2014-09-09
Kategoria: Nauka

Mechanika Kwantowa i przerażeni fizycy: dziwny jest ten Świat

Quantum-Mechanics

Dama z audytorium była nieustępliwa. „Czy kiedykolwiek widział pan jakiś atom?” – nalegała. Pytanie to, choć irytujące, jest w pełni zrozumiałe dla kogoś, kto zżył się z obiektywną realnością atomów. Bez trudu potrafię sobie wyobrazić ich wewnętrzną strukturę. Mogę przywołać obraz rozmytej chmury „obecności” elektronu, otaczającej maleńką kropeczkę jądra, które przyciąga do siebie ów mglisty obłok elektronowy. Te myślowe obrazy, skonstruowane na podstawie równań matematycznych powodują, że możemy „zobaczyć” atomy, protony, a nawet kwarki.

Próby odpowiedzi na podobne pytania zawsze zaczynam od określenia znaczenia słowa „widzieć”. Czy „widzisz” tę stronę, jeśli nosisz okulary? A gdy oglądasz film? Albo kserokopię tej książki (okradając mnie przy tym z honorarium) 😉 ? Zdesperowany pytam: „Czy widziała Pani kiedykolwiek papieża?”.

Odpowiedź zazwyczaj brzmi: „Oczywiście, widziałam go w telewizji”. Czyżby? Wszystko, co ta Pani widziała, to wiązkę elektronów padających na pomalowaną fosforem wewnętrzną powierzchnię ekranu. Dowody na istnienie atomu czy kwarka, jakimi dysponuję, są co najmniej równie dobre. Jakie dowody? Ślady cząstek w komorze pęcherzykowej. W akceleratorze Tevatron, znajdującym się w Fermilabie „odłamki” ze zderzeń protonów z antyprotonami są elektronicznie przechwytywane przez trzypiętrowy detektor wart 120 milionów dolarów.

Trzy rzeczy, które trzeba zapamiętać o mechanice kwantowej

Można powiedzieć, że mechanika kwantowa ma trzy godne podkreślenia własności: po pierwsze, jest sprzeczna z intuicją; po drugie, działa; po trzecie, pewne jej aspekty sprawiły, że Einstein, Schrödinger i im podobni nie potrafili jej zaakceptować, i z tego powodu wciąż jest przedmiotem wytężonych badań. Pomówmy więc teraz nieco obszerniej o każdym z tych punktów.

1. Jest sprzeczna z intuicją

Thomas-Young-thumbMechanika kwantowa zastępuje ciągłość dyskretnym rozkładem. By posłużyć się porównaniem: zamiast cieczy wlewanej do szklanki mamy teraz miałki piasek. Równomierny szum, który słyszysz, drogi Czytelniku, to uderzenia wielkiej liczby atomów w twoje bębenki słuchowe. No i jeszcze ten niesamowity eksperyment z podwójną szczeliną. Jako pierwszy przeprowadził go lekarz Thomas Young w 1802 roku. Rezultat został rozgłoszony jako niezbity dowód świadczący o falowym charakterze światła. Eksperymentator skierował wiązkę światła, powiedzmy żółtego, na przegrodę, w której wyciął dwie, bardzo blisko siebie położone, wąskie równoległe szczeliny. Na odległym ekranie widać było światło, które przedostało się przez szczeliny. Kiedy Young zasłonił jedną z nich, na ekranie widać było wyraźny, nieco rozszerzony wizerunek otwartej szczeliny. Gdy jednak zostały odsłonięte obie, rezultat okazał się dość nieoczekiwany. Drobiazgowe oględziny oświetlonego obszaru ekranu wykazały, że widać na nim serię równomiernie rozmieszczonych jasnych i ciemnych pasków. Ciemne paski to te obszary, do których światło w ogóle nie dotarło.

Light-is-Wave-and-Particle

Paski te stanowią dowód na to, że światło jest falą – powiedział Young. Dlaczego? Są one wynikiem interferencji, która pojawia się wtedy, kiedy zderzają się ze sobą fale dowolnego rodzaju. Gdy dwie fale na wodzie zderzają się ze sobą grzbiet z grzbietem, wzmacniają się i powstaje mocniejsza fala; gdy grzbiet zderza się z doliną fali, znoszą się nawzajem i fala się rozpłaszcza.

Innym zjawiskiem całkowicie sprzecznym z intuicją jest tak zwany efekt tunelowy. Mówiliśmy o wysyłaniu elektronów w kierunku bariery. Analogiczną sytuacją w fizyce klasycznej jest toczenie kuli w górę po zboczu. Jeśli na początku pchnie się kulę dostatecznie mocno (dostarczy się jej dość energii), przetoczy się na drugą stronę. Jeśli energii będzie za mało, sturla się z powrotem. Albo wyobraźmy sobie wagonik kolejki w lunaparku uwięziony między dwoma przerażającymi wzniesieniami. Przypuśćmy, że wagonik wjechał do połowy wysokości jednego wzniesienia i stracił moc. Zsunie się w dół, a następnie wjedzie prawie do połowy drugiego wzniesienia i tak zacznie oscylować w tę i z powrotem, uwięziony na przełęczy. Gdybyśmy zdołali usunąć tarcie, wagonik oscylowałby bez końca między dwiema nieprzekraczalnymi zaporami. W kwantowej teorii atomowej podobny układ nazywa się stanem związanym. Jednak nasz opis tego, co dzieje się z elektronem skierowanym w stronę bariery energetycznej albo uwięzionym między dwiema barierami, musi uwzględniać fale prawdopodobieństwa. Okazuje się, że część fali może „przeciec” przez barierę (w układach atomowych albo jądrowych barierą jest oddziaływanie elektryczne, albo silne). Dlatego też istnieje skończone prawdopodobieństwo, że uwięziona cząstka pojawi się poza pułapką. To było nie tylko niezgodne z intuicją, lecz także stanowiło paradoks, ponieważ podczas pokonywania bariery elektron musiałby mieć ujemną energię, co jest absurdem z klasycznego punktu widzenia. Ale dzięki rozwijającej się intuicji kwantowej można powiedzieć, że nie da się obserwować stanu elektronu „w tunelu”, dlatego nie jest to zagadnienie fizyczne. Można jedynie zaobserwować, że się wydostał. Zjawisko to – nazwane efektem tunelowym – znalazło zastosowanie przy wyjaśnianiu radioaktywnego rozpadu jąder; stanowi też podstawę działania ważnego urządzenia elektronicznego, zwanego diodą tunelową, która ma zastosowanie w dziedzinie fizyki ciała stałego. Bez tego niesamowitego efektu nie mielibyśmy nowoczesnych komputerów i innych urządzeń elektronicznych.

Punktowe cząstki, efekt tunelowy, radioaktywność, udręki z podwójną szczeliną – wszystko to przyczyniło się do powstania nowej intuicji potrzebnej fizykom kwantowym, którzy, uzbrojeni w nowy oręż intelektualny, wyruszyli na przełomie lat dwudziestych i trzydziestych na poszukiwanie niewyjaśnionych zjawisk.

2. Działa

Wolfgang-Pauli-thumbZdarzenia, które nastąpiły w latach 1923-1927 pozwoliły zrozumieć naturę atomu, ale i tak w tej przedkomputerowej epoce potrafiono właściwie poddać analizie tylko najprostsze atomy – wodoru, helu, litu – oraz te, z których usunięto część elektronów (atomy zjonizowane). Przełom nastąpił dzięki Wolfgangowi Pauliemu, jednemu z cudownych dzieci, który mając 19 lat zrozumiał teorię względności, a w wieku dojrzałym stał się enfant terrible fizyki. W tym miejscu nie sposób uniknąć dygresji na temat Pauliego. Znany z wysokich standardów i krewkości, był sumieniem fizyki. A może po prostu człowiekiem prostolinijnym?

Abraham-Pais-Victor-Weisskopf-thumbAbraham Pais (po lewej) donosi, że niegdyś Pauli skarżył się mu, iż nie może znaleźć żadnego dostatecznie wyzywającego problemu, którym mógłby się zająć: „Może to dlatego, że wiem za dużo”. To nie przechwałka, tylko stwierdzenie oczywistego faktu. Można sobie wyobrazić, że Pauli był twardy dla swych asystentów. Gdy jeden z nich, Victor Weisskopf (po prawej), przyszły czołowy teoretyk, zgłosił się kiedyś do Pauliego, ten zmierzył go od stóp do głów, potrząsnął głową i mruknął: „Ach, taki młody, a już nieznany”. Po paru miesiącach Weisskopf przyniósł mu swoją pracę teoretyczną. Pauli rzucił na nią okiem i rzekł: „No proszę, to nawet nie jest błędne”. Do jednego ze swych asystentów powiedział: „Nie przeszkadza mi, że myślisz powoli. Przeszkadza mi, że publikujesz szybciej, niż myślisz”. Nikt przy nim nie mógł się czuć bezpiecznie. Rekomendując kogoś na asystenta Einsteinowi, który w późniejszych latach życia zapuścił się w dosyć egzotyczne obszary matematyki w bezowocnym poszukiwaniu jednolitej teorii pola, Pauli napisał: „Drogi Panie Einstein, to jest dobry student, tylko nie pojmuje jasno różnicy między matematyką a fizyką. Z drugiej strony, Ty sam, drogi Mistrzu, już dawno straciłeś tę zdolność”. Kochany Wolfgang!

W 1924 roku Pauli sformułował fundamentalną zasadę, która pozwoliła wyjaśnić budowę układu okresowego pierwiastków. Problem: Atomy cięższych pierwiastków budujemy w ten sposób, że do jądra dokładamy dodatnie ładunki, a wokół niego rozmieszczamy elektrony na różnych dozwolonych poziomach energetycznych (w języku starej teorii kwantowej: na różnych orbitach). Gdzie mają iść elektrony? Pauli podał regułę, znaną dziś jako zakaz Pauliego, mówiącą, że żadne dwa elektrony nie mogą zajmować tego samego stanu kwantowego. Na początku było to jedynie intuicyjne założenie, ale z czasem zasada ta okazała się być konsekwencją głębokiej i uroczej symetrii.

Struktura-MateriiPrzyjrzyjmy się, jak św. Mikołaj w swym warsztacie produkuje pierwiastki chemiczne. Musi to zrobić porządnie, bo pracuje dla Bogini, a Ona jest twarda. Wodór jest łatwy: św. Mikołaj bierze jeden proton (jądro), dodaje elektron, który zajmuje najniższy możliwy stan energetyczny (w starej teorii Bohra, która wciąż jest użyteczna ze względu na jej obrazowość: orbitę o najmniejszym dozwolonym promieniu). Święty Mikołaj nie musi nawet uważać, po prostu upuszcza elektron gdziekolwiek w pobliżu jądra, a on sam „wskakuje” na najniższy stan podstawowy, emitując po drodze fotony. Teraz hel. W jądrze helu święty Mikołaj umieszcza dwa protony, musi więc dorzucić do niego dwa elektrony. Aby zrobić elektrycznie obojętny atom litu, potrzeba trzech elektronów. Problem w tym, że nie wiadomo, gdzie się mają one znaleźć. W kwantowym świecie dozwolone są tylko określone stany. Czy wszystkie elektrony tłoczą się w stanie podstawowym: trzy, cztery, pięć… elektronów? Tu właśnie wkracza zakaz Pauliego. Mówi on: nie, żadne dwa elektrony nie mogą zajmować tego samego stanu kwantowego. W atomie helu drugi elektron może dołączyć do pierwszego, znajdującego się na najniższym poziomie energetycznym, tylko wtedy, gdy ma przeciwny spin. Kiedy dokładamy w atomie litu trzeci elektron, nie może on już wejść na najniższy poziom energetyczny, musi się osiedlić na następnym, najniższym wolnym poziomie. Okazuje się, że ten stan ma znacznie większy promień (znów à la teoria Bohra), co pozwala wyjaśnić aktywność chemiczną litu, a dokładnie – łatwość, z jaką ów pierwiastek może używać samotnego elektronu do tworzenia wiązań z innymi atomami. Po licie mamy beryl z czterema elektronami. W tym pierwiastku czwarty elektron dołącza do trzeciego, będącego na drugiej powłoce – bo tak właśnie nazywane są poziomy energetyczne.

Dmitri-Mendeleev-thumbGdy tak sobie wesoło podążamy – beryl, bor, węgiel, azot, tlen, neon – dodajemy elektrony dopóty, dopóki nie wypełnimy każdej z powłok. W tej powłoce już dosyć – stwierdza Pauli. Zaczynamy nową. Mówiąc krótko, regularność własności chemicznych i zachowania pierwiastków bierze się z kwantowego zapełniania powłok via zakaz Pauliego. Parę dziesięcioleci wcześniej uczeni wyśmiewali Dmitrija Mendelejewa, który ustawiał pierwiastki w rzędach i kolumnach w zależności od ich własności. Pauli wykazał, że ta okresowość była ściśle związana z rozmaitymi powłokami i stanami kwantowymi elektronów. Pierwszą powłokę zapełniają dwa elektrony, drugą – osiem, trzecią – też osiem i tak dalej. A zatem układ okresowy krył w sobie jakieś głębsze znaczenie.

Podsumujmy tę ważną koncepcję. Pauli wymyślił zasadę regulującą sposób, w jaki zmienia się rozmieszczenie elektronów w atomach pierwiastków chemicznych. Zasada ta wyjaśnia ich własności chemiczne (gaz szlachetny, aktywny metal itd.), wiążąc je z liczbą i stanem elektronów, zwłaszcza tych, które znajdują się na najwyższych powłokach i są najbardziej „narażone” na kontakt z innymi atomami. Zakaz Pauliego pociąga za sobą dramatyczne konsekwencje: gdy powłoka jest już zapełniona, nie można do niej dołożyć dodatkowych elektronów. Przeciwstawia się temu ogromna siła. To właśnie dlatego materia jest nieprzenikalna. Choć atomy składają się w ponad 99,99 procent z próżni, mam poważne problemy z przechodzeniem przez ścianę. Może Ty też, drogi Czytelniku? Dlaczego? W ciałach stałych atomy są zespolone dzięki skomplikowanym oddziaływaniom elektrycznym. Napór elektronów znajdujących się w Twoim ciele na elektrony składające się na ścianę jest bezskuteczny z powodu zakazu Pauliego, który nie dopuszcza, by elektrony znalazły się zbyt blisko siebie. Pocisk wystrzelony z pistoletu jest w stanie wniknąć w ścianę, ponieważ zrywa wiązania łączące atomy i jak lodołamacz przygotowuje miejsce dla swoich własnych elektronów. Zakaz Pauliego odgrywa także istotną rolę w tak dziwacznych i romantycznych obiektach, jakimi są gwiazdy neutronowe i czarne dziury. Ale znowu odszedłem od tematu.

Kiedy już rozumiemy zachowanie atomów, możemy rozwiązywać problem tworzenia się cząstek, na przykład wody (H2O), chlorku sodu (NaCl), czyli soli kuchennej. Cząsteczki powstają dzięki złożonym oddziaływaniom między elektronami i jądrami łączących się atomów. Układ elektronów w powłokach stanowi klucz do utworzenia stabilnej cząsteczki. Teoria kwantowa dała więc chemii mocne podstawy naukowe. Chemia kwantowa jest dziś kwitnącą dziedziną, od której wzięło początek parę nowych dyscyplin, takich jak biologia molekularna, inżynieria genetycznamedycyna molekularna. W materiałoznawstwie teoria kwantowa pomaga nam wyjaśniać i kontrolować własności metali, izolatorów, nadprzewodników i półprzewodników. Półprzewodniki doprowadziły do wynalezienia tranzystora, za co pełną zasługę odkrywcy przypisują kwantowej teorii metali, służącej im jako natchnienie do badań. Z tego odkrycia wzięły się komputery i mikroelektronika oraz rewolucja w komunikacji i przetwarzaniu informacji. No i są jeszcze lasery i masery – urządzenia całkowicie kwantowe.

Gdy pomiary sięgnęły do wnętrza jądra atomowego – rozmiary 100.000 razy mniejsze od atomu – teoria kwantowa stała się niezbędnym narzędziem w tym nowym środowisku. Astrofizyka bada procesy gwiazdowe prowadzące do powstania tak egzotycznych ciał, jak Słońce, czerwone olbrzymy, białe karły, gwiazdy neutronowe i czarne dziury. Historię życia każdego z nich opisuje teoria kwantowa. Z punktu widzenia użyteczności społecznej, według naszych ocen, teoria kwantowa leży u źródła 25 procent dochodu narodowego brutto wszystkich państw uprzemysłowionych. Pomyśleć tylko: oto mamy tych wszystkich europejskich fizyków owładniętych żądzą poznania atomu, a z ich działań rodzi się działalność ekonomiczna o wartości wielu bilionów dolarów. Gdybyż tylko roztropne i przewidujące rządy pomyślały w stosownym czasie o nałożeniu podatku w wysokości jednej dziesiątej procentu od produktów, do których powstania przyczyniła się technologia kwantowa, i uzyskane pieniądze odłożyły na rozwój nauki i edukację… Cóż, w każdym razie teoria kwantowa naprawdę działa.

Quantum-Mechanics-Higgs-Boson

Zderzenia dwóch protonów, które wytwarzają bozon Higgsa (wizja artystyczna), cząstkę elementarną, której istnienie jest postulowane przez model standardowy. 4 lipca 2012 r. ogłoszone zostało odkrycie tej nowej cząstki przez eksperymenty ATLAS i CMS, prowadzone przy Wielkim Zderzaczu Hadronów w CERN pod Genewą.

123

O Autorze

 > John Lennon „Imagine”: Imagine there’s no Countries... Imagine no Possession... Nothing to Kill or Die For... And no Religion too... No Need for Greed or Hunger... A Brotherhood of Man... (Niestety, John, dziś żyjemy w innym świecie. Twoje idee, lepsze czy gorsze, zostały wypaczone). Mahatma Gandhi: Na początku cię ignorują. Potem śmieją się z ciebie. Następnie z tobą walczą. W końcu wygrywasz • Siedem grzechów społecznych: polityka bez zasad, bogactwo bez pracy, przyjemność bez sumienia, wiedza bez osobowości, wiara bez poświęcenia, nauka bez człowieczeństwa oraz handel bez moralności • Religie to różne drogi prowadzące do tego samego celu. Jakaż to jest różnica, którą z nich wybierzemy? Jaki cel więc mają te kłótnie między nami? • Słabi nigdy nie potrafią przebaczać. Przebaczenie jest cnotą silnych • Jakże wielkiej daniny grzechu i błędów wymaga od człowieka bogactwo i władza • Nie znam większego grzechu niż uciskanie słabszych w imieniu Boga • Jest wiele powodów, dla których mogę być przygotowany na śmierć, ale nie ma żadnego, dla którego gotów byłbym zabić. Albert Einstein: Nie ma rzeczywistości samej w sobie, są tylko obrazy widziane z różnych perspektyw • Gdy miałem dwadzieścia lat, myślałem tylko o kochaniu. Lecz później kochałem już tylko myśleć • Tylko dwie rzeczy są nieskończone: wszechświat i ludzka głupota. Co do tej pierwszej istnieją jednak pewne wątpliwości • Nauka bez religii jest kaleka, religia bez nauki jest ślepa • Jestem bardzo głęboko religijnym niewierzącym • Gospodarcza anarchia społeczeństwa kapitalistycznego w jego dzisiejszej formie jest, moim zdaniem, prawdziwym źródłem zła • Wszyscy wokół wiedzą, że czegoś nie da się zrobić. I wtedy pojawia taki, który o tym nie wie, i on właśnie to coś robi • Nie wiem, jaka broń będzie użyta w trzeciej wojnie światowej, ale czwarta będzie na maczugi.



SKOMENTUJ

Zaloguj się i napisz komentarz.

Ruch Lotniczy nad Ziemią 24H

Artykuły w Kategoriach:

Poznaj Chiny

Pogoda

Warszawa
2017-10-18, 05:30
Mgła
8°C
Odczuwalna: 9°C
Ciśnienie: 1020 mb
Wilgotność: 100%
Wiatr: 0 m/s S
Prognoza: 2017-10-18
dzień
Przelotne zachmurzenie
21°C
noc
Przelotne chmury
11°C
 

Teleskop Hubble'a