Dane oryginału:

Knowledge in a Nutshell: Quantum Physics

published in 2020 by Arcturus Publishing Limited 26/27 Bickels Yard,

151–153 Bermondsey Street, London SE1 3HA

ISBN: 978-1-78950-194-0

Copyright © Arcturus Holdings Limited

Tłumacz: WITKOM – Witold Sikorski

Projekt okładki: Lidia Michalak-Mirońska na podstawie oryginału

Wydawca: Karol Zawadzki

Koordynator ds. redakcji: Adam Kowalski

Redaktor: Aneta Tkaczyk

Produkcja: Mariola Grzywacka

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwa Naukowego PWN

Monika Lipiec /Woblink

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo.

Więcej na www.legalnakultura.pl

Polska Izba Książki

Copyright © by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

Warszawa 2021

ISBN 978-83-01-22152-2

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2021 r., (wyd. I)

Warszawa 2021

Wydawnictwo Naukowe PWN SA

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 69 54 321, faks 22 69 54 288

infolinia 801 33 33 88

e-mail: pwn@pwn.com.pl; reklama@pwn.pl

www.pwn.pl

Spis treści

Wprowadzenie

Rozdział 1. Nadejście fizyki atomowej

Rozdział 2. Kwantyzacja

Rozdział 3. Fale materii

Rozdział 4. Funkcje falowe i stany kwantowe

Rozdział 5. Pomiary kwantowe

Rozdział 6. Zastosowania mechaniki kwantowej

Rozdział 7. Spin kwantowy

Rozdział 8. Względna teoria kwantowa

Rozdział 9. Kwantowa teoria pola

Rozdział 10. Model standardowy

Rozdział 11. Supersymetria

Rozdział 12. Teoria strun

Rozdział 13. Grawitacja kwantowa

Rozdział 14. Dowody na grawitację kwantową

Rozdział 15. Pętlowa grawitacja kwantowa

Rozdział 16. Antymateria

Dalsze lektury

Glosariusz

Prawa do rysunków

Przypisy

Wprowadzenie

Fizyka kwantowa to prawdopodobnie jeden z najtrudniejszych i najbardziej paraliżujących umysł działów fizyki. Przez samych fizyków jest zwykle postrzegana jako jeden z najbardziej niezgłębionych przedmiotów badań naukowych świata fizycznego. Nawet Richard Feynman stwierdził: „Myślę, że można spokojnie założyć, że nikt nie rozumie fizyki kwantowej. Jeśli możecie, nie powtarzajcie sobie: «Ale jak to jest możliwe?», gdyż wpadniecie w ślepą uliczkę, z której jeszcze nikomu nie udało się wydostać. Nikt nie wie, jak to wszystko jest możliwe”.

W tej książce próbuję opisać najważniejsze kwestie niezbędne do lepszego zrozumienia materii i sił, rozpoczynając od szkoły atomistycznej ze starożytnej Grecji, a kończąc na najbardziej zaawansowanych najnowszych eksperymentach związanych z naturą materii. Ogromna liczba publikacji popularnonaukowych, które prezentują mechanikę kwantową, świadczy o niezmiennej fascynacji tą tematyką, jest więc w czym wybierać. To dobra wiadomość zwłaszcza dla nowicjuszy, którzy chcieliby otrzymać w migawkowym skrócie wykaz kluczowych problemów i odkryć na tym polu. Ponieważ fizyka kwantowa wciąż się rozwija, każdy rok przynosi coś nowego dzięki badaniom eksperymentalnym, dlatego tak ważne jest, aby podtrzymać zainteresowanie tą dziedziną i aktualizować wiedzę z jej zakresu. Nawet książki napisane pięć lat temu w pewnych kluczowych obszarach badań są już nieaktualne, zwłaszcza jeśli chodzi o teorię strun, grawitację kwantową i zagadnienia związane z pomiarami kwantowymi.

W przeciwieństwie do innych dziedzin nauki fizyka może być dokładnie wyrażona w kategoriach matematycznych. W swojej książce będę się starał unikać rozbudowanych równań matematycznych, a tych kilka, które zostaną zaprezentowane, można traktować jak dzieła sztuki w muzeum, podziwiane ze względu na ich formę, tak jak podziwia się obrazy bez zbytniego wchodzenia w ich treść i wykorzystaną technikę malarską. Natomiast kompromis polega na tym, że dane liczbowe mogą zostać w pewnych wypadkach obliczone, aby pokazać, „jak to się robi” i aby ustalić skalę opisywanego zjawiska.

Fizyka kwantowa jest najeżona terminologią, która często zniechęca niefizyków. Niestety nie jest możliwe pisanie o fizyce kwantowej bez wspominania o „funkcjach falowych”, „fermionach” i wielu innych pojęciach, takich jak „SU(3)”, które także się pojawiło w kontekście teorii wielkiej unifikacji i pomiarów kwantowych. Nie ma dobrego pomysłu na to, jak omawiać ważne pojęcia bez odnoszenia się do opisywanych przez nie konkretnych obiektów, więc czytelnicy powinni rozważać te pojęcia, gdy już się pojawią, jak nazwy własne, tak jakby to były imiona „Stefan” czy „Maria”, które nie wymagają dalszej definicji.

Cała kategoria fizyki kwantowej, miejscami szczegółowo opisana w tej książce, może zostać sprowadzona do krótkiej listy wniosków dotyczących świata fizycznego, które spróbuję podsumować na końcu każdego rozdziału. Każdy z tych wniosków jest sam w sobie wart głębszego zastanowienia i prowadzi do dramatycznego przekształcenia sposobu, w jaki musimy widzieć otaczający nas świat. Materia atomowa, z której zbudowany jest nasz Wszechświat, nie ma określonych właściwości aż do momentu jej obserwacji lub pomiaru i zmienia się natychmiast między opisem cząsteczkowym i falowym, w zależności od tego, jakie pytanie postawiono w doświadczeniu. To, co uważamy za „pustą przestrzeń” – próżnię, jest iluzją, tak jak i ze swej natury czas i przestrzeń. Wreszcie elementy Wszechświata zachowują się w pewnym sensie tak, jakby wymagały samego aktu obserwacji, aby powołać je do istnienia. Ostatecznie zaś nieokreśloność opisu kwantowego świata atomowego nie jest efektem niepełnej informacji, który dałoby się zniwelować za pomocą nowej, szerszej teorii świata. Dopiero po stu latach analiz i eksperymentów jesteśmy nieco dalej w rozumieniu, dlaczego świat jest zbudowany tak, jak jest. Niemniej to, czego się dowiedzieliśmy do roku 2019, z pewnością przygotowuje scenę dla całkowicie nowych analiz w nadchodzących latach.

Rozdział 1.
Nadejście fizyki atomowej

Idea, że wszystko wokół nas, jak skały, powietrze i woda, jest zrobione z innych, bardziej podstawowych składników niż to, co jest dla nas widoczne w świecie fizycznym, była rozważana od dawna. Od nastania słowa pisanego – opracowanego przez Sumerów pisma klinowego, egipskich hieroglifów czy nawet starożytnych chińskich piktogramów – nie ma wielu wskazówek, że nasi dawni przodkowie traktowali tego rodzaju koncepcje jako godne uwagi. Oczywiście ludzie we wszystkich czasach potrafili odróżnić od siebie różne substancje: od składników skał i pierwiastków takich jak złoto po oszałamiającą różnorodność materii biologicznej obecnej w drzewach, roślinach i zwierzętach. Ale idea, że poza tymi, które widzimy, jest więcej podstawowych substancji, była niewyobrażalna. Z tego, co mówi nam spisana historia, wynika, że wszystko to uległo zmianie podczas kilku ostatnich wieków przed naszą erą, gdy starożytni filozofowie indyjscy i dawni uczeni greccy przedstawili teorię „najmniejszych cząstek materii”. Indyjska idea przypisywana jest Acharyi Kanadzie, który żył między VI a II wiekiem p.n.e. w Prabhas Kshetra (blisko Dwaraki) w stanie Gujarat w Indiach. Wychodząc od ziaren ryżu, rozwinął on ideę najmniejszych cząstek materii, które później nazwał Parmanu. Potem Kanad założył szkołę filozofii Vaisheshika, w której wykładał swoje koncepcje o atomach i naturze wszechświata. Niemal identyczne idee dotyczące natury materii zostały opracowane, niezależnie lub dzięki naturalnemu przepływowi idei, przez starożytnych Greków.

Atomowy wszechświat

Teoria atomów (od greckiego słowa ἄτομος, atomos, które oznacza ‘niewidoczne’), zaproponowana w V wieku p.n.e. przez Demokryta i Leucypa, była przełomowym odejściem od dominujących dotąd w basenie Morza Śródziemnego i na Dalekim Wschodzie idei, wedle których materia stanowiła kontinuum charakteryzujące się garstką odrębnych właściwości.

Atomiści przedstawili innowacyjną teorię, że istnieje nieskończona liczba atomów różniących się kształtem, a kształty te określają cechy materii, którą tworzą. Na przykład atomy żelaza mają maleńkie haczyki, które łączą je ze sobą w temperaturze pokojowej, sprawiając, że żelazo jest mocne i twarde. Atomy były tak małe, że nie można ich było zobaczyć, i podobnie jak kulki w wypełnionym do połowy pudełku mogły zmieniać położenie, tworząc nowe substancje.

Demokryt i Leucyp rozwinęli ideę atomu w starożytnej Grecji

Oznaczało to, że poza atomami musi istnieć całkowicie pusta próżnia, gdyż inaczej atomy byłyby na wieczność ściśnięte ze sobą w ogromnej nieruchomej masie. Tylko próżnia uzasadniała więc sensowną koncepcję atomów i od tego czasu własności pustej przestrzeni i atomów były ściśle ze sobą związane. W 55 roku p.n.e. Lukrecjusz w następujący sposób opisał w swoim dziele O naturze wszechrzeczy kształty atomów:

Dlatego, wciąż powtarzam, jest w świecie nieodzowne,

Aby zarodki rzeczy nie były zbyt podobne;

Nie biorąc jednej formy z działania ludzkiej ręki,

Muszą mieć inne kształty, różnice, choć maleńkie.

Teraz już będzie łatwo wyjaśnić niewielu słowy,

Dlaczego przenikliwszy jest ogień piorunowy

Niźli nasz, zażgnięty na drzewa głowni smolnej.

Możesz tedy powiedzieć: ten w ruchu bardziej zdolny,

Bo składa się z drobniejszych ziarenek żaru, zatem

Łatwiej przejdzie przez szpary, przez ciała porowate,

Których nie zdoła przeciąć nasz ogień, zbyt leniwy […]

Składa się z ostro zgiętych, haczykowatych ciałek,

I stąd przemocą, brutalnie przez zmysły się przedostaje[1].

W międzyczasie, kilka lat po tym, jak atomiści przedstawili swoją nową szkołę myślenia na Zachodzie, Arystoteles (384–322 p.n.e.) opowiedział się za istnieniem jedynie pięciu esencji: Ziemi, Powietrza, Ognia, Wody i Eteru. W istocie uznał on, że idea atomistów o pustej próżni jest odrażająca i jako jeden z najbardziej wpływowych filozofów tamtych czasów zdołał wzbudzić wiele krytyki pod adresem szkoły atomistów. Dość szybko teoria atomów została przyćmiona przez teorię materii. Niemniej do II wieku naszej ery alchemicy, metalurdzy i jubilerzy znali wiele podstawowych związków należących do Arystotelesowskiego żywiołu Ziemi i wiedzieli, że niektóre z nich, jak złoto, nie mieszały się z innymi związkami, przez co okazywały się bardziej podstawowymi formami niż inne formy na Ziemi. Zarysowały się silne podziały między tym, co mówili teoretycy ze szkoły Arystotelesa, a tym, co było znane dzięki eksperymentom alchemików. Wraz z nadejściem XIV wieku ponownie zainteresowano się szkołą myślenia atomistów, ale ponieważ atomizm był kojarzony z filozofią epikurejską, która była sprzeczna z ortodoksyjnym nauczaniem chrześcijańskim, wiara w atomy wydawała się nie do zaakceptowania.

Minęło znowu bardzo dużo czasu, zanim chemik Robert Boyle (1627–1691) oraz sir Isaac Newton (1642–1727) obronili koncepcję atomizmu. Tak więc ponownie w środowisku naukowym idea struktury materii została podjęta niemal 2000 lat od jej powstania. W swoim dziele Philosophiae Naturae Principia Mathematica Newton twierdził, że „najmniejsze cząstki wszystkich ciał – są rozciągłe, i twarde, i nieprzenikliwe, i podległe ruchowi, i obdarzone bezwładnością”[2]. Newton postulował też, że atomy

Cztery żywioły Arystotelesa – ziemia, powietrze, ogień i woda – dzierżyły władzę jako podstawowe elementy materii aż do XIV wieku

wpływają na siebie nawzajem za sprawą sił niegrawitacyjnych. Jego atomy jednak nie miały raczej żadnych charakterystycznych cech, nie uwzględnił też żadnych chemicznych cech atomów, i dopiero różnice w ich gęstości miały tłumaczyć, dlaczego woda jest lżejsza od skały. Podczas gdy poczyniono ogromne postępy w badaniach nad

Antoine Lavoisier odkrył właściwości chemiczne tlenu

ruchem ciał pod wpływem grawitacji, nasze podstawowe rozumienie natury materii pozostawało niezwykle prymitywne. Impulsem do rozwoju modelu atomowego stał się fakt, że chemicy zaczęli głębiej analizować, jak atomy i molekuły łączyły się i przekształcały w różnorodnych reakcjach, które mogli obserwować w laboratoriach.

Chemia analityczna i cechy atomów

Alchemia i to, co dziś nazywamy chemią, dały początek pierwszym prymitywnym formom przemysłu w świecie wschodnim i zachodnim, gdy ludzie próbowali syntetyzować złoto z podstawowych składników. Znalezienie odpowiedniej mieszanki i odkrycie procesów niezbędnych do otrzymania złota na dnie swojego tygla wymagało ogromnej ilości czasu i uważnych notatek, co zostało wypróbowane i co się nie powiodło. Po drodze w efekcie tych alchemicznych syntez dość regularnie zaczęły się pojawiać pewne związki i substancje. Niektórzy alchemicy ignorowali te wyniki i kontynuowali gorączkowe poszukiwania różnych eliksirów wydłużających życie oraz złota, inni zaś byli coraz bardziej zaintrygowani tym, jak niektóre połączenia prowadziły do określonych wyników. W 1777 roku Carl Scheele (1742–1786) jako pierwszy odkrył, że zwykłe powietrze opisane przez Arystotelesa było mieszaniną substancji złożoną z powietrza nieczystego (azotu) i powietrza ognistego (tlenu). Bez wątpienia nieczyste powietrze zawierało śladowe zanieczyszczenia siarczanem azotu, co dawało zapach zepsutych jajek. W międzyczasie angielskiemu chemikowi Josephowi Priestleyowi (1733–1804) udało się w warunkach laboratoryjnych wytworzyć różne gazy. Jeden z nich nazywał „deflogistycznym powietrzem”, które dziś znamy jako tlen.

Lista pierwiastków Lavoisiera z 1789 roku

We Francji Antoine Laurent Lavoisier (1743–1794) ogłosił w 1783 roku, że spalanie jest procesem chemicznym będącym kombinacją odkrytego właśnie przez Priestleya tlenu z palną substancją. W następstwie badań Lavoisiera Ziemia, Powietrze, Ogień, Woda i Eter przestały być uważane za podstawowe elementy przyrody i zrozumiano, że mogą być one zbudowane z bardziej podstawowych substancji. Traité élémentaire de chimie[3] Lavoisiera, opublikowane w 1789 roku, na kilka lat przed jego zgilotynowaniem w szczycie Wielkiej Rewolucji Francuskiej, jest uważane za pierwszy nowoczesny podręcznik chemii, który zawierał pierwszą systematyczną listę 33 podstawowych substancji, jakie były w tym czasie znane.

Do końca XVIII wieku weszliśmy więc w okres, w którym atomy były rozważane ze względu na ich faktyczną użyteczność przy klasyfikacji podstawowych substancji, choć nadal nie dysponowano szczegółową wiedzą o tym, czym one były same w sobie. Angielski chemik John Dalton (1766–1844) jest uznawany za tego, który zaproponował atomową teorię pierwiastków i ich reakcji chemicznych. Jego podstawowe idee brzmiały:

1. Pierwiastki składają się z niezwykle małych cząstek zwanych atomami.

2. Atomy danego pierwiastka mają identyczną wielkość, masę i inne cechy, a atomy różnych pierwiastków różnią się wielkością, masą i innymi cechami.

3. Atomów nie można podzielić, stworzyć ani zniszczyć.

4. Atomy różnych pierwiastków łączą się ze sobą w prostych, całkowitych proporcjach, tworząc związki chemiczne.

5. W reakcjach chemicznych atomy są łączone, rozdzielane i przestawiane.

Dalton mógł się zainspirować teoriami irlandzkiego chemika Bryana Higginsa (1741–1818), który jako jeden z pierwszych chemików badał wewnętrzną strukturę atomów. Przedstawił błyskotliwy pomysł, że atom składa się z ciężkiej centralnej cząstki otoczonej przez atmosferę z materiału nazwanego cieplikiem, który był w tym czasie hipotetyczną substancją ciepła – wielkość atomu była określona przez atmosferę cieplika. Teoria atomu Daltona była podobna, ale skupiała się bardziej na jego szczegółowych pomiarach reakcji chemicznych, z których wydedukował prawo stosunków wielokrotnych: jeśli dwa pierwiastki tworzą ze sobą więcej niż jeden związek, to stosunek mas drugiego pierwiastka, który łączy się z ustaloną masą pierwszego pierwiastka, jest stosunkiem małych liczb całkowitych. To z kolei doprowadziło go do idei, że prawo to można łatwo wytłumaczyć jako interakcje atomów o określonej charakterystycznej wadze. Na tym poziomie chemia nie odnosiła się do nowoczesnych idei elektronów i ich interakcji, lecz dotyczyła po prostu związków między różnymi masami podstawowych atomów. Jednakże koncepcja Higginsa prowadziła w końcu do idei, że to nie ciężkie jądro wchodzi w zależności chemiczne, ale inny, okołojądrowy aspekt atomu – przedstawiony niemal sto lat później jako chmura elektronów. Znamy teorię atomową Daltona, gdyż została ona opublikowana. Teoria Higginsa zaś nigdy nie została szerzej rozpowszechniona, przede wszystkim z powodu jego pogarszającego się od 1803 roku stanu umysłowego.

John Dalton opracował pierwszy wewnętrzny model atomów pierwiastków

Atomy i molekuły pokazane w książce Daltona A New System of Chemical Philosophy wydanej w 1808 roku

Pod koniec lat sześćdziesiątych XIX wieku Dmitrij Mendelejew (1834–1907) i Julius Meyer (1830–1895) opracowali schemat klasyfikacji znanych pierwiastków. Według tabel Lavoisiera i Daltona na przełomie XVIII i XIX wieku dodano do układu ponad 37 nowych pierwiastków, co zwiększyło ogólną liczbę pierwiastków znanych w czasach Mendelejewa do 58. Tablica Mendelejewa-Meyera została podzielona na 9 kolumn (nazwanych grupami) i 16 wierszy (nazwanych okresami) w taki sposób, że grupy reprezentowały pierwiastki o podobnych właściwościach chemicznych, a wiersze zawierały coraz cięższe pierwiastki o tych samych właściwościach chemicznych. Ten schemat pozwolił Mendelejewowi przewidzieć istnienie trzech nowych pierwiastków, które nazwał eka-borem, eka-aluminium i eka-krzemem. Zostały one potem odkryte, uzyskując nazwy skand, gal i german.

Ta tablica okresowa pierwiastków została zmodyfikowana przez lorda Rayleigha (1842–1919) i sir Williama Ramsaya (1852–1916), którzy dołączyli oddzielną kolumnę dla gazów obojętnych: helu, neonu, argonu, kryptonu i ksenonu. Niemniej nawet pod koniec XIX wieku grupowanie pierwiastków i ich systematyczne właściwości nadal były postrzegane jako znane, ale kłopotliwe cechy ich wewnętrznej gęstości i masy. Wśród części społeczności fizyków sama idea atomów materii wciąż nie była jeszcze ugruntowana. Na przykład Ernst Mach (1838–1916) uważał, że atomy były tylko konstrukcją teoretyczną. Z drugiej strony Ludwig Boltzmann (1844–1906) był jednym z twórców kinetycznej teorii gazu i termodynamiki opartych na atomach i uważał je za prawdziwe.

Tablica okresowa Mendelejewa. Osiem grup reprezentuje pierwiastki o tych samych reakcjach chemicznych, natomiast dwanaście okresów reprezentuje pierwiastki o coraz mniejszej średnicy atomu i rosnącej energii jonizacji wzdłuż każdego wiersza

Elektron

Podczas gdy chemicy odnosili niezwykłe sukcesy, w sposób systematyczny klasyfikując pierwiastki, nie było wskazówek dotyczących struktury tych różnych podstawowych atomów, które pozwoliłyby je zorganizować matematycznie według masy atomowej i podobieństw chemicznych. Równoległą ścieżką, choć w znacznym stopniu niezależną, szły odkrycia cząstek „subatomowych”. Pierwszą z nich był elektron.

Elektryczność statyczna była znana od czasów starożytnych Greków, ale dopiero w XVIII wieku badacze tacy jak francuski fizyk Charles du Fay (1698–1739) i amerykański wszechstronny uczony Benjamin Franklin (1706–1790) stwierdzili, że pojedynczy strumień elektryczny naładowanych cząstek jest odpowiedzialny za większość zdarzeń elektrycznych, w tym za błyskawice. Dopiero w 1874 roku irlandzki fizyk George Johnstone Stoney (1826–1911) zasugerował, że istnieje pojedyncza zdefiniowana jednostka elektryczności. Udało mu się oszacować jej wartość i nadał jej nazwę jonu elektrycznego. W artykule Of the “Electron” or Atom of Electricity opublikowanym w 1894 roku w „Philosophical Magazine” pisał zaś: „dokonano oszacowania rzeczywistej ilości tej najbardziej niezwykłej jednostki elektryczności, dla której pozwoliłem sobie zasugerować nazwę elektron”[4]. Uważał on wszakże, że nie można go nigdy znaleźć poza atomem, i trzymał się tego poglądu.

Prosta rura promieni katodowych użyta przez Hittorfa do odkrycia wolnych elektronów

Odkrycie w 1869 roku przez J.W. Hittorfa (1824–1914) promieni katodowych pokazało, że atomy mogą emitować ujemnie naładowane cząstki zachowujące się jak prąd elektryczny. Wewnętrzna struktura atomów musiała więc obejmować elektrony. Te i inne eksperymenty szybko doprowadziły do powstania modelu atomu, który ostatecznie zapewnił ramy dla zrozumienia regularności w okresowej tabeli pierwiastków, a także umożliwił szereg nowych osiągnięć w rozwijającej się nauce spektroskopii.

Model atomu jako „ciasta z rodzynkami” zaproponowany przez J.J. Thomsona

Model ciasta z rodzynkami

Model ten został po raz pierwszy zaproponowany w 1904 roku przez sir Josepha Johna Thomsona (1856–1940), który uważał, że atomy zawierają jednolitą mieszaninę dodatnich i ujemnych „ciał”. George FitzGerald (1851–1901) zasugerował w 1900 roku, że atom całą swoją masę zawdzięczał dużej liczbie elektronów. Na przykład atom wodoru zawierał 500 elektronów, a tlenu 8000.

Atom Rutherforda

Eksperymenty Henriego Becquerela (1852–1908) ze związkiem zwanym siarczanem potasu uranylu (K_2O_10S_2U) pokazały, że pierwiastek uran emituje w tym związku cząstki. Ernest Rutherford (1871–1937) kontynuował te badania i odkrył, że niektóre aktywne pierwiastki emitują cząstki określone jako alfa, beta i gamma. Cząstki alfa zostały potem zidentyfikowane jako jądra atomu helu, cząstki beta – jako elektrony, a cząstki gamma stanowiły postać światła o wysokiej energii.

Rutherford wpadł na genialny pomysł zbadania struktury atomów. Wykorzystywał cząstki alfa jak pociski i pozwolił im przechodzić przez cienki ekran ze złotej folii. Jeśli atomy byłyby jednolitymi kulami o zmieszanych ładunkach, cząstki alfa przechodziłyby przez ekran nienaruszone. Ale zaobserwował, że niektóre cząstki alfa były odbijane lub rozpraszane przez folię pod bardzo dużym kątem w stosunku do ich początkowej ścieżki. Eksperymenty Rutherforda pokazały, że w przeciwieństwie do jednolitej mieszanki dodatnich i ujemnych ciałek Thomsona atom miał ciężkie, ścisłe jądro otoczone przez chmurę elektronów. W 1911 roku jego model atomu wreszcie ukazał się w druku. Dodatni ładunek jądra został w końcu zidentyfikowany przez Rutherforda jako proton, a w 1931 roku została odkryta przez Irène Joliot-Curie (1897–1956) i Jamesa Chadwicka (1891–1974) towarzysząca mu ciężka jądrowa cząstka, nazwana neutronem.

Eksperyment rozpraszania Rutherforda pokazał jądro atomu

Pierwszy atom Rutherforda pokazujący gęste jądro atomu otoczone przez elektrony

Ten proces, w którym atomy emitowały inną postać materii, został nazwany radioaktywnością i zapowiadał upadek ostatnich rozpoznawalnych elementów starożytnej szkoły atomistów. Po ponad 2000 lat uczeni przezwyciężyli myślenie filozofów greckich i indyjskich i znaleźli drogę do pełnego zrozumienia składu materii: atomy były w istocie prawdziwymi cechami fizycznego świata, ale nie były wieczne. Okazało się to jedynie początkiem większej historii, która została rozwinięta w pierwszych dekadach XX wieku. Teraz próbowano zrozumieć, czym są te cząstki subatomowe, a jako pierwsze największą uwagę badaczy przykuły właśnie elektrony.

Struktura atomowa ujawniona przez spektroskopię

Odkrycie, że atomy mają wewnętrzne składniki, było wynikiem rozwoju nowej techniki analizowania światła, której pionierem był sam Newton: spektroskopii. Na początku XIX wieku William Wollaston (1766–1828) oraz w roku 1814 Joseph von Fraunhofer (1787–1826) niezależnie od siebie poprawili technikę pryzmatów Newtona do tworzenia widma światła słonecznego i odkryli ciemne prążki na tle tęczy kolorów widma Słońca – Wollaston w 1802 i Fraunhofer w 1814, wynajdując

Fraunhofer pokazuje swój nowy dyfrakcyjny spektroskop

spektroskop. Wprawdzie Wollaston nie uważał garstki linii widmowych, które zaobserwował, za znaczące naukowo, ale Fraunhofer od razu rozpoznał ich unikatową charakterystykę i ostatecznie skatalogował 574 ciemne linie.

Fraunhofer był mistrzem optyki, a na jego przyrządy było duże zapotrzebowanie ze względu na ich wydajność optyczną. Jednakże wcześnie zdał on sobie sprawę, że podstawowe działanie na samym słonecznym „białym świetle” będzie prowadzić do niedokładności w strukturze optycznej. Kontynuował więc badania, tworząc światło w jednym kolorze przez rozproszenie pryzmatyczne widma optycznego i wykorzystując monochromatyczne, przefiltrowane światło do testowania swoich projektów optycznych. Zamiast korzystać z nakłucia na ekranie jako ze źródła światła słonecznego, jak to robił Newton, posługiwał się szczeliną, która była brakującym elementem potrzebnym do zobrazowania pojedynczych ciemnych linii. Szybko rozwinął tę metodę, eliminując pryzmat i wykorzystując siatkę dyfrakcyjną, aby rozproszyć światło na różne długości fali. Pomimo odkrycia tych linii Fraunhofer w rzeczywistości nie rozumiał, skąd się one biorą, ani to go nie martwiło. To zagadnienie zyskało zainteresowanie innych badaczy dopiero 30 lat po jego śmierci.

Joseph von Fraunhofer

Osierocony w wieku 11 lat Joseph von Fraunhofer (1787–1826) pracował jako uczeń w szklarni do czasu, gdy się spaliła. Zyskał dwóch hojnych darczyńców, którzy zachęcili go do kontynuowania studiów, i osiągnął znaczną biegłość w wytwarzaniu wysokiej jakości przyrządów optycznych. W wieku 32 lat został dyrektorem Optical Institute w Benediktbeuern i w pojedynkę sprawił, że Bawaria stała się centrum projektowania i wytwarzania bardzo precyzyjnych przyrządów optycznych. Zmarł w wieku 39 lat z powodu wdychania oparów metali ciężkich, co było w tamtych czasach powszechną przyczyną śmierci szklarzy.

W 1859 roku Gustav Kirchhoff (1824–1887) i Robert Bunsen (1811–1899) byli w stanie pokazać, że każdy pierwiastek ma swoją unikatową kombinację linii widmowych. Paląc określone pierwiastki w płomieniu świecy, uzyskiwali szablon linii, który pasował do linii słonecznych Fraunhofera, zwłaszcza linia D dla sodu. Kirchhoff eksperymentował ze źródłami światła, takimi jak łuki elektryczne, i odkrył, że nie tylko jasne linie w widmie sodu pojawiały się przy tej samej częstotliwości fali, tak jak niektóre ciemne linie tworzone przez Słońce, ale też że ciemne linie pochłaniały światło z odpowiadających im jasnych linii. Pozwoliło to na sformułowanie prawa Kirchhoffa, które mówiło, że emitowana i pochłaniana moc linii wszystkich pierwiastków była równa dla tej samej długości fali. To natychmiast otworzyło drogę do badań nad spektrum słonecznym w kategoriach dopasowania linii absorpcji Fraunhofera z liniami emisyjnymi tworzonymi przez pierwiastki istniejące na Ziemi.

W 1862 roku te techniki analizy spektralnej były intensywnie stosowane przez Williama Hugginsa (1824–1910) i jego sąsiada, chemika Williama Allena Millera (1817–1870) do analizy światła z planet, gwiazd i mgławic. Francuski filozof Auguste Comte wyraził w 1835 roku opinię, że nikt nigdy nie zdoła ustalić składu chemicznego odległych gwiazd, ale Huggins i Miller szybko udowodnili, że jest zgoła inaczej. Odkryli oni, że planety posiadały gazy podobne do ziemskich, ale z pewnymi znaczącymi różnicami. Przykładowo gwiazda Aldebaran miała wiele linii odpowiadających pierwiastkom takim jak wodór, sód, magnez i wapń, a Betelgeuse i Beta Pegasi w ogóle nie zawierały wodoru.

Intrygującą cechą widma z pierwiastków jest fakt, że linie widmowe często występują w ciągach. W 1871 roku George Stoney (1826–1911) zaproponował, że jeden okresowy ruch molekuły płonącego gazu może być źródłem całego ciągu linii w spektrum gazu. Ten pomysł – że jakieś prawo liczbowe leży u podstaw regularności linii w spektrum wodoru – był przez wiele lat akceptowany, ale nikt nie potrafił stworzyć wzoru lub wyjaśnić, jak to działa. Wreszcie w 1884 roku nauczyciel szkolny i amator numerolog Johann Balmer (1825–1898) metodą prób i błędów wyprowadził z powodzeniem następujący wzór:

R jest tu stałą o wartości eksperymentalnej 364,5, a m oraz n to liczby całkowite, natomiast każda para (m, n) jest powiązana z określoną linią widmową w atomie wodoru o długości fali λ. Na przykład przy m = 2 oraz n = 3 otrzymujemy λ = 656,1 nm, co jest bliskie długości fali tak zwanej linii Balmer-Alfa (Ba) o długości 656,5 nm. Jak zobaczymy w rozdziale 3, ten związek został potem uściślony przez Johannesa Rydberga (1854–1919), który określił stałą R w kategoriach innych stałych fizycznych na podstawie fizycznego modelu atomu. Zastosował ją następnie w nowym wzorze Rydberga-Balmera dla innych atomów o jednym elektronie.

Z odkrycia liczbowych, a zwłaszcza opartych na liczbach całkowitych, związków między liniami widmowymi wynikało, że atomy, poza swoimi właściwościami chemicznymi, miały jeszcze jedną cechę, która pozwalała im emitować tylko określone długości fali świetlnej. To, że wartości m oraz n są liczbami całkowitymi, sprawia, że linie atomu można znaleźć tylko dla określonych długości fal i żadnych innych. Rewolucyjna natura tego matematycznego podejścia jest trudna do przecenienia. Od czasów Galileusza i Newtona układy fizyczne mogły opisywać naturę w sensie ilościowym za pomocą takich wielkości jak masa (m), prędkość (v), przyspieszenie (a), które są ciągłe. Na przykład masa może mieć dowolną wartość i być reprezentowana przez ciągłą zmienną taką jak m, pod którą można podstawić dowolną wartość liczbową. To prowadziło w związanym z tym systemie do zachowania zmieniającego się w sposób płynny, bez nieciągłych przeskoków. Piłka tocząca się w dół po nachylonej pochylni czy planety krążące wokół Słońca nie poruszały się skokowo czy nierównomiernie, ale płynnie, i uzyskiwały lub traciły energię w podobny, płynny sposób. Gracz pierwszej ligi piłkarskiej mógł nadać energię 100 dżuli ważącej 0,4 kg piłce, ale mógł także nadać jej energię 101 dżuli lub nawet 100,00357, gdyż w świecie tego, co matematyka nazywa liczbami rzeczywistymi, możliwe są dowolne wartości. Odkrycie przez Balmera i Rydberga, że linie widmowe podlegały wzorowi związanemu z liczbami całkowitymi, a nie pełnej gamie liczb rzeczywistych, mogło jedynie oznaczać, że to, co zachodziło w atomach, wymagało innego niż newtonowskie wyjaśnienia, którego wówczas jeszcze nie było. W przeciwieństwie do układu newtonowskiego, w którym dla danego atomu powinny być możliwe dowolne długości fali, nie było nieograniczonej liczby sposobów, w jakie atom mógł emitować światło. Odpowiedzią na zależności Balmera-Rydberga musiały być dalsze badania nad tym, co w istocie zachodziło wewnątrz atomów Daltona, aby taka emisja była możliwa.

Linie atomowe z modeli Balmera-Rydberga. Seria Lymana dla n = 1, seria Balmera dla n = 2 itd.

Jedną z najwcześniejszych propozycji fizycznego wyjaśnienia zależności Balmera-Rydberga podał lord Kelvin (1824–1907), który opracował wirowy model atomu, gdzie wnętrze atomu zawierało wibrujące pierścienie. Pierścienie te były pętlami splątanego eteru, a liczba i geometria tych atomowych węzłów w eterze były przyczyną emisji linii i ich regularności.

Jednak w międzyczasie James Clerk Maxwell (1831–1879) w swoim traktacie z 1865 roku A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field opracował obowiązującą teorię światła. Wiązała się ona z naładowanymi cząstkami emitującymi ciągłe fale energii „elektromagnetycznej” obserwowanej w postaci światła, a potem z wykrytymi przez Heinricha Hertza (1857–1894) falami radiowymi – a w elektrodynamice Maxwella nie było niczego, co dawałoby przesłanki do dyskretnego mechanizmu emisji. Kombinacja spektroskopii z dyskretnymi liniami widmowymi z ciągłym elektromagnetyzmem Maxwella wnosiła sprzeczną perspektywę w podejściu do atomowej emisji światła, której nie dało się rozstrzygnąć za pomocą żadnej z tych dwóch teorii oddzielnie.

Splątane atomy lorda Kelvina to próba wyjaśnienia regularności linii atomowych na podstawie struktury atomowej przypominającej wartości całkowite

Punkty kluczowe

• Wczesne modele materii faworyzowały podstawowe ciągłe substancje zaproponowane przez Arystotelesa, takie jak powietrze, ziemia, ogień i woda.

• Atomizm powstał w Indiach i starożytnej Grecji i obejmował malutkie, niezniszczalne cząstki, które miały cechy substancji, której były częścią.

• Początek spektroskopii odświeżył zainteresowanie wewnętrzną strukturą atomów, dążąc do wyjaśnienia okresowych i wąskich linii widmowych, które służyły do identyfikacji atomów.

• Chemicy na początku XIX wieku odkryli dużą liczbę pierwiastków, które zostały usystematyzowane w układzie okresowym Mendelejewa i Meyera.

• W wyniku badań chemików i fizyków pojawiło się kilka modeli atomu, w tym jednolity model „ciasta z rodzynkami” (model Thomsona) z mieszanką dodatnich i ujemnych ładunków oraz model Rutherforda ze ścisłym centralnym jądrem otoczonym elektronami.

• Tworzenia przez atomy wąskich linii widmowych o pojedynczej częstotliwości nie dawało się zrozumieć w kategoriach znanych teorii tworzenia światła, które było procesem ciągłym, co sugerowało, że światło atomów powstawało w ramach pewnego procesu faworyzującego nowe – nieznane do końca XIX wieku – procesy fizyczne oparte na wartościach całkowitych.

Przypisy

[1] Lukrecjusz, O naturze wszechrzeczy, przeł. Edward Szymański, Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa 1957, s. 55.

[2] Tłum. za: Andrzej Łukasik, Atomizm – dziś. Problem aktualności programu badawczego filozofii atomizmu, [w:] Filozofia przyrody – dziś, red. W. Ługowski, I.K. Lisiejew, IFIS PAN, Warszawa 2011, s. 90.

[3] Traktat podstawowy chemii przedstawiony w nowym układzie i na podstawie nowoczesnych odkryć z ilustracjami / przez Lavoisiera, przeł. Roman Mierzecki, „Analecta” 2001, R. X, z. 1 (przyp. tłum.).

[4] Jeśli nie zaznaczono inaczej – wszystkie cytaty podano w tłumaczeniu własnym (przyp. tłum.).