S. Južnič: Razvoj vakuumskih tehnologij po shemi Toynbee-Kuhn-Južnič RAZVOJ VAKUUMSKIH TEHNOLOGIJ PO SHEMI TOYNBEE-KUHN-JUZNIC (Ob Unescovem letu, posvečenem svetlobi in z njo povezano tehnologijo) Stanislav Južnič ZNANSTVENI ČLANEK Univerza v Oklahomi, Oddelek za zgodovino znanosti, Norman, Oklahoma, ZDA; Arhiv Slovenske jezuitske province, Ljubljana POVZETEK Prispevek opisuje razvoj vakuumskih tehnik v petstopenjski shemi. Osredinja se na tri poglavitne izume: živosrebrni vakuumski barometer, vakuumsko črpalko in katodno elektronko. Posebno zadnja je med najbolj vplivnimi iznajdbami do sedaj. Za konec je ponujena se projekcija prihodnjega razvoja vakuumskih tehnik pod taktirko drugačnih moči, ki bodo sledile novim va-kuumistom iz meščanskih, kmečkih in ženskih okolij v prihodnjih dosežkih nebelih raziskovalcev vakuumskih tehnologij. Ob Unescovem letu, posvečenem svetlobi in z njo povezano tehnologijo, je predstavljena krivulja razvoja fizikalnega raziskovanja optičnih pojavov s posebnim poudarkom na vakuumskih tehnikah. Ključne besede: zgodovina vakuumskih tehnologij, vakuumski živosrebrni barometri, vakuumske črpalke, katodne elektronke Development of vacuum technologies according to Toynbee-Kuhn-Južnic's model ABSTRACT The development of vacuum techniques in a five-step scheme is illustrated. It focuses on three major inventions: vacuum mercury barometer, air pump, and cathode ray tube. Especially the last one turns out to be one of the most influential inventions of all times. For conclusion, the projection of future development of vacuum techniques is given under the guidance of new incoming research powers. The future contributions of non-white researchers of vacuum technologies will join recently advanced vacuum techniques researchers from middle-class, rural, and female environments. On the UNESCO's year dedicated to light and involved technologies a chart is published showing the development of physical optics on the basis of vacuum technologies. Keywords: history of vacuum technologies, vacuum mercury barometers, air pumps, cathode ray tubes 1 UVOD Raziskovanja praznega so stara kot svet sam; gre za razmišljanja o neskončno majhnem in neskončno velikem, ki sta obenem temelja infinitezimalnega računa. Seveda razglabljanja o obstoju vakuuma v naravi sprva niso bila podprta s posebno prepričljivimi poskusi. Enotna antična fizika se je razdelila na osnovne, danes klasične panoge v razmeroma dolgem obdobju med letoma 1600 in 1785, med Galileijem in francosko revolucijo. S prepovedjo jezuitske družbe se je leta 1773 formalno končalo sholastično poučevanje po Aristotelovih osmih knjigah fizike, za katerimi so uporabljali še dele knjig: O nebu, O nastajanju in propadanju, Meterologika ter O duši. 1 Kovačevič, 2014, 19; Južnič, 1983, 228, 237 2 Grant, 2007, 34 Dokončnost, po S. Toulminovem mnenju pa dodatno še mirovanje kot naravno stanje Aristotelove znanosti namesto sodobne dinamike, sta bili Aristotelovi srednjeveški prednosti in obenem renesančni slabosti. Postali sta oviri sprememb in napredka.1 Aristotel je kot znanstvenik obdržal prestiž predvsem v biologiji, kjer ga je spoštoval Charles Darwin, leta 1842 pa je Johannes Müller dokazal dolgo dvomljiva Aristotelova opazovanja poroda morskih mačk.2 Podobno se je A. Kircherjeva znanstvena verodostojnost obdržala predvsem v akustiki. Sholastično in še posebej Kir-cherjevo nekonvencionalno kritiziranje teoretskih posledic razvoja vakuumskih tehnologij je zaznamovalo ljubljanske izobražence predvsem pod vplivom jezuitske univerze v Gradcu; vpliv dunajskih učenjakov je bil precej manjši, kot prikazujeta sliki 1 in 2. Andronicus z Rodosa naj bi Aristotelove knjige uredil komaj po Kristusovi smrti, kot je med drugim poročal Hegel. Čeprav so nekateri priporočali začetek branja Aristotelovih umotvorov pri fiziki, seje vplivni Andronicus odločil za uvodno logiko. Aristotelovi fiziko in metafiziko so na pariški univerzi prepovedali leta 1210 in 1215; očitno nesporne Aristotelove logike prepoved ni zajela. Tako je Aristotelov nauk dejansko gospodoval do Galileijevih dni borih tri ali kvečjemu pet stoletij. Nato je njegova vseprisotnost počasi hirala 1600 1620 1640 1660 1680 1700 1720 1740 1760 -a ....... b--c----č Slika 1: Število jezuitov, rojenih na sredi desetletnega intervala, narisano na vodoravni osi: (a) službujočih v Ljubljani med letoma 1704 in 1773, (b) ki so na drugih kolegijih predavali filozofijo s fiziko od skupno 178, (c) ki so na drugih kolegijih predavali ali repetirali matematiko od skupno 104, (č) število piscev med ljubljanskimi jezuiti od skupno 169 10 VAKUUMIST 35 (2015) 2 S. Južnič: Razvoj vakuumskih tehnologij po shemi Toynbee-Kuhn-Južnič Slika 2: Število nekdanjih študentov prvega letnika na sredi desetletnega intervala, narisano na vodoravni osi: (a) filozofije s fiziko na graški univerzi od skupno 224, (b) filozofije na dunajski univerzi od skupno 150 tistih, ki so službovali v Ljubljani med letoma 1704 in 1 773, (c) filozofije na Trnavski univerzi od skupno 27 tistih, ki so službovali v Ljubljani med letoma 1704 in 1 773, (č) filozofije od skupno 35 tistih, ki so službovali v Ljubljani med letoma 1704 in 1773 tudi zaradi Aristotelovega zavračanja vakuuma, v katerem naj bi telesa padala z neskončno hitrostjo. Aristotelov prestiž so spodkopale vakuumske tehnologije kot interdisciplinarno raziskovalno področje, rojeno ob načrtu za barometer Evangelista Torricellija v Firencah pred 372 leti. Po razdelitvi, merodajni za klasično fiziko, se da povedati, da so barometre in vakuumske črpalke sprva uporabljali kar v vseh panogah fizike vključno z mehaniko in pri raziskovanju svetlobe. Ko so se sredi 19. stoletja z J. Pluckerjevim in Geisslerjevim izumom katodnih elektronk raziskave nekoliko specializirale, so postale vakuumske tehnologije uporabne predvsem za preučevanje elektromagnetnih in toplotnih pojavov.3 Vakuumska tehnika očitno napreduje k vse nižjim tlakom nasprotno od prenekaterih drugih znanstvenih področij, kjer smer morebitnega napredka ni tako zlahka razvidna. Raziskovanje vakuumskih tehnologij je, tako kot vsako drugo, občasno briljiralo z imenitnimi izumi, kot so bili barometer, vakuumska črpalka ali katodna elektronka. Thomas Kuhn bi te dogodke morda imel za revolucijo. Izumom je sledila strma rast raziskovalnih prispevkov, ki se je sčasoma vnesla med širjenjem v dotlej nepokrita področja raziskav, denimo v biologijo. Ob izzivih novih področij so se porajali na videz nerešljivi problemi, ki so rast ustavili ali pa so jo zapeljali na kriva pota. Krivulja rasti seje, kot pravimo fiziki, zlomila; njen odvod je spremenil predznak. Tedanjim raziskovalcem se dogajanja niso zdela prav nič alarmantna in so raziskovanje nadaljevali v območju univerzalne paradigme, ki je postala relevantna za mnogotera področja znanstvenega raziskovanja. Vendar so zagate zloma klile in sprožale nove ideje, ki so tekmovale z dotedanjim osnovnim tokom razvoja, mainstreamom. Ko so se različni programi primerjali in spopadli z dotlej prevladujočim, so nastala kriza in prerekanja med pomembnimi strujami, ki so si želele prepotrebnega denarja za drage raziskave in vsakovrstne podpore. Preboj je omogočilo novo odkritje in sprožilo revolucijo, po njej pa novo rast. Tako vsako paradigmo raziskovanja vakuumskih tehnologij in podobnih fizikalnih raziskovanj z malo truda priročno razdelimo v pet stanj: rast, zlom, univerzalno paradigmo, krizo in prevrat oz. revolucijo; rast prve paradigme posamične panoge je njena geneza. Med razvojem paradigme se rojevajo bistveni delovni pripomočki, ki jim pravimo univerzalne raziskovalne metode. Posamezne paradigme odigrajo svojo vlogo in prenehajo nastopati kot uporabne raziskovalne zamisli ali instrumenti. Ta nemila usoda je, denimo, zavdala vakuumskim živosrebrnim barometrom, kijih dandanes ne uporabljamo več v laboratorijih in spadajo zgolj še v muzeje. Univerzalne raziskovalne metode pa so na svoj način večne, saj se dedujejo iz paradigme v njeno naslednico. Posebnost razvoja vakuumskih tehnologij je njena izjemno hitra začetna rast kar v dveh samosvojih eksperimentalnih smereh. Prva dva odločilna poskusa, ki sta vakuumiste vzpostavila v evropskem merilu, sta bila namreč uprizorjena zelo hitro drug za drugim. Najprej sta florentinska Galileijeva duhovna dediča E. Torricelli in V. Viviani zasnovala in izvedla poskus s prvim barometrom. Desetletje pozneje je Otto Guericke s pomočjo kranjskega kneza Janeza Vajkarda Slika 3: Prispevki vseh raziskovalcev fizike po Asimovu (1978), ocenjeni od 1 do 9. Vakuumske tehnike so prispevale predvsem k eksperimentom, najbolj zaznavno sredi 17. in sredi 19. stoletja z izumi barometra ter vakuumske črpalke oziroma katodne elektronke. 3 Južnič, 2012, 34-39 11 VAKUUMIST 35 (2015) 2 S. Južnič: Razvoj vakuumskih tehnologij po shemi Toynbee-Kuhn-Južnič Turjaškega izpeljal prve poskuse z vakuumsko črpalko. Severnoitalijanski strokovnjaki, Blaise Pascal z barometrskimi meritvami višin v Franciji in Guericke z barometrskim napovedovanjem neurja v Magde-burgu, so nadgradili odkritje barometra. istočasno se je vzporedno uveljavil Guerickejev izum vakuumske črpalke. Ta je imela prednosti in pomanjkljivosti v primerjavi z barometrom: omogočila je postavitev poskusa in njegovo sprotno spreminjanje v recipientu, sprva pa ni dosegala podtlaka tedanjih barometrov. Tako sta obe skupini raziskovalcev prisegali vsaka na svoje poskuse. Galileijevi dediči, zbrani okoli florentinske akademije del Cimento, so čislali barometre, »črpalkarji«, zbrani okoli Guerickejevih naprav v osrednji Nemčiji, Boy-lovih v Angliji in Huygensovih v Parizu ter na Nizozemskem, pa so imeli raje vakuumske črpalke. črpalke so se sčasoma pokazale bolj priročne in so postale splošno uporabljan, čeprav drag univerzalni instrument. V Angliji jih je za veleprodajo proizvajal Newtonov varovanec Francis Hauksbee, na Nizozemskem pa kmalu za njim brata Musschenbroek. ob njihovi manufakturi je paradigma vakuumskih črpalk vstopila v svojo univerzalno fazo, ko so jo množično uporabljali v številnih znanstvenih panogah od biologije do elektrike tudi v Ljubljani vsaj od srede 18. stoletja dalje. Vakuumski tehniki so s tedanjimi črpalkami s trdnim batom skušali predvsem izločiti čim več plina iz vakuumske posode in preprečiti puščanje. Od prvotnih 10 mbar so se polagoma približevali sanjski vrednosti 1 mbar, vendar brez posebnega uspeha ali dobičkonosne industrijske uporabe. Parni stroj je resda podtlak nadomestil z nadtlakom; v njem pa so kljub temu razvijali prav dotedanje vakuumske tehnike v povsem novih gmotnih razmerah, polnih industrijske rasti. Razvoj vakuumske tehnike se je v senci trženja parnega stroja ustavil do leta 1855, ko je domiselni Geissler trdne bate nadomestil s kapljevinskimi, ki so do konca stoletja malodane dosegli milijoninko milibara med rastjo nove paradigme vakuumske tehnologije. Podobno dobro kot nekoč vakuumski črpalki se je še v večji meri godilo Geisslerjevim katodnim elektronkam kot univerzalnemu instrumentu vseh bogato opremljenih kvantnomehanskih laboratorijev. Živo-srebrni vakuumski barometer pa so prav tedaj po treh stoletjih in pol množične uporabe iz laboratorijev odstranili kot nepriročen, po novejših raziskavah celo nevaren merilnik. Pionirski poskusi z barometri in vakuumskimi črpalkami so ob katodnih elektronkah morda edini ali pa vsaj najbolj prepričljivi primeri v zgodovini fizike, v katerih so prispevki eksperimentalnih raziskovalcev dodobra prekosili kolege teoretike. Kosanje raziskovalcev lepo prikazujejo slike 4-6. Ob koncu 19. stoletja so tehnološke aplikacije celo premagale raziskovalne prispevke eksperimentalnih in teorijskih učenjakov. Težave razvoja vakuumskih tehnik katodnih elektronk so znova naraščale z gmotnimi uspehi njihove industrijske uporabe v televizijah. Na prvi pogled se zdi uspešno trženje dobrodošlo, v resnici pa so kmalu postale same sebi namen in svojevrstna ovira za nadaljnje inovacije. Kapljevinski bati nove paradigme so izčrpali svoje zmogljivosti v času prve svetovne vojne. Tlak 10-7 mbar so dosegale nove difuzijske črpalke, 1012 mbar pa so omogočile še obetavnejše črpalke z lovilniki. V 21. stoletju smo znova priča stagnaciji in tudi že dvomljivim laboratorijskim potem k tlaku, nižjemu od tistega bajeslovnega v medzvezdnem prostoru. Vprašalnik se je znova povrnil na svojo začetno točko izpred štirih stoletij: Ali je (popoln) vakuum mogoč? Kaj v njem ostane? Kaj neki vsebuje, če v njem ni nič? Ali bližina absolutno praznega obeta podobno presenetljive fizikalne lastnosti, kot je z njimi postregla 1580 1600 1620 1640 1660 1680 1700 Slika 4: Raziskovalni prispevki v Galileijevi mehaniki z vakuumskimi prispevki pri eksperimentih sredi 17. stoletja in s poznejšimi tehnologijami parnih strojev 1050 1700 1750 1800 1850 1900 1950 Slika 5: Raziskovalni prispevki - Newtonova mehanika 12 VAKUUMIST 35 (2015) 2 S. Južnič: Razvoj vakuumskih tehnologij po shemi Toynbee-Kuhn-Južnič 'i -- - a -b • C č •i r. I'a1 / i 1 i Y 1 • T | 'l \ ii ( i\ II i \ A 1 i \t r s/ i a r \ J \ v u w /i' v » , V r