Стивен Вайнберг - Пояснюючи світ

Великого успіху атомістична теорія матерії набула, коли Максвелл та Людвіґ Больцманн показали, що тепло можна розуміти як енергію, розподілену серед величезної кількості атомів або молекул. Цьому кроку до узагальнення чинили спротив деякі фізики, зокрема П’єр Дюгем, який сумнівався в існуванні атомів і наполягав на тому, що теорія тепла, термодинаміка так само фундаментальна, як ньютонівська механіка та максвеллівська електродинаміка. Але на початку XX століття кілька нових експериментів переконали майже всіх, що атоми реальні. Низка експериментів Дж. Дж. Томсона, Роберта Міллікена та інших показала, що електричні заряди виникають та зникають лише як величини, кратні базовому (елементарному) заряду, тобто заряду електрона – частинки, яку відкрив Томсон у 1897 році. У 1905 році Альберт Ейнштейн інтерпретував хаотичний броунівський рух дрібних частинок на поверхні рідин як наслідок впливу зіткнень цих частинок з окремими молекулами рідини, і ця інтерпретація була підтверджена експериментами Жана Перрена. У відповідь на експерименти Томсона та Перрена хімік Вільгельм Оствальд, який раніше був скептично налаштований щодо атомів, у 1908 році висловив свою змінену думку у твердженні, яке відображало пройдений наукою шлях із часів Демокріта та Левкіппа: «Тепер я переконаний, що нещодавно ми отримали експериментальні докази дискретної або зернистої природи матерії, які атомістична гіпотеза марно шукала сотні й тисячі років»4.

Але що ж таке атоми? Великий крок до відповіді на це запитання було зроблено в 1911 році, коли проведені в манчестерській лабораторії Ернеста Резерфорда експерименти показали, що вся маса атомів золота сконцентрована в маленькому важкому позитивно зарядженому ядрі, навколо якого обертаються легші негативно заряджені електрони. Ці електрони відповідають за явища звичайної хімії, тоді як зміни в ядрі вивільняють високі енергії, пов’язані з радіоактивністю.

У зв’язку з цим виникло нове запитання: що ж не дає електронам на орбітах атомів втрачати енергію через випромінювання радіації та спірально падати до ядра? Бо це не лише мало б заперечувати існування стабільних атомів; частоти радіації, випромінюваної під час таких маленьких атомних катастроф, створювали б безперервне середовище, що суперечить спостереженням, які свідчать, що атоми можуть випромінювати та поглинати радіацію лише на певних дискретних частотах, видимих як яскраві або темні лінії у спектрах газів. Що ж визначає ці особливі частоти?

Відповіді були отримані в перші три десятиліття XX століття з розвитком квантової механіки – найрадикальнішої інновації в теоретичній фізиці з часів роботи Ньютона. Як можна припустити з її назви, квантова механіка потребує квантування (тобто дискретизації) енергій різноманітних фізичних систем. У 1913 році Нільс Бор припустив, що атом може існувати лише у станах певних визначених енергій, і запропонував правила обчислення цих енергій у найпростіших атомах. Наслідуючи більш ранні роботи Макса Планка, Ейнштейн ще в 1905 році припустив, що енергію світла передають кванти – частинки, названі пізніше фотонами, причому енергія кожного фотона пропорційна частоті світла. Як пояснив Бор, коли атом втрачає енергію, випромінюючи один-єдиний фотон, енергія цього фотона має дорівнювати різниці енергій початкового та кінцевого станів атома – вимога, що фіксує його частоту. Завжди є якийсь атомний стан найнижчої енергії, який не може випромінювати радіацію, а тому стабільний.

Після цих перших кроків у 1920-х роках були вироблені загальні правила квантової механіки – правила, які можна застосувати до будь-якої фізичної системи. Це було досягненням переважно Луї де Бройля, Вернера Гейзенберґа, Вольфґанґа Паулі, Паскуаля Йордана, Ервіна Шредінґера, Пола Дірака та Макса Борна. Енергії дозволених атомних станів обчислюють, розв’язуючи одне рівняння (рівняння Шредінґера) загального математичного типу, уже знайомого з вивчення звукових та світлових хвиль. Струна на музичному інструменті може породжувати лише ті тони, для яких на струні можна розмістити ціле число половин довжини хвилі; аналогічно і Шредінґер виявив, що дозволені енергетичні рівні атома є тими, для яких хвиля, описувана його рівнянням, підходить лише для атома без порушень неперервності. Але як вперше усвідомив Борн, ці хвилі є не хвилями тиску або електромагнітних полів, а хвилями ймовірності – частинка, найімовірніше, буде поблизу точки, де функція хвилі найбільша.