Sprawa Oppenheimera (1942-1954)

Let me here remind you that the essence of dramatic tragedy is not unhappiness. It resides in the solemnity of the remorseless working of things. This inevitableness of destiny can only be illustrated in terms of human life by incidents which in fact involve unhappiness. For it is only by them that the futility of escape can be made evident in the drama. This remorseless inevitableness is what pervades scientific thought. The laws of physics are the decrees of fate.

„… istotą [greckiej] tragedii nie jest nieszczęście. Istotą jej jest powaga bezlitosnego działania rzeczy. W kategoriach życia ludzkiego nieuchronność przeznaczenia ilustrować mogą jedynie przypadki, które w rzeczywistości pociągają za sobą nieszczęście. Bowiem tylko w ten sposób można w dramacie ukazać daremność ucieczki. Myśl naukową przenika taka właśnie bezlitosna konieczność. Prawa fizyki to wyroki losu.” [A.N. Whitehead, przeł. M. Kozłowski, M. Pieńkowski]

Żyjemy w pożyczonym czasie. Wystarczy odrobina szaleństwa po którejś stronie Atlantyku i w ciągu paru godzin z Ameryki Północnej, Europy od Lizbony po Ural i jeszcze dalej zostaną radioaktywne zgliszcza. Pewnie ludzkość by to przetrwała jako gatunek biologiczny, może Chiny mogłyby wreszcie zapanować nad światem, jak marzy się Generalnemu Sekretarzowi Xi. Byłoby to jednak ponure zwieńczenie czterech wieków nauki nowożytnej: od Keplera i Galileusza do Feynmana, Weinberga, Salama, Glashowa, Grossa, Politzera, Wilczka i ‚t Hoofta. Zbudowanie i użycie bomby atomowej stało się symbolicznym początkiem ery nuklearnej, a także początkiem Stanów Zjednoczonych w roli supermocarstwa dominującego w światowej polityce. Jak do tej pory pierwotny zamysł, aby wyprodukować tę potworną broń szybciej, niż zrobią to naziści/komuniści, sprawdził się. Gdyby nie militarna dominacja Stanów Zjednoczonych, broni jądrowej użyto by już dawno na mniejszą albo raczej na większą skalę.

Znakomity film Christophera Nolana przypomniał dramat Roberta Oppenheimera, jednego z bohaterów amerykańskiej wyobraźni. Nie sądziłem, że można zrobić wysokobudżetowy film dla masowej widowni, upraszczając tak niewiele i wkładając tak wiele informacji historycznej i psychologicznej. (Wątek Einsteina brzmiał dość fałszywie: nikt by się nie zwracał do Einsteina w sprawie obliczeń Hansa Bethego dotyczących fizyki jądrowej, jeśli już to do Fermiego czy Szilarda; prawdziwe natomiast jest to, że Einstein niezbyt rozumiał, czemu Oppenheimer daje się upokarzać jakimś komisjom, jeśli nie musi. On sam nie wierzył w państwo jako instytucję, nie miał zbyt wielu złudzeń, choć uważał państwo amerykańskie za znacznie lepsze od swoich ojczystych Niemiec. Dlatego zresztą nawet nie myślał o powrocie do Niemiec po wojnie. Nb. ci agenci FBI grzebiący w śmieciach i podsłuchujący telefony to była rzeczywistość nie tylko Oppenheimera, ale i Einsteina, choć ten żadnych „tajemnic atomowych” nie znał ani nie chciał znać.)

Sprawa Oppenheimera była z pozoru intrygą biurokratyczną: wyznaczona arbitralnie komisja, działająca w sposób inkwizytorski, odmówiła uczonemu certyfikatu dostępu do tajemnic wojskowych i państwowych. W ten sposób jeden z największych patriotów amerykańskich odsunięty został od wpływu na decyzje w sprawach broni nuklearnej. W roku 1954 był to szok dla opinii publicznej, Oppenheimer znany był bowiem jako dyrektor programu budowy bomby atomowej w Los Alamos, jego sława przyćmiła nawet Einsteina. Zbombardowanie Hiroszimy i Nagasaki przyspieszyło kapitulację Japonii i koniec wojny, tak przynajmniej powszechnie wierzono. Oppenheimer stał się ikoną życia publicznego, twarzą amerykańskiej nauki, wierzono, że jest supergeniuszem. Nie był nawet szeregowym geniuszem, lecz umiejętnie kierował ludźmi od siebie znacznie wybitniejszymi, jak Isidor Rabi, Hans Bethe, Enrico Fermi, Richard Feynman, Rudolf Peierls, John von Neumann, Stanisław Ulam, a także Edward Teller – enfant terrible Programu Manhattan, obsesyjny zwolennik broni termojądrowej, chimeryczny i paranoiczny węgierski teoretyk niepasujący do żadnego zespołu ludzi, pełen jednak pomysłów, których ogromna większość była do niczego, ale kilka okazało się dobrych. W Projekcie Manhattan Teller był na uboczu, snując wizje broni termojądrowej.

Aż do roku 1951, do projektu Tellera-Ulama, bomba termojądrowa była tylko umykającym marzeniem Tellera bez realnej nadziei na sukces. Koła wojskowe naciskały, by realizować ten projekt nawet kosztem realnego programu budowy bomb rozszczepialnych. Nie chodziło tylko o podział wydatków, ale i decyzje, co produkować w reaktorach: więcej plutonu do bomb rozszczepialnych, czy trytu do superbomby Tellera. Decyzja polityczna podjęta została w roku 1949, gdy nie było żadnego realnie działającego pomysłu bomby termojądrowej. To, że gwiazdy potrafią syntetyzować wodór w hel, jest wskazówką niezbyt pomocną z technicznego punktu widzenia. Wiadomo było, że należy jakoś wykorzystać wybuch bomby rozszczepialnej, by stworzyć ekstremalnie wysoką temperaturę potrzebną do rozpoczęcia syntezy jąder. Jak jednak sprawić, żeby doszło do podtrzymującej się reakcji, zanim energia wybuchu rozproszy się w otoczeniu, nikt nie wiedział. Oppenheimer nie był entuzjastą superbomby z tego i z innych powodów. Zapowiadało się, że będzie to konstrukcja gigantyczna. Trzeba by ją wozić wołami na miejsce wybuchu, pierwsza amerykańska bomba Ivy Mike to było całe laboratorium z ciekłym deuterem wysadzone zdalnie w powietrze, nie było mowy o transportowaniu tego w całości w bezpieczny sposób nawet na okręcie. Istniała też wątpliwość strategiczna: czy wojsko może sensownie użyć bomby niszczącej nie tylko jedno miasto, ale i cały kilkudziesięciokilometrowy okręg wokół tego miasta. To jest niewątpliwie broń masowego ludobójstwa, żadne cele militarne tego nie usprawiedliwiają. Stanowisko Oppenheimera nie było zresztą pacyfistyczne, przeciwstawiał się on raczej entuzjastycznej postawie kół wojskowych, które sprowadzały rzecz do tego, kto będzie miał silniejsze bomby, nie wątpiąc ani na chwilę, że zawsze będą to Amerykanie. To się nie sprawdziło. Rosjanie mieli fizyków i zasoby, żeby zbudować sobie taką broń. Korzystali z informacji szpiegowskich, ale i bez nich historia wyglądałaby tak samo, dwa lata wcześniej, czy później nie miało tu żadnego znaczenia.

Oppenheimer miał przeciwników i wrogów. Teller doszukiwał się wpływów Oppenheimera w każdej decyzji, która była nie po jego myśli. Kompleks niższości wobec Oppenheimera żywił Lewis Strauss, sprzedawca butów, który dorobił się milionów na inwestycjach i po wojnie został admirałem, choć przesiedział ten okres w biurach zaopatrzenia (złośliwi nazywali go „admirałem holowników”). Strauss  pełnił różne funkcje w administracji waszyngtońskiej i szczerze znienawidził Oppenheimera za arogancję, co racjonalizował w podejrzeniach o szpiegostwo (składał też donosy, że Oppenheimer nie rozlicza się uczciwie z powierzonych funduszy). Rozpowiadał też, że Oppenheimer miał romans z Ruth Tolman, żoną znakomitego fizyka Richarda Tolmana z Caltechu i że sprawa ta przyspieszyła śmierć Richarda, co było paskudną plotką. Strauss nie dość, że nie skończył szkoły średniej i pieniądze miał w pierwszym pokoleniu, był bardzo religijnym Żydem i ktoś taki jak Oppenheimer: bogaty od urodzenia, właściciel van Goghów i Corotów, znający się nie tylko na kwestiach naukowych, ale i na sztuce, literaturze, w dodatku podobający się kobietom, będący w jego pojęciu niemoralnym ateistą, zdrajcą swej religii i tradycji, niemal na pewno był sowieckim szpiegiem. Gdzieś w ukryciu był J. Edgar Hoover, szef FBI, który śledził wszystkich, marzył, aby odebrać obywatelstwo amerykańskie Einsteinowi (za rzekomą działalność komunistyczną) i miał na oku na Oppenheimera jeszcze od lat czterdziestych. Gotów był zaakceptować i prowadzić każdy wątek w tym śledztwie: nawet podejrzenie, że uczony był homoseksualny (nie był; to Hoover był homoseksualistą, do czego zgodnie z ciągle żywą prawicową tradycją nigdy się nie przyznał).

Strauss jako przewodniczący Komisji Energii Atomowej (AEC) postanowił odebrać Oppenheimerowi poświadczenie bezpieczeństwa. Wygasało ono wprawdzie automatycznie w połowie roku 1954, chodziło jednak o to, by odebrać je wcześniej i upokorzyć uczonego. Oznaczało to także, że Oppenheimer nie będzie konsultantem nie tylko w AEC, ale i we wszystkich agencjach i komitetach rządowych. Skład trzyosobowej specjalnej komisji prowadzącej postępowanie (Personnel Security Board, PBS) w sprawie poświadczenia bezpieczeństwa wybrał Strauss, on także wybrał prawnika prowadzącego postępowanie, agresywnego specjalistę od przesłuchań Rogera Robba. FBI zapewniła podsłuchy codziennych konsultacji Oppenheimera i jego prawników, tak że Strauss na bieżąco kontrolował przebieg postępowania, znając rozmowy i nastroje strony przeciwnej. Przygotowywał też świadków, np. Edward Teller powtórzył tylko przed komisją to, co wcześniej uzgodnił ze Straussem. Obrona nie miała dostępu do tajnych materiałów, Robb mógł więc łapać Oppenheimera na nieścisłościach w jego wypowiedziach sprzed dwunastu lat podsłuchanych przez FBI. Uczonemu nie udostępniono tych taśm, musiał więc wierzyć na słowo, że mówił to, co mówił.

Oppenheimer miał polityczną przeszłość, która mobilizowała agentów do grzebania w poszukiwaniu podejrzanych kontaktów. W latach trzydziestych i na początku czterdziestych wśród jego znajomych, studentów, doktorantów, przyjaciół i kochanek pełno było komunistów. Członkiem partii komunistycznej był także jego młodszy brat Frank. Do dziś spekuluje się, czy Robert Oppenheimer był członkiem partii komunistycznej, czy nie. Jest to trochę talmudyczna dyskusja, rozstrzygnęłoby ją może dopiero znalezienie legitymacji członkowskiej Oppenheimera. Bez wątpienia sympatyzował z lewicą, ale w Kalifornii przed wojną nie musiało to oznaczać działania na rzecz państwa sowieckiego. Oppenheimer, podobnie jak Jean Tatlock, jego kochanka, córka profesora literatury w Berkeley, byli raczej kawiorową lewicą, ludźmi uprzywilejowanymi, którzy nie chcieli, aby te przywileje dostępne były jedynie wybrańcom losu. Kto nie był za młodu lewicowy, ten na starość staje się świnią. Nie było nigdy dowodów, aby Robert Oppenheimer był lojalny wobec jakiegokolwiek innego państwa poza swoim własnym. Czuł się stuprocentowym amerykańskim patriotą i pragnął pomóc własnemu krajowi, a także światu, wygrać wojnę światową. Rosjanie aż do końca wojny byli zresztą sojusznikami Zachodu – z tego powodu nie można było skazać Klausa Fuchsa na więcej niż czternaście lat, jego szpiegostwo nie dotyczyło bowiem kraju wrogiego.

W roku 1954 nie było żadnych informacji, które nie byłyby znane w roku 1947, kiedy to przedłużono Oppenheimerowi dostęp do tajemnic. Wcześniej oczywiście był projekt Manhattan, wtedy pomimo zastrzeżeń służb generał Leslie Groves zadecydował, że uczony ma otrzymać poświadczenie bezpieczeństwa, ponieważ jest zbyt ważny dla całego programu. Groves miał rację, bez Oppenheimera, który potrafił zmotywować swoim entuzjazmem i zaangażowaniem wszystkich pracujących nad projektem, od noblistów i przyszłych noblistów aż po sekretarki i kobiety zatrudnione do obliczeń na arytmometrach jako „human computers”, Projekt Manhattan nie powiódłby się w tak krótkim czasie. Pod koniec prac Oppenheimer ważył 52 kg przy wzroście 178 cm. Udało się jednak w ciągu dwóch lat zaprojektować i zbudować nie jeden, ale dwa rodzaje bomb rozszczepialnych: uranową i plutonową. Przy czym w przypadku tej drugiej trudności techniczne były ogromne i jeszcze pod koniec roku 1944 nie było pewności, czy się uda. Pluton jest bowiem najpierw ściskany energią implozji, co zapoczątkowuje reakcję łańcuchową. Jak na ironię, mechanizmami implozji zajmował się m.in. Klaus Fuchs, niemiecki fizyk, który dołączył do programu ze strony brytyjskiej. Był ważnym członkiem zespołu, zaraz po wojnie wraz z Johnem von Neumannem zgłosił tajny patent na zapłon reakcji termojądrowej za pomocą implozji materiału rozszczepialnego – był to już wstęp do prac nad bombą termojądrową. Fuchs uchodził za jednego z najzdolniejszych teoretyków w projekcie Manhattan. Nikt się nie domyślał, że ma jedną wadę: jest fanatycznym komunistą i przekaże informacje Sowietom. Oczywiście służby wytrwale szczekały nie pod tym drzewem. Identyfikacja Fuchsa okazała się możliwa dopiero po wojnie dzięki projektowi Venona, wytrwałej pracy nad rozszyfrowywaniem sowieckich depesz. Sukces ten był głównie dziełem kobiet zatrudnionych w tym żmudnym projekcie, a nie dzielnych agentów FBI podsłuchujących i śledzących podejrzane kontakty lewicowych uczonych.

Komisja drążyła głównie dwie kwestie: wątek Eltentona i niechętny stosunek do superbomby. Ten pierwszy problem stworzył sobie sam uczony, informując w połowie roku 1943 służby wojskowe, że niejaki George Eltenton, inżynier pracujący w Shell Oil, w imieniu Rosjan próbował szukać kontaktu z uczonymi związanymi z programem atomowym. Oppenheimer mówił o trzech takich próbach i nie chciał wymienić żadnych nazwisk. Służby, zarówno wojskowe, jak i FBI,  przez następne lata bezskutecznie próbowały ustalić, kto był tym pośrednikiem i do kogo się zwracano. Ostatecznie okazało się, że chodziło jeden taki przypadek, o rozmowę w kuchni między Oppenheimerem a Haakonem Chevalierem, profesorem romanistyki z Berkeley. Chevalier poinformował Oppenheimera, że Eltenton ofiarowywał się jako pośrednik w przekazaniu informacji o programie Rosjanom. Oppenheimer uciął rozmowę, uważając, że byłaby to zdrada. Nie wydarzyło się nic więcej. Wzmianka o trzech osobach była niepotrzebnym kłamstewkiem, mającym zapewne odwrócić uwagę od faktu, że chodziło o samego Oppenheimera. Epizod ten wydarzył się na początku roku 1943, kiedy było bardzo niewiele „tajemnic atomowych”, nie powstał jeszcze ośrodek w Los Alamos, nie zaczęła się na serio praca nad rozdzielaniem izotopów uranu, zaledwie miesiąc wcześniej zaczął działać eksperymentalny reaktor jądrowy w Chicago. Naiwność/głupota Oppenheimera sprawiła, że epizod z Chevalierem znalazł się w polu zainteresowania służb. Wracano do tego w trakcie projektu Manhattan, a także po wojnie. Sprawę tę rozdęto do ponadnaturalnych rozmiarów w roku 1954, uznając, że świadczy o niefrasobliwym podejściu do kwestii bezpieczeństwa. Innym argumentem było spotkanie z Jean Tatlock w roku 1943, które dla śledzących uczonego agentów było co najmniej podejrzane, Tatlock była bowiem komunistką i w spotkaniu tym upatrywano potencjalnego kontaktu z Rosjanami. W rzeczywistości w tym czasie Tatlock nie interesowała się polityką, była lekarzem-psychiatrą i cierpiała na depresję. Niedługo później popełniła samobójstwo i nie miało to nic wspólnego z polityką, lecz najprawdopodobniej z jej orientacją seksualną (nawet lekarze sądzili wówczas, że homo czy biseksualizm jest chorobą). Wyciągnięto ten epizod prawdopodobnie także dlatego, żeby w trakcie przesłuchań dowiedziała się o nim Kitty Oppenheimer, żona uczonego, może liczono na to, że rozgniewana tymi rewelacjami ujawni coś kompromitującego na temat męża. Oppenheimer rzeczywiście kręcił w sprawie Eltentona, choć trzeba też stwierdzić, że to przez jego skrupuły zaistniał cały ów problem. Gdyby Oppenheimer nie wspomniał o Eltentonie, służby nic by o tym epizodzie nie wiedziały. Uczony chciał zapewne chronić tożsamość Chevaliera, ale później, pod naciskiem wyjawił nazwisko Chevaliera Grovesowi, a w 1946 roku FBI. Chevalier stracił posadę w Kalifornii i po kilku latach życia na marginesie udało mu się wyjechać do Francji (miał także obywatelstwo francuskie).

Niechętny stosunek do superbomby dziś brzmi raczej jak głos rozsądku. W tamtym czasie wojsko chciało mieć wszystko atomowe: samoloty, statki, działa. Chciano zarazem silniejszych bomb, ale i słabszych, które mogłyby się przydać na froncie. Lotnictwo uważało, że Oppenheimer działa na rzecz marynarki, twierdząc, iż nie będzie samolotów z napędem nuklearnym. W ogóle armia amerykańska była cichym uczestnikiem tego postępowania przeciwko Oppenheimerowi, o czym film Nolana prawie nie wspomina. Warto też pamiętać, że Oppenheimer po wojnie i po Hiroszimie nie był jakimś nawiedzonym pacyfistą, który chciał z wujkiem Stalinem pod rękę zaprowadzić wieczny pokój. Zdawał sobie sprawę, jak wygląda reżim sowiecki, jego bliskim przyjacielem był George Kennan, architekt zimnej wojny. Starał się jednak szukać szansy na powstrzymanie wyścigu zbrojeń, może naiwnie, ale wojny nuklearnej powinniśmy się obawiać także i dziś (co  wcale nie znaczy, iż należy np. ustępować przed rosyjskim szantażem). Podejście uczonego do spraw broni nuklearnej było złożone, zmieniało się też z czasem i sytuacją. Ktoś napisał, że film „Oppenheimer” pokazuje, iż łatwiej być fizykiem niż politykiem. Cóż, i tak, i nie. Obie dziedziny niosą inny rodzaj trudności. Uczony wiedział, jak trudno być naprawdę twórczym fizykiem: znał Heisenberga, Pauliego, Bohra, Fermiego, Diraca i musiał czuć się przy nich chwilami jak Strauss przy Oppenheimerze. Był za inteligentny na to, żeby nie dostrzegać różnicy między kimś wszechstronnie uzdolnionym a geniuszem. Polityka jest sztuką zarządzania ludźmi i ich emocjami, co może wydawać się czasem trudniejsze niż powstrzymanie reakcji łańcuchowej w uranie. Z pewnością Oppenheimer nie był człowiekiem prostym i politycznie naiwnym, ale nie był też cynikiem i dlatego całe to dochodzenie w sprawie dostępu do tajemnic złamało go. Wynikiem postępowania nie było zresztą odebranie głosu fizykom, ale oddanie go Edwardowi Tellerowi, też fizykowi, tyle że dość paranoidalnemu. Oppenheimer wycofał się z życia publicznego, pilnował się, żeby nie wypowiadać się na żadne drażliwe tematy. Jego przeciwnicy sądzili, że może uciec do Związku Sowieckiego, choć jemu nawet Europa zachodnia wydawała się obcym światem, mimo tego, że znał języki, literaturę, miał przyjaciół.

Być może w naturze ludzkiej leży, by nie rezygnować ze zdobycia tego, co jest możliwe, nawet gdy czujemy, jakie to niebezpieczne. Oppenheimer miał daleko posunięte upodobanie do sytuacji granicznych i niebezpiecznych. Ludzie, którzy jeździli z nim po Nowym Meksyku konno, wspominali to często jako doświadczenie ekstremalne. Koń Oppenheimera nauczony był kłusować tak, aby zawsze tylko jednym kopytem dotykać ziemi, dzięki czemu i on, i jeździec radzili sobie w najtrudniejszym terenie, w nocy, podczas burzy. Być może ludzkość skazana jest na najgorsze, na rządy kolejnych wujków Stalinów i Putinów, paranoicznych miłośników tajnych służb i realpolitik, ale może jednak jest jeszcze jakaś nadzieja, że nie tylko złe prognozy muszą się spełniać.

 

 

Kopenhaga 1941: spotkanie Wernera Heisenberga z Nielsem Bohrem

Czy obłąkańcze ideologie zawsze są samoniszczące? I jakie są ich koszty społeczne? Gdzie kończy się patriotyzm, a zaczyna oportunizm i łajdactwo? Czy uczonym wolno zamykać się w wieży z kości słoniowej? Jacy naprawdę są ludzie, których znamy? Czy historia jest w ogóle możliwa inaczej niż jako rozmowa duchów na Polach Elizejskich?
Sztuka Michaela Frayna Copenhagen jest dialogiem trzech duchów: Wernera Heisenberga, Nielsa Bohra i jego żony Margharete. Chyba nie wystawiona nigdy w Polsce, odniosła wielki sukces w Londynie, Nowym Jorku i w innych miejscach świata.

Spotkanie owych trzech duchów poprzedzone było wieloma latami ziemskiej znajomości. Bohr pierwszy raz zetknął się z Heisenbergiem, gdy wygłaszał w Getyndze w czerwcu 1922 roku swe słynne wykłady, zwane potem Festiwalem Bohra. Dwudziestolatek o chłopięcym wyglądzie zwrócił publicznie uwagę na pomyłkę Bohra i tym go zaintrygował. Trzeba rozumieć kontekst: Niels Bohr był wtedy najbardziej znanym fizykiem atomowym, w listopadzie miano ogłosić, że otrzymuje Nagrodę Nobla. Tak się złożyło, że Bohr otrzymał ją jednocześnie z Albertem Einsteinem, który został laureatem za rok 1921. W grudniu 1922 Svante Arrhenius, przewodniczący Komitetu Noblowskiego z fizyki zaprezentował osiągnięcia obu uczonych: w ten sposób Einstein, najwybitniejszy fizyk pierwszej ćwierci wieku XX, został symbolicznie złączony z Bohrem, patronem intelektualnym nurtu, który za kilka lat miał przynieść mechanikę kwantową. Sytuacja niecodzienna nawet jak na uroczystości noblowskie (nie spotkali się jednak przy tej okazji, ponieważ Einstein był w Japonii). Teoria względności i mechanika kwantowa do dziś są dwoma najważniejszymi osiągnięciami ostatniego stulecia. Rok 1922 stanowił też początek powojennego przełamywania lodów w nauce: wizyta Bohra w Getyndze i Einsteina w Paryżu były pierwszymi zapowiedziami powrotu do międzynarodowej współpracy po latach pierwszej wojny światowej, o której dziś rzadko mówimy, bo niebawem wybuchła następna wojna, jeszcze bardziej brutalna i bezwzględna.

Heisenberg był asystentem Maksa Borna i okazał się najzdolniejszym spośród tamtych chłopaków, ich fizykę nazywano czasem Knabenphysik – fizyką chłopców. Rewolucje robią ludzie młodzi: zarówno Einstein, jak i twórcy mechaniki kwantowej, zaczynali jako dwudziestoparolatkowie, a po trzydziestce już raczej kontynuowali poprzednie osiągnięcia (czasem tak wielkie jak teoria grawitacji). Bohr zaczął wkrótce współpracować z Heisenbergiem, i to podczas stażu w Danii wiosną roku 1925 powstała pierwsza przełomowa praca z mechaniki kwantowej. Max Born, pełen wątpliwości, pisał do Einsteina: „Moi młodzi ludzie: [Werner] Heisenberg, [Pascual] Jordan, [Friedrich] Hund są znakomici. Muszę się czasem poważnie wysilić, aby nadążyć za ich rozważaniami. Wprost bajecznie opanowali tak zwaną zoologię termów [chodzi o termy atomowe, pojęcie z dziedziny spektroskopii, widma pierwiastków są skomplikowane, lecz ich szczegółowa znajomość okazała się kluczem do fizyki mikroświata]. Najnowsza praca Heisenberga, która się niebawem ukaże, wygląda bardzo mistycznie, ale jest prawdziwa i głęboka”. Praca Heisenberga była zupełnie samodzielna, miał on silną osobowość i umiał się przeciwstawić apodyktycznemu Bohrowi. Duński uczony był wprawdzie kimś w rodzaju duchowego ojca mechaniki kwantowej, ale jego wpływ na młodszych bywał szkodliwy: kilku naukowców miało za złe Bohrowi, że odwiódł ich od słusznych myśli, przez co przeszło im koło nosa jakieś odkrycie. Jednocześnie jednak Bohr troszczył się o wszystkich swoich pupilów i z nimi przyjaźnił, wspólnie pływali żaglówką, jeździli na nartach albo odbywali długie, nawet kilkudniowe spacery.

Gdy Hitler został kanclerzem Niemiec, Werner Heisenberg był już sławny. W grudniu tego roku otrzymał Nagrodę Nobla za rok 1932 razem ze swoimi dwoma konkurentami w tworzeniu mechaniki kwantowej: Erwinem Schrödingerem i Paulem Dirakiem, którzy podzieli się Nagrodą za rok 1933. Trzydziestodwuletni profesor był wielką nadzieją nauki niemieckiej, nie miał Żydów w rodzinie i czuł się gorącym patriotą, choć może z lekka brzydził go NSDAP-owski sztafaż. Orszak studentów z pochodniami przeszedł ulicami Lipska pod dom laureata. Heisenberg zdecydowany był nie wyjeżdżać z Niemiec, chciał też pracować dla ojczyzny, kultywując swoją dziedzinę, czyli fizykę teoretyczną. Okazało się to nieproste. W 1937 roku został publicznie zaatakowany w organie prasowym SS jako „biały Żyd”, tzn. ktoś, kto głosi idee fizyki żydowskiej wśród niemieckiej młodzieży. Porównano go nawet do Carla von Ossietzky’ego, działacza pokojowego i laureata pokojowej Nagrody Nobla, niebawem zamęczonego w Dachau. Do fizyki żydowskiej zaliczano oczywiście teorię względności, ale także mechanikę kwantową. W tym drugim przypadku kryterium było całkowicie polityczne (to ja decyduję, kto jest Żydem): akurat ani Heisenberg, ani Schrödinger, ani Dirac nie byli Żydami. Pół-Żydem był Niels Bohr, co wkrótce zaczęło mieć znaczenie. Przez następny rok Heisenberg starał się „oczyścić” z zarzutów, jego list dotarł do samego Heinricha Himmlera, który zarządził śledztwo. Badano w nim życie fizyka, sprawdzano m.in. czy aby nie jest homoseksualistą (ożenił się bowiem niedawno i dotąd miał raczej przyjaciół mężczyzn, choć homoseksualistą nie był) i dlaczego nie wykazywał entuzjazmu wobec nazistów. Przesłuchiwano go też w podziemiach SS w Berlinie naprzeciwko napisu: „Oddychaj głęboko i spokojnie”. W końcu dano mu spokój i uznano, że jest nieszkodliwym profesorem, trzymającym się swojej dziedziny i być może przydatnym reżimowi. Zaczęto go potrzebować szybciej, niż ktokolwiek sądził. Podjęto bowiem w Niemczech prace nad projektem uranowym, który miał prowadzić do zbudowania reaktora, a może także bomby nuklearnej. Najważniejszym uczonym pracującym nad tym projektem został w naturalny sposób Werner Heisenberg.

Niels Bohr między Elisabeth i Wernerem Heisenbergiem, z tyłu Victor Weisskopf (1937, pewnie przy okazji ślubu Heisenberga)

I właśnie jako szef prac nad uzyskaniem energii z uranu Heisenberg pojawił się w Kopenhadze. W zasadzie pracowano nad reaktorem, który mógłby wytwarzać w dalekiej przyszłości pluton. Ale możliwość bomby rysowała się nad horyzontem i, jak się zdaje, Heisenberg ciężko pracował, aby wykazać swoją przydatność dla ojczyzny. Nie przejawiał zbyt wiele inteligencji emocjonalnej: pojawił się w Kopenhadze jako przedstawiciel nauki niemieckiej, miał wygłosić wykład w Instytucie Kulturalnym Niemiec. Duńczycy, poddani okupacji (wprawdzie stosunkowo łagodnej) dużego sąsiada, niezbyt garnęli się do kontaktów z Niemcami, zwłaszcza że w praktyce chodziło o propagandę III Rzeszy. Na wykładzie nie pojawili się najważniejsi naukowcy duńscy. Heisenberg spotkał się natomiast z Bohrem prywatnie, odbyli też wspólny spacer, aby porozmawiać (obaj, słusznie, obawiali się podsłuchów). O swojej wizycie Heisenberg pisał do swej żony, Elisabeth:

Moja droga Li,
oto znowu jestem w tym tak dobrze mi znanym mieście, gdzie pozostała cząstka mego serca od tamtego czasu sprzed piętnastu lat. Kiedy usłyszałem znowu kuranty z wieży ratuszowej, zamknąłem okno mego hotelowego pokoju i coś ścisnęło mnie mocno w środku: wszystko było tak samo, jakby nic się na świecie nie zmieniło. To takie dziwne, napotkać własną przeszłość, to tak jakby spotkało się samego siebie. (…) Późnym wieczorem poszedłem pieszo pod jasnym rozgwieżdżonym niebem przez zaciemnione miasto do Bohra.
Bohr i jego rodzina mają się dobrze; on sam się trochę postarzał, jego synowie są już całkiem dorośli. Rozmowa szybko zeszła na ludzkie zmartwienia i nieszczęsne wypadki ostatnich czasów; w sprawach ludzkich konsensus jest oczywisty; w kwestiach politycznych stwierdziłem, że nawet tak wielki człowiek jak Bohr nie potrafi całkowicie rozdzielić myślenia, odczuwania oraz nienawiści. Ale może nie powinno się ich nigdy rozdzielać. (…)
Wczoraj znowu spędziłem cały wieczór z Bohrem; oprócz pani Bohr i dzieci była też młoda Angielka, która mieszka u nich, ponieważ nie może wrócić do Anglii. Trochę dziwnie jest rozmawiać teraz z Angielką. Podczas nieuniknionych rozmów politycznych, podczas których ja broniłem naturalnie i automatycznie naszego systemu, wyszła i pomyślałem, że w sumie to całkiem miłe z jej strony. – Dziś rano byłem na molo z [Carlem Friedrichem] Weizsäckerem, wiesz, tam przy porcie, gdzie znajduje się Langelinie. Teraz stoją tam na kotwicy niemieckie okręty wojenne, kutry torpedowe, krążowniki pomocnicze i tym podobne. Był pierwszy ciepły dzień, port i niebo ponad nim zabarwione bardzo jasnym lekkim błękitem. Dwa duże frachtowce odpłynęły w stronę Elsynoru; przypłynął węglowiec, prawdopodobnie z Niemiec, dwie łodzie żaglowe, pewnie takiej wielkości, jak ta, którą pływaliśmy dawniej wypływały z portu, pewnie na popołudniową wycieczkę. W pawilonie na Langelinie zjedliśmy obiad, wszędzie dokoła byli sami szczęśliwi i radośni ludzie, a przynajmniej takie robili na nas wrażenie. W ogóle ludzie tu wyglądają na szczęśliwych. Wieczorem na ulicach widzi się promieniejące szczęściem młode pary, idące na dancing, nie myślące o niczym innym. Trudno o coś bardziej odmiennego niż życie na ulicach tutaj i w Lipsku.
(…) Pierwszy oficjalny wykład jest mój, jutro wieczorem. Niestety, członkowie Instytutu Bohra nie przyjdą z powodów politycznych. Jeśli wziąć pod uwagę, że Duńczycy żyją bez jakichkolwiek restrykcji i żyją wyjątkowo dobrze, to zadziwiające jest, że wzbudzone tu zostało tak wiele nienawiści i strachu, iż nawet współpraca w dziedzinie kultury, kiedyś tak oczywista, teraz stała się prawie niemożliwa. (list z końca września 1941 roku)

Bohra doszły słuchy, jak Heisenberg opowiada, że okupacja Danii i Norwegii to przykra konieczność, w odróżnieniu od okupacji wschodniej Europy, która jest niezbędna, gdyż kraje te nie potrafią same się rządzić (było to przed Stalingradem). Z perspektywy Danii wyglądało to oczywiście inaczej, tym bardziej że należało się spodziewać dalszych kroków niemieckich władz okupacyjnych. Dotąd aresztowali oni komunistów, dwa lata później przyszła kolej na Żydów i Bohr sam musiał się ratować przeprawą przez Bałtyk (na szczęście znalazł się w niemieckiej ambasadzie przyzwoity człowiek, Georg Ferdinand Duckwitz, który uprzedził o zamiarach nazistów i praktycznie wszyscy Żydzi duńscy zostali w porę przetransportowani łodziami rybackimi do Szwecji). Heisenberg wspomniał Bohrowi, że pracuje nad energią z uranu i nawet spytał go, co należy zrobić z moralnego punktu widzenia. Nie chciał chyba jednak słuchać odpowiedzi. Elisabeth Heisenberg opowiadała, że mąż bardzo się bał, iż alianci zbudują broń nuklearną wcześniej niż Niemcy. Oczywiście reszta świata obawiała się czegoś dokładnie odwrotnego. Rozmowa zostawiła nieprzyjemny osad w pamięci Bohra. Ich dawna przyjaźń z Heisenbergiem nigdy już się nie odrodziła, choć po wojnie spotykali się czasem.

„Był tu Werner Heisenberg, fizyk teoretyczny z Niemiec, kiedyś wielki nazista. Z niego jest wielki uczony, lecz niezbyt przyjemny człowiek” – stwierdził Einstein w 1954 roku. Einstein najprawdopodobniej uważał za nazistów tych, którzy pracowali dla reżimu Hitlera bez względu na to, czy należeli do NSDAP albo innych organizacji nazistowskich.

Po wojnie uczeni niemieccy starali się przekuć swoje niepowodzenie w sukces moralny, lecz wydaje się, że po prostu (i na całe szczęście) zabrakło im wizji i możliwości technicznych.
David C. Cassidy wyliczył techniczne powody niepowodzenia ekipy Heisenberga:

• Nie obliczyli masy krytycznej uranu 235: nie sądzili, że wystarczą kilogramy, nie tony
• Nie umieli przeprowadzić separacji izotopów: metodę separacji gazów znał w Niemczech Gustav Hertz, ale jako nieczysty rasowo pracował w prywatnym laboratorium
• Moderator: ekipa Heisenberga nie wiedziała, że nadaje się do tego grafit, ale musi zostać oczyszczony z domieszek boru, co zauważył Leo Szilard, Żyd oczywiście i emigrant. Z kolei ciężka woda z Norwegii nie docierała dzięki sabotażowi.
• Reaktor Heisenberga składał się z płaskich płyt uranu w zbiorniku z ciężką wodą, co było wygodne do obliczeń teoretycznych, lecz marne jako rozwiązanie inżynierskie.
• Projekt wymagał połączonej wiedzy i znakomitej organizacji: amerykańskie zasoby i poziom techniki oraz europejscy uczeni, przeważnie Żydzi albo ofiary antysemityzmu: Bohr, Oppenheimer, Feynman, Bethe, Wigner, von Neumann, Fermi, Peierls, Compton, Ulam, praktycznie jest to słownik wielkich fizyków
• Przebieg wojny: po początkowych sukcesach zaczęły się niemieckie porażki i coraz trudniej było zmobilizować zasoby na projekt nierokujący natychmiastowych sukcesów

W sumie po stronie naukowo-inżynierskiej zemściła się na nazistach ich obłąkańcza ideologia antysemicka, rządy idiotów, którzy przez rok sprawdzali, czy Heisenberg się nadaje na profesora w ich Rzeszy.

Widmo wodoru i symetrie (1/2)

I. Od Balmera do Bohra

Naszym bohaterem jest zbiór linii widmowych wodoru i proste wyrażenie, które go opisuje. Widmo składa się z serii, z których najbardziej znana jest seria Balmera przypadająca na obszar widzialny i bliski nadfiolet.

 

Długości fali w angstremach ().

Jakob Balmer, znając długości czterech pierwszych linii, odgadł ukrytą w nich prawidłowość. Długości fal spełniają równanie

gdzie jest stałą. Okazało się, że seria linii jest nieskończona, jeszcze za życia Balmera jego wzór potwierdził się dla kilkunastu linii. Okazało się też, że istnieją inne serie widmowe. Wszystkie można opisać wzorem

gdzie , a stała zwana jest stałą Rydberga. Co ważne, wzór Balmera, w tej wersji zwany najczęściej wzorem Rydberga, w przypadku wodoru spełniony jest bardzo dokładnie, choć jeszcze pod koniec XIX wieku zaobserwowano, że linie widmowe wodoru są naprawdę dubletami: parami bardzo blisko położonych linii. Tą tzw. strukturą subtelną nie będziemy się tu zajmować. Wyjaśnia ją równanie Diraca, a więc uwzględnienie efektów relatywistycznych oraz spinu elektronu. Efekty relatywistyczne są jednak poprawkami do energii rzędu , gdzie jest stałą struktury subtelnej, a więc pięć rzędów wielkości mniejszymi.

Postać wzoru Rydberga łatwo zrozumieć jako zapis zasady zachowania energii, jeśli posłużymy się pojęciem fotonu, wprowadzonym przez Alberta Einsteina w 1905 r. (określenie foton jest dużo późniejsze). Cząstki światła mają energię

oznaczają odpowiednio stałą Plancka, prędkość światła i częstość fotonu. Zatem wzór Rydberga oznacza, że poziomy energetyczne elektronu w atomie wodoru dane są równaniem

Dlaczego taka, a nie inna wartość ? Dlaczego pojawia się tu kwadrat liczby naturalnej? Tak proste wyrażenie powinno mieć jakieś uzasadnienie. 

Niels Bohr pierwszy podał teoretyczne wyjaśnienie wartości stałej Rydberga w swoim planetarnym modelu atomu. Energie elektronu na dozwolonych orbitach są w nim równe

tutaj oznacza masę elektronu, to kwadrat ładunku elementarnego razy stała z prawa Coulomba, . Liczba naturalna jest u niego po prostu numerem orbity i konsekwencją postulatu kwantowego:

Słowami: moment pędu elektronu na orbicie o promieniu i prędkości jest wielokrotnością stałej Plancka. Postulat ten nie wynikał z głębszych rozważań, trzeba go było przyjąć, aby otrzymać prawidłowe wyniki. Można powiedzieć, że Bohr przesunął zgadywankę Balmera z numerologii na teren fizyki.

Ogromnym sukcesem było powiązanie stałej Rydberga z wielkościami elementarnymi: masą i ładunkiem elektronu, stałą Plancka i siłą oddziaływań elektrostatycznych. Zawsze kiedy uda się tego rodzaju sztuka, znaczy, że jesteśmy blisko jakieś bardziej fundamentalnej prawdy. Jednak model Bohra od początku był prowizoryczny. W myśl klasycznej elektrodynamiki elektron krążący po orbicie z pewną częstością powinien promieniować falę elektromagnetyczną o częstości . Tymczasem w jego modelu do emisji promieniowania dochodzi, gdy elektron przeskakuje między dwiema orbitami, z których każda charakteryzuje się jakąś częstością krążenia . Podobieństwo do fizyki klasycznej pojawia się dopiero, gdy weźmiemy dwie orbity o dużych numerach, wtedy

Niels Bohr bardzo niechętnie pogodził się z ideą fotonu. Rozumiał oczywiście, że eksperyment potwierdza proste równanie , tajemnicą był jednak mechanizm fizyczny, jaki za tym stał. Nie znał go ani Einstein, ani Bohr, foton wszedł do fizyki na dobre dopiero w roku 1925. Teorią, która poprawnie przewiduje wartości energii w atomie wodoru, jest mechanika kwantowa. A w pełni konsekwentny opis emisji fotonu daje dopiero kwantowa teoria pola, w której foton jest kwantem pola elektromagnetycznego.

II. Erwin Schrödinger, 1925

W połowie roku 1925 Werner Heisenberg wpadł na pomysł, aby wprowadzić do fizyki wielkości, których mnożenie jest nieprzemienne: operatory albo macierze. W krótkim czasie powstały trzy na pozór niezależne formalizmy do opisania fizyki kwantowej: macierze Heisenberga (oraz Maksa Borna i Pascuala Jordana, którzy wraz z Heisenbergiem rozwinęli tę ideę), funkcje falowe Erwina Schrödingera oraz abstrakcyjny formalizm Paula Diraca.

Krótkie omówienie formalizmu mechaniki kwantowej znajduje się na końcu wpisu.

Wersja Schrödingera najbardziej przypominała klasyczną fizykę drgań. Aby znaleźć dozwolone energie elektronu należy rozwiązać równanie 

gdzie jest odległością od jądra, a to laplasjan, czyli suma drugich pochodnych:

Wyraz z laplasjanem odpowiada energii kinetycznej, drugi wyraz po lewej stronie odpowiada energii potencjalnej. Szukamy takich funkcji , które wstawione po lewej stronie dadzą po prawej liczbę pomnożoną przez tę samą funkcję . Funkcja taka to funkcja własna, a energia jest wartością własną. Otrzymujemy w ten sposób stany niezależne od czasu, stacjonarne, i tylko takimi będziemy się zajmować.

Funkcje falowe powinny znikać w nieskończoności oraz nie mieć osobliwości. Warunki te prowadzą do skwantowanych poziomów energetycznych. Ponieważ problem jest sferycznie symetryczny (energia potencjalna zależy tylko od odległości elektronu od protonu ), więc można wprowadzić współrzędne sferyczne: odległość od początku układu , dopełnienie szerokości geograficznej do oznaczane oraz długość geograficzną oznaczaną .

Korzystamy z tożsamości

gdzie jest operatorem zależnym tylko od kątów, a nie od . Możemy zapisać równanie Schrödingera w postaci

Sama funkcja falowa nie musi być jednak sferycznie symetryczna i można ją zapisać w postaci iloczynu funkcji zależnych od promienia i od kątów:

Podstawiając tę funkcję do równania Schrödingera i dzieląc obustronnie przez możemy doprowadzić je do postaci:

Po lewej stronie mamy funkcje zależne od kątów, po skrajnej prawej zależne od odległości. Rozseparowaliśmy zmienne, oba wyrażenia muszą równać się wspólnej stałej . Mamy więc dwa prostsze równania:

Drugie z tych równań nie zawiera potencjału i jest stałym punktem programu dla wszystkich sytuacji z symetrią sferyczną. Rozwiązaniami są tzw. harmoniki sferyczne , gdzie , a dla każdej wartości mamy różnych wartości Dozwolone wartości własne równe są . Kształt przestrzenny tych funkcji każdy widział jako obrazki orbitali s,p,d itd. Funkcje te przydają się zawsze, gdy mamy do czynienia z rozkładem jakiejś wielkości na sferze, np. mapy promieniowania tła w kosmologii albo szczegóły ziemskiego pola grawitacyjnego z uwzględnieniem niesferyczności Ziemi itp (Wtedy oczywiście nie pojawia się w tych wzorach stała Plancka, ale to szczegół techniczny).

Spójrzmy raz jeszcze na pierwsze równanie (radialne), w którym wprowadzamy nową funkcję radialną: :

Jest to równanie Schrödingera jednowymiarowe. mamy teraz jeden wymiar: radialny, ale bardziej skomplikowany potencjał: do energii elektrostatycznej doszedł dodatni człon z . Jego znaczenie fizyczne dość łatwo zidentyfikować przez analogię do mechaniki klasycznej. W ruchu w polu kulombowskim możemy w każdej chwili rozłożyć wektor pędu elektronu na składową radialną i prostopadłą do niego składową styczną . Zgodnie z tw. Pitagorasa energia kinetyczna ma postać

w ostatniej równości skorzystaliśmy z faktu, że moment pędu elektronu . Gdybyśmy dla takiego radialnego problemu napisali równanie Schrödingera, byłoby to właśnie równanie, które uzyskaliśmy w wyniku separacji zmiennych. Zatem dozwolone kwantowe wartości kwadratu momentu pędu są równe Nie jest to, rzecz jasna, dowód, lecz wskazanie prawdopodobnej (i prawdziwej) interpretacji fizycznej naszego równania. Mamy więc efektywne potencjały zależne od nieujemnej całkowitej liczby kwantowej . Wyglądają one w przypadku atomu wodoru następująco:

Studnia potencjału tylko w przypadku jest nieskończenie głęboka, wraz z rosnącym staje się ona coraz płytsza. Nie będziemy rozwiązywać do końca tego równania radialnego. Okazuje się, że aby uzyskać funkcje znikające w nieskończoności i nie wybuchające w pobliżu , rozwiązania mają postać

gdzie jest tzw. główną liczbą kwantową, promieniem Bohra (promieniem pierwszej orbity w modelu Bohra), a jest wielomianem stopnia . Dozwolone wartości . Prawdopodobieństwa dane są kwadratami funkcji falowej. Np. dla stanu podstawowego wodoru wygląda to tak.

Pionowa linia wskazuje granicę obszaru dozwolonego klasycznie, tzn. takiego, że energia całkowita jest większa od energii potencjalnej (poza tym obszarem energia kinetyczna powinna być ujemna). Falowy charakter równania przejawia się w tym, że nic nie dzieje się nagle, funkcja zanika płynnie w pewnym obszarze. Fizycznie oznacza to możliwość przenikania barier potencjału, czyli efekt tunelowy, odpowiedzialny m.in. za świecenie gwiazd.

Energie stanów równe są dokładnie temu, co obliczył Bohr. Zależą one tylko od , a nie zależą od wartości , mimo że potencjał efektywny jest zupełnie inny przy różnych . Łącznie danej wartości odpowiada różnych rozwiązań. Bezpośrednie rozwiązanie równania Schrödingera nie bardzo pozwala zrozumieć, skąd się bierze aż taka rozmaitość. Te same energie powinniśmy otrzymywać dla jednakowego i różnych wartości , bo oznaczają one różne wartości rzutu momentu pędu na oś z. Zatem symetria obrotowa wyjaśnia tylko część degeneracji stanów w atomie wodoru. Jeśli weźmiemy pod uwagę potencjał inny niż kulombowski, to ta dodatkowa degeneracja zniknie: stany o różnych rozszczepią się energetycznie. Tak jest np. w atomie litu, gdzie elektron walencyjny porusza się w efektywnym polu jądra oraz dwóch pozostałych elektronów. Z daleka mamy więc tylko ładunek , tak jak w atomie wodoru, z bliska jednak potencjał jest inny, choć nadal sferycznie symetryczny.

Nawet po rozwiązaniu zagadnienia atomu wodoru za pomocą równania Schrödingera nadal niezbyt dobrze rozumiemy, dlaczego stany są zdegenerowane: , , itd. W przyszłości pokażemy, że stany związane atomu wodoru wykazują  dodatkową symetrię i że łącznie grupą symetrii jest tu grupa obrotów w przestrzeni czterowymiarowej. Dopiero ten fakt wyjaśnia głębiej wzór Balmera.

Poniżej przedstawiłem niektóre szczegóły matematyczne dla zainteresowanych.

Zasady mechaniki kwantowej w przypadku jednej cząstki

Stany cząstki

Stan elektronu w formalizmie Schrödingera opisujemy za pomocą pewnej funkcji (zespolonej) falowej . Rozmaite dopuszczalne funkcje można traktować jak wektory: dodawanie funkcji i mnożenie przez liczbę (zespoloną) daje inną dopuszczalną funkcję. Zbiorem funkcji może być np. zbiór funkcji znikających dostatecznie szybko w nieskończoności:

Określamy także operację iloczynu skalarnego dwóch funkcji:

Iloczyn wektora przez siebie jest kwadratem jego długości, czyli normy:

Definiując odległość dwóch wektorów jako otrzymujemy przestrzeń Hilberta (do definicji należy jeszcze dodać warunek zupełności: żeby ciągi zbieżne w normie nie wyprowadzały poza naszą przestrzeń).

Wielkości fizyczne

Wielkościom fizycznym odpowiadają operatory, czyli przekształcenia liniowe określone na przestrzeni funkcji. Liniowość oparatora oznacza, że dla dowolnych dwóch wektorów i dowolnych dwóch liczb zespolonych , mamy

Łatwo to sprawdzić w poszczególnych przypadkach, np. dla składowej x pędu otrzymamy: , bo pochodna sumy funkcji, to suma pochodnych itd. Operatory odpowiadające wielkościom fizycznym muszą być hermitowskie, tzn. dla dowolnych wektorów mamy

Warunek ten zapewnia, że mierzone wartości wielkości fizycznych są rzeczywiste, mimo że cały formalizm oparty jest na liczbach zespolonych.

Operatory można składać, czyli mnożyć, wykonując po prostu jedną operację po drugiej. Składając więc operator i następnie operator otrzymujemy , który działa następująco na wektor:

Jasne jest, że tak określone mnożenie operatorów na ogół jest nieprzemienne, tzn. wynik zależy od kolejności. W fizyce kwantowej szczególne znaczenie mają tzw. komutatory operatorów, zdefiniowane jako różnica między pomnożeniem ich w odmiennej kolejności:

Komutatory tej samej składowej współrzędnej i pędu nie komutują i muszą spełniać warunek odkryty przez Heisenberga:

ale . Komutują też między sobą operatory różnych składowych współrzędnej albo pędu. Z operatorów pędu i współrzędnych budować możemy operatory innych wielkości fizycznych, np. momentu pędu badź energii (hamiltonian). Wszystkie one muszą być hermitowskie. Szczególną rolę odgrywa hamiltonian , gdyż określa ewolucję czasową układu. Spełnione musi być w każdej chwili równanie Schrödingera

Gdy hamiltonian nie zależy od czasu, możemy szukać funkcji spełniających równanie 

tzw. równanie Schrödingera bez czasu. Wówczas 

jest rozwiązaniem ogólniejszego równania Schrödingera. Ewolucja w czasie polega wówczas tylko na zmianie fazy zespolonej, jest to stan kwantowy o ustalonej energii, stan stacjonarny.

Postulat interpretacyjny

Wartość oczekiwana wielkości fizycznej w stanie dana jest równaniem

Gdy używamy funkcji unormowanej z wyrażenia tego zostaje tylko licznik. Widzimy, że zawsze można funkcję falową pomnożyć przez dowolny niezerowy czynnik, nie zmieniając wyników doświadczenia. Jeśli interesuje nas pytanie, czy cząstka znajduje się w obszarze możemy za operator wziąć mnożenie przez funkcję charakterystyczną tego obszaru (równą 1 dla oraz 0 poza obszarem), wtedy prawdopodobieństwo znalezienia cząstki wenątrz dane jest

(Zakładamy unormowanie funkcji .)

Widać też szczególną rolę wektorów i stanów własnych. Jeśli spełnione jest równanie 

to mówimy, że funkcja jest wektorem własnym, a wartość wartością własną. Z postulatu interpretacyjnego wynika, że w wyniku pomiaru wielkości otrzymamy wartość . A więc w tym przypadku wielkość fizyczna przyjmuje ściśle określoną wartość, nie ma żadnego kwantowego rozmycia. Łatwo zauważyć, że tylko w takim przypadku możemy mówić o ściśle określonej wartości wielkości fizycznej. Tworząc operator widzimy, że

W sytuacji takiej nie ma żadnego rozrzutu wyników, otrzymujemy zawsze tylko i wyłącznie wartość .

Dwa fakty matematyczne

Gdy pewien stan jest jednocześnie stanem własnym dwóch operatorów oraz , to operatory te komutują na tym stanie:

Z kolei stany należące do różnych wartości własnych danego operatora są ortogonalne, tzn. gdy oraz to mamy

Szczegóły matematyczne problemu atomu wodoru

Laplasjan

Dla laplasjanu mamy tożsamość:

Najłatwiej sprawdzić to we współrzędnych kartezjańskich, licząc operator i wyrażając operator przez pochodne kartezjańskie:

gdzie korzystamy wielokrotnie z równości Podobnie możemy obliczyć kwadrat operatora po lewej stronie.

Moment pędu

Procedura przejścia do mechaniki kwantowej polega na zastąpieniu każdej zmiennej fizycznej odpowiednim operatorem. Każdą ze współrzędnych zastępujemy mnożeniem przez odpowiednią współrzędną. Działając na funkcję dają one nowe funkcję, . Podobnie operatory składowych pędu działając na funkcję, dają pochodne, itd. 

W przypadku atomu wodoru z punktowym protonem w początku układu dowolny obrót wokół początku układu nie powinien zmieniać fizyki. W fizyce klasycznej oznacza to, że moment pędu układu jest stały. Jest on zdefiniowany jako

w ostatnich trzech równaniach możemy cyklicznie przestawiać wskaźniki . Krócej zapisać można te związki w postaci:

gdzie zamiast piszemy , a symbol całkowicie antysymetryczny i zmienia znak przy każdym przestawieniu dwóch wskaźników oraz , gdy jakieś wskaźniki się powtarzają. Zakładamy sumowanie po każdej parze powtarzających się wskaźników.

W mechanice kwantowej operatory tworzymy dokładnie tak samo, tyle że teraz musimy pamiętać, że kolejność operatorów może być istotna. Operatory momentu pędu komutują z hamiltonianem atomu wodoru:

Także operator kwadratu momentu pędu komutuje z hamiltonianem, a także z poszczególnymi składowymi momentu pędu:

Jednakże operatory nie komutują ze sobą:

Maksymalnym zbiorem komutujących operatorów jest więc oraz jedna z trzech składowych momentu pędu. Standardowo wybiera się tu . Możemy więc szukać funkcji własnych hamiltonianu, które będą zarazem funkcjami własnymi oraz .

Wprowadzimy współrzędne sferyczne punktu,  Łatwo sprawdzić, że operatory momentu pędu zależą tylko od kątów, nie od   Np.

Możemy to sprawdzić, korzystając z wyrażeń na współrzędne kartezjańskie:

Obliczamy, stosując wzór na pochodną funkcji złożonej:

W pozostałych składowych momentu pędy odległość pojawia się raz w liczniku, a drugi raz w mianowniku przy różniczkowaniu, ostatecznie zostają wyrażenia zależne wyłącznie od kątów . Wracając do naszego równania z głównego tekstu:

Funkcja falowa powinna być w pobliżu początku układu analityczna, tzn. zachowywać się jak wielomian stopnia (może być stała, wtedy ) plus wyrazy wyższego stopnia. Można ją w pobliżu zapisać jako – wyłączyliśmy przed funkcję wszystkie potęgi , pozostała część jest funkcją wektora jednostkowego, tzn. zależy tylko od kierunku. Drugi składnik po prawej stronie zawiera w potęgach wyższych niż , jest więc do pominięcia blisko początku układu. Obliczając pierwszy składnik po prawej stronie, dostaniemy

Funkcje własne kwadratu momentu pędu to wielomiany jednorodne (wszystkie składniki są tego samego stopnia  ) zmiennych . Łatwo sprawdzić, że spełniają one warunek

Funkcje nazywane są harmonikami sferycznymi. Drugi wskaźnik informuje o wartości . Dla mamy funkcje (nie wypisujemy stałych normalizacyjnych), tzw. orbitale p:

Dla otrzymujemy pięć orbitali d:

Czynnik określa wartość składowej z momentu pędu:

Dla każdej wartości mamy dopuszczalnych wartości . Stany te powinny mieć taką samą energię.

 

 

Dlaczego atomy są trwałe?

Atomów nie można opisać za pomocą dziewiętnastowiecznej fizyki klasycznej. W doświadczeniach Hansa Geigera i Ernesta Marsdena, prowadzonych pod kierunkiem Ernesta Rutherforda w Manchesterze w latach 1909-1913, okazało się, że praktycznie cała masa atomu mieści się w bardzo małym obszarze o promieniu pojedynczych femtometrów (). Przedtem sądzono (model J.J. Thomsona), że atom zawiera rozmyty ładunek dodatni, w którym znadują się, niczym rodzynki w cieście, lekkie punktowe elektrony. Przy bombardowaniu cienkiej złotej folii za pomocą cząstek α (jąder helu) zdarzało się jednak, że cząstki te rozpraszały się pod wielkimi kątami, niemal zawracały. Byłoby to niemożliwe, gdyby dodatni ładunek rozmyty był na znacznym obszarze. Tak silne pole elektryczne wymagało niemal punktowego ładunku – atom musi więc zawierać niewielkie jądro. Tak narodził się model planetarny Ernesta Rutherforda.

Na rysunku nie można oddać różnicy skali między modelami Thomsona i Rutherforda. Elektrony krążą w znacznie większym obszarze kilkudziesięciu pikometrów (): w przypadku wodoru objętość atomu jest razy większa od objętości protonu w centrum. Znaczy to, że atom jest praktycznie pusty. Analogia z planetami krążącymi wokół Słońca niezbyt się tu jednak stosuje, ponieważ poruszający się z  przyspieszeniem elektron powinien emitować energię w postaci fal elektromagnetycznych. Z teorii Maxwella wynika, że w czasie rzędu elektron powinien spaść na jądro. Atomy nie są stabilne – do takiego wniosku prowadzi Newtonowska mechanika w połączeniu z elektrodynamiką Maxwella.

Prowizorycznym wyjściem z sytuacji był model Nielsa Bohra: wprowadzał on dozwolone orbity elektronów i jakimś cudem przewidywał prawidłowo długości fal w widmie wodoru. Postulat kwantowania orbit jest nie do pogodzenia z fizyką klasyczną: trzeba bowiem założyć, że elektrodynamika czasem działa, a czasem nie. Jej prawa są z jakiegoś powodu zawieszone w przypadku orbit Bohra.

 Problem rozwiązała dopiero mechanika kwantowa. Przyjrzymy się, jak objaśnia ona stabilność atomu wodoru. Dla uproszczenia będziemy mówić o ruchu elektronu w polu elektrostatycznym nieruchomego jądra (wprowadzane w ten sposób przybliżenie łatwo zastąpić dokładniejszymi rachunkami). Mamy więc elektron o energii składającej się z energii kinetycznej oraz elektrostatycznej energii potencjalnej:

gdzie oraz są odpowiednio pędem i masą elektronu, jest jego odległością od punktowego jądra, a stała . Nasz problem stabilności łatwiej zrozumieć, patrząc na wykres energii potencjalnej. 

Energia potencjalna w funkcji odległości elektronu od protonu (zaznaczone są dwa najniższe poziomy energetyczne atomu wodoru)

Zaznaczone są dozwolone wartości energii całkowitej. Energia krążącego elektronu jest stała tylko pod warunkiem pominięcia promieniowania. Inaczej będzie ona szybko się zmniejszać, a więc jak widać z wykresu nasz elektron będzie coraz ciaśniej okrążał proton. Studnia potencjału jest nieskończenie głęboka, bez dna (w przybliżeniu punktowego protonu). 

Mechanika kwantowa opisuje stany elektronu za pomocą funkcji falowej . Jej znaczenie jest statystyczne, pozwala ona obliczać rozmaite wartości średnie: np. średnią wartość energii kinetycznej, albo potencjalnej. Prawdopodobieństwo znalezienia elektronu w danym obszarze przestrzeni jest równe

Oznacza to, że całka po całej przestrzeni musi być równa 1, mówimy wtedy, że funkcja falowa jest unormowana. Aby otrzymać rozmaite wartości średnie, musimy mieć przepis na ich tworzenie. Jest on następujący: każdej wielkości fizycznej przypisuje się operator. Np. operatorem składowej x położenia jest mnożenie przez x. Znaczy to, że pod działaniem tego operatora funkcja przechodzi w . Bardziej skomplikowanym przypadkiem jest pęd. Składowa x pędu zastępowana jest braniem pochodnej po x:

Pojawia się tutaj stała Plancka znak niechybny, że mamy do czynienia z fizyką kwantową, jest tu jednostką urojoną – nasza funkcja ma wartości zespolone. Z początku budziło to pewne zdumienie ojców mechaniki kwantowej, dziś wiemy, że liczby zespolone są tu nieodzowne. 

Mając pęd i położenie, możemy zbudować operator energii, czyli hamiltonian: zastępujemy po prostu pędy i położenia ich operatorami.  W jednym wymiarze wyglądałoby to następująco

Pierwszy składnik oznacza, że należy dea razy wziąć pochodną po x i pomnożyć przez odpwoednią stałą, drugi składnik jest zwykłym mnożeniem funkcji. W trzech wymiarach mamy trzy składowe pędu, czyli trzy pochodne składające się w symbol zwany laplasjanem (czyli operatorem Laplace’a):

Zapisany w ten sposób hamiltonian ma postać:

Ostatni potrzebny nam składnik formalizmu to przepis na znajdowanie wartości średnich. Jeśli operator przypisany szukanej zmiennej nazwiemy , to wartość średnia zmiennej jest równa

Pojawia się tu funkcja zespolona sprzężona . Operatory odpowiadające wielkościom mierzalnym fizycznie (obserwablom) to tzw. operatory hermitowskie, które dają w powyższym przepisie wynik rzeczywisty, tak jak tego oczekujemy w eksperymencie. Hermitowskie są w szczególności operatory pędu, położenia i hamiltonian.

W zasadzie tyle formalizmu wystarczy, bez rozwiązywania równań różniczkowych, by pokazać, że dla dowolnej rozsądnej funkcji falowej (normowalnej) energia ograniczona jest z dołu. Czyli nie możemy uzyskać w żadnym eksperymencie mniej niż owo dolne ograniczenie. Co więcej, w każdym stanie związanym prawdopodobieństwo, że elektron znajdzie się bardzo blisko jądra jest znikome. Formalizm mechaniki kwantowej osiąga to dzięki wprowadzeniu funkcji , która skoncentrowana w małym obszarze wymusza dużą energię kinetyczną. Jakościowo odpowiada to zasadzie nieoznaczoności: mała nieoznaczoność położenia oznacza dużą nieoznaczoność pędu, a więc i energii kinetycznej. Jednak zasady nieoznaczoności nie możemy tu zastosować wprost. 

Rozpatrzmy operator dany równaniem

gdzie jest dowolną liczbą rzeczywistą. Ponieważ całka z kwadratu modułu nie może być ujemna, otrzymujemy nierówność

słuszną dla każdego . Bierzemy najpierw . Dostajemy nierówność

Dla dowolnej wartości możemy ograniczyć wartość całki do obszaru , gdzie , otrzymujemy w ten sposób nierówność

 

Wrócimy do niej za chwilę. Raz jeszcze korzystamy z (*), tym razem dla . Porządkując wyrazy, otrzymujemy wartość oczekiwaną energii:

Mechanika kwantowa przewiduje zatem dolną wartość energii, równą .

Aby oszacować , założymy, że mamy elektron w stanie związanym, a więc całkowita energia jest ujemna – klasycznie znaczy to, że elektron nie może uciec z pola elektrostatycznego protonu. 

Mamy

co można przepisać w postaci

Do prawej strony możemy zastosować nierówność z ramki przy masie cząstki równej . Otrzymujemy stąd szacowanie dla

Ostatecznie, prawdopodobieństwo znalezienia elektronu nie dalej niż od jądra spełnia nierówność

gdzie zwane jest promieniem Bohra. Jest to promień pierwszej orbity w modelu Bohra.

Widzimy więc, że formalizm mechaniki kwantowej dostarcza wyjaśnienia, czemu atomy są trwałe, co jest niezmiernie ważnym faktem. Uwzględnienie poprawek relatywistycznych itd. niewiele tu zmienia. Można udowodnić więcej: także w układzie wielu jąder i wielu oddziałujących ze sobą elektronów kolaps jest niemożliwy. W tym przypadku ważną rolę odgrywa także fakt, iż elektrony są fermionami, tzn. żadne dwa z nich nie mogą zajmować tych samych stanów (wliczając spin). Podstawowe wyniki w tym obszarze należą do Elliotta Lieba i Waltera Thirringa. Rozważania takie są interesujące ze względów poznawczych, ale także pomagają zrozumieć zachowanie dużych układów, dla których bezpośrednie rachunki bez żadnych przybliżeń są niemożliwe.

Korzystałem z książki E. B. Manoukian, 100 Years of Fundamental Theoretical Physics in the Palm of Your Hand.
Integrated Technical Treatment, Springer Nature 2020.

Harry Kessler: Spotkania z Einsteinem

Hrabia Harry Kessler, syn niemieckiego bankiera i córki irlandzkiego baroneta, urodził się w Paryżu, uczył w szkole prywatnej w Ascot, później w gimnazjum Johanneum w Hamburgu. Czuł się jednakowo dobrze w Niemczech, we Francji i w Anglii, choć wbrew stereotypowi kosmoplity był niemieckim patriotą. Zajmował się głównie sztuką, jako jeden z pierwszych propagował malarstwo Vincenta van Gogha, którego dwa obrazy posiadał. Wypełniał też rozmaite mniej lub bardziej oficjalne misje dyplomatyczne, do których nadawał się wybornie, mając świetne kontakty wśród elity europejskiej. W historii Polski zapisał się poprzez kontakty z Józefem Piłsudskim w czasie jego uwięzienia w Magdeburgu. Wkrótce później został też pierwszym zagranicznym ambasadorem w niepodległej Polsce. Jego Dziennik („Tagebuch”), prowadzony od 1880 r. do 1937 r., jest ważnym źródłem historycznym na temat Niemiec przed wojną światową, w jej trakcie, a także Republiki Weimarskiej i jej upadku.

Portret pędzla Edvarda Muncha z roku 1906

Młodszego o jedenaście lat Einsteina poznał Kessler w Berlinie. W lutym 1921 roku znaleźli się w jednej delegacji do Amsterdamu. Chodziło o ustanowienie kontaktów z Międzynarodowym Kongresem Związków Zawodowych mającym tam siedzibę, w tle majaczyła kwestia wysokości reparacji nałożonych na Niemcy. Obaj byli pacyfistami, Einstein od początku wojny, Kessler, po służbie na froncie i w misjach dyplomatycznych, doszedł do wniosku, że potrzebna jest jakaś forma międzynarodowej organizacji zapewniającej pokojową współpracę, częściową realizacją tej idei była Liga Narodów. Einstein półtora roku wcześniej stał się, niemal z dnia na dzień, najsławniejszym uczonym świata, kiedy brytyjscy astronomowie ogłosili wyniki obserwacji zaćmienia słońca potwierdzające jego teorię grawitacji.

Wcześnie w Bentheim, kontrola graniczna. Einstein, który, jak się zdaje, pierwszy raz podróżował sleepingiem, przyglądał się wszystkiemu z wielkim zainteresowaniem. W pociągu spytałem go, czy astronomiczne implikacje jego teorii względności mogą mieć zastosowanie w przypadku atomu, także zbudowanego w podobny, astronomiczny sposób. Einstein zaprzeczył temu, wskazując, że rozmiar (małość) atomu gra tu rolę. Powiedziałem na to, że wymiar, miara, wielkość i małość są czymś absolutnym, niemal jedynym absolutem, który się utrzymał. Einstein stwierdził, że w istocie rozmiar jest ostatecznym absolutem, poza który nie można wykroczyć. Był zaskoczony, że do tego doszedłem, gdyż absolutne znaczenie rozmiarów stanowi najgłębszą i niewytłumaczalną tajemnicę fizyki. Np. każdy atom żelaza jest dokładnie takich samych rozmiarów jak każdy inny atom żelaza powstały gdziekolwiek we wszechświecie, podczas gdy rozum ludzki może pojąć atomy rozmaitych rozmiarów.

Panująca wówczas teoria atomu była planetarna. Dopiero za kilka lat powstać miała mechanika kwantowa. Z punktu widzenia fizyki klasycznej – a tak patrzył Einstein – jednakowość atomów jest niezrozumiałą prawidłowością, musimy uznać to za dodatkowy fakt doświadczalny. W teorii kwantowej skala wielkości atomowych określona jest z jednej strony wielkością sił elektrycznych, a z drugiej – wielkością stałej Plancka. Mamy tu dwie stałe fizyczne: ładunek elementarny i stałą Plancka. Istnienie jednakowych cząstek, takich jak elektrony czy kwarki, wbudowane jest w kwantową teorię pola powstałą w latach trzydziestych. Co ciekawe, szczególna teoria względności jest potrzebna, aby wyjaśnić związek spinu ze statystyką (cząstki o spinie połówkowym, np. elektrony, nie mogą przebywać w tym samym stanie, co tłumaczy budowę atomów; cząstki o spinie całkowitym, przeciwnie, chętnie przebywają w tym samym stanie, co ma zastoswanie np. w laserach).

Następnego dnia rano obaj podróżnicy udali się do Rijksmuseum, gdzie oglądali Straż nocną Rembrandta.

W marcu 1922 r. Kessler znalazł się wśród gości zaproszonych na kolację do Einsteinów.

Wieczorem u Einsteinów. Spokojne, przyjemne mieszkanie w zachodnim Berlinie (Haberlandstraße 5), nieco zbyt duże i zbyt wielkoprzemysłowe przyjęcie, któremu ta kochana, wyglądająca niemalże dziecięco, para gospodarzy przydawała pewnej naiwności. Bogaty [Leopold] Koppel, [Paul von] Mendelssohn, przewodniczący [Emil] Warburg, jak zwykle kiepsko ubrany Bernhard Dernburg i tak dalej. Jakieś promeniowanie dobra i prostoty przekształcało to typowe berlińskie towarzystwo w coś niemalże patriarchalnego i bajkowego. Einstein i jego żona, których nie widziałem od czasu ich długiej podróży zagranicznej, odpowiadali z prostotą na moje pytania o przyjęcie w Ameryce i w Anglii; były to w istocie wielkie triumfy, choć Einstein podchodził do nich w swój ironiczny i sceptyczny sposób, mówiąc, że nie wie, czemu ludzie tak bardzo interesują się jego teoriami; jego żona mówiła mi, że mąż zawsze powtarza, iż czuje się jak oszust czy hochsztapler, który nie daje ludziom tego, czego od niego oczekują. Potem powtórzył mi wielokrotnie i bardzo dokładnie, co pisał do niego [Paul] Painlevé, i opowiedział o podróży do Paryża. Zaczyna ją za kilka dni i spędzi w Paryżu osiem dni. Tutaj będzie traktowany jak podejrzany w kręgach uniwersyteckich. Ale one są naprawdę okropne. Przepełnia go niesmak, kiedy o tym myśli. I ma nadzieję coś zdziałać w Paryżu dla wznowienia stosunków między uczonymi niemieckimi i francuskimi. Różnice zdań z Painlevé traktuje jako drobiazg, wydaje się, że nie przywiązuje do niej wagi.

Koppel, Mendelssohn, Dernburg byli bankierami. Pierwszy finansował w znacznej mierze Instytuty Cesarza Wilhelma chemii fizycznej i fizyki (obecnie instytuty Maksa Plancka). Warburg był fizykiem z bogatej i ustosunkowanej rodziny zasłużonej także w nauce i historii sztuki. Podróż do Ameryki służyła zbieraniu pieniędzy na uniwersytet w Jerozolimie. Wizyta w Anglii i nadchodząca wizyta we Francji miały znaczenie nie tylko naukowe, rany wojenne wciąż były głębokie po obu stronach, Einstein pragnął odrodzenia międzynarodowej społeczności uczonych. Paul Painlevé, matematyk i deputowany, działał z podobnych jak Einstein pobudek po stronie francuskiej. Sadził ponadto, że znalazł sprzeczności w einsteinowskiej teorii – jak widzimy jej twórca nizbyt się tym przejął, i słusznie. Wizyta w Paryżu okazała się sensacją naukową i dziennikarską.

Berlin, 18 grudnia 1924, czwartek. Po południu powrót z Weimaru do Berlina. Wieczorem w „Kaiserhofie” bankiet urodzinowy Billa Simonsa. Około setki sław ze świata politycznego, bankowego i intelektualnego; mieszanina kapitalizmu z socjalizmem, głównie na bazie żydowskiej.

Rozmawiałem dość długo z Albertem Einsteinem, gdyż obaj czuliśmy się dość obco w tym towarzystwie. Na moje pytanie nad czym teraz pracuje, odpowiedział, że rozmyśla. Kiedy się rozmyśla nad jakimkolwiek twierdzeniem naukowym, to właściwie zawsze można posunąć się nieco do przodu: bo każde, bez wyjątku, twierdzenie naukowe jest fałszywe; wynika to z nieadekwatności ludzkiego myślenia i możliwości pojmowania w stosunku do natury, wskutek czego wszelkie pojęciowe ujęcie natury nigdy nie pokrywa się z nią całkowicie. Każde twierdzenie naukowe, jeśli mu się bliżej przyjrzeć, zaczyna się chwiać i prowadzi do nowego dokładniejszego sformułowania, ale znowu coś się nie zgadza, co prowadzi do nowego sformułowania i tak ad infinitum. Coraz wyraźniej występuje na jego twarzy coś ironicznego, żartobliwie bolesny sceptycyzm Pierrota maluje się wokół oczu. Obserwując jego twarz, gdy mówi, nie sposób nie pomyśleć o poecie Lichtensteinie – Lichtensteinie, który śmieje się nie tylko z zewnętrznych przejawów ludzkiej arogancji, ale także z jej przyczyn.

Alfred Lichtenstein był ekspresjonistą, autorem groteskowych opowiadań w stylu Alfreda Jarry’ego. Zginął na wojnie w wieku dwudziestu pięciu lat.

Jeszcze jeden obrazek:

Berlin. 15 lutego 1926. Wieczorem na kolacji u mnie Albert Einstein z żoną, Roland de Margeries z żoną, hrabina Sierstorpff, Theodor Wolff z żoną, Helene i Jean Schlumberger (z „Nouvelle Revue Française”). (…) Einstein, majestatyczny, mimo przesadnej skromności i trzewików do fraka. Trochę przytył, ale w oczach nadal ma dziecinne, figlarne przebłyski. Jego żona opowiada, że odebrał on ostatnio, po wielu ponagleniach, dwa złote medale przyznane mu przez Royal Society i Royal Astronomical Society, a później spotkali się w kinie. Gdy go spytała, jak wyglądają medale, odrzekł, że nie wie, bo ich jeszcze nie rozpakował. Nie interesują go takie błahostki. Podała mi inne przykłady. Kiedy Niels Bohr otrzymał amerykański Medal Barnarda, który jest przyznawany wybitnemu badaczowi natury raz na cztery lata, w gazetach napisali, że poprzednio otrzymał go Albert Einstein. Einstein pokazał gazetę i spytał, czy to prawda, bo kompletnie o tym zapomniał. Nie można go było namówić, aby zawiesił order Pour le Mérite. Podczas jednego z niedawnych posiedzeń Akademii Nernst zwrócił mu uwagę, że nie ma Pour le Mérite, ze słowami: „Pewnie żona zapomniała panu go zawiesić. Błąd w stroju”. Einstein jednak odpowiedział: „Nie zapomniałem, wcale nie zapomniałem. Nie chciałem go włożyć”.

Einstein miał bardzo swoiste podejście do sławy, którą zyskał właściwie bez swego udziału. Starał się pozostać normalny, nadal zajmował się swoją pracą, uczęszczał na różne posiedzenia i spotkania, bo trudno było tego uniknąć, zresztą spotkania towarzyskie lubił. Był największą znakomitością Berlina czasów Republiki Weimarskiej, sprawiało mu przyjemność bywanie wśród ludzi wybitnych, chodzenie na koncerty i do teatru, nie przeszkadzało mu, że ludzie go rozpoznają na ulicach. Szczerze lekceważył symbole próżności: medale, ordery, honorowe członkostwa, rozumiejąc doskonale, że to nie ma żadnego, ale to żadnego znaczenia. W naszych czasach, gdy tylu ludzi jest wręcz opętanych chęcią zwrócenia na siebie uwagi za wszelką cenę, miło jest pomyśleć, że najsławniejszy uczony w dziejach zupełnie się nie przejmował tym, jak go widzą inni.

Rysunek Maksa Liebermanna, 1925 r.

Czy to, co krąży, musi kiedyś spaść? Przypadek atomu i podwójnych obiektów astrofizycznych

Krążenie planet uchodziło od starożytności za kosmiczny miernik czasu. Dlatego właśnie Mikołaj Kopernik zdecydował się na radykalny krok i zamiast układu geocentrycznego wybrał heliocentryczny. Miał przy tym nadzieję, że teraz nie tylko całość kosmicznej konstrukcji nabierze sensu, ale że – i to przede wszystkim – ruchy planet staną się doskonale jednostajne (u Ptolemeusza tak nie było). Okazało się później, że tylko heliocentryzm przetrwał, ruch planet zachodzi po elipsach ze zmienną prędkością.

W 1913 r. Niels Bohr zaproponował planetarny model atomu. W najprostszym przypadku atomu wodoru mielibyśmy jeden elektron krążący po okręgu wokół niewielkiego jądra, dziś zwanego protonem. Dozwolone orbity spełniać miały specjalny warunek zawierający liczbę całkowitą . Wynikało z niego, że pierwsza z tych orbit miała promień . Wielkość tę nazywa się promieniem Bohra. W czym leżała rewolucyjność podejścia Bohra? Przyjął on, że krążąc po dozwolonych orbitach, elektron nie promieniuje, dzięki czemu atom jest trwały: elektron może skokowo zmieniać orbitę, ale gdy znajdzie się na najniższej, nie może już bardziej zbliżyć się do protonu i według duńskiego fizyka miał tak krążyć wiecznie, jeśli żadne oddziaływanie go z tego stanu nie wytrąci.

Można obliczyć, co powinno się stać z elektronem według fizyki klasycznej, czyli w tym przypadku elektrodynamiki Maxwella. Elektron krążący wokół protonu jest obracającym się dipolem elektrycznym. Dipol taki promieniuje moc daną  równaniem

We wzorze tym jest ładunkiem elementarnym, przenikalnością próżni, a oznacza prędkość światła w próżni.

Wskutek unoszenia energii przez falę elektromagnetyczną elektron krąży po coraz niższych orbitach, zachowując się podobnie do satelity Ziemi, który wchodzi w atmosferę. Nietrudno obliczyć, że elektron spadnie na jądro po czasie równym

Zastosowaliśmy tu skrót , wielkość tę nazywamy klasycznym promieniem elektronu (gdyby elektron był kulką tej mniej więcej wielkości, to jego pole elektrostatyczne miałoby energię , ale możemy to uważać jedynie za wygodny skrót). Częstość krążenia elektronu powinna stopniowo rosnąć w miarę jego zbliżania się do protonu. Znaczy to, że klasycznie rzecz biorąc, elektron promieniuje falę o coraz wyższej częstości, gdyż częstość jego wirowania równa jest częstości emitowanej fali. Mamy więc piękną katastrofę – nie tylko planetarnego atomu, ale w ogóle każdego modelu klasycznego –nie można zbudować modelu atomu, mając do dyspozycji jedynie klasyczną mechanikę Newtona i elektrodynamikę Maxwella. Każdy atom powinien bowiem przez krótką chwilę emitować falę o rosnącej częstości, a potem przestać istnieć jako układ, w którym ładunki ujemne i dodatnie są przestrzennie rozdzielone. Oczywiście, Bohr dobrze o tym wiedział, szukał jednak wyjścia z impasu, w jakim znalazła się fizyka i który został rozwiązany zadowalająco dopiero po kilkunastu latach, gdy stworzono mechanikę kwantową. Jego model był desperacką próbą nowego otwarcia, i pod tym względem spełnił swoją rolę. Ważnym elementem modelu Bohra i późniejszych teorii mikroświata było wprowadzenie nowej stałej fizycznej: stałej Plancka . Pojawia się ona wszędzie, gdzie mamy do czynienia z mikroświatem (u nas ukryta jest w promieniu Bohra).

Teorię grawitacji Newtona Einstein zastąpił w 1915 r. ogólną teorią względności. Można się było spodziewać, że poruszające się ciała powinny promieniować fale grawitacyjne i w rezultacie tracić energię. W roku 1918 Einstein opublikował pracę, w której obliczył, jaką moc emituje ruchomy układ mas w postaci fal grawitacyjnych. Można więc oczekiwać, że również obiekty astrofizyczne krążące wokół środka masy z czasem będą się zbliżać, a nawet łączyć w większe ciała. W roku 1918 nie było szans na zmierzenie fal grawitacyjnych, sto lat później zaczęły one być jednak rejestrowane. Fale te wysyłane są tuż przed połączeniem się dwóch obiektów – czarnych dziur

Wyobraźmy sobie dwa ciała kosmiczne o jednakowych masach (dla uproszczenia), krążące wokół wspólnego środka masy w odległości od siebie. Całkowita moc wypromieniowywana w postaci fal grawitacyjnych równa jest

We wzorze tym jest stałą grawitacyjną, a  – momentem bezwładności, czyli wielkością mówiącą coś na temat rozkładu mas, jest prędkością kątową. Analogicznie jak w przypadku atomu możemy obliczyć czas życia takiego układu podwójnego. Jest on równy

Wyraziliśmy tu czas przez wielkość promienia Schwarzschilda dla każdego z obiektów oraz częstość fali grawitacyjnej emitowanej w chwili początkowej . Wzór ten możemy stosować, dopóki mamy do czynienia z dwoma wyraźnie rozgraniczonymi ciałami, najlepiej punktowymi (we wszechświecie najbliżej tego ideału są czarne dziury oraz gwiazdy neutronowe). Częstość fali grawitacyjnej jest dwa razy większa niż częstość krążenia ciał. Wynika to stąd, że po połowie okresu kwadraty współrzędnych wracają do tych samych wartości, czyli z punktu widzenia momentu bezwładności wracamy do punktu wyjścia. Gdyby dwie gwiazdy o masie Słońca krążyły w odległości takiej, jak dzisiejsza odległość Ziemia-Słońce, czas życia takiego układu byłby równy lat, czyli niezmiernie długo w porównaniu z wiekiem wszechświata lat. Widać jednak ze wzoru, że gdy częstość krążenia będzie znaczna, czas życia będzie znacznie krótszy i wtedy możliwe będzie doczekanie chwili, gdy oba ciała złączą się w jedną czarną dziurę. Eksperyment LIGO zmierzył kilka przypadków takiego właśnie łączenia się dwóch obiektów.

Widzimy tu falę o rosnącej częstości. W chwili s częstość Hz, w chwili s częstość ucieka w górę – jest to słynne „ćwierknięcie” – chirp. Zatem od do nieskończoności upływa czas s. Wstawiając taki czas oraz wartość , wyznaczyć możemy promień Schwarzschilda, a stąd masę naszych obiektów. Jest ona równa około mas Słońca. Obliczyliśmy to przy upraszczającym założeniu, że obie kosmiczne masy są jednakowe. Można wykonać dokładniejsze obliczenia bez tego założenia.

Najwyższa częstość równa jest około Hz. Przyjmując, że obie czarne dziury zetknęły się wówczas swoimi horyzontami, można wyznaczyć sumę mas obu dziur z III prawa Keplera. Okazuje się ona równa mas Słońca, a więc w zgodzie z tym, co powiedzieliśmy wyżej.

Z fizycznego punktu widzenia najciekawsze zjawiska zachodzą, gdy dziury zlewają się w jedną i potem nowopowstała dziura drga jeszcze przez chwilę. Modelowanie tej fazy możliwe jest wyrafinowanymi metodami numerycznymi.

(*) Zobaczmy, od czego zależy moc emitowana przez obracający się dipol złożony z dwóch ładunków elementarnych odległych o . Pole elektromagnetyczne będzie proporcjonalne do iloczynu (momentu dipolowego). Zatem natężenie fali musi być proporcjonalne do kwadratu tego iloczynu. Powinna też zależeć od prędkości kątowej . Łatwo sprawdzić, że z wielkości , , oraz można zbudować tylko następujące wyrażenie dające moc w watach:

Dokładne rozważania dają jeszcze współczynnik liczbowy . Łatwo sprawdzić, że w ruchu orbitalnym całkowita energia elektronu równa jest

Dalej traktujemy jako funkcję czasu. Różniczkując wyrażenie na energię, otrzymamy szybkość zmiany energii, która musi być równa wypromieniowywanej mocy. Całkując otrzymane równanie, otrzymamy wynik postaci  – trzecia potęga odległości maleje liniowo. Stąd łatwo znaleźć czas życia.

(**) Podobne postępowanie da się zastosować do pary krążących wokół środka mas ciał niebieskich. Natężenie fali emitowanej przez ten układ będzie zależeć od momentu bezwładności:

gdzie oznacza masy, jest odległością obu mas od siebie (obie są więc odległe o od środka masy układu). Moc będzie zatem proporcjonalna do kwadratu momentu bezwładności. Będzie także zależeć od prędkości kątowej, stałej grawitacyjnej oraz prędkości światła. Łatwo sprawdzić, że wielkości te dadzą moc, jeśli wyrażenie będzie następujące:

Współczynnik liczbowy wynika ze szczegółowych obliczeń. Analogicznie jak w poprzednim przypadku możemy zapisać energię w postaci

Zupełnie podobnie otrzymuje się równanie różniczkowe dla . Teraz maleje liniowo z czasem. Korzystając z III prawa Keplera, możemy zamiast obliczyć okres obiegu oraz częstość .

Szczęśliwy rok Erwina Schrödingera (1926)

W listopadzie 1926 roku seria sześciu ostatnich prac Schrödingera ukazała się w wydaniu książkowym. Jak sam pisał we wstępie do tego przedruku:

Młoda przyjaciółka powiedziała o nich niedawno: „Popatrz, kiedy je zaczynałeś, nie myślałeś w ogóle pojęcia, że wyjdzie z nich tak wiele sensownych rzeczy”. Powiedzenie to, z którym (prócz pochlebnego przymiotnika) w pełni się zgadzam, podkreśla fakt, że prace zebrane w tym tomie powstawały jedna po drugiej. Ich autor, pisząc wcześniejsze części, nie znał jeszcze części późniejszych.

Erwin Schrödinger stał się dzięki nim sławny i choć także wcześniej i później tworzył prace interesujące bądź nawet wybitne, żadna z nich nie dorównywała tej złotej serii.

Ową przyjaciółką była czternastoletnia Itha Junger („Ithi”). Ich dziadek Georg Junger był bogatym obywatelem Salzburga, właścicielem firmy zajmującej się handlem hurtowym. Interes prowadzili nadal jego dwaj synowie, to jeden z nich, Hans, był ojcem dwóch niejednakowych bliźniaczek: Ithy i Roswithy, uczęszczających do szkoły klasztornej. Mówiło się, że matka żony Schrödingera Anny była nieślubną córką Georga Jungera. W każdym razie obie rodziny były blisko i żona Hansa była matką chrzestną Anny. Itha miała kłopoty z matematyki, Anny zaproponowała, że Erwin mógłby pomóc, bliźniaczki przeniesiono do klasztoru blisko Zurychu, żeby mogły korzystać z korepetycji. Erwin bardzo się z nimi zaprzyjaźnił, a wkrótce i zakochał w Ithi. Ich osobliwy, nawet w tych swobodnych czasach, romans trwał wiele lat, związek został skonsumowany wkrótce po siedemnastych urodzinach Ithi.

Mechanika kwantowa Heisenberga i jego kolegów z Getyngi przyjmowana była z mieszanymi uczuciami przez środowisko fizyków. Przeskoki kwantowe, abstrakcyjny formalizm macierzowy, filozofia ograniczenia się tylko do wielkości bezpośrednio obserwowalnych i porzucenia raz na zawsze poglądowych wyobrażeń atomu – wszystko to traktowane było z rezerwą. Podejście Schrödingera wydawało się nie tylko bardziej zrozumiałe matematycznie, ale także umożliwiało wyobrażenie sobie, co właściwie dzieje się wewnątrz układów o skali atomowej. Schrödinger wykazał także, że przynajmniej w prostych sytuacjach oba podejścia są równoważne. Mimo to, Heisenberg wykazywał wobec „mechaniki falowej” postawę wrogą i nieprzejednaną. Jego mentor, Niels Bohr, zaprosił Schrödingera do Kopenhagi, gdzie zadręczał wręcz swojego gościa, atakując jego sposób myślenia.

Dla zwolenników Bohra elektron był punktową cząstką, a prawa kwantowe dotyczyły tylko prawdopodobieństw. Historia przyznała im rację, choć pewne problemy interpretacyjne mechaniki kwantowej pozostały do dziś. Trzeba jednak wyraźnie powiedzieć, że jak dotąd żaden eksperyment nie zaprzeczył prawom mechaniki kwantowej, „szara strefa” dotyczy raczej filozoficznego samopoczucia. Wciąż nie znamy wszystkich szczegółów przejścia z poziomu mikroświata do makroświata, w którym żyjemy i w którym powstała fizyka klasyczna.

Błyskawiczna kariera Schrödingera wiązała się z tym, że dla konserwatywnie nastawionych fizyków, jego podejście wydawało się łatwiejszą do przyjęcia wersją teorii kwantowej. Schrödinger został zasypany listami i zaproszeniami od luminarzy ówczesnej fizyki: od sędziwego Hednrika Lorentza, przez Maksa Plancka, Alberta Einsteina aż do Wilhelma Wiena i Arnolda Sommerfelda. Został członkiem bardzo elitarnego grona: Planck gościł go w swoim domu podczas wizyty w Berlinie. Dobiegający siedemdziesiątki i wieku emerytalnego Planck niewątpliwie myślał przy tym o przyszłości swojej katedry w Berlinie, najbardziej prestiżowego stanowiska w dziedzinie fizyki teoretycznej na świecie. Niedługo później Schrödinger trafił na krótką listę kandydatów i uzyskał to stanowisko. Uznano przy tym, że Werner Heisenberg, choć niewątpliwie genialny, jest po prostu jeszcze za młody na katedrę. Schrödinger odbył też podróż do Stanów Zjednoczonych, stając się jednym z długiego szeregu wizytujących sław europejskich. Amerykanie nie byli jeszcze potęgą w fizyce teoretycznej, ale starali się kusić wysokimi honorariami, uzyskując przynajmniej tyle, że odwiedzali Stany Zjednoczone wszyscy właściwie wybitni fizycy i matematycy. Schrödinger też dostał oferty pracy w USA, ale nie rozpatrywał ich poważnie. Ameryka mu się nie podobała, duch purytański, przejawiający się w owych latach, m.in. w prohibicji, wydawał mu się barbarzyństwem. Na widok Statui Wolności miał powiedzieć, że brakuje jej tylko zegarka na ręku.

William F. Meggers Gallery of Nobel Laureates

Erwin Schrödinger bronił w roku 1926 i później stanowiska, że elektron nie jest punktową cząstką, lecz raczej pewnym rozmytym obiektem. Stanowisko to nie dało się obronić. Przedstawimy jeden z argumentów Schrödingera. Jest on prawdziwy, lecz sytuacja, której dotyczy, okazała się nietypowa. Nie można było tego jednak wiedzieć latem 1926 roku.

Rozpatrzmy oscylator harmoniczny, czyli cząstkę oscylującą wokół minimum energii potencjalnej. Ponieważ każdą funkcję wokół minimum można w przybliżeniu uważać za parabolę, więc jest sens rozważać przypadek kwadratowej, czyli parabolicznej, energii potencjalnej. Rozwiązanie równania Schrödingera daje nam wówczas następujące funkcje falowe.

skrypt Sagemath do generowania obrazka

Są to drgania o różnych dopuszczalnych energiach (nieparzyste wielokrotności wielkości , gdzie jest częstością kołową naszego oscylatora). Klasycznie biorąc, obszar położony poza przecięciem potencjału z poziomą prostą danej energii całkowitej jest niedostępny; cząstka nie może się tam znaleźć, ponieważ musiałaby mieć ujemną energię kinetyczną. W fizyce kwantowej funkcja falowa rozlewa się poza ten klasycznie dostępny obszar, co jest tzw. zjawiskiem tunelowym. Każdy z tych stanów stacjonarnych ma bardzo prostą zależność od czasu. Należy funkcję z wykresu pomnożyć przez czynnik

Znaczy to, że zależność od czasu jest trywialna, nic się w naszej funkcji falowej nie porusza, opisane stany są falami stojącymi. Schrödinger zauważył, jak ze stanów o ustalonej energii zbudować rozwiązanie równania, które opisuje drgania w czasie. W gruncie rzeczy jest to bardzo proste. Chcąc zapoczątkować drgania oscylatora, wystarczy wychylić jego masę z położenia równowagi, a następnie puścić ciężarek, który zacznie wykonywać oscylacje.

Można analogicznie, wziąć funkcję falową stanu podstawowego oscylatora

a następnie przesunąć ją do jakiegoś nowego położenia :

Jeśli tę ostatnią funkcję potraktujemy jako warunek początkowy w równaniu Schrödingera, to otrzymamy funkcje opisujące paczkę falową poruszającą się oscylacyjnie wokół położenia równowagi. W pracy Schrödingera („Naturwissenschaften”, 1926) przedstawiona została jej część rzeczywista:

Jest to zdjęcie migawkowe, paczka falowa będzie bowiem oscylować wokół położenia równowagi. Zdaniem Schrödingera ta właśnie fala jest elektronem. Ponieważ ciągle traktował on liczby zespolone jako wypadek przy pracy, więc wziął cząść rzeczywistą rozwiązania.

Wiemy jednak, że rację miał tu Max Born: należy obliczyć kwadrat zespolonego modułu funkcji falowej i jego wielkość określa rozkład prawdopodobieństwa. Otrzymamy wówczas klasyczne drgania rozmytej funkcji falowej.

Wikimedia Commons

Nie jest to jednak elektron, lecz prawdopodobieństwo jego znalezienia w danym miejscu i czasie. Dziś stany takie znane są jako stany koherentne. Przypadek oscylatora jest wyjątkowy: na ogół taka zlokalizowana funkcja falowa rozmywa się w czasie, choć w niektórych przypadkach może się później odbudowywać, jak na poniższym obrazku (chodzi tu o wysokowzbudzone stany atomu wodoru: mogą one przez chwilę przypominać klasyczny elektron na orbicie Bohra, potem ten obraz się rozmywa.

Mamy tu trzydzieści keplerowskich obiegów elektronu zbudowanych ze stanów wokół n=180

Erwin Schrödinger nie pogodził się z kopenhaską interpretacją mechaniki kwantowej, stał się jednym z jej krytyków, podobnie jak Einstein poszukujących innej drogi. Romans z Ithi kontyuowany był w latach berlińskich, w jakimś momencie uczony chciał się nawet z nią ożenić, ale do tego nie doszło. Po roku 1933 nie chciał zostać w nazistowskich Niemczech (co było dość wyjątkowe, ponieważ nie był Żydem i nie musiał rezygnować), wrócił na trochę do Austrii, ale wskutek Anschlussu także Austria stała się brunatna. Jego późniejsze afery uczuciowo-erotyczne stanowiły przeszkodę w objęciu katedr w Oxfordzie i Princeton, ostatecznie znalazł sobie miejsce w katolickiej Irlandii.

Erwin Schrödinger: trzeci początek mechaniki kwantowej (1926)

Równanie Schrödingera zasługuje na swoją sławę: dzięki niemu znamy nie tylko budowę atomów, ale i cząsteczek chemicznych czy ciał skondensowanych. Wynikają z niego najprzeróżniejsze własności materii, która nas otacza, a także materii we wszechświecie. Jest więc równaniem niezwykle istotnym tak dla fundamentów fizyki, jak i dla zastosowań.

Autor najsłynniejszego równania dwudziestowiecznej fizyki aż do roku 1926 nie należał do ścisłej czołówki fizyków teoretycznych. Zaledwie osiem lat młodszy od Einsteina, dopiero od 1921 roku zajmował katedrę na uniwersytecie w Zurychu. Studiował w Wiedniu, zbyt późno by zetknąć się osobiście z Ludwigiem Boltzmannem czy Ernstem Machem, choć wpływ obu tych uczonych wciąż dawał się tam odczuć. Fizyki teoretycznej uczył się u Friedricha Hasenöhrla, bliskiego przyjaciela Mariana Smoluchowskiego. Do tej pory niewiele zajmował się teorią kwantową, ponieważ opierała się ona wciąż na bardzo grząskich podstawach, korzystając po trosze z fizyki klasycznej, a po trosze z postulatów kwantowania, wyraźnie z nią sprzecznych. Zwrócił jednak uwagę na pracę Louisa de Broglie na temat fal materii. Postulowała ona, że zarówno fotony, jak i inne cząstki mikroświata mają dualną naturę: zachowują się czasem jak cząstki, a czasem jak fale. Obowiązywał przy tym jeden uniwersalny przelicznik własności cząstkowych: energii i pędu na wielkości falowe: częstość (kołową) i liczbę falową ( jest długością fali). Współczynnikiem proporcjonalności w obu przypadakch miała być stała Plancka :

Felix Bloch, wówczas początkujący fizyk, tak wspomina wspólne kolokwia (dziś powiedzielibyśmy raczej seminaria) fizyków z uniwersytetu w Zurychu i z ETH, gdzie najważniejszą postacią był Peter Debye.

Pewnego razu pod koniec kolokwium Debye powiedział coś w tym rodzaju: „Schrödinger nie zajmujesz się teraz żadnym ważnym tematem. Może opowiedziałbyś nam któregoś dnia o tym doktoracie de Broglie’a, który, zdaje się, przyciągnął sporo uwagi”. Więc na jednym z następnych kolokwiów Schrödinger przedstawił cudownie przejrzysty wykład o tym, jak de Broglie wiąże fale z cząstkami i w jaki sposób zdołał on uzyskać reguły kwantyzacji Bohra i Sommerfelda (…) Kiedy skończył, Debye stwierdził od niechcenia, że taki sposób ujęcia jest raczej dziecinny. Jako student Sommerfelda nauczył się, że właściwy sposób podejścia do fal wiedzie przez równanie falowe. Brzmiało to dość trywialnie i na pozór nie zrobiło głębszego wrażenia, ale Schrödinger najwyraźniej wrócił później do tego pomysłu. Zaledwie kilka tygodni później dał następne kolokwium, zaczynając od słów: „Kolega Debye zasugerował, że należy mieć równanie falowe, toteż je znalazłem”. [„Physics Today”, t. 29 (1976), nr 12, s. 23-24]

Najwyraźniej w pierwszej chwili obaj nie zdawali sobie sprawy z wagi tych badań. Erwin Schrödinger dzięki pracom z końca roku 1925 i roku 1926 stał się błyskawicznie jednym z najgłośniejszych fizyków świata. Seria jego artykułów natychmiast zyskała uznanie. Chwalili je Albert Einstein i Arnold Sommerfeld, który wraz ze swymi uczniami rozwijał od lat fizykę kwantową. Napisał do niego sędziwy Hendrik Lorentz, który uważnie śledził nowości i miał parę istotnych uwag. Surowy i poważny Max Planck, profesor najbardziej prestiżowej katedry w Niemczech (co wtedy znaczyło: najbardziej prestiżowej na świecie) – na uniwersytecie w Berlinie, pisał entuzjastycznie do Schrödingera:

Czytam pański artykuł tak, jak ciekawe dziecko, słuchające w napięciu rozwiązania zagadki, nad którą się długo głowiło, i cieszę się bardzo wszystkimi pięknościami, jakie tam dostrzegam, choć muszę go jeszcze dokładniej przestudiować, by wszystko z niego pojąć.

Kiedy w grudniu 1925 roku Schrödinger znalazł swe równanie, był to trzeci początek mechaniki kwantowej albo – jak wolał o tym mówić autor odkrycia – mechaniki falowej. Na pierwszy rzut oka nie miało to nic wspólnego z teorią Heisenberga, Borna, Jordana i Diraca. U Schrödingera nie było żadnych skoków kwantowych, żadnych wielkości macierzowych, nieprzemiennych iloczynów. Język był całkowicie klasyczny – była to matematyka drgań, dobrze już wówczas opracowana. W roku 1924 wyszła dwutomowa monografia Methoden der mathematischen Physik („Metody fizyki matematycznej”) zredagowana przez Richarda Couranta i innych matematyków z Getyngi na podstawie wykładów Davida Hilberta. Zawierała ona wiele materiału, który miał się okazać potrzebny fizykom za kilka lat. Jak na ironię metody Hilberta zastosowali pierwsi nie fizycy z grupy Maksa Borna, pracujący przecież głównie pod bokiem Hilberta w Getyndze, ale Erwin Schrödinger, outsider i naukowy samotnik. Fizycy z Getyngi zlekceważyli nawet wyraźną sugestię Hilberta w jednej z rozmów, że powinni poszukać równania różniczkowego, które opisuje skwantowane wartości energii. Nie próbowali iść tym tropem, przekonani, że ich mechanika kwantowa jest czymś całkowicie nowym i nie może się zawierać w książce sprzed paru lat. Źle przyjęli też pracę Schrödingera, która wydawała się recydywą fizyki klasycznej, odwrotem od kwantowej rewolucji spod sztandaru Heisenberga.

Fizycy klasyczni znali wiele przypadków drgań układów rozciągłych, czyli fal stojących. Są one np. podstawą wytwarzania dźwięku w instrumentach muzycznych takich, jak organy, flet, trąbka czy skrzypce. Wiadomo, że zamocowana na końcach struna drgać może tylko z określonymi ściśle częstościami: podstawową oraz jej wielokrotnościami. Rozważano różne bardziej skomplikowane możliwości, pisaliśmy tu o rówieśniku Einsteina, fizyku z Getyngi, Waltherze Ritzu. Idea Schrödingera polegała na tym, by wartości energii w atomie potraktować analogicznie do częstości dźwięku w pudle rezonansowym, stosując równanie falowe. Ma ono w przypadku trójwymiarowym postać:

gdzie jest prędkością fal. Jeśli przyjmiemy, że nasze fale są okresowe i mają częstość , możemy rozwiązania zapisać jako

Drugą pochodna po czasie jest ta sama funkcja wykładnicza pomnożona przez stałą. Wstawiając to do równania falowego, otrzymujemy tzw. równanie Helmholtza (który pod koniec XIX wieku był profesorem w Berlinie):

W równaniu tym skorzystaliśmy z tego, że . Droga Schrödingera do odkrycia była dość zawikłana. Związki de Broglie’a są relatywistyczne, naturalne wydawało się więc zapisanie równania relatywistycznego. Jednak kiedy spróbujemy je rozwiązać w najprostszym przypadku atomu wodoru, okazuje się, że dopuszczalne energie nie zgadzają się z tym, co wcześniej, w starej teorii kwantów obliczył Sommerfeld i co zgadzało się z doświadczeniem (szczegóły można znaleźć u L. Schiffa, Mechanika kwantowa, s. 409 i n.). Dwa lata później sytuacja się wyjaśniła: potrzebne tu jest równanie Diraca. Dwa lata w tamtej chwili rozwoju fizyki to było więcej niż epoka, Schrödinger znajdował się dopiero u początków tej drogi i nie mógł wiedzieć, co stanie się dalej. Rozsądnie zdecydował się więc na przybliżenie nierelatywistyczne, robiąc niejako krok wstecz w porównaniu do de Broglie’a. Nie pójdziemy tu jego drogą, a właściwie kilkoma różnymi drogami, jakimi próbował uzasadnić swe równanie. Wybierzemy podejście najprostsze zaproponowane pół roku później przez Maksa Borna – musimy jednak pamiętać, że nie jest to wyprowadzenie. Nie można bowiem wyprowadzić praw mechaniki kwantowej z praw klasycznych. Dla cząstki o masie i całkowitej energii możemy napisać równanie zachowania energii:

gdzie jest energią potencjalną (pierwszy składnik to zwykła energia kinetyczna). Jeśli wyznaczymy z ostatniego równania i wstawimy do równania Helmholtza, otrzymamy tzw. równanie Schrödingera bez czasu:

Chcąc np. opisać ruch elektronu wokół nieruchomego jądra atomowego o ładunku , należy wstawić do równania Schrödingera energię potencjalną postaci

czyli zwykłą energię potencjalną przyciągania elektrostatycznego dwóch ładunków oraz w odległości . Szukamy takich funkcji , które daleko od jądra zanikają. Okazuje się, że rozwiązania takie są możliwe tylko dla dyskretnych wartości energii równych

 Jest to wynik uzyskany w roku 1913 przez Bohra z założeń, które od początku wydawały się aktem rozpaczy, a nie solidną nauką. Równanie Schrödingera miało więc sens, choć nadal brakowało pewnych elementów do kompletnej teorii. Jednym z najważniejszych było znaczenie samej funkcji . Kiedy w piszczałce organowej czy w rurce fletu wytwarzany jest dźwięk, wiemy, co drga – jest to powietrze, które ściśnięte się rozpręża, a rozprężone wraca do początkowej gęstości. Co drga w atomie wodoru? Jakie jest znaczenie funkcji ? Co gorsza, okazało się, że powinna ona mieć wartości zespolone, z pewnością nie było to żadne proste drganie klasyczne. Geniusz Schrödingera ujawnił się i w tym, że nie próbował odpowiedzieć na wszystkie pytania naraz i pozwolił swoim ideom rozwijać się w czasie. Publikacje uczonego z pierwszego półrocza 1926 roku wystarczyły na Nagrodę Nobla i objęcie w roku 1927 katedry w Berlinie po odchodzącym na emeryturę Maksie Plancku.

Erwin Schrödinger, człowiek wszechstronnie wykształcony, o szerokich zainteresowaniach, całkowicie zaprzecza ascetycznej wizji uczonego, który nie ma czasu na nic oprócz nauki. Wydaje się wręcz, że jego pomysłowość przy stworzeniu słynnego równania szła w parze z gorączką miłosną. Praca ta powstała w uzdrowisku Arosa, gdzie wybrał się w towarzystwie do dziś nie znanej flamy. Jego małżeństwo należało do nowoczesnych i partnerzy pozostawiali sobie bardzo wielką swobodę. Były przecież lata dwudzieste: kobiety odsłoniły nogi, tańczono charlestona, wszyscy chcieli zapomnieć o koszmarze niedawnej wielkiej wojny.

 

 

 

 

 

Werner Heisenberg: pierwsza praca z mechaniki kwantowej (1925)

Dwudziestotrzyletni Heisenberg już od kilku lat był aktywnym uczonym zajmującym się fizyką teoretyczną atomu. Dwa lata wcześniej, po trzech latach studiów, zrobił doktorat w Monachium u Arnolda Sommerfelda, który pierwszy zwrócił uwagę na jego talent. Sommerfeld, aktywny uczestnik w rozwoju nowej dziedziny, miał dar przyciągania zdolnych studentów: czterech jego doktorantów otrzymało Nagrody Nobla, a wielu studentów i stażystów przewijających się przez jego instytut zyskało międzynarodową sławę. W latach dwudziestych Monachium traciło pomału pozycję na rzecz Getyngi, gdzie teoretykom przewodził Max Born. Mechanika kwantowa powstała w Getyndze, a także w Kopenhadze, dokąd Niels Bohr stale zapraszał młodych naukowców z całego świata. Heisenberg zdążył już spędzić długi staż u Bohra, wiosną roku 1925 pracowali tam intensywnie wraz ze starszym o półtora roku Wolfgangiem Paulim, który już wtedy stał się dla Heisenberga punktem odniesienia. Pauli zaczął pracę naukową zaraz po maturze publikacją na temat ogólnej teorii względności. Doktorat u Sommerfelda zrobił także po trzech latach studiów – w najkrótszym prawnie dopuszczalnym terminie. Napisał też w tym czasie długi, ponaddwustustronicowy artykuł przeglądowy na temat teorii względności, w którym omówiona została krytycznie cała literatura przedmiotu. Niezwykle utalentowany, Pauli znany był też z bezwzględnego atakowania prac, które uważał za bezwartościowe. W późniejszych latach słynne było jego powiedzenie o jakiejś słabej pracy: „to nawet nie jest błędne”.

Heisenberg w 1924 roku, podczas wykładu habilitacyjnego w Getyndze.

Chłopięco wyglądający Heisenberg zaangażowany był w ruch skautingowy, spędzał sporo czasu na wycieczkach z młodymi ludźmi. Panowała tam beztroska atmosfera braterstwa i wspólnego przeżywania przygód. Była to jednak organizacja stawiająca sobie cele paramilitarne. Werner Heisenberg wraz z kolegami odwiedzali np. regiony zamieszkane przez Niemców, a pozostające poza granicami Rzeszy, jak np. Górny Tyrol, Finlandia, gdzie było trochę niemieckich emigrantów, a także niektóre tereny Węgier i Polski. W przypadku Heisenberga chodziło chyba raczej o młodzieńczą przygodę, a także odskocznię od intensywnej pracy naukowej. Nie był zwolennikiem skrajnej prawicy, starał się być apolityczny, choć można o nim chyba powiedzieć, że był nacjonalistą. Podczas II wojny światowej nie widział nic niewłaściwego w wizytach w okupowanej Kopenhadze czy Krakowie. Zamiłowanie Heisenberga do spędzania czasu  wyłącznie w męskim towarzystwie wydało się potem podejrzane, gdy jego biografii zaczęło przyglądać się SS. Nie doszukali się jednak niczego nieobyczajnego, do tej pory zresztą uczony miał już żonę i powiększającą się gromadkę dzieci.

Niels Bohr stał się dla młodego Wernera nie tylko mentorem, ale także wzorem i duchowym ojcem. Z prawdziwym ojcem Augustem Heisenbergiem, profesorem bizantynistyki w Monachium, Werner miał stosunki dość napięte. Jak się zdaje, ojciec nie wierzył w jego talent, a może w ogóle w fizykę teoretyczną, która wciąż uchodziła za coś mniej solidnego niż prowadzenie eksperymentów. Werner jako nastolatek chciał zostać pianistą, fizykę wybrał dość późno. August źle reagował na złe wieści o synu, kiedy np. dowiedział się, że Werner ledwo zdał egzamin doktorski. Egzaminatorów było dwóch: teoretyk Sommerfeld oraz eksperymentator Willy Wien. Ten drugi szybko wykrył braki w wiedzy młodego człowieka, który nie potrafił obliczyć zdolności rozdzielczej mikroskopu ani powiedzieć, jak działa ogniwo elektryczne (cztery lata później mikroskop pojawi się w pracy Heisenberga na temat zasady nieoznaczoności). Wien dopiero po dyskusji z Sommerfeldem zgodził się przepuścić Heisenberga, ale jego ocena końcowa była słaba: cum laude (można było otrzymać doktorat summa cum laude, magno cum laude, cum laude i bez żadnego dodatkowego określenia). Wien w senacie uniwersytetu spotykał się z profesorem Heisenbergiem i nie omieszkał się poskarżyć. Werner potrzebował pomocy finansowej, ponieważ nie od razu uzyskał płatną posadę. Ojciec napisał do Borna, pytając o perspektywy naukowe syna. Prosił też Jamesa Francka, eksperymentatora z Getyngi, przyszłego noblistę, aby umożliwił Wernerowi pracę w swoim laboratorium. Franck się zgodził, ale niewiele z tego wyszło i Werner wrócił do pracy teoretyka. Bohr, skracający dystans, biorący udział we wspólnych wycieczkach z młodymi ludźmi, a także zapraszający ich do domu, stał się Heisenbergowi bardzo bliski zarówno pod względem naukowym, jak i prywatnym.

Co ciekawe, najważniejszą swą pracę naukową Heisenberg napisał z dala od Bohra i Pauliego, nie zwierzając się także Maksowi Bornowi. Jak się zdaje, Bohr przy całej swej życzliwości wywierał silną presję na otoczenie, co nie zawsze służyło młodszym, mniej asertywnym uczonym. W kwietniu 1925 roku Heisenberg dostał silnego ataku kataru siennego i wyjechał na wyspę Helgoland, gdzie nie było roślin i w związku z tym pyłku w powietrzu. Tam zdał sobie sprawę, że jedna z ostatnich prac Bohra jest błędna (chodziło w niej o podważenie zasady zachowania energii, tzw. praca BKS). Odbyło się to w scenerii godnej obrazów Caspara Friedricha, Werner spędził noc duchowych zmagań na skalistym wybrzeżu, czekając na wschód słońca. Udało mu się znaleźć nową metodę postępowania, zastosował ją do prostych przypadków. Nie był jednak pewny, czy jest na dobrym tropie. Po powrocie z Helgolandu wręczył gotową pracę Bornowi, pytając o opinię. Do ojca pisał w tym czasie: „Moja własna praca nie idzie w tej chwili najlepiej. Nie uzyskuję zbyt wielu rezultatów i nie wiem, czy w tym semestrze wyjdzie z tego następny artykuł”.

Max Born zadecydował, że pracę trzeba opublikować, mimo że nie rozumiał jej do końca. Pisał w lipcu 1925 roku do Alberta Einsteina: „Moi młodzi ludzie: [Werner] Heisenberg, [Pascual] Jordan, [Friedrich] Hund są znakomici. Muszę się czasem poważnie wysilić, aby nadążyć za ich rozważaniami. Wprost bajecznie opanowali tak zwaną zoologię termów. Najnowsza praca Heisenberga, która się niebawem ukaże, wygląda bardzo mistycznie, ale jest prawdziwa i głęboka”. Heisenberg po jej napisaniu wyjechał do Cambridge, a później do Kopenhagi. W tym czasie Born wraz z Jordanem starali się zrozumieć, co właściwie Heisenberg zaproponował. Okazało się, że jest to decydujący krok w oderwaniu się od tzw. starej teorii kwantów, czyli fizyki klasycznej z kwantowymi dodatkami, jak model atomu Bohra – gdzie orbity elektronów są obliczane klasycznie, tak jak orbity planet, a do tego dokłada się warunek kwantowania, mówiący, jakie orbity są dozwolone. Problemem tego modelu i jego późniejszych coraz bardziej wyrafinowanych matematycznie ulepszeń była wewnętrzna sprzeczność: w fizyce klasycznej niemożliwe są stabilne orbity elektronów. Cały obraz atomu jako kłębowiska orbit elektronowych jest fałszywy. Stawało się to coraz bardziej widoczne przed rokiem 1925.

Heisenberg postanowił z konieczności zrobić cnotę: Nie powinniśmy w ogóle wyobrażać sobie żadnych orbit, nikt nie zaobserwował elektronu na orbicie i nie ma sensu mówić tutaj o ruchu w sposób klasyczny. Należy ograniczyć się do wielkości, które są możliwe do zaobserwowania w doświadczeniach, porzucając spekulacje na temat ruchu elektronu w atomie. Trzeba zmienić fizykę na poziomie kinematyki: nie można opisywać ruchu elektronu tak, jak ruchu kamienia czy innego obiektu makroskopowego. Powoływał się przy tym na podejście Einsteina, który zwracał w teorii względności uwagę, że aby np. mówić o równoczesności, należy podać metodę eksperymentalnego rozstrzygnięcia, czy dane zdarzenia są równoczesne. Metodologia tego rodzaju niekoniecznie sprawdza się w budowaniu teorii fizycznych, ale Heisenbergowi w tamtym momencie pomogła.

Podstawową informacją na temat atomów były linie widmowe. Atom promieniuje fale elektromagnetyczne o pewnych określonych częstościach. Najprostszym układem, który wysyła taką falę, jest drgający elektron. Aby mieć układ drgający należy wyobrazić sobie, że na elektron działa siła zależna od wychylenia, tak jakby nasz elektron był na sprężynie. Jednowymiarowy układ tego rodzaju jest najprostszym oscylatorem (masa na sprężynie, innym przykładem jest wahadło). Do opisania fal emitowanych przez oscylatory atomowe w przypadku klasycznym możemy zastosować analizę Fouriera. Współrzędna naszego oscylatora (o częstości kołowej ) jest funkcją okresową, można ją więc przedstawić jako sumę sinusów i cosinusów:

Dwa ciągi liczb rzeczywistych określają jednoznacznie funkcję. Możemy także zapisać tę sumę krócej w postaci zespolonej:

gdzie korzystamy ze wzoru Eulera: . Z punktu widzenia fizyki ważna jest nie tylko częstość, ale także amplituda drgań. Wypromieniowywana przez oscylator moc jest proporcjonalna do kwadratu amplitudy, czyli sumy .

Heisenberg uznał, że zamiast budować model atomu, w którym elektron jakoś się porusza, należy skupić się na wielkościach możliwych do zaobserwowania, czyli częstościach i kwadratach amplitudy.

Przeanalizował następnie, w jaki sposób buduje się kwadrat . Zgodnie z naszym rozwinięciem w szereg Fouriera kwadrat funkcji będzie równy

Wyrażenie to ma postać rozwinięcia Fouriera, jeśli wprowadzimy nową nazwę indeksu , to nasz kwadrat można zapisać następująco:

Wyrażenie w nawiasie mówi nam, jak otrzymać rozwinięcie fourierowskie kwadratu funkcji:

Inaczej mówiąc, aby otrzymać wyraz o częstości , musimy wysumować wszystkie iloczyny , w których suma częstości jest równa .

Następnie, i to był najważniejszy pomysł pracy, zastanowił się Heisenberg nad tym, co powinno zastąpić rozwinięcie fourierowskie w sytuacji kwantowej. Pojawia się wtedy oczywiście wiele różnych częstości, nie można przyjąć, że są one wielokrotnością jednej tylko częstości . Co więcej, częstości zależą teraz od dwóch wskaźników:

jest to warunek Bohra, będący w istocie zasadą zachowania energii ( jest stałą Plancka podzieloną przez ). Można więc uznać, że teraz potrzebujemy także amplitud zależnych od dwóch wskaźników. Współrzędna naszego oscylatora powinna być jakoś reprezentowana przez zbiór owych amplitud:

Nie powinniśmy teraz liczyć na to, że jest sumą takich wyrazów, raczej mówimy o pewnym zbiorze, który reprezentuje współrzędną w mechanice kwantowej, Heisenberg był tu nieprecyzyjny, bo prawdopodobnie nie potrafił lepiej tego wyrazić.

Czym będzie w takim razie kwadrat współrzędnej albo – co ciekawsze – iloczyn dwóch współrzędnych oraz ? Mówimy o tym samym układzie, którego zestaw energii, a więc i częstości, jest ustalony. Jeśli także dane będzie podobnym zestawem co powyżej, to iloczynowi powinien odpowiadać zbiór

gdzie

Zauważmy, że definicja ta daje prawidłowy czynnik wykładniczy:

gdyż korzystając z (**), otrzymujemy:

Definicja z ramki okazała się najważniejszym wynikiem tej przełomowej pracy Heisenberga. Zauważył on natychmiast, że przy takiej definicji , czyli mnożenie dwóch wielkości będzie na ogół nieprzemienne.

Potrzebował jeszcze warunku kwantowania, uzyskał go w dość skomplikowanej postaci. Następnie zastosował wynaleziony formalizm do przypadku oscylatora anharmonicznego, tzn. gdy siła oprócz składnika proporcjonalnego do wychylenia zawiera także poprawkę kwadratową w wychyleniu. Nie będziemy powtarzać jego rachunków, pokażemy tylko, co stało się w następnym miesiącu.

Otóż w czasie gdy Heisenberg wojażował, Born wraz z Jordanem (młodszym o rok od Heisenberga, a więc mającym dwadzieścia dwa lata!) przyjrzeli się jego pracy z bardziej matematycznego punktu widzenia. Max Born skojarzył po kilku dniach, że widział już kiedyś takie mnożenie jak w ramce. Było to jeszcze na studiach we Wrocławiu, a chodziło o mnożenie macierzy. Wielkości Heisenberga były po prostu macierzami. Zauważyli też obaj, że ów skomplikowany warunek Heisenberga można macierzowo zapisać jako

gdzie były macierzami położenia i pędu, a macierzą jednostkową. Wielkości kwantowomechaniczne były więc macierzami i to takimi, które nie komutują. Od komutowania dzieli je niewiele, bo tylko stała Plancka – znaczy to, że w wielu sytuacjach różnica ta będzie nie do wykrycia, gdyż stała Plancka jest mała w zwykłych jednostkach (ujmując to inaczej, to nasze, dostosowane do ludzkiego ciała, jednostki są ogromne w skali atomowej, bo my sami składamy się z ogromnej liczby atomów).

Trudno dziś uwierzyć, że Max Born, matematyk z wykształcenia, dawny asystent Hermanna Minkowskiego, musiał wygrzebywać z zakamarków pamięci definicję mnożenia macierzy. Algebra liniowa przez ostatnie sto lat stała się dziedziną bardzo podstawową i uczy się jej powszechnie, nie tylko ze względu na mechanikę kwantową, ale także różne bardziej przyziemne zastosowania, np. w statystyce.

Najprostszym zastosowaniem mechaniki macierzowej jest oscylator harmoniczny. Jego energia ma postać:

(gdzie to masa oscylatora), a równanie ruchu (odpowiednik równania Newtona):

Wyrażenia mają tę samą postać co w mechanice klasycznej (kropki oznaczają pochodną po czasie), ale wszystkie wielkości są teraz macierzami. Nietrudno znaleźć postać macierzy . Można wybrać ją jako macierz symetryczną: i jedyne nieznikające wyrazy równe są

Macierz energii (zwana hamiltonianem) staje się diagonalna, tzn. nie znikają jedynie wyrazy z jednakowymi wskaźnikami:

Nasze macierze są nieskończone, gdyż oscylator ma nieskończenie wiele stanów wzbudzonych. Całe obliczenie znaleźć można w klasycznej książce L.D. Landaua i E.M. Lifszyca, Mechanika kwantowa.

Mechanikę kwantową rozwijali ludzie młodzi pod kierunkiem starszych oraz Erwin Schrödinger. Isnieje dość zabawne zdjęcie z uroczystości noblowskich w roku 1933, gdy twórcy mechaniki kwantowej odbierali swoje nagrody. Mamy tam Diraca i Heisenberga z matkami oraz Schrödingera z żoną. Ten ostatni, już po czterdziestce, mógł być niemalże ojcem młodszych laureatów.

Warto dodać może parę słów o Pacualu Jordanie. Był potomkiem hiszpańskiego oficera wojsk napoleońskich i zawziętym nacjonalistą, a także nazistą. W roku 1933 Born z racji żydowskiego pochodzenia był już na emigracji, Getynga wyglądała zupełnie inaczej. Jordan, który brał od początku udział w powstaniu mechaniki kwantowej, współtworzył także równolegle do Paula Diraca kwantową teorię pola, czyli relatywistyczną mechanikę kwantową. Gdyby nie nazistowskie sympatie, z pewnością zostałby laureatem Nagrody Nobla. Z czysto naukowego punktu widzenia należała mu się ona, choć trudno nie podzielać wątpliwości szwedzkiego komitetu, że przyznanie nagrody w takich okolicznościach byłoby złym sygnałem dla świata.

 

 

P.A.M. Dirac i jego równanie (1927-1928)

Paul Dirac znany był z powściągliwej małomówności i z tego, że nie wdaje się w grzecznościowe pogaduszki. Richard Feynman opowiadał, że kiedy spotkał po raz pierwszy Paula Diraca na jakiejś konferencji, to po długiej chwili milczenia starszy uczony rzekł: „Mam równanie. Czy pan także?”

Rozmaite wypowiedzi Diraca cytowane są często jako żarty, gdyż brzmią z pozoru absurdalnie. Paul Adrien Maurice Dirac sprawiał wrażenie postaci beckettowskiej: chudy, z długimi kończynami i wielkimi stopami, nie okazujący emocji, porozumiewający się pełnymi zdaniami (ponieważ nie wolno zacząć zdania, jeśli się nie wie, jak je zakończyć), myślący w kategoriach logicznych i matematycznych, a nie emocjonalnych czy etycznych. Jego przyjaciel Charles Galton Darwin, fizyk, wnuk twórcy teorii ewolucji, dopiero po kilku latach znajomości z Dirakiem odważył się zapytać, co właściwie znaczą inicjały P.A.M. przed jego nazwiskiem. Po przeczytaniu Zbrodni i kary Dostojewskiego Dirac miał tylko jedną uwagę, i to raczej techniczną niż etyczną czy psychologiczną: otóż w książce słońce wschodzi dwukrotnie tego samego dnia.

Anegdota z równaniem mówi sporo o obu rozmówcach. Dirac cenił konkrety, lubił np. słuchać wielogodzinnych monologów Nielsa Bohra, ale wątpił, czy coś z nich wyniósł, ponieważ prawie wcale nie było w nich równań. Toteż cenił sobie niewątpliwie fakt, iż odkrył jedno z fundamentalnych równań przyrody, które stosuje się do wszystkich cząstek o spinie ½: a więc elektronów, protonów, nieodkrytych jeszcze wtedy neutronów oraz kwarków, z których nukleony się składają. Feynman pozostawił po sobie wprawdzie całki Feynmana, diagramy Feynmana i wiele innych osiągnięć, nie odkrył jednak nigdy żadnego fundamentalnego prawa przyrody i jak się zdaje jego ambicja cierpiała z tego powodu.

Jesienią 1927 roku Paul Dirac, młodzieniec zaledwie dwudziestopięcioletni, zaproszony został na Kongres Solvaya do Brukseli. Była to konferencja bardzo elitarna, gromadząca obecne i przyszłe znakomitości naukowe. Na pamiątkowym zdjęciu siedzi w samym środku za Einsteinem, wiemy, że bardzo był dumny z tej fotografii i posłał ją na swój macierzysty uniwersytet w Bristolu. Niewykluczone, że specjalnie usiadł za Einsteinem, jego teorię względności podziwiał bowiem od lat i poznał, zanim jeszcze zajął się fizyką atomową – jak to wtedy mówiono, czyli fizyką mikroświata. Najważniejsze postacie na tym zdjęciu to Niels Bohr i Max Born, przywódcy i patroni całego ruchu kwantowej odnowy w fizyce. W Kopenhadze i Getyndze tworzyły się zasady nowej mechaniki. Zaczęła ją praca Wernera Heisenberga z 1925 roku. Niedługo później dołączyli Born i Pascual Jordan.

Od jesieni 1925 roku mechanikę kwantową współtworzył też Paul Dirac. Był studentem Ralpha Fowlera w Cambridge. Fowler rozpoznał jego niebywały talent: młody inżynier elektryk i absolwent studiów drugiego stopnia z matematyki na uniwersytecie w Bristolu dostał stypendium do Cambridge i błyskawicznie uzupełnił braki z fizyki, nie tylko najnowszej, nie znał np. dotąd równań Maxwella. Fowler miał znakomite kontakty i chyba one przydały się Diracowi najbardziej. Młody uczony otrzymał od niego jeszcze przed drukiem korekty artykułu Heisenberga i zrozumiał ich znaczenie. Kiedy niedługo później opublikował swoją pierwszą pracę na temat mechaniki kwantowej, Max Born zdumiony był, że pojawił się ktoś spoza wąskiej grupy znanych mu ludzi pracujących w tej dziedzinie i w dodatku jego osiągnięcia są porównywalne do tego, co udało się stworzyć w Getyndze i Kopenhadze. Dirac, równieśnik Jordana, miał dwadzieścia trzy lata, pół roku mniej niż Heisenberg i dwa lata mniej niż Wolfgang Pauli. Pracował nad doktoratem. Dzięki Fowlerowi jego prace szybko się ukazywały w „Proceedings of the Royal Society”, a czas bardzo się wtedy liczył. Dirac zaczął korespondować z Hiesenbergiem, który od razu poczuł ogromny respekt do brytyjskiego kolegi. Po doktoracie wyjechał do Kopenhagi i Getyngi. Poznał wielu fizyków, ale nie zmienił swej metody pracy: przez sześć dni w tygodniu intensywne myślenie od rana do obiadu, w niedziele piesze wycieczki. Nie współpracował też z nikim, przez całe życie pracował sam, uważając, że tak jest najlepiej, bo ważne idee są zawsze dziełem konkretnego człowieka, nie zespołu.

Tak więc po dwóch latach swej naukowej kariery Dirac znalazł się w elitarnym gronie na Konferencji Solvaya. Przeszła ona do historii za sprawą dyskusji Bohra z Einsteinem, który nie potrafił się pogodzić z probabilistycznym charakterem nowej mechaniki – można w niej obliczać i przewidywać jedynie prawdopodobieństwa zdarzeń. To w trakcie jednej z takich dyskusji padły słynne słowa: „Bóg nie gra w kości”. W mechanice kwantowej zrezygnować trzeba także z pełnej wiedzy o zjawiskach w mikroświecie: im dokładniej zmierzymy położenie elektronu, tym mniej będziemy wiedzieli na temat jego pędu. Dirac zupełnie nie interesował się sporami filozoficznymi na temat podstaw mechaniki kwantowej. Dla niego była to piękna teoria, do której zbudowania się przyczynił, fascynowała go matematyczna elegancja całego obrazu, napisał zresztą niedługo później słynną książkę The Principles of Quantum Mechanics, przedstawiającą całą tę konstrukcję w niezrównany klarowny, choć też niezwykle zwięzły sposób.

Jesienią 1927 roku Paul Dirac pragnął odkryć swoje równanie. Chodziło o rozwiązanie zagadnienia elektronu w sposób zgodny z teorią względności Einsteina. Z problemem tym pierwszy zetknął się w roku 1925 Erwin Schrödinger, drugi outsider fizyki kwantowej, pracujący w Zurychu. Wiadomo było, że cząstki takie jak elektron związane są z pewnymi wielkościami falowymi. Schrödinger przyjął, że stan elektronu opisywany jest pewną funkcją położenia i czasu . Funkcja ta spełniać musi równanie o postaci

gdzie jest pewnym operatorem działającym na funkcję. Najłatwiej wyjaśnić to na przykładach. Operatorem takim jest np. mnożenie przez którąś ze współrzędnych, np. . Wynikiem działania tego operatora jest nowa funkcja równa . Innym operatorem jest różniczkowanie, np. po zmiennej x. Wynikiem działania tego operatora jest wówczas . Innym przykładem operatora jest pochodna po czasie z lewej strony równania Schrödingera. Za każdym razem tworzymy z wyjściowej funkcji jakąś nową funkcję. Operator zwany hamiltonianem (albo operatorem Hamiltona) jest kwantową wersją wyrażenia na energię cząstki. Jeśli np. energia cząstki o masie składa się z energii kinetycznej i potencjalnej , to możemy ją zapisać w postaci

Kwantowy operator Hamiltona będzie wówczas równy

Operator jest po prostu operatorem mnożenia, energię kinetyczną konstruujemy z pędu za pomocą podstawienia

i analogicznie dla pozostałych współrzędnych. Równanie Schrödingera (*) jest podstawowym prawem mechaniki kwantowej. Rozwiązując je, dowiadujemy się, w jaki spośob zmienia się funkcja falowa, a więc stan naszego elektronu. Najprostszym możliwym rozwiązaniem tego równania w przypadku cząstki swobodnej (tzn. gdy ) jest funkcja opisującą falę:

gdzie oraz są parametrami liczbowymi. Łatwo sprawdzić, że różniczkowanie tej funkcji sprowadza się do mnożenia przez odpowiedni czynnik i ostatecznie równanie Schrödingera da nam warunek:

jak powinno być dla cząstki swobodnej i parametry są składowymi pędu oraz energią cząstki. Zbudowaliśmy stan o określonej energii i jednocześnie określonym pędzie. Jasne jest, że przyjmujemy tu energię kinetyczną w postaci newtonowskiej, a więc nierelatywistycznej.

Erwin Schrödinger początkowo poszukiwał równania relatywistycznego dla swojej funkcji i nawet takie równanie znalazł. Ma ono następującą postać w przypadku swobodnym:

Podstawiając do niego funkcję (**), otrzymamy równanie

a więc prawidłowy związek energii i pędu dla cząstki o masie w teorii względności. Oczywiście równanie dla cząstki swobodnej niewiele znaczy, interesujące są przypadki, gdy mamy pewien potencjał , np. gdy elektron porusza się w polu elektrostatycznym nieruchomego protonu. Jest to prawie atom wodoru (prawie – ponieważ w prawdziwym atomie wodoru proton, choć znacznie masywniejszy, może też się poruszać). Nietrudno równanie Kleina-Gordona rozszerzyć tak, aby zawierało zewnętrzne pole elektromagnetyczne. Wiadomo było jednak, że elektron ma spin, co sprawia, że jego stany są podwojone i np. w polu magnetycznym ta różnica się ujawnia jako rozszczepienie linii widmowych (efekt Zeemana). Czemu więc Schrödinger nie opublikował tego równania, które dziś nazywa się równaniem Kleina-Gordona? Schrödinger uznał, że trzeba ograniczyć się na początek do równania nierelatywistycznego i opublikował równanie (*) zastosowane m.in. do atomu wodoru. Nie jest jasne, czy chodziło mu o brak spinu, czy może dostrzegł inne trudności z rozwiązaniami równania Kleina-Gordona.

Z punktu widzenia Diraca równanie Kleina-Gordona nie było rozwiązaniem problemu elektronu. Owszem, relatywistyczny związek między energią i pędem cząstki był spełniony, ale równanie zawierało drugą pochodną czasową, a nie pierwszą jak równanie Schrödingera. Zdaniem Diraca równanie podstawowe powinno być pierwszego rzędu w czasie, tak aby wartości funkcji falowej w danej chwili determinowały jej wartości w przyszłości (w przypadku równania drugiego rzędu należy znać jeszcze wartości pochodnych czasowych). Jak pogodzić to z relatywistyczną postacią energii? Hamiltonian powinien mieć postać:

Oczywiście, wyciąganie pierwiastka kwadratowego z laplasjanu nie jest operacją standardową. Inżyniersko nastawiony do matematyki Paul Dirac, nieodrodny spadkobierca Olivera Heaviside’a, nie zamierzał się poddawać z tak trywialnego powodu. Równanie dla cząstki swobodnej powinno być pierwszego rzędu w czasie, w teorii względności znaczy to, że powinno być także pierwszego rzędu w pochodnych przestrzennych – poniważ przestrzeń i czas są symetryczne u Einsteina. Należy więc szukać równania postaci

gdzie sumujemy po wskaźnikach czasoprzestrzennych oraz . Żądamy, aby nie zależały od czasu ani współrzędnych przestrzennych, a także aby dwukrotne zastosowanie operatora po lewej stronie dało nam , jak w równaniu Kleina-Gordona – wtedy relatywistyczny związek energii i pędu będzie spełniony. Łatwo zauważyć, że stanie się tak, jeśli

gdzie jest metryką czasoprzestrzeni Minkowskiego. Jakimi obiektami muszą być owe cztery ? Mają one antykomutować ze sobą, czyli ich iloczyn zmienia znak przy przestawieniu, a kwadraty mają być równe . Dirac odkrył, że muszą być macierzami 4×4, a więc funkcja musi zawierać cztery składowe:

Inaczej mówiąc, równanie (***) jest układem czterech równań liniowych o stałych współczynnikach. Zaraz po Nowym Roku 1928 Ralph Fowler przekazał pracę do druku i miesiąc później się ukazała. Po miesiącu Dirac uzupełnił ją o drugą część. Mógł być teraz pewien: miał swoje równanie.

Dirac zaczął sprawdzać konsekwencje odkrytego równania. Okazało się, że zawiera ono informację o stanach spinowych elektronu. Co więcej, spinowy moment pędu okazywał się równy , a moment magnetyczny równy dokładnie magnetonowi Bohra. Znaczyło to, że w tym przypadku stosunek momentu magnetycznego do momentu pędu jest dwukrotnie większy niż dla orbitalnego momentu pędu, co potwierdzały eksperymenty (Nb. w roku 1915 Albert Einstein i Wander de Haas, zięć Hendrika Lorentza, przegapili okazję do pierwszorzędnego odkrycia doświadczalnego, zmierzyli bowiem ten stosunek i wyszedł im taki, jak oczekiwali, ale dwa razy mniejszy niż w rzeczywistości). Równanie elektronu Diraca w polu kulombowskim odtwarzało znane wyniki dla energii uzyskane wcześniej przez Arnolda Sommerfelda za pomocą relatywistycznej wersji modelu Bohra (model Bohra-Sommerfelda).

Co z czterema składowymi funkcji falowej? Potrzebne były dwie składowe do opisania spinu, ale cztery? Równanie Diraca zawiera rozwiązania zarówno dla energii dodatniej , jak i . Paul Dirac zauważył też, że rozwiązania te stwarzają realny problem: energia elektronu nie jest bowiem ograniczona z dołu, a to w przypadku układu kwantowego znaczy, że prędzej czy później powinien on przejść do stanu o niższej energii. W mechanice kwantowej panuje skrajny liberalizm: wszystko, co nie jest zabronione, jest dozwolone i się kiedyś zdarzy. Jedynym wyjściem wydawało się znaleźć jakiś zakaz, który musiałby być naruszany podczas takiego przejścia. Dwa lata później Dirac zaproponował, że stany o ujemnej energii są zajęte, więc ponieważ elektrony podlegają zakazowi Pauliego, zwykle nie ma takich przejść. Możliwe jest wzbudzenie elektronu z ujemną energią do stanu z energią dodatnią, pozostawi on dziurę, która będzie się zachowywać jak cząstka o takiej samej masie, lecz dodatnia. Otrzymujemy w ten sposób parę elektron i antyelektron. W 1932 roku cząstka taka została odkryta i nazwana pozytonem. Nic więc dziwnego, że już w roku następnym P.A.M. Dirac otrzymał Nagrodę Nobla (po połowie ze Schrödingerem). Inne wyjaśnienie dla rozwiązań o energii ujemnej podał później Richard Feynman: u niego pozytony są elektronami, które poruszają się wstecz w czasie, zamiast energii zmienia się znak czasu. Współczesna kwantowa teoria pola nie potrzebuje takich obrazów, wprowadza się w niej przestrzeń stanów bogatszą niż w mechanice kwantowej, gdyż pojawia się możliwość procesów kreacji oraz anihliacji par. Równanie Diraca obowiązuje nadal, lecz zamiast funkcji falowej mamy operator pola, obiekt jeszcze nieco bardziej abstrakcyjny.

Znakomitą biografię Diraca napisał Graham Farmelo, została ona jednak całkiem popsuta w polskim przekładzie, który językowo jest poniżej wszelkiej krytyki. Szkoda, bo pewnie nieprędko pojawi się drugie wydanie.