DRUGA LEKCIJA
KVANTI
Dva stuba fizike dvadesetog veka – opšta relativnost, o kojoj sam govorio u prvoj lekciji, i kvantna mehanika, kojom se bavim ovde – međusobno su sasvim različiti. Obe teorije nas uče da je fino ustrojstvo prirode suptilnije nego što izgleda. Ali opšta relativnost je kompaktan dragulj: zamislio ju je jedan jedini um, um Alberta Ajnštajna, kao jednostavnu i koherentnu viziju gravitacije, prostora i vremena. Kvantna mehanika, ili „kvantna teorija“, s druge strane, postigla je neuporediv eksperimentalni uspeh i dovela do primene koja je preobrazila naš svakodnevni život (na primer, do kompjutera na kojem pišem), ali više od jednog veka posle njenog rođenja, ona je i dalje zaodenuta tajnovitošću i nerazumljivošću.
Govori se da je kvantna mehanika rođena tačno 1900. i praktično nas je uvela u vek intenzivnog promišljanja. Nemački fizičar Maks Plank je izračunao električno polje u ravnoteži unutar vruće kutije. Da bi to uradio, upotrebio је trik: zamislio je da je energija polja distribuirana u „kvantima“,to jest u paketićima ili grumenju energije. Taj postupak je doveo do rezultata koji je savršeno reprodukovao ono što je mereno (te tako mora biti u nekom smislu tačno), ali se suprotstavilo svemu što je u to vreme bilo poznato. Smatralo se da je energija nešto što u kontinuitetu varira, i nije postojao nikakav razlog da se ona tretira kao da je napravljena od malih građevinskih blokova.Trefiranje energije kao da je ona napravljena od dovršenih paketića bilo je, za Planka, neobičan računski trik, i on sam nije u potpunosti razumeo razlog za njegovu efikasnost. I ponovo je dopalo Ajnštajnu da, pet godina kasnije, shvati kako su „paketići energije“ stvarni.
Ajnštajn je pokazao da se svetlost sastoji od paketića: čestica svetlosti. Danas mi to nazivam„fotonima“. On je napisao, u uvodu za svoj članak:
Čini mi se da opažanja povezana sa zračenjem tamnog tela, fluorescencijom, proizvodnjom katodnih zraka ultraljubičastim svetlom, i druge pojave povezane sa emisijom ili preobražajem svetlosti, lakše mogu da se shvate ako čovek pretpostavi da energija svetlosti nije u kontinuitetu distribuirana kroz prostor. U skladu sa pretpostavkom koja će se ovde razmatrati, energija svetlosnog zraka koji se širi iz tačke izvora ne distribuira se u kontinuitetu kroz sve veći prostor, već se sastoji od konačnog broja „energetskih kvanta“ koji su lokalizovani u prostornim tačkama, i kreću se bez podele, te se mogu proizvesti i apsorbovati samo kao kompletne jedinice.
Ove jednostavne i jasne rečenice stvarna su krštenica kvantne teorije. Primetićete divno početno „Čini mi se...“ koje podseća na „Mislim da...“ čime je Darvin uveo u svoje sveske veliku zamisao da vrste evoluiraju, ili na „oklevanje“ o kojem je govorio Faradej kada je prvi put uveo revolucionarnu zamisao o magnetnim poljima. Genije okleva.
Anštajnov rad su kolege isprva tretirale kao besmisleno i detinjasto delo jednog izuzetno briljantnog mladića. Kasnije će on upravo za taj rad dobiti Nobelovu nagradu. Ako je Plank otac teorije, Ajnštajn je roditelj koji ju je othranio.
Čestice koje čine jezgru atoma, protoni i neutroni, jednim se imenom nazivaju nukleoni (grč. nukleus – jezgra). Hemijski element kojim će pripadati neki atom određen je brojem protona u jezgri. Taj broj protona u jezgri naziva se atomski ili protonski broj .( crtež i tekst umetnuti -aut. bloga )
Ali kao i svi potomci, teorija je otišla svojim putem tako da više ni sam Ajnštajn nije mogao da je prepozna. U drugoj i trećoj deceniji dvadesetog veka, Danac Nils Bor je bio pionir u njenom razvoju. Bor je bio taj koji je razumeo da energija elektrona u atomima može da poprimi samo određene vrednosti, kao energija svetlosti, i ono ključno da elektroni mogu samo da „skaču“ između dve atomske orbite sa određenim energijama, s tim da prilikom skoka emituju ili apsorbuju foton. To su čuveni „kvantni skokovi“. I upravo su se u njegovom institutu u Kopenhagenu okupili najbriljantniji mladi umovi tog veka kako bi istražili i pokušali da uvedu red u zbunjujuće aspekte ponašanja u atomskom svetu, te da iz toga izgrade suvislu teoriju. Godine 1925. konačno su se pojavile jednačine teorije, zamenivši čitavu Njutnovu mehaniku.
Teško je zamisliti veće dostignuće. Jednim potezom, sve ima smisla, i sve možete da izračunate.Uzmimo jedan primer: sećate li se kako se na zidovima raznih učionica nalazi periodni sistem elemenata, koji je smislio Mendeljejev, i koji navodi sve moguće elementarne supstance od kojih se vasiona sastoji, od vodonika do uranijuma? Zbog čega su tačno ti elementi tamo navedeni, i zašto periodni sistem ima upravo tu strukturu, sa tim periodima, te sa elementima koji imaju upravo ta konkretna svojstva? Odgovor je u tome da svaki element odgovara jednom rešenju glavne jednačine kvantne mehanike. Celokupna hemija potiče iz jedne jedine jednačine.
Jednačine nove teorije prvi je napisao, zasnovavši ih na vrtoglavim zamislima, mladi nemački genije Verner Hajzenberg.
Hajzenberg je zamislio da elektroni ne postoje uvek. Oni postoje samo kada ih neko ili nešto posmatra, ili još bolje, kada su u interakcji sa nečim drugim. Oni se materijalizuju na jednom mestu, sa verovatnoćom koja se može izračunati, kada se sudare sa nečim drugim. „Kvantni skokovi“ iz jedne orbite u drugu jedini su način da oni budu „stvarni“: elektron je skup skokova iz jedne interakcije u drugu. Kada ga ništa ne uznemirava, on se ne nalazi ni na jednom konkretnom mestu. Ne nalazi se zapravo ni na kakvom „mestu“.
To mu dođe kao da Bog nije stvorio stvarnost sa jasno određenim, debelim linijama, već tek istačkanu, tako da se slabo nazire njen obris.
U kvantnoj mehanici nijedan predmet nema definitivnu poziciju, osim kada se naglavačke sudari s nečim drugim. Da bismo ga opisali usred leta, između dve interakcije, koristimo apstraktnu matematičku formulu koja ne postoji u stvarnom prostoru, već samo u onom apstraktnom, matematičkom. Ali još gore stvari tek dolaze: ti interaktivni skokovi u kojima svaki predmet prelazi s jednog mesta na drugo ne dešavaju se na predvidljiv način već uglavnom nasumično. Nije moguće predvideti gde će se elektron ponovo pojaviti, već samo izračunati verovatnoću da će on iskočiti tu ili tamo. Pitanje verovatnoće zadire u srce fizike, gde sve kao da je nekada bilo podvrgnuto čvrstim zakonima koji su bili univerzalni i neopozivi.
Izgleda li to apsurdno? Izgledalo je apsurdno i Ajnštajnu. S jedne strane, on je predložio Hajzenberga za Nobelovu nagradu, priznavši da je ovaj pojmio nešto fundamentalno u vezi sa svetom; dok s druge strane nije propustio ni jednu priliku da gunđa kako sve to nema mnogo smisla.
Mladi lavovi iz Kopenhaške grupe bili su užasnuti: kako je moguće da Ajnštajn to misli? Njihov duhovni otac, čovek koji je ispoljio hrabrost da pomisli ono nezamislivo, sada se povlačio i plašio ovog novog skoka u nepoznato koji je on sam izazvao. Isti onaj Ajnštajn koji je pokazao da vreme nije univerzalno i da je prostor zakrivljen sada je govorio kako svet ne može da bude toliko neobičan.
Bor je Ajnštajnu strpljivo objašnjavao nove ideje. Ajnštajn je prigovarao. Smišljao je mentalne eksperimente kako bi pokazao da su nove zamisli protivrečne: „Zamisli kutiju punu svetlosti, iz koje dozvolimo jednom fotonu da načas umakne...“ Tako počinje jedan od njegovih čuvenih primera, mentalni eksperiment sa „kutijom svetlosti“. Na kraju je Bor uvek uspevao da pronađe odgovor kojim bi odbio te prigovore. Godinama se njihov dijalog nastavljao kroz predavanja, pisma, članke...Za vreme te prepiske, obojica velikana morali su da se vraćaju i menjaju svoje razmišljanje. Ajnštaj nje morao da prizna kako zapravo ne postoji protivrečnost u novim zamislima. Bor je morao da shvati kako stvari nisu toliko jednostavne niti jasne kao što je prvobitno mislio. Ajnštajn nije želeo da popusti oko onoga što je za njega bilo ključno pitanje: da postoji objektivna stvarnost nezavisno od toga ko sa čime stupa u interakciju. Bor nije hteo da popusti oko validnosti sasvim novog načina na koji nova teorija konceptualizuje stvarnost. Konačno, Ajnštajn je priznao da je teorija džinovski korak napred u našem poimanju sveta, ali je ostao ubeđen u to da stvari ne mogu biti toliko neobične kao što je to prikazano – da „iza“ toga mora postojati još neko, razboritije objašnjenje.
Čitav vek kasnije, nismo odmakli ni malčice odatle. Jednačine kvantne mehanike i njihove posledice koriste se svakodnevno u veoma različitim delatnostima; primenjuju ih fizičari, inženjeri, hemičari i biolozi. One su izuzetno korisne u svim vrstama savremene tehnologije. Bez kvantne mehanike ne bi bilo tranzistora. Ali sve to ostaje tajanstveno. Jer ove jednačine ne opisuju šta se dešava nekom fizičkom sistemu, već samo to kako jedan fizički sistem utiče na drugi fizički sistem.
Šta ovo znači? Znači li to da je suštinska stvarnost nekog sistema neopisiva? Znači li to da nam samo nedostaje delić slagalice? Ili znači, kao što se meni čini, da moramo prihvatiti zamisao da je stvarnost samo interakcija? Naše znanje raste, u stvarnom smislu. Ono nam omogućava da radimo nove stvari koje ranije nismo ni zamišljali. Ali taj rast je otvorio nova pitanja. Nove misterije. Oni koji koriste jednačine teorije u laboratoriji svejedno guraju dalje, ali u člancima i na konferencijamakoji su u poslednjim godinama sve učestaliji, fizičari i filozofi i dalje tragaju. Šta je kvantna teorija, jedan vek posle njenog rođenja? Izuzetni skok duboko u prirodu stvarnosti? Omaška koja, slučajno, funkcioniše? Deo stare nepotpune zagonetke? Ili naznaka za nešto duboko u vezi sa svetom, što još nismo uspeli propisno da svarimo?
Kada je Ajnštajn umro, njegov najveći rival Bor pronašao je za njega reči dirljivog divljenja. Nekoliko godina kasnije, kada je umro Bor, neko je snimio fotografiju table u njegovoj radnoj sobi. Na njoj je crtež. Crtež „svetlom ispunjene kutije“ iz Ajnštajnovog misaonog eksperimenta. Sve do samog kraja, želja da izaziva samog sebe i razume više toga. I do samog kraja: sumnja.
____________________
DVA DODATKA :
I.
1. kvant u fizici, označava nedeljivu, dakle, najmanju količinu energije koja se javlja u elementarnim procesima- foton je kvant elektromagnetne interakcije, gluon jake interakcije, Z-bozon slabe interakcije, graviton (eksperimentalno još nedetektovan) kvant gravitacione interakcije. U širem smislu kvant označava elementarnu, dakle najmanju, jedinicu svake fizičke veličine.
2. Kvantna teorija je nastala iz postojanja najmanje merljive vrednosti u prirodi, uopštavajući ideju koji je Galilej imao u sedamnaestom veku. Galilej je insistirao na “piccolissimi quanti” – najmanem kvantu .. stoga je Born prihvatio Galilejev termin za novu granu fizike i kazvao je “Quantumtheorie” odnosno “teorija kvanta”. Engleski jezik je prihvatio jedninu latinskog “quantum”, umesto množine koji se koristi u mnogim drugim jezicima. (Christoph Schiller,Motion Mountain, The Adventure of Physics,Volume IV, The Quantum of Change)
II.
2007 godine francuski fizičari su stvorili Einsteinovu kutiju: uređaj veličine samo 2,7 centimetara koji nosi foton, što mu omogućava njegovo praćenje od rođenja do smrti.
izvor
Нема коментара:
Постави коментар