Tytuł oryginału

THE QUANTUM UNIVERSE

And Why Anything That Can Happen, Does

Copyright © Brian Cox and Jeff Forshaw, 2011

All rights reserved

Projekt okładki

Alex Camlin

Ilustracja na okładce

© GettyImages

Redaktor serii

Adrian Markowski

Redakcja

Anna Kaniewska

Korekta

Andrzej Massé

ISBN 978-83-7961-734-0

Warszawa 2014

Wydawca

Prószyński Media Sp. z o.o.

02-697 Warszawa, ul. Rzymowskiego 28

www.proszynski.pl

1

Coś dziwnego jest na rzeczy

„Kwantowy”. Słowo to jest jednocześnie sugestywne, zadziwiające i fascynujące. W zależności od punktu widzenia stanowi albo świadectwo niezwykłego sukcesu nauki, albo symbol ograniczeń ludzkiej intuicji w mozolnych próbach zrozumienia subatomowego królestwa, którego obcości i dziwności nie sposób zignorować. Dla fizyków mechanika kwantowa jest jednym z trzech fundamentów, na których opiera się nasze pojmowanie świata; dwa pozostałe to szczególna i ogólna teoria względności Einsteina. Teorie Einsteina dotyczą natury przestrzeni i czasu oraz siły grawitacji. Mechanika kwantowa obejmuje natomiast wszystko inne i można stwierdzić, że określanie jej jako sugestywnej, zadziwiającej czy fascynującej nie ma żadnego znaczenia – jest ona po prostu teorią opisującą funkcjonowanie świata. Przykładając do niej to pragmatyczne kryterium, przekonujemy się, że charakteryzuje się zapierającą dech w piersiach precyzją oraz zdolnością do wyjaśnienia wielu zjawisk. W wypadku elektrodynamiki kwantowej, najstarszej i najlepiej zrozumianej spośród nowoczesnych teorii kwantowych, istnieje praktyczny test, polegający na pomiarze zachowania elektronu znajdującego się w pobliżu magnesu. Fizycy teoretyczni przez lata trudzili się, zgięci nad kartkami papieru z długopisem w ręku albo pochyleni nad komputerem, by przewidzieć, jaki będzie wynik tej próby. Jednocześnie eksperymentatorzy projektowali i przeprowadzali finezyjne doświadczenia, by odkrywać coraz to subtelniejsze niuanse działania przyrody. Oba obozy zupełnie niezależnie dotarły do wyników, których dokładność można porównać do zmierzenia odległości między Manchesterem a Nowym Jorkiem z dokładnością do kilku centymetrów. Niezwykłe jest to, że rezultaty uzyskane przez eksperymentatorów idealnie zgadzały się z tymi obliczonymi przez teoretyków – pomiary i wyliczenia doskonale do siebie pasowały.

Robi to wrażenie, ale też wygląda dość tajemniczo i gdyby zadanie teorii kwantowej ograniczało się do opisania miniaturowego świata, mielibyśmy podstawy, by zastanawiać się, po co w ogóle to całe zamieszanie. Oczywiście przydatność nie stanowi zasadniczego celu studiów naukowych, ale wiele przemian technologicznych czy społecznych, które zrewolucjonizowały nasze życie, wyrosło z fundamentalnych badań przeprowadzanych przez współczesnych odkrywców, których jedynym pragnieniem było lepsze zrozumienie otaczającego ich świata. Te powodowane ciekawością wyprawy poprzez wszystkie dyscypliny nauki zaowocowały wydłużonym czasem życia, lotami międzykontynentalnymi, nowoczesnymi środkami telekomunikacji, uwolnieniem się od znoju produkcji żywności na własne potrzeby, a także rozległą, porywającą i jednocześnie skłaniającą do pokory wizją naszej planety pośród nieskończonego morza gwiazd. To wszystko są jednak w pewnym sensie tylko produkty uboczne. Badamy, ponieważ chcemy zaspokoić naszą ciekawość, a nie dlatego, że pragniemy rozwinąć wspaniałe wizje rzeczywistości lub zaprojektować bardziej użyteczne gadżety.

Teoria kwantowa jest chyba najlepszym przykładem tego, jak to, co nieskończenie obce i graniczące z wiedzą tajemną, staje się z czasem niezwykle przydatne. Obce, ponieważ opisuje świat, w którym cząstka może naprawdę znajdować się w kilku miejscach w tym samym czasie i przemieszczać się z jednego punktu do drugiego, wędrując jednocześnie przez cały Wszechświat. Przydatne, gdyż zrozumienie zachowania najmniejszych składowych Wszechświata stanowi podstawę do zrozumienia wszystkiego innego. To ostatnie stwierdzenie może się zdawać przesadne, gdyż na świecie pełno jest różnorodnych i złożonych zjawisk. A jednak pomimo ich złożoności wiemy, że wszystko zbudowane jest z kilku rodzajów mikroskopijnych cząstek, które poruszają się zgodnie z zasadami teorii kwantowej. Te zasady są z kolei tak proste, że można je rozpisać na kawałku papierowej serwetki i już samo to, że do wyjaśnienia zasadniczej natury świata nie potrzebujemy całej biblioteki, stanowi jedną z największych tajemnic.

Wygląda na to, że im więcej wiemy o elementarnej naturze świata, tym prostsza się ona wydaje. W dalszym ciągu tej książki wyjaśnimy, jak wyglądają te podstawowe zasady i w jaki sposób mikroskopijne składowe potrafią wspólnie utworzyć cały świat. Ale zanim zachłyśniemy się ukrytą prostotą Wszechświata, należy wypowiedzieć kilka słów przestrogi: chociaż podstawowe zasady są proste, wyliczenie ich konsekwencji może się okazać bardzo skomplikowane. Świat, jaki postrzegamy na co dzień, jest zdominowany przez związki pomiędzy ogromnymi zbiorami wielu trylionów atomów, a więc próba wyciągania wniosków co do zachowania roślin czy ludzi przy użyciu fundamentalnych reguł byłaby naiwna. Stwierdzenie to jednak w żadnym razie nie przekreśla najważniejszego faktu: u podstaw wszystkich zjawisk naprawdę leży fizyka kwantowa mikroskopijnych cząstek.

Spójrz na otaczający cię świat. W ręku trzymasz książkę składającą się z papieru, zmiażdżonej papki z drzewa1. Drzewa są swoistymi maszynami zdolnymi do pobierania zapasu atomów i cząsteczek, rozkładania ich i przekształcania we współdziałające kolonie zbudowane z wielu trylionów poszczególnych części. Dokonują tego dzięki cząsteczce zwanej chlorofilem; składa się na nią ponad sto skręconych w skomplikowany kształt atomów węgla, wodoru i tlenu, do których przymocowanych jest kilka atomów magnezu i azotu. Ten układ cząstek potrafi przechwycić światło, które przebyło 150 milionów kilometrów dzielących go od naszej gwiazdy – jądrowego pieca o pojemności milion razy większej niż objętość Ziemi – i przetransportować niesioną przez nie energię do komórek, gdzie jest ona wykorzystywana do budowania nowych cząsteczek z dwutlenku węgla i wody. Produktem ubocznym tego ostatniego procesu jest utrzymujący życie tlen. Właśnie takie łańcuchy cząsteczek tworzą strukturę drzew, wszystkich innych żywych istot i roślin, a także papieru twojej książki. Ty możesz ją czytać i rozumieć znajdujące się w niej słowa, ponieważ twoje oczy przekształcają odbijające się od kartek światło w impulsy elektryczne, które interpretuje twój mózg – najbardziej złożona znana nam konstrukcja w całym Wszechświecie. Współcześnie wiemy, że wszystkie te obiekty są po prostu zbiorowiskami atomów i że większość atomów zbudowana jest zaledwie z trzech podstawowych cząstek: elektronów, protonów i neutronów. Odkryliśmy też, że protony i neutrony składają się z mniejszych części zwanych kwarkami i – przynajmniej według dzisiejszego stanu wiedzy – na tym możliwości podziału się kończą. A wszystkim tym rządzi teoria kwantowa.

Współczesna fizyka oferuje więc obraz Wszechświata, u którego podstaw leży ukryta prostota – eleganckie zjawiska zachodzą poza zasięgiem naszego wzroku, podczas gdy na powierzchnię postrzegania wynurza się różnorodność świata makroskopowego. Być może największym osiągnięciem współczesnej nauki jest właśnie zredukowanie niezwykłej złożoności świata (łącznie z istotami ludzkimi) do opisu zachowania kilku malutkich subatomowych cząstek i czterech sił, jakie między nimi działają. Najlepszą dostępną nam charakterystykę trzech spośród tych czterech sił (silnego i słabego oddziaływania jądrowego, które występują wewnątrz jąder atomowych, oraz spajającej atomy i cząstki siły elektromagnetycznej) podsuwa teoria kwantowa. Jedynie grawitacja, najsłabsza, choć jednocześnie najbliższa nam spośród tych czterech sił, nie ma obecnie satysfakcjonującego opisu kwantowego.

Trzeba przyznać, że teoria kwantowa ma opinię bardzo dziwacznej. Napisano też o niej stosy bzdur. Koty mogą być jednocześnie żywe i martwe; cząstki mogą się w tej samej chwili znajdować w dwóch różnych miejscach; Heisenberg twierdzi, że nic nie jest pewne. Te wszystkie stwierdzenia są niewątpliwie prawdziwe, ale wyciągany z nich wniosek – że skoro w świecie mikroskopowym dzieje się coś dziwnego, otaczają nas nieprzeniknione tajemnice – już na pewno nie. Pozazmysłowe postrzeganie, tajemne ozdrowienia, wibrujące bransoletki chroniące przed promieniowaniem i kto wie czym jeszcze są cuda regularnie przemycane do świata „autentycznych” zjawisk pod przykrywką słowa „kwantowe”. Takie bzdury rodzą się na skutek braku jasności myśli, pobożnych życzeń, prawdziwego lub udawanego niezrozumienia albo też w wyniku niefortunnej kombinacji tych wszystkich czynników. Teoria kwantowa opisuje świat w precyzyjny sposób i wykorzystuje prawa matematyczne tak samo jednoznaczne jak stwierdzenia Newtona czy Galileusza. To dlatego potrafimy obliczyć reakcję elektronu na pole magnetyczne z tak niezwykłą dokładnością. Dzięki teorii kwantowej otrzymujemy opis przyrody, który – jak się jeszcze przekonamy – ma niesamowitą zdolność do przewidywania i wyjaśniania. Zdolność ta obejmuje niezwykle szeroki wachlarz zjawisk i obiektów, począwszy od układów scalonych, a skończywszy na gwiazdach.

Przy pisaniu tej książki postawiliśmy sobie za cel zdemaskowanie mitów wyrosłych wokół teorii kwantowej – teoretycznego szkieletu słynnego z tego, jak bardzo potrafił być mylący, i to nawet dla prekursorów jego badań. W naszym podejściu przyjmiemy współczesną perspektywę wzbogaconą o doświadczenie i rozwój teoretyczny osiągnięty przez ostatnie sto lat. W celu wprowadzenia czytelnego kontekstu chcielibyśmy jednak rozpocząć naszą podróż na początku XX wieku i przyjrzeć się pewnym problemom, które doprowadziły fizyków do dokonania radykalnego odstępstwa od obowiązującego wcześniej sposobu myślenia.

Teoria kwantowa powstała – jak wiele innych teorii naukowych – w wyniku odkrycia zjawisk przyrodniczych, których nie dało się wyjaśnić poprzez dotychczasowy paradygmat naukowy. W wypadku teorii kwantowej zjawiska te były liczne i różnorodne. Seria niedających się wytłumaczyć rezultatów doświadczeń wywołała ożywienie i zamieszanie, co z kolei zapoczątkowało okres niezwykłych odkryć teoretycznych i eksperymentalnych, który z całą pewnością zasługuje na to, by określić go wyświechtanym wyrażeniem „złoty wiek”. Nazwiska głównych bohaterów tamtego czasu są wyryte w umysłach wszystkich studentów fizyki, gdyż to o nich słyszą najczęściej podczas wykładów. Są to: Rutherford, Bohr, Planck, Einstein, Pauli, Heisenberg, Schrödinger, Dirac. Pewnie już nigdy nie zdarzy się w historii nauki taki czas, w którym aż tylu ludzi zyskałoby naukową sławę dzięki poszukiwaniu wspólnego celu; w tym wypadku chodziło o nową teorię atomów i oddziaływań, które tworzą świat materialny. W 1924 roku, podsumowując pierwsze dekady teorii kwantowej, Ernest Rutherford, urodzony w Nowej Zelandii fizyk, który dzięki badaniom prowadzonym w Manchesterze odkrył jądro atomowe, napisał: „Rok 1896 (...) wyznaczył początek okresu, który został trafnie nazwany bohaterską erą nauk fizycznych. Nigdy wcześniej w historii fizyki nie zaobserwowano takiego czasu intensywnej aktywności, w którym kolejne odkrycia o fundamentalnej wadze następowałyby po sobie z równie oszałamiającą szybkością”.

Zanim jednak przeniesiemy się do dziewiętnastowiecznego Paryża i chwili narodzin teorii kwantowej, zastanówmy się przez chwilę nad samym słowem „kwantowy”. Wyraz ten pojawił się po raz pierwszy w fizyce w 1900 roku w pracach Maksa Plancka. Planck zajmował się poszukiwaniem teoretycznego opisu promieniowania emitowanego przez gorące przedmioty, tak zwanego promieniowania ciała doskonale czarnego. Zadanie to zostało mu zlecone przez firmę zajmującą się oświetleniem elektrycznym – bywa i tak, że drzwi do badania Wszechświata otwierają się za sprawą bardzo przyziemnych działań. W dalszej części tej książki uważniej przyjrzymy się niezwykłej wnikliwości Plancka; na potrzeby tego krótkiego wprowadzenia wystarczy powiedzieć, że odkrył on, iż potrafi wyjaśnić właściwości promieniowania ciała doskonałego czarnego, jeśli założy, że światło jest emitowane w małych paczkach energii, które nazwał „kwantami”. Słowo „kwanty” to po prostu „porcje”, a „kwantowy” to inaczej „dyskretny”. Początkowo Planck przypuszczał, że w grę wchodzi czysto matematyczna sztuczka, ale późniejsze prace Alberta Einsteina z 1905 roku dotyczące zjawiska zwanego efektem fotoelektrycznym dostarczyły nowych argumentów potwierdzających hipotezę kwantową. Podobne koncepcje przemawiały czytelnie do wyobraźni, gdyż niewielkie porcje energii mogłyby być uznane za cząstki.

Pomysł, że światło składa się z ciągu malutkich pocisków, był dobrze znaną koncepcją o długiej historii rozpoczynającej się wraz z narodzinami współczesnej fizyki i Izaakiem Newtonem. Wydawało się jednak, że szkocki fizyk James Clerk Maxwell w 1864 roku jednoznacznie zaprzeczył sensowności takiego stwierdzenia. W serii prac, które Albert Einstein określił później jako „najważniejsze i najbardziej inspirujące, jakie pojawiły się w fizyce od czasów Newtona”, Maxwell pokazał, że światło jest falą elektromagnetyczną przemieszczającą się przez przestrzeń. Koncepcja światła jako fali mogła więc pochwalić się nieskazitelnym rodowodem i jak mogło się zdawać – reputacją nie do podważenia. Jednak w serii eksperymentów przeprowadzonych między 1923 a 1925 rokiem na Uniwersytecie imienia Waszyngtona w Saint Louis przez Arthura Comptona i jego współpracowników udało się odbić kwanty światła od elektronów. Zarówno kwanty, jak i elektrony zachowywały się w tych doświadczeniach podobnie do odbijających się kul bilardowych, dowodząc tym samym, że teoretyczna hipoteza Plancka znajduje potwierdzenie w świecie rzeczywistym. W 1926 roku kwanty światła zostały nazwane „fotonami”. Dowodów nie dało się już podważyć – światło zachowuje się jednocześnie jak fala i jak cząstka. Oznaczało to koniec fizyki klasycznej i jednocześnie dopełnienie narodzin teorii kwantowej.

1 Chyba że akurat czytasz elektroniczną wersję tej książki – w takim wypadku musisz wysilić wyobraźnię.

2

Znajdowanie się w dwóch miejscach naraz

Ernest Rutherford podawał 1896 jako rok rozpoczęcia rewolucji kwantowej, bo właśnie wtedy Henri Becquerel, pracując w swoim laboratorium w Paryżu, odkrył radioaktywność. Becquerel usiłował wywołać emisję promieniowania rentgenowskiego, odkrytego zaledwie kilka miesięcy wcześniej przez Wilhelma Röntgena w Würzburgu, używając rud uranu. Nie osiągnął planowanego celu, ale odkrył, że ruda uranu emituje les rayons uraniques, promienie, które zaciemniały klisze fotograficzne nawet wtedy, gdy te ostatnie były zawinięte w nieprzepuszczający żadnego światła gruby papier. Waga osiągnięcia Becquerela została doceniona już w 1897 roku w przeglądowym artykule wielkiego uczonego Henriego Poincaré. Poincaré z nadzwyczajną przenikliwością pisał w nim o odkryciu, które „możemy dziś uznać za otwierające nam drogę do nowego świata, którego istnienia nikt nie podejrzewał”. Zaskakująca cecha rozpadu radioaktywnego, zapowiadająca to, co miało się wydarzyć później, polegała na tym, że do emisji promieni w różnych materiałach zdawało się dochodzić bez żadnego powodu: pojawiały się spontanicznie, w momentach, których nie można było przewidzieć.

W 1900 roku Rutherford zauważył następujący problem: „wszystkie atomy powstałe w tej samej chwili powinny istnieć przez określony przedział czasu. Obserwowane prawo transformacji temu przeczy: długość życia atomów przybiera wszystkie wartości od zera do nieskończoności”. Ta losowość w zachowaniu mikroświata wydawała się zaskakująca, ponieważ do tamtego momentu nauki ścisłe były w pełni deterministyczne. Wierzono, że jeśli w pewnej chwili wie się wszystko, co tylko można było wiedzieć o jakimś układzie, to da się z całkowitą pewnością przewidzieć, co stanie się z tym układem w przyszłości. Załamanie się tego typu przewidywalności stanowi fundamentalną cechę teorii kwantowej: fizyka kwantowa opisuje prawdopodobieństwa, a nie zdarzenia, które zajdą na pewno. Dzieje się tak nie dlatego, że brakuje nam pełnej wiedzy, ale ponieważ pewne aspekty przyrody podlegają na podstawowym poziomie prawom o charakterze losowym. Teraz rozumiemy już, że po prostu nie da się przewidzieć, kiedy pewien konkretny atom ulegnie rozpadowi. Przy badaniu rozpadów radioaktywnych nauka po raz pierwszy spotkała się z przyrodą rzucającą kośćmi i dla wielu fizyków przez długie lata stanowiło to źródło konfuzji i nieporozumień.

Choć wewnętrzna struktura atomów nie była wówczas znana, domyślano się, że w ich wnętrzach musiało się dziać coś ciekawego. W 1911 roku Rutherford dokonał kluczowego odkrycia, bombardując bardzo cienką złotą folię promieniami znanymi wówczas jako cząstki alfa (teraz wiemy, że są to jądra atomów helu). Wraz ze swoimi współpracownikami, Hansem Geigerem i Ernestem Marsdenem, z wielkim zdumieniem zauważyli, że mniej więcej jedna na osiem tysięcy cząstek alfa nie przelatywała przez złoto zgodnie z wcześniejszymi oczekiwaniami, ale odbijała się od niego. Rutherford opisał później ten moment, używając typowego dla siebie barwnego języka: „Było to najbardziej niewiarygodne zdarzenie w moim życiu. Wydawało się tak samo niezwykłe, jak gdyby ktoś strzelał piętnastocalowymi pociskami do kawałka papieru toaletowego i niektóre z nich odbijały się od celu i wracały do strzelca”. Rutherford był niewątpliwie energicznym człowiekiem, który nie znosił żadnych ceregieli; kiedyś opisał pewnego napuszonego urzędnika w następujący sposób: „przypomina punkt w przestrzeni euklidesowej: ma pozycję, ale nie ma wielkości”.

Rutherford obliczył, że wyniki jego eksperymentów można wyjaśnić wyłącznie przy założeniu, iż atom składa się z bardzo małego umieszczonego centralnie jądra, wokół którego krążą elektrony. Wyobrażał sobie wtedy zapewne model przypominający planety biegnące po orbitach wokół Słońca. Jądro zawiera praktycznie całą masę atomu, i właśnie dlatego potrafi odbijać z powrotem cząstki alfa, „piętnastocalowe pociski” wysyłane przez Rutherforda. Wodór, najprostszy z pierwiastków, ma jądro składające się z pojedynczego protonu o promieniu równym około 1,75 × 10‒15 m. Oznacza to, że promień ma długość 0,00000000000000175 metra, czyli nieco mniej niż dwie tysięcznobilionowe metra. O ile umiemy to dziś stwierdzić, pojedynczy elektron, podobnie jak napuszony urzędnik Rutherforda, przypomina punkt i krąży wokół jądra atomu wodoru po orbicie o promieniu około stu tysięcy razy większym niż średnica jądra. Jądro niesie dodatni ładunek elektryczny, a elektron jest naładowany ujemnie, co oznacza, że działa między nimi siła przyciągająca, analogiczna do przyciągania grawitacyjnego utrzymującego Ziemię na orbicie wokół Słońca. To z kolei oznacza, że atomy składają się zasadniczo z pustej przestrzeni. Jeśli wyobrazimy sobie jądro w skali, w której ma ono wielkość piłki tenisowej, to maleńki elektron, mniejszy niż drobinka kurzu, będzie poruszał się po orbicie o promieniu kilometra. Te liczby wydają się bardzo zaskakujące – materia z pewnością nie sprawia wrażenia pustej.

Jądrowy model atomu Rutherforda sprawił ówczesnym fizykom wiele kłopotów. Dobrze wiedziano na przykład, że elektron krążący wokół jądra atomowego powinien tracić energię, ponieważ wszystkie obiekty niosące ładunek elektryczny poruszające się po zakrzywionych torach wysyłają energię w postaci promieniowania. Tak właśnie działają nadajniki radiowe: znajdujące się w nich elektrony zostają zmuszone do ruchu po pewnych trajektoriach, w wyniku czego emitują fale elektromagnetyczne. Heinrich Hertz wynalazł nadajnik radiowy w 1887 roku i kiedy Rutherford odkrył jądro atomu, funkcjonowała już stacja radiowa przesyłająca sygnały przez Atlantyk, z Irlandii do Kanady. Teoria krążących ładunków i emitowanych przez nie fal radiowych była więc niewątpliwie poprawna, co stanowiło poważną trudność przy próbach wyjaśniania, w jaki sposób elektrony mogą się trwale utrzymywać na orbitach wokół jądra.

Innym niedającym się wyjaśnić zjawiskiem była tajemnica światła wysyłanego przez atomy pod wpływem dostarczanego do nich ciepła. Już w 1853 roku szwedzki uczony Anders Jonas Ångström przepuszczał iskry przez szklane rurki wypełnione wodorem i analizował emitowane światło. Można by przypuszczać, że jarzący się gaz pokaże wszystkie kolory tęczy – w końcu przecież Słońce jest niczym innym jak tylko żarzącą się gazową kulą. Okazało się jednak inaczej, Ångström zaobserwował, że wodór emituje światło w trzech wyróżniających się kolorach: czerwonym, niebieskozielonym i fioletowym, przypominające tęczę złożoną z trzech czystych, wąskich łuków. Wkrótce przekonano się, że każdy z pierwiastków zachowuje się w podobny sposób, wysyłając charakterystyczny dla siebie kod kreskowy złożony z różnych kolorów. Zanim Rutherford opisał strukturę atomu, niemiecki uczony Heinrich Gustaw Johannes Kayser zebrał w sześciotomowym, liczącym w sumie pięć tysięcy stron dziele zatytułowanym Handbuch der Spectroscopie zaobserwowane w eksperymentach wzory kolorowych linii odpowiadających wszystkim znanym wówczas pierwiastkom. Narzucało się oczywiście pytanie: „Dlaczego?”. Nie tylko: „Dlaczego, profesorze Kayser?” (Niemiec musiał być wyjątkowo ciekawym rozmówcą na imprezach towarzyskich), ale też „Dlaczego pojawia się tak wiele różnych wzorów złożonych z kolorowych linii?”. Przez blisko sześćdziesiąt lat dziedzina nauki zwana spektroskopią jednocześnie odnosiła wielkie sukcesy eksperymentalne i pozostawała pustynią, jeśli chodzi o teoretyczne uzasadnienia.

W marcu 1912 roku zafascynowany problemem struktury atomów duński fizyk Niels Bohr pojechał do Manchesteru, by spotkać się z Rutherfordem. Później wspominał, że próby odszyfrowania mechanizmów rządzących wnętrzem atomów na podstawie danych spektroskopowych należałoby porównać z wyprowadzaniem fundamentalnych praw biologii z kolorów skrzydła motyla. Oparty na Układzie Słonecznym model Rutherforda dostarczył Bohrowi wskazówek i w 1913 roku Duńczyk opublikował pierwszą kwantową teorię budowy atomu.

Rysunek 2.1. Model atomu Bohra, przedstawiający emisję fotonu (falista linia) i powiązany z nią spadek fotonu z jednej orbity na drugą (oznaczony strzałką)

Zaproponowane przez niego podejście nie było pozbawione problemów, ale zawierało koncepcje, które miały się okazać kluczowe dla rozwoju współczesnej teorii kwantowej. Bohr doszedł do wniosku, że elektrony mogą zajmować tylko pewne szczególne orbity wokół jądra, a ta najbliższa jądra odpowiada najniższej możliwej energii. Stwierdził też, że elektrony mogą przeskakiwać między różnymi orbitami: kiedy dostarczy się im energię (na przykład za pomocą iskry w szklanej rurce), przeskakują na wyższą orbitę, a potem, w miarę upływu czasu, przechodzą z powrotem niżej, jednocześnie wysyłając światło. Kolor światła jest wyznaczony bezpośrednio przez różnicę energii między dwoma poziomami. Rysunek 2.1 pokazuje podstawową ideę: strzałka reprezentuje elektron przeskakujący z trzeciego poziomu energetycznego na drugi poziom energetyczny, emitujący przy tym światło (przedstawione jako falista linia). W modelu Bohra elektron może okrążać jądro po jednej ze szczególnych, „skwantowanych” orbit; spiralne spadanie ku środkowi jest po prostu zakazane. Takie założenie pozwoliło duńskiemu fizykowi obliczyć długości fal (czyli kolory) światła zaobserwowane przez Ångströma – należało je przyporządkować elektronowi przeskakującemu z piątej orbity na drugą (światło fioletowe), z czwartej orbity na drugą (światło niebieskozielone) i z trzeciej orbity na drugą (światło czerwone). Model Bohra przewidywał też, że atomy wodoru powinny emitować światło w wyniku przeskakiwania elektronów na pierwszą orbitę. Okazało się to prawdą: odpowiednie fale znajdują się już w ultrafioletowej części widma, której nie da się zobaczyć gołym okiem, a więc nie zostały zaobserwowane przez Ångströma. Dostrzegł je jednak w 1906 roku Theodore Lyman, fizyk z Harvardu. Otrzymane przez Lymana dane świetnie zgadzały się z przewidywaniami wynikającymi z modelu Bohra.

Chociaż Bohr nie zdołał rozszerzyć swojego modelu na atomy innych pierwiastków, teoretycznie było to możliwe. W szczególności jeśli założy się, że atomy każdego pierwiastka mają jednoznacznie określony zbiór orbit, to – zgodnie z koncepcją Bohra – będą one emitować wyłącznie światło o pewnych konkretnych kolorach. Oznaczało to, że kolory wysyłane przez atomy można traktować jak charakterystyki pierwiastków, i astronomowie zaczęli niemal natychmiast wykorzystywać jednoznaczność atomowych linii spektralnych do określania składu chemicznego gwiazd.

Model Bohra stanowił dobry punkt wyjścia, ale z pewnością nie dało się go uznać za w pełni satysfakcjonujący. Dlaczego elektrony nie mogły po prostu spadać spiralnie ku jądru, skoro było już wiadomo, że powinny tracić energię, emitując fale elektromagnetyczne, a co więcej, prawdziwość tego ostatniego faktu potwierdzało pojawienie się radia? I co począć z pierwiastkami cięższymi od wodoru? Jak próbować zrozumieć ich strukturę?

Chociaż teoria Bohra miała liczne wady, niewątpliwie stanowiła kluczowy krok w rozwoju teorii kwantowej. Pokazuje nam też, jak często wygląda postęp w nauce. W obliczu skomplikowanych i niezrozumiałych danych eksperymentalnych nie ma sensu całkowicie się poddawać, nawet jeśli nie widać sposobu na ich wyjaśnienie. W takich wypadkach uczeni często proponują tak zwany ansatz, odgadując na podstawie swojej wiedzy i przeczuć jakieś potencjalne rozwiązanie, a następnie obliczają jego konsekwencje. Jeśli odpowiedź na zagadkę okazuje się trafna – to znaczy rozwinięta na jej podstawie teoria przewiduje wyniki zgodne z tymi otrzymywanymi w doświadczeniach – można z większym przekonaniem wrócić do punktu wyjścia i próbować lepiej zrozumieć i uzasadnić swoje początkowe założenie. Ansatz Bohra pozostawał z jednej strony skuteczny, z drugiej niewyjaśniony przez trzynaście lat.

W dalszej części książki wrócimy jeszcze do historii tych wczesnych idei kwantowych. Na razie możemy poczuć się, jakby postawiono przed nami kolekcję dziwnych obserwacji i połowicznych odpowiedzi na różne związane z nimi pytania. Z taką sytuacją musieli się zmierzyć twórcy teorii kwantowej. W skrócie: opierając się na pracach Plancka, Einstein przedstawił koncepcję, według której światło składa się z cząstek, natomiast Maxwell pokazał, że światło zachowuje się też jak fala. Wyniki Rutherforda i Bohra wyjaśniły częściowo, jak wygląda wewnętrzna struktura atomów, ale zachowanie elektronów w atomach nie zgadzało się z żadną znaną wówczas teorią. Ponadto rozmaite zjawiska określane wspólną nazwą radioaktywności, w których atomy spontanicznie rozpadały się bez żadnego widocznego powodu, pozostawały tajemnicze, choćby dlatego, że wprowadzały do fizyki niepokojąco losowe zachowania. Nikt nie mógł wątpić w to, że w świecie subatomowym dzieje się coś dziwnego.

Pierwszy krok na drodze ku spójnej odpowiedzi na wszystkie te pytania przypisuje się zazwyczaj niemieckiemu fizykowi Wernerowi Heisenbergowi, który zaproponował całkowicie nowe podejście do teorii opisującej materię i działanie sił. W lipcu 1925 roku Heisenberg opublikował pracę odrzucającą wcześniejsze, podane ad hoc idee i częściowe teorie, w tym model atomu Bohra, i wprowadzającą nowatorskie koncepcje, które miały zmienić całą fizykę. Artykuł zaczął następująco: „W tej pracy spróbujemy przedstawić fundamenty kwantowej mechaniki teoretycznej, która opiera się wyłącznie na związkach między wartościami, jakie zasadniczo można by zaobserwować”. Zdanie to zawiera bardzo istotny krok, gdyż Heisenberg mówi nam, że matematyka leżąca u podstaw teorii kwantowej nie musi odpowiadać niczemu, co znamy. Zadaniem teorii kwantowej powinno być przewidywanie wartości, które można bezpośrednio zaobserwować, takich jak kolor światła emitowanego przez atomy wodoru. Nie należy oczekiwać, że pozwoli ona na stworzenie satysfakcjonującego obrazu wewnętrznych mechanizmów atomów, gdyż coś takiego nie jest konieczne, a co więcej, może być po prostu niemożliwe. Jednym pociągnięciem pióra Heisenberg pozbył się uprzedzenia mówiącego, że prawa przyrody powinny zgadzać się ze zdrowym rozsądkiem. Nie chodzi o to, że teoria świata subatomowego miałaby się kłócić z naszymi codziennymi obserwacjami przy opisie ruchu dużych obiektów, takich jak piłki tenisowe czy samoloty. Powinniśmy jednak przygotować się na rezygnację z naiwnego przekonania, że małe obiekty zachowują się jak miniaturowe wersje dużych obiektów, zwłaszcza jeśli przeczą mu konkretne obserwacje eksperymentalne.

Reszta w pełnej wersji

3

Czym jest cząstka?

Dostępne w pełnej wersji

4

Wszystko, co może się zdarzyć, zdarza się

Dostępne w pełnej wersji

5

Ruch jako złudzenie

Dostępne w pełnej wersji

6

Muzyka atomów

Dostępne w pełnej wersji

7

Wszechświat w czubku szpilki

(i dlaczego nie przelatujemy na wylot przez podłogę)

Dostępne w pełnej wersji

8

Wzajemnie powiązane

Dostępne w pełnej wersji

9

Nowoczesny świat

Dostępne w pełnej wersji

10

Oddziaływanie

Dostępne w pełnej wersji

11

Pusta przestrzeń nie jest pusta

Dostępne w pełnej wersji

Epilog

Śmierć gwiazd

Dostępne w pełnej wersji

Lektury dodatkowe

Dostępne w pełnej wersji