii.
Dlaczego skroplenie tlenu było tak trudne
W XIX wieku fizycy potrafili skraplać wiele gazów przez zwiększanie ciśnienia i obniżanie temperatury. Tlen, azot czy wodór długo opierały się tym próbom i określano je nawet jako „gazy trwałe”. Problem nie polegał na tym, że skroplenie jest niemożliwe, lecz na konieczności osiągnięcia odpowiednio niskiej temperatury. Samo zwiększanie ciśnienia powyżej temperatury krytycznej nie wystarczy: substancji nie da się wtedy zamienić w ciecz wyłącznie kompresją. Badacze musieli więc budować układy chłodzenia, które wykorzystywały sprężanie, rozprężanie i kolejne czynniki chłodnicze, schodząc etapami do coraz niższych temperatur.
Co wydarzyło się przed Krakowem
W 1877 roku Louis Paul Cailletet we Francji i Raoul Pictet w Szwajcarii niezależnie uzyskali oznaki skroplenia tlenu. Ich doświadczenia były historycznym dowodem, że tak zwane gazy trwałe również mogą przejść w ciecz. Jednak ciecz pojawiała się krótko lub w bardzo małej ilości, co ograniczało możliwość systematycznego badania. Dlatego stwierdzenie, że Wróblewski i Olszewski byli po prostu „pierwszymi, którzy skroplili tlen”, jest zbyt szerokie. Ich osiągnięcie było następnym, kluczowym krokiem: uzyskaniem cieczy w stanie statycznym i w ilości pozwalającej na pomiary.
Krakowski przełom z 1883 roku
Wróblewski i Olszewski wykorzystali aparaturę wysokociśnieniową i chłodzenie, aby w kwietniu 1883 roku otrzymać ciekły tlen. Niedługo potem uzyskali ciekły azot i tlenek węgla. Źródła Uniwersytetu Jagiellońskiego opisują to jako pierwsze otrzymanie tych gazów w stanie statycznym. Była to zasadnicza różnica eksperymentalna: próbka nie znikała natychmiast jako krótkotrwała mgiełka, lecz mogła być obserwowana jako ciecz. Badacze mogli zatem wyznaczać temperatury wrzenia, badać zależności od ciśnienia i rozszerzać mapę stanów materii w obszarze, który wcześniej był niemal niedostępny laboratoryjnie.
Narodziny fizyki bardzo niskich temperatur
Skraplanie gazów nie było widowiskiem dla samego widowiska. Ciekłe gazy stały się narzędziami chłodniczymi, dzięki którym można było badać zachowanie innych substancji w coraz niższych temperaturach. Olszewski kontynuował badania kriogeniczne i uczestniczył w wyścigu ku skropleniu kolejnych gazów. Kilka dekad później fizycy osiągnęli temperatury, w których ujawniają się zjawiska takie jak nadprzewodnictwo i nadpłynność. Krakowskie eksperymenty należą więc do wczesnego etapu rozwoju kriogeniki — dziedziny, która nie tylko zmienia stan skupienia gazów, ale otwiera dostęp do nowych właściwości materii.
Co mówi ten eksperyment o stanie skupienia
Codzienna intuicja sugeruje, że tlen „jest gazem”, a woda „jest cieczą”. Fizyka opisuje to inaczej: stan skupienia zależy od temperatury i ciśnienia. Tlen w temperaturach typowych dla powierzchni Ziemi występuje jako gaz, lecz po dostatecznym ochłodzeniu staje się bladoniebieską cieczą. Ta sama substancja może więc wyglądać i zachowywać się radykalnie inaczej bez zmiany swojej tożsamości chemicznej. Osiągnięcie Wróblewskiego i Olszewskiego było spektakularnym laboratoryjnym pokazem tej zasady oraz dowodem, że granice eksperymentu można przesuwać przez coraz lepszą kontrolę warunków fizycznych.