Oscylator kwantowy: Paul Dirac i inni (1929-1930)

Mechanika kwantowa wprowadziła rewolucyjnie nowe pojęcie stanu układu fizycznego. Klasycznie stan układu znamy, gdy dane są jego położenie i pęd w pewnej chwili. Na tej podstawie możemy obliczyć przyszłe położenia i pędy (albo i przeszłe – mechanika jest symetryczna wobec zmiany strzałki czasu). Np. znając dziesiejsze położenie i pęd planety, możemy obliczyć, gdzie znajdzie się ona za sto lat albo gdzie była, powiedzmy, w czasach Keplera. Stan układu to punkt w przestrzeni polożeń q i pędów p. Ewolucja w czasie to ruch tego punktu w owej przestrzeni fazowej.

Mechanika kwantowa zastępuje klasyczną na poziomie mikroświata. Zupełnie jednak zmienia się pojęcie stanu układu. Stanem jest teraz nie punkt, lecz wektor, a właściwie cały promień, to znaczy wektor pomnożony przez dowoloną liczbę. Przestrzeń stanów (wektorów) umożliwia dodawanie dwóch stanów. Operacja taka nie miałaby sensu w mechanice klasycznej: bo niby jak mamy dodać do siebie położenie Marsa i położenie Jowisza? Co taka suma miałaby oznaczać? W mechanice kwantowej obowiązuje zasada superpozycji, czyli dodawania stanów.

Wikipedia: Double-slit experiment

Kiedy np. przepuszczamy elektron przez przesłonę z dwiema szczelinami, jego stan kwantowy będzie sumą stanu elektronu, który przeszedł przez szczelinę nr 1 oraz stanu elektronu, który przeszedł przez szczelinę nr 2. Stosując zapis wprowadzony przez Paula Diraca w 1939 roku, możemy to zapisać jako

|\varphi\rangle=| \varphi_1\rangle+| \varphi_2\rangle.

Fizycznie znaczy to, że nasz elektron trochę przeszedł przez szczelinę nr 1, a trochę przez szczelinę nr 2. Jego stan jest superpozycją dwóch stanów. Gdybyśmy chcieli wyznaczyć prawdopodobieństwo, że w jakimś punkcie ekranu x zarejestrujemy nasz elektron, należałoby obliczyć iloczyn skalarny z wektorem przedstawiającym elektron w x:

\langle x | \varphi \rangle=\langle x| \varphi_1\rangle+ \langle x| \varphi_2\rangle.

Zapis Diraca wziął się z rozłożenia nawiasu kątowego na dwie części: nazywa się je wektorem bra i ket (od angielskiego: bracket). Z pomnożenia skalarnego dwóch wektorów otrzymujemy liczbę (prędzej czy później będziemy potrzebowali liczb, jeśli teoria ma coś przewidywać ilościowo). Powyższy zapis Diraca można też zastąpić bardziej konwencjonalnym sumowaniem funkcji:

\varphi(x)=\varphi_1(x)+\varphi_2(x).

Wartość funkcji falowej w danym punkcie x można traktować jako składową wektora \varphi. Zapis Diraca \langle a|b\rangle pozwala nam patrzeć na funkcję jako iloczyn skalarny dwóch wektorów, jeszcze wygodniej jest często operować samymi wektorami stanu: nie precyzujemy wówczas, co chcielibyśmy mierzyć (może np. zamiast położenia, wolelibyśmy pędy – pierwsza forma zapisu  tego nie przesądza.

Mamy zatem abstrakcyjne wektory stanu i iloczyn skalarny. Wartości tego iloczynu skalarnego są na ogół zespolone, inaczej mówiąc, funkcje falowe są zespolone (*). Nie mogą one mieć bezpośredniego sensu fizycznego. Sens taki mają natomiast kwadraty ich modułów: |\varphi(x)|^2 daje nam prawdopodobieństwo zarejestrowania elektronu w punkcie x (dokładniej: gęstość prawdopodobieństwa, bo współrzędna przyjmuje dowolne wartości rzeczywiste). Tam gdzie prawdopodobieństwo jest duże, elektrony będą częściej trafiały, gdy zbierze się dostateczna statystyka, będziemy mogli zaobserwować, że „trafienia” układają się w prążki interferencyjne. Wynik jest taki, jakby dwie fale nakładały się na siebie.

Obrazki powyżej pochodzą z rzeczywistego doświadczenia Akira Tonomury, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 102 (2005) 14952-14959. Liczba elektronów wzrasta od 10 do 140 000, widzimy, jak uwidaczniają się prążki interferencyjne. W doświadczeniu tym elektrony przepuszczane były pojedynczo, wiemy więc, że każdy elektron interferuje niejako sam z sobą, nie jest to skutek jakichś oddziaływań między nimi. Ze względów technicznych doświadczenie to przeprowadzone było stosunkowo niedawno, ale że wynik musi być właśnie taki, zdawali sobie sprawę już pierwsi badacze mechaniki kwantowej: Heisenberg, Born, Jordan, Dirac. W 1927 r. Lester Germer i Clinton Davisson oraz niezależnie George Paget Thomson zaobserwowali dyfrakcję elektronów, za co otrzymali Nagrodę Nobla (G.P. Thomson był synem J.J. Thomsona, który odkrył elektron, mówiono, że ojciec dostał Nagrodę Nobla za odkrycie, iż elektron jest cząstką, a syn – za odkrycie, że elektron jest falą). Oczywiście, elektron (podobnie jak np. foton) jest cząstką, do opisu której musimy stosować mechanikę kwantową.

Tak więc choć dodawanie stanów wydaje się abstrakcyjne, to w istocie jest obserwowane w eksperymentach. Skoro stany są wektorami i można je dodawać oraz mnożyć przez liczbę, to naturalnym rodzajem przekształceń takiej przestrzeni są operatory liniowe, czyli odwzorowania przypisujące każdemu wektorowi |\varphi \rangle jakiś inny wektor: A |\varphi \rangle, przy czym

A(\lambda_1 | \varphi_1\rangle+\lambda_2 |\varphi_2\rangle)=\lambda_1 A |\varphi_1\rangle+\lambda_2 A |\varphi_2\rangle,

gdzie \lambda_1,\lambda_2 są dowolnymi liczbami. Operatory takie w mechanice kwantowej zastępują wielkości fizyczne, które można mierzyć: mamy więc operatory pędu, położenia, energii itd. W jaki sposób formalizm ten pozwala otrzymywać w pewnych sytuacjach skwantowane wartości np. energii? Operator wielkości A działając na pewne odpowiednio wybrane wektory daje bardzo prosty wynik: mnoży wektor wyjściowy przez liczbę. Np.

A |\varphi_a\rangle=a|\varphi_a\rangle,

co zwykle zapisuje się krócej:

A|a\rangle =a|a\rangle.

Litera a oznacza wartość wielkości fizycznej, a więc powinna to być liczba rzeczywista, a przynależny jej stan |a\rangle jest wektorem. Mówi się, że jest to wektor własny, a wartość nazywamy wartością własną. Z doświadczalnego punktu widzenia, gdy układ jest w stanie własnym, to wynikiem pomiaru owej wielkości jest na pewno a. Przestrzeń stanów jest nieskończenie wymiarowa i może zawierać wiele różnych wektorów odpowiadających różnym wartościom własnym. Może się np. okazać, że tylko pewien dyskretny zbiór wartości jest dopuszczalny – i wtedy właśnie wielkość fizyczna się kwantuje.

Pokażemy, jak formalizm ten działa w przypadku oscylatora harmonicznego. Jest to najprostszy niecałkiem trywialny układ, mający zresztą liczne zastosowania: wszystko, co gdzieś drga, można w pierwszym przybliżeniu opisać jako oscylator harmoniczny albo ich zbiór – mogą to być drgania kryształów, atomów w cząsteczkach chemicznych, a nawet fale elektromagnetyczne, które matematycznie są podobne do oscylatorów.

W jednowymiarowym przypadku, gdy masa cząstki oraz częstość oscylatora są jednostkowe, energia ma postać:

E=\frac{1}{2}(p^2+x^2),

jest to więc suma kwadratów pędu i współrzędnej (kwadratowy potencjał odpowiada sile proporcjonalnej do wychylenia z położenia równowagi, jak w przypadku masy na sprężynie). W mechanice kwantowej zastępujemy tę funkcję operatorem Hamiltona (hamiltonianem), który ma postać taką samą, jak klasyczna:

H=\frac{1}{2}(p^2+x^2),

teraz jednak po prawej stronie mamy operatory pędu i położenia. Wiemy o nich od czasów Borna i Jordana oraz Diraca, że są nieprzemienne i spełniają regułę komutacji:

xp-px=i\hbar.

Okazuje się, że wystarczy to do znalezienia wartości energii oscylatora (dla uproszczenia przyjmiemy jednostki \hbar=1). Metoda, którą zastosujemy, przypisywana jest zwykle Paulowi Diracowi, choć w druku pojawiła się po raz pierwszy w książce Maksa Borna i Pascuala Jordana z roku 1930.

Hamiltonian jest sumą kwadratów, możemy więc spróbować rozłożyć go na czynniki. Wprowadzamy dwa nowe operatory:

a=\frac{1}{\sqrt{2}}(x+ip), \; a^{\dag}=\frac{1}{\sqrt{2}}(x-ip).

Gdyby x, p były liczbami rzeczywistymi, iloczyn obu naszych operatorów byłby równy hamiltonianowi. Musimy jednak uwzględnić nieprzemienność mnożenia operatorów:

a^{\dag}a=\frac{1}{2}(x^2+p^2+ixp-ipx)=H-\frac{1}{2}.

W podobny sposób możemy obliczyć iloczyn wzięty w odwrotnej kolejności:

aa^{\dag}=\frac{1}{2}(x^2+p^2-ixp+ipx)=H+\frac{1}{2}.

Odejmując ostatnie dwie równości stronami, otrzymamy

a^{\dag}a-aa^{\dag}=1.

Zbadajmy teraz wartości własne operatora N=a^{\dag}a – muszą one być o \frac{1}{2} mniejsze niż wartości własne operatora H. Jeśli |\lambda\rangle jest wektorem własnym N o wartości \lambda, to mamy

Na|\lambda \rangle=(a^{\dag}a)a|\lambda\rangle=(aa^{\dag}-1)a|\lambda\rangle=(\lambda-1)a|\lambda\rangle.

Oznacza to, że wektor a|\lambda\rangle też jest wektorem własnym N o wartości o 1 mniejszej. Działając kolejny raz operatorem a na tak uzyskany wektor, otrzymamy wektor o wartości własnej mniejszej o 2 itd. Procedura ta musi się jednak zakończyć po skończonej liczbie kroków, ponieważ operator N, tak jak i H, jest ograniczony od dołu. Hamiltonian jest sumą kwadratów i nie może mieć ujemnych wartości własnych, energia każdego układu ograniczona jest od dołu, gdyby tak nie było świat by się zapadł w stany o ujemnej energii. Znaczy to, że istnieje taki wektor |0\rangle, że

a  |0\rangle=0.

Po prawej stronie mamy wektor zerowy, czyli brak jakiegokolwiek stanu. Oczywiście, N |0\rangle=0, czyli wektorowi temu odpowiada zerowa wartość własna. Możemy teraz do tego wektora zastosować operator a^{\dag}, otrzymamy

Na^{\dag}|0\rangle=a^{\dag}aa^{\dag}|0\rangle=a^{\dag}(a^{\dag}a+1)|0\rangle=a^{\dag}|0\rangle,

czyli wektor a^{\dag}|0\rangle ma wartość własną 1. Powtarzając ten zabieg stosowania operatora a^{\dag} wykreujemy stany o wartościach własnych równych kolejnym liczbom naturalnym. Z tego powodu operator a^{\dag} nazywa się operatorem kreacji, a a – operatorem anihilacji. Generują one stany o większej bądź mniejszej wartości N. Zatem wartości własne naszego hamiltonianu równe są

E_n=n+\frac{1}{2}, \mbox{ gdzie  } n=0,1, 2,\ldots.

W zwykłych jednostkach energie wyrażają się przez częstość oscylatora \omega=\sqrt{\frac{k}{m}}:

E_n=\hbar\omega(n+\frac{1}{2}).

Wynik ten znany był od lat, po raz pierwszy jednak powstał w latach 1925-1926 spójny formalizm pozwalający otrzymać ten i wiele innych rezultatów.

Na obrazku widzimy rezultat zastosowania formalizmu: niebieska linia to kształt potencjału (parabola x^2), linie poziome oznaczają dozwolone wartości energii. Nawet najmniejsza energia musi być dodatnia: oznacza to, że kwantowy oscylator nigdy nie może spoczywać. Gdybyśmy zrobili kwantowe wahadło, musiałoby ono zawsze drgać. Z tego powodu nawet w temperaturze zera bezwględnego atomy w kryształach czy cząsteczkach chemicznych drgają – są to tzw. drgania zerowe.

Wynik dla oscylatora ma konsekwencje fizyczne: już w 1900 r. Max Planck zauważył, że energie te powinny przybierać skwantowane wartości, jeśli chcemy prawidłowo opisać promieniowanie ceieplne. Kilka lat później Albert Einstein wyjaśnił eksperymentalne wyniki dotyczące diamentu właśnie za pomocą tego kwantowania.

Prosty formalizm operatorów kreacji i anihilacji odegrał niezmiernie ważną rolę w rozwoju mechaniki kwantowej, pozwalając zbudować kwantową teorię pola. O jej początkach innym razem.

(*) Iloczyn skalarny dwóch wektorów przypisuje parze wektorów liczbę zespoloną i spełnia następujące aksjomaty:

\langle a| b\rangle=\langle b|a\rangle^{\star}.

\langle a| \lambda b+c\rangle=\langle a| b\rangle+\lambda\langle a| c\rangle.

Iloczyn wektora z samym sobą jest liczbą rzeczywistą nieujemną – kwadratem jego długości, zwanym też normą:

||{a}||^2:=\langle a|a\rangle.

 

 

Reklamy

Paul Dirac – drugi początek mechaniki kwantowej (1925)

Latem 1925 roku Werner Heisenberg wystąpił w Cambridge z odczytem w Klubie Kapicy. Było to nieformalne stowarzyszenie powołane do życia przez pełnego temperamentu rosyjskiego fizyka Piotra Kapicę, coś w rodzaju klubu naukowego doktorantów i studentów. Chwila była ważna: Heisenberg zaczął właśnie budować pierwsze zręby nowej mechaniki kwantowej. Sam jeszcze nie był pewny, co z tego wyjdzie, nikt pewnie nie przypuszczał, że chodzi o największe odkrycie XX wieku (obok teorii względności). W swoim wystąpieniu Heisenberg omówił swoją pracę na temat efektu Zeemana, a pod koniec wspomniał o nowych rewolucyjnych pomysłach.

Jednym ze słuchaczy był Paul Dirac. Wydawałoby się zatem, że wtedy właśnie dowiedział się, i to wprost od samego autora o koncepcji mechaniki kwantowej. Jeśli A mówił na temat X, a B tego słuchał, to zapewne B zapoznał się w ten sposób z X. Nie zawsze to prawda, podobnie jak z obecności na wykładzie niekoniecznie wynika, że student się czegoś dowiedział. W tym przypadku mamy świadectwo samego Diraca. Twierdził on, że zupełnie zapomniał o tej części wystąpienia Heisenberga i nawet był przekonany, że niemiecki uczony nic nie wpomniał o swej ostatniej pracy. Nie ma powodu nie wierzyć Diracowi, który był prawdomówny do bólu. Pracę Heisenberga otrzymał we wrześniu 1925 roku w postaci korekty drukarskiej. Heisenberg wysłał ją do Ralpha Fowlera, ten zaś napisał na odbitce: „Co o tym myślisz?” i przesłał ją swemu doktorantowi Diracowi do Bristolu. Nie był to przypadek, Fowler poznał się na zdolnościach swego milczącego i niezbyt towarzyskiego studenta. Jednak i we wrześniu Dirac nie zrozumiał od razu znaczenia pracy Heisenberga. Stało się tak dopiero po kilku tygodniach. Zaczął wówczas rozmyślać nad tym zagadnieniem i zaproponował własną wersję podejścia do problemu. Werner Heisenberg należał do wąskiej grupy uczonych zajmujących się zagadnieniem budowy atomu, orientował się nie tylko w opublikowanych osiągnięciach, ale brał udział w dyskusjach, wiedział, kto nad czym pracuje – słowem, korzystał w pełni z przynależności do czołówki ówczesnych fizyków. Dirac pracował sam, korzystając jedynie z tego, że Ralph Fowler był dobrze poinformowany w aktualnej sytuacji fizyki kwantowej na kontynencie. Zadziwiające, że potrafił w takich warunkach bardzo wiele osiągnąć w tej i w następnych pracach. Zresztą i później pracował sam, prawdopodobnie inaczej nie potrafił. Niektórzy twierdzą, że Paul Dirac był największym fizykiem XX wieku. Jego prace nigdy wszakże nie były popularne, nie mogły stać się nagłówkami w gazetach, był uczonym budzącym respekt wśród znających się na rzeczy, nie mógł też podobać się dziennikarzom – potrzebującym paru chwytliwych słów i nie mającym czasu, by zgłębić jakąkolwiek sprawę (*).

W pracy Heisenberga Dirac zwrócił przede wszystkim na fakt, że wielkości fizyczne, takie jak pęd czy współrzędna mogą nie być zwykłymi funkcjami czasu, lecz wielkościami, których mnożenie jest nieprzemienne: xy\neq yx. Fizycy wcześniej nie posługiwali się podobnymi pojęciami. Dirac miał naturalną łatwość operowania abstrakcyjnymi pojęciami, nie zaprzątał też sobie zbytnio głowy kwestią interpretacji formalizmu. Zaczął się zastanawiać nad sensem nieprzemienności, czym jest wyrażenie xy-yx? (Obecnie nazywa się ono komutatorem i oznaczane jest [x,y].)
Pewnej październikowej niedzieli, podczas cotygodniowej pieszej wycieczki, Dirac przypomniał sobie, że widział już wyrażenie podobne do komutatora w podręcznikach mechaniki klasycznej. Komutatory przypominały tzw. nawiasy Poissona. Nie był jednak pewien, czy dobrze pamięta. W żadnej z książek, które miał u siebie w pokoju, nie było definicji nawiasów Poissona. Ponieważ w niedzielę biblioteka była zamknięta, nie mógł od razu sprawdzić, czy skojarzenie jest prawidłowe. Wspominał później:

„Noc przeszła mi w męczącym oczekiwaniu, wciąż nie wiedziałem, czy mój pomysł ma jakąkolwiek wartość, ale stopniowo moje przekonanie rosło. Rankiem wybrałem się do biblioteki od razu po jej otwarciu i kiedy znalazłem w Mechanice analitycznej [E.T.] Whittakera definicję nawiasu Poissona, stwierdziłem, że jest dokładnie to, czego mi potrzeba. Był on całkowicie analogiczny do komutatora.

Nawiasy Poissona są zaawansowanym sposobem zapisu równań mechaniki w formalizmie Hamiltona. Stan układu określony jest przez podanie położenia q oraz pędu p (w razie potrzeby wprowadzamy większą liczbę współrzędnych i odpowiadających im pędów). Dynamikę układu, czyli jego ewolucję w czasie, określa funkcja zwana hamiltonianem H. W najprostszym przypadku cząstki o masie m w polu zewnętrznym V(q) hamiltonian jest po prostu sumą energii kinetycznej i potencjalnej:

H(q,p)=\dfrac{p^2}{2m}+V(q).

Znając hamiltonian, możemy napisać równania na pochodne czasowe położenia oraz pędu:

\dot{q}=-\dfrac{\partial H}{\partial q}, \: \dot{p}=\dfrac{\partial H}{\partial p}.

Łatwo zobaczyć, że w najprostszym przypadku równania te są równoważne II zasadzie dynamiki Newtona. Ich zaletą jest ogólność: możemy w rozmaity sposób definiować nowe współrzędne i pędy tak, by postać równań Hamiltona została zachowana. Hamiltonian będzie się przy tym zmieniać, w szczególnie prostych przypadkach może on się nawet redukować do jakiejś bardzo prostej funkcji, np. liniowej w pędzie i w ogóle nie zawierającej współrzędnych. Wtedy rozwiązanie układu równań jest trywialne (oczywiście, nie zawsze łatwo odgadnąć postać takich współrzędnych, które niejako wykonają pracę za nas).

Jeśli f(q,p), g(q,p) są dowolnymi funkcjami położeń i pędów, to ich nawias Poissona ma postać:

\left\{f,g\right\}=\dfrac{\partial f}{\partial q}\dfrac{\partial g}{\partial p}-\dfrac{\partial f}{\partial p}\dfrac{\partial g}{\partial q}.

Łatwo sprawdzić, że nawiasy Poissona są antysymetryczne (zmieniają znak przy przestawieniu funkcji), liniowe, spełniają dla dowolnych trzech funkcji f,g,h warunek Leibniza:

\left\{fg,h\right\}=f\left\{g,h\right\}+\left\{f,h\right\}g.

oraz tożsamość Jacobiego:

\left\{f,\left\{g,h\right\}\right\}+\left\{g,\left\{h,f\right\}\right\}+\left\{h,\left\{f,g\right\}\right\}.

Łatwo sprawdzić, że komutator dwóch wielkości będzie także spełniał powyższe warunki, jeśli tylko mnożenie jest łączne oraz rozdzielne względem dodawania. Analogię tę zauważył Dirac. A więc komutator w mechanice kwantowej odgrywałby rolę analogiczną do nawiasów Poissona.

Definicja Poissona nie była przypadkowa, pochodną każdej funkcji f położenia i pędu po czasie możemy zapisać jako

\dot{f}=\left\{f,H\right\}.

W szczególności, wstawiając f=q oraz f=p, dostaniemy równania ruchu w postaci Hamiltona. Najbardziej podstawowe nawiasy Poissona mają postać:

\left\{ q,q\right\}=\left\{ p,p\right\}=0, \; \left\{q,p\right\}=1.

Znając te podstawowe nawiasy oraz zakładając wyliczone wyżej własności ogólne nawiasów, można łatwo znaleźć nawiasy dla wielomianów zmiennych q,p, a stąd w zasadzie dla każdej rozsądnej funkcji tych zmiennych.

Praca Diraca była czymś więcej niż tylko trafnym zgadywaniem. Obliczył on, że w granicy dużych liczb kwantowych komutator powinien przechodzić w nawias Poissona pomnożony przez stałą:

[f,g] \approx i\hbar \left\{f,g\right\}.

Przyjmując więc odpowiednie wartości komutatorów, mamy pewność, że formalizm kwantowy redukuje się do klasycznej mechaniki. Dirac otrzymał w ten sposób reguły komutacyjne, które stanowią podstawę nowej teorii. W tym samym czasie w Getyndze Born i Jordan otrzymali je także, o czym jednak Dirac nie wiedział. Odpowiedniość nie jest do końca automatyczna, ponieważ gdy zmienne q,p nie komutują, ich kolejność ma znaczenie i temu samemu wyrażeniu klasycznemu odpowiadają rozmaite wyrażenia kwantowe.

Był to debiut Diraca w dziedzinie mechaniki kwantowej. To ta praca wprawiła w osłupienie Maxa Borna: nikomu nieznany student zrobił to samo, co najznakomitsi uczeni z Getyngi i wykazał przy tym samodzielność i dojrzałość. Dopiero w czerwcu następnego roku miał zrobić doktorat.

(*) Ostatnim przykładem takiej dziennikarskiej hucpy jest doniesienie o udowodnieniu hipotezy Riemanna przez sir Michaela Atiyaha. Pisałem o hipotezie Riemanna, jest to największy otwarty problem matematyki. Atiyah był genialnym matematykiem, który zdobył w swoim czasie wszelkie możliwe nagrody, ale obecnie ma 90 lat i od paru lat zasypuje świat niepotwierdzonymi rewelacjami. W dodatku hipoteza Riemanna miałaby być udowodniona wraz z rozważaniami na temat stałej struktury subtelnej – problem w tym, że stała ta bynajmniej nie jest stałą i nic sensownego na jej temat chyba się nie da powiedzieć. Niegdyś Arthur Eddington twierdził, że zna fundamentalne powody, dla których stała ta równa jest dokładnie 1/137. Jednak w rzeczywistości nie jest ona dokładnie równa tej wartości, więc całe to wyjaśnienie nie ma sensu. Obawiam się, że podobnie jest z dowodem Atiyah. Dziennikarze obwieszczają teraz wiadomość o dowodzie, potem będą mieli drugą okazję, aby to sprostować. Jest skrajnie nieprawdopodobne, aby hipotezę Riemanna udowodnić w paru linijkach – jak twierdzi Atiyah. To tak nie działa.

 

 

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 \omega) jest funkcją okresową, można ją więc przedstawić jako sumę sinusów i cosinusów:

{\displaystyle x(t)=\sum_{n=0}^{\infty}(A_n\cos n\omega t+B_n \sin\omega t)}.

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

{\displaystyle x(t)=\sum_{n=-\infty}^{+\infty}x(n) e^{i\omega n t}, \mbox{ (*)}}

gdzie korzystamy ze wzoru Eulera: e^{iz}=\cos z+i\sin z. Z punktu widzenia fizyki ważna jest nie tylko częstość, ale także amplituda drgań. Wypromieniowywana przez oscylator moc jest proporcjonalna do kwadratu amplitudy, czyli sumy |x(n)|^2.

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 x(t). Zgodnie z naszym rozwinięciem w szereg Fouriera kwadrat funkcji będzie równy

x^2(t)=\sum_{n}\sum_{m}x(n)x(m)e^{i\omega(n+m)t}.

Wyrażenie to ma postać rozwinięcia Fouriera, jeśli wprowadzimy nową nazwę indeksu p=n+m, to nasz kwadrat można zapisać następująco:

x^2=\sum_{p} e^{i\omega pt}\left(\sum_{n}x(n)x(p-n)\right).

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

x^2(p)=\sum_{n}x(n)x(p-n).

Inaczej mówiąc, aby otrzymać wyraz o częstości \omega p, musimy wysumować wszystkie iloczyny x(n), w których suma częstości jest równa \omega p.

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 \omega. Co więcej, częstości zależą teraz od dwóch wskaźników:

\omega_{mn}=\dfrac{E_{m}-E_{n}}{\hbar}, \mbox{  (**)}

jest to warunek Bohra, będący w istocie zasadą zachowania energii (\hbar jest stałą Plancka podzieloną przez 2\pi). Można więc uznać, że teraz potrzebujemy także amplitud zależnych od dwóch wskaźników. Współrzędna x naszego oscylatora powinna być jakoś reprezentowana przez zbiór owych amplitud:

x \rightarrow \left\{ x_{mn}e^{i\omega_{mn} t} \right\} .

Nie powinniśmy teraz liczyć na to, że x(t) 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 x oraz y? Mówimy o tym samym układzie, którego zestaw energii, a więc i częstości, jest ustalony. Jeśli także y dane będzie podobnym zestawem co x powyżej, to iloczynowi powinien odpowiadać zbiór

xy \rightarrow \left\{ (xy)_{mp}e^{i\omega_{mp}t} \right\},

gdzie

\boxed{(xy)_{mp}=\sum_{n} x_{mn}y_{np}.}

Zauważmy, że definicja ta daje prawidłowy czynnik wykładniczy:

e^{i\omega_{mp}t}=e^{i\omega_{mn}t}e^{i\omega_{np}t},

gdyż korzystając z (**), otrzymujemy:

\omega_{mp}=\omega_{mn}+\omega_{np}.

Definicja z ramki okazała się najważniejszym wynikiem tej przełomowej pracy Heisenberga. Zauważył on natychmiast, że przy takiej definicji xy\neq yx, 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

\boxed{xp-px=i\hbar \mathbf{I},}

gdzie x,p były macierzami położenia i pędu, a \mathbf{I} 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:

H=\dfrac{1}{2}m\dot{x}^2+\dfrac{1}{2}m\omega^2 x^2,

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

\ddot{x}+\omega^2 x=0.

Wyrażenia mają tę samą postać co w mechanice klasycznej (kropki oznaczają pochodną po czasie), ale wszystkie wielkości x,\dot{x},\ddot{x} są teraz macierzami. Nietrudno znaleźć postać macierzy x_{mn}. Można wybrać ją jako macierz symetryczną: x_{mn}=x_{nm} i jedyne nieznikające wyrazy równe są

x_{n,n-1}=x_{n-1,n}=\sqrt{\dfrac{n\hbar}{2m\omega}}.

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

H_{nn}=\hbar\omega\left(n+\dfrac{1}{2}\right), \mbox{ gdzie }\, n=0,1,2,\ldots.

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 \psi(\vec{r},t). Funkcja ta spełniać musi równanie o postaci

i\hbar \dfrac{\partial\psi}{\partial t}=H\psi \mbox{ (*)},

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

E=\dfrac{{\vec{p}\,}^2}{2m}+V(\vec{x}).

Kwantowy operator Hamiltona będzie wówczas równy

H=-\dfrac{\hbar^2}{2m}\left(\dfrac{\partial^2}{\partial x^2}+\dfrac{\partial^2}{\partial y^2}+\dfrac{\partial^2}{\partial z^2}\right)+V(\vec{r})\equiv -\dfrac{\hbar^2}{2m}\Delta+V(\vec{r}).

Operator V(\vec{r}) jest po prostu operatorem mnożenia, energię kinetyczną konstruujemy z pędu za pomocą podstawienia

p_x\rightarrow -i\hbar\dfrac{\partial}{\partial x}

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 V=0) jest funkcja opisującą falę:

\psi=A \exp{\frac{i}{\hbar}(\vec{p}\,\vec{r}-Et)}, \mbox{ (**)}

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

E=\dfrac{\vec{p}\,^2}{2m},

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 \psi i nawet takie równanie znalazł. Ma ono następującą postać w przypadku swobodnym:

\dfrac{1}{c^2}\dfrac{\partial^2 \psi}{\partial {t}^2}-\Delta \psi+\left(\dfrac{mc}{\hbar}\right)^2 \psi=0.

Podstawiając do niego funkcję (**), otrzymamy równanie

E^2-p^2c^2=m^2c^4,

a więc prawidłowy związek energii i pędu dla cząstki o masie m w teorii względności. Oczywiście równanie dla cząstki swobodnej niewiele znaczy, interesujące są przypadki, gdy mamy pewien potencjał V(\vec{r}), 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:

H=\sqrt{-c^2\hbar^2 \Delta+m^2c^4},

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

i\hbar \gamma^{\mu}\dfrac{\partial \psi}{\partial x^{\mu}}=mc\psi, \mbox{ (***)}

gdzie sumujemy po wskaźnikach czasoprzestrzennych \mu=0,1,2,3 oraz x^0=ct. Żądamy, aby \gamma^{\mu} nie zależały od czasu ani współrzędnych przestrzennych, a także aby dwukrotne zastosowanie operatora po lewej stronie dało nam m^2, jak w równaniu Kleina-Gordona – wtedy relatywistyczny związek energii i pędu będzie spełniony. Łatwo zauważyć, że stanie się tak, jeśli

\gamma^{\mu}\gamma^{\nu}+\gamma^{\nu}\gamma^{\mu}=2g^{\mu\nu}=2\cdot diag(1,-1-1-1),

gdzie g^{\mu\nu} jest metryką czasoprzestrzeni Minkowskiego. Jakimi obiektami muszą być owe cztery \gamma^{\mu}? Mają one antykomutować ze sobą, czyli ich iloczyn zmienia znak przy przestawieniu, a kwadraty mają być równe \pm 1. Dirac odkrył, że \gamma^{\mu} muszą być macierzami 4×4, a więc funkcja \psi musi zawierać cztery składowe:

\psi=\begin{pmatrix} \psi_1\\ \psi_2 \\ \psi_3 \\ \psi_4 \end{pmatrix}.

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 \hbar/2, 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 +\sqrt{p^2c^2+m^2c^4}, jak i -\sqrt{p^2c^2+m^2c^4}. 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.

Jak gęsta może być materia? Białe karły, Stoner i Chandrasekhar (1930-1931)

31 lipca 1930 roku z Mumbaju odpłynął parowiec „Lloyd Triestino”. Wśród pasażerów znajdował się dziewiętnastoletni Subrahmanyan Chandrasekhar, udający się do Anglii stypendysta rządu indyjskiego. Zdążył on opublikować już pierwszą pracę na temat statystyk kwantowych, dwa lata wcześniej dowiedział się od przebywającego gościnnie w Indiach Arnolda Sommerfelda, że całej fizyki mikroświata należy nauczyć się na nowo i wszystkie podręczniki sprzed kilku lat są już nieaktualne. Zaczął więc z zapałem czytać artykuły dotyczące mechaniki kwantowej i pierwszą swą pracę wysłał do Anglii do Ralpha Fowlera z Cambridge. Wiedział o nim tylko tyle, że uczony ten zaproponował kwantowe wyjaśnienie problemu tzw. białych karłów – niewielkich gwiazd zbudowanych z niezwykle gęstej materii nawet 100 000 razy gęstszej od wody. Astronomowie, którzy uzyskiwali tak wysokie szacowania gęstości, nie potrafili zrazu w nie uwierzyć, sądząc, że w obliczenia musiał wkraść się jakiś niezidentyfikowany błąd. W astronomii dość często się zdarza, że trzeba rewidować dotychczasowe założenia i wyniki. Podczas podróży Chandrasekhar unikał balów i wieczorków organizowanych na statku, był zresztą wegetarianinem i nie brał do ust wielu podawanych potraw. Pracował. Jego obliczenia wskazywały, że białe karły nie mogą być zbyt masywne, gdyż nie będą stabilne. Wynik ten stał w sprzeczności z dotychczasową wiedzą i Chandrasekhar miał stoczyć trudną wieloletnią walkę o uznanie prawdziwości jego obliczeń. Białe karły są ostatnim stadium ewolucji gwiazd i nie mogą być bardziej masywne niż 1,4 masy Słońca. Co w takim razie dzieje się z gwiazdami pięcio-, dziesięcio- i dwudziestokrotnie bardziej masywnymi? Czy jest możliwe, że pozbywają się one w jakiś sposób niemal całej swej masy, aby osiągnąć w końcu stadium białego karła? Jeśli tak, to czy może się to odbywać w długim czasie w sposób spokojny, czy też należy spodziewać się eksplozji? Wynik Chandrasekhara miał przełomowe znaczenie, bo wskazywał, że grawitacja może stać się siłą, która dosłownie kruszy materię. O jego wadze świadczy fakt, iż pół wieku później za tę pracę indyjski uczony otrzymał Nagrodę Nobla. Spędził długie i twórcze życie naukowe, stając się jednym z najbardziej znanych astrofizyków dwudziestego wieku, a jednak właśnie to młodzieńcze osiągnięcie wydawało się godne uhonorowania najważniejszą nagrodą.

W Londynie pierwszą książką, którą kupił Chandrasekhar, były Principles of Quantum Mechanics, fundamentalne, pomnikowe dzieło dwudziestoośmioletniego Paula Diraca, który zdążył już stać się klasykiem tej młodej dziedziny. W istocie były to lata zupełnie wyjątkowe w dziejach fizyki: niemal każda nowa praca miała szanse przejść do historii. Odkrywano bowiem kolejne zastosowania nowego formalizmu: w fizyce, w chemii, w astrofizyce. Zasady wprowadzone dla wyjaśnienia zjawisk atomowych okazały się w zasadniczym zrębie słuszne także w fizyce jąder atomowych, cząstek elementarnych, pozwalały też zrozumieć, jak przebiegają zjawiska we wszechświecie: od źródeł energii gwiazd, przez ich budowę oraz rodzaje wysyłanego promieniowania. Był to okres pionierski, gdy wyznaczano dopiero granice nowego terytorium i wciąż przesuwały się one dalej. Coś takiego zdarza się niezwykle rzadko, a w życiu uczonego najwyżej raz. Chandrasekhar znalazł się też w znakomitym miejscu: Trinity College w Cambridge, gdzie pracowali Fowler i jego niedawny doktorant Dirac, a także Arthur Stanley Eddington, astrofizyk, autor książki The Internal Constitution of the Stars, którą starannie przestudiował i z której korzystał podczas pracy na statku.

Na czym polegał problem białych karłów? W dostępnych nam eksperymentalnie warunkach materii nie można zbyt mocno ścisnąć. Atomy zachowują się bowiem jak sztywne kulki i nawet pod wielkim ciśnieniem gęstość ciał stałych niemal się nie zmniejsza się, ledwie przekraczając – w przypadku najcięższych metali – dwudziestokrotność gęstości wody. Większą gęstość – ponad sto gęstości wody – osiąga materia blisko centrum Słońca. Składa się ona głównie z produktów jonizacji wodoru: protonów i elektronów o bardzo wysokiej temperaturze. Mimo tak wielkich gęstości plazmę tę wciąż można traktować jak gaz doskonały. Przeskok do gęstości milion razy większych od gęstości wody nie wydawał się fizycznie możliwy bez temperatur sięgających miliony stopni, powierzchnia białego karła świeciła w zakresie widzialnym jak gwiazda, musiała więc mieć temperaturę liczoną w tysiącach stopni.

Kwantowe wyjaśnienie zaproponował Ralph Fowler, pod którego patronatem, lecz zupełnie samodzielnie, pracował Paul Dirac. Elektrony są, jak dziś mówimy, fermionami, tzn. podlegają szczególnemu ograniczeniu: w jednym stanie kwantowym może znajdować się jeden elektron (a jeśli ignorujemy stany spinowe, to dwa różniące się rzutem spinu). Właśnie Paul Dirac obok Enrico Fermiego pierwszy zaproponował kwantowomechaniczny opis takich cząstek (nazwa fermiony, a nie np. dirakiony, nie ma głębszego uzasadnienia historycznego, a prawdopodobnie jedynie fonetyczne). Samą zasadę jeden stan – jeden elektron zaproponował zresztą nieco wcześniej Wolfgang Pauli, jeszcze jeden z dwudziestoparolatków wywracających wtedy fizykę do góry nogami. Zasada ta wyjaśnia sposób zapełniania się powłok i podpowłok w atomach. Fowler wyobraził sobie, że biały karzeł cały jest jedną wielką cząsteczką, w której elektrony tworzą coś w rodzaju gazu. Było to pierwsze zastosowanie tej idei, nieco później Arnold Sommerfeld zastosował ją do elektronów w metalach.

W atomie stan określają liczby kwantowe. W przypadku elektronów zamkniętych w gwieździe niczym w pudle skwantowane są ich wartości pędu. Dozwolone wartości tworzą sieć punktów kratowych w przestrzeni pędu (bez początku, ponieważ pęd całkowity równy zeru jest zabroniony przez zasadę nieoznaczoności). Rysunek przedstawia takie  pudło w 2D. Elektrony będą stopniowo zapełniać dozwolone stany aż do pewnej maksymalnej wartości pędu p_F, zwanej pędem Fermiego.

Jest to tzw. zdegenerowany gaz elektronowy. W pierwszym przybliżeniu można ograniczyć się do temperatury zerowej, ponieważ energia elektronów w tej sytuacji wynika nie z wysokiej temperatury, ale stąd, że wszystkie niższe stany energetyczne są zajęte. Objętość komórki w przestrzeni pędów przypadająca na dwa elektrony o różnym spinie równa jest

\Delta p_x\Delta p_y\Delta p_z=\dfrac{h^3}{V},

gdzie h jest stałą Plancka, a V objętością gwiazdy/pudła z elektronami. Widzimy, że gdy objętość pudła maleje, komórki w przestrzeni pędu rosną i przy tej samej liczbie elektronów pęd Fermiego wzrośnie. Oznacza to, że wraz z gęstością gwiazdy rośnie energia kinetyczna elektronów (równa \frac{mv^2}{2}=\frac{p^2}{2m}). Gwiazda utrzymywana jest siłami grawitacyjnymi. Energia grawitacyjna kuli o masie M i promieniu R równa jest

E_p=-\alpha \dfrac{GM^2}{R},

gdzie \alpha jest współczynnikiem zależnym od rozkładu gęstości i równym \frac{3}{5} dla kuli jednorodnej. Grawitacja jest siłą przyciągającą, więc energia rośnie tu, gdy zwiększa się promień: gdyby działała jedynie grawitacja, materia skurczyłaby się do punktu. Można znaleźć punkt równowagi, gdy suma energii kinetycznej elektronów oraz energii potencjalnej grawitacji jest najmniejsza. Promień gwiazdy jest wówczas równy

R\approx 1,15 a_B \lambda \dfrac{1}{N_n^{1/3}},

gdzie a_B=0,5\cdot 10^{-10} m jest promieniem Bohra, \lambda=1,25\cdot 10^{36} to stosunek sił elektrostatycznych do sił grawitacyjnych między protonami, a N_n jest łączną liczbą nukleonów w gwieździe. Widzimy, że im większa gwiazda, tym mniejszy promień, a więc gęstość gwiazdy rośnie jak kwadrat masy, co jest zachowaniem dość osobliwym. Promień obliczony z powyższego wzoru okazuje się dla gwiazdy o masie Słońca tego samego rzędu co promień Ziemi: a więc ogromna masa Słońca skupiłaby się w objętości zbliżonej do Ziemi. Znaczy to, że materia gwiazdy osiąga ogromne gęstości. Rzeczywiste gęstości są jeszcze większe, niż sądzono w latach trzydziestych i przekraczają milion gęstości wody. Gaz elektronowy pozwalał też objaśnić, czemu biały karzeł nie skurczy się już więcej: w istocie temperatura ma niewielki wpływ na konfigurację elektronów i struktura taka jest stabilna nawet w zerze absolutnym.

Praca Fowlera uchodzi za najwybitniejszą pozycję w jego dorobku: była w zasadzie rzuceniem idei, ale idei znakomitej, podjętej potem nie tylko w astrofizyce, ale i w fizyce ciała stałego. Jedna tak płodna idea i jeden doktorant tej klasy co Dirac, to zdecydowanie wystarczy na spełnioną karierę naukową.

Obliczenia takie, jak zarysowane powyżej, wykonał Edmund Stoner w 1929 roku. Interesowało go pytanie, czy istnieje maksymalna gęstość materii? Stoner także należał do ludzi Cambridge, jednak jego doktorat był eksperymentalny i nie odebrał on matematycznego wykształcenia, które zawsze było mocną stroną tamtejszych absolwentów. Mimo to zajął się teorią i to z powodzeniem. Jego praca The distribution of electrons among atomic energy levels z 1924 roku zainspirowała Wolfganga Pauliego do sformułowania słynnej zasady wykluczania. W reakcji na artykuł Stonera mało znany fizyk Wilhelm Anderson, pracujący w Tartu w Estonii, zwrócił uwagę, że przy dużych gęstościach, duży będzie pęd Fermiego i nie można używać newtonowskiego wyrażenia na energię kinetyczną (\frac{1}{2}mv^2), lecz należy zastosować wyrażenie relatywistyczne

E=\sqrt{(pc)^2+(mc^2)^2}\approx pc.

W przypadku skrajnie relatywistycznym obowiązuje przybliżenie zapisane powyżej. Okazuje się, że teraz nie dla każdej masy istnieje rozwiązanie i biały karzeł musi mieć masę nieprzekraczającą pewnej wartości granicznej. Anderson wyznaczył tę granicę, choć jego praca nie była całkowicie poprawna. Stoner w następnym artykule uwzględnił relatywistyczne wyrażenie na energię elektronów i prawidłowo wyznaczył maksymalną liczbę nukleonów, a więc i masę białego karła:

N_n =0,77 \left(\dfrac{c\hbar}{Gm_n^2}\right)^{\frac{3}{2}} \sim \left(\dfrac{m_{P}}{m_n}\right)^3.

Po prawej stronie wyraziliśmy tę wielkość przez masę Plancka m_P: jest to kombinacja trzech fundamentalnych stałych fizycznych – stałej Plancka, prędkości światła i stałej grawitacyjnej. Maksymalna masa zwana jest granicą Chandrasekhara i po uwzględnieniu współczynników liczbowych równa jest 1,4 masy Słońca. Przyjmujemy, że na każdy elektron przypadają dwa nukleony.

Zależność promienia białego karła od masy (https://en.wikipedia.org/wiki/Chandrasekhar_limit)

Naszkicowane przez nas podejście zakłada minimalizację energii w jednorodnym gazie elektronowym. Tak właśnie obliczył to Stoner. Subrahmanyan Chandrasekhar wybrał podejście bardziej szczegółowe, w którym analizuje się warunki równowagi w gwieździe. Jego pierwsza praca, pisana podczas podróży do Anglii, była tylko krótkim zarysem, szczegółowe rozwinięcie podał w następnych latach. Prowadzi ono do podobnych wniosków, nieco różniących się liczbowo. Czemu więc granica ta związana została w historii jedynie z nazwiskiem Chandrasekhara? Jak się zdaje, Edmund Stoner nie walczył zbytnio o priorytet. Być może tematyka astrofizyczna nie była mu tak bliska jak Chandrasekharowi, stopniowo zajął się bowiem fizyką ciała stałego.

Także Lew Landau otrzymał graniczną wartość masy w bardzo eleganckiej krótkiej pracy z 1931 roku. Jednak graniczna wartość masy wydawała mu się wnioskiem absurdalnym. Pisał: „Ponieważ w rzeczywistości masy takie spokojnie sobie istnieją jako gwiazdy, nie wykazując żadnych takich absurdalnych tendencji, musimy wywnioskować, że wszystkie gwiazdy o masie przekraczającej 1,5 masy Słońca zawierają z pewnością obszary, w których prawa mechaniki kwantowej (a więc także statystyki kwantowej) są naruszone” (Neutron Stars, Black Holes and Binary X-Ray Sources, ed. H. Gursky, R. Ruffini, D. Reidel 1975, s. 272). Musimy zdawać sobie sprawę, że zarówno teoria względności, jak i mechanika kwantowa były względnie nowymi dziedzinami i nie było jasne, czy nie pojawią się nowe idee, które zmienią zasadniczo punkt widzenia. Dopiero z perspektywy dziesięcioleci widać, że zarówno teoria względności, jak i fizyka kwantowa zostały w fizyce na dobre i są niezmiernie odporne na wszelkie „poprawianie” – to dlatego trudno jest w fizyce o nowe pomysły, muszą one bowiem stanowić uogólnienie tego, co już znamy, a co zostało bardzo dokładnie przetestowane teoretycznie i przede wszystkim eksperymentalnie.

Chandrasekhar bardzo zaciekle bronił wniosku o maksymalnej masie białego karła. Arthur Eddington – podobnie jak Landau – uważał go za absurd. W ciągu kilku lat spór między Eddingtonem, uznanym autorytetem, a młodym uczonym z Indii stał się na tyle gorący, że Chandrasekhar nie mógł pozostać w Trinity College i wyjechał do Stanów Zjednoczonych.

Rację miał Chandrasekhar (i Stoner). Gwiazdy o dużych masach nie mogą stać się białymi karłami. Mogą zostać gwiazdami neutronowymi, w których materia ma gęstość zbliżoną do materii jądrowej. Znów jednak pojawia się graniczna wartość masy, powyżej której niemożliwe jest stabilne istnienie gwiazdy neutronowej. Przy dużych masach grawitacja zwycięża i jedyną możliwością staje się utworzenie czarnej dziury. Granica Chandrasekhara była pierwszą wskazówką, że struktura materii nie jest odporna na grawitacyjne zapadanie się. Być może zaakceptowanie tej sytuacji było trudne także dlatego, że intuicyjnie chcemy wierzyć w stabilny świat, dający nam metafizyczne i psychologiczne oparcie. Dlatego kłopoty miał Galileusz, z tego samego powodu zwalczano teorię ewolucji, a także niechętnie uznano teorię Wielkiego Wybuchu. Uświadomienie sobie, że zamieszkujemy narażony na rozmaite kataklizmy kawałek skalnej skorupy pływający w ciekłym podłożu i krążący po niezbyt stabilnej orbicie w zmieniającym się ciągle i katastroficznym wszechświecie, nie poprawia, by tak rzec, filozoficznego samopoczucia.

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.

Albert Einstein na dwóch fotografiach, czyli jak pionier został konserwatystą (1911, 1927)

Pierwsza fotografia pochodzi z roku 1911 i przedstawia uczestników I Kongresu Solvaya. Ernest Solvay, bogaty przemysłowiec, wzbogacił się na wynalezionej przez siebie metodzie produkcji sody. Nie miał akademickiego wykształcenia, lecz wykazywał pewne ambicje naukowe. Zwołany do Brukseli kongres zgromadził najwybitniejszych fizyków epoki, organizował go Hendrik Lorentz, który zaprosił m.in. Alberta Einsteina.

1911

Podpisana wersja tej fotografii

Trzydziestodwuletni Einstein stoi z cygarem w drugim rzędzie obok Paula Langevina, z którym szybko się zaprzyjaźnił (nb. w tym właśnie czasie wybuchł skandal prasowy w Paryżu wokół romansu żonatego Langevina ze starszą od niego Marią Skłodowską-Curie, jedyną kobietą na zdjęciu). Dla Einsteina był to pierwsza międzynarodowa konferencja naukowa i okazja do poznania sławnych fizyków spoza Niemiec. Zaledwie dwa lata wcześniej zaczął pracować na uczelni, do Brukseli przyjechał z Pragi, gdzie od wiosny tego roku był profesorem zwyczajnym. Okna jego gabinetu wychodziły na ogród szpitala psychiatrycznego. Einstein lubił pokazywać swoim gościom spacerujących alejkami pensjonariuszy tego zakładu ze słowami: „oto wariaci, którzy nie zajmują się kwantami”. Sam intensywnie pracował nad nową fizyką kwantową, m.in. odkrył, dlaczego ciepło właściwe diamentu maleje wraz z temperaturą. Zjawisko to jest kwantowe: drgania atomów węgla w krysztale diamentu mogą bowiem zachodzić tylko ze ściśle określonymi – skwantowanymi – energiami. W ten sposób okazało się, że nowa fizyka potrzebna jest do wyjaśnienia obserwowanych od dawna faktów. Dziś wiemy, że właśnie fizyka kwantowa wyjaśnia własności atomów, kryształów, cieczy – całą chemię i fizykę różnych materiałów, a także sporą część biologii. Inni uczeni zainteresowali się tym kręgiem zagadnień, szybko rosła więc liczba prac poświęconych kwantom. Tak więc stojący skromnie w drugim rzędzie Einstein reprezentował wówczas naukową awangardę, nie zawsze dobrze przyjmowaną przez starszych kolegów.

 

kwanty

Widzimy, jak szybko rosła liczba autorów idących w ślad za Einsteinem. Liczby nie wydają się może imponujące, ale ogólną liczbę fizyków w Europie w tamtej epoce szacuje się na 1000-1500, z czego nie wszyscy byli aktywni naukowo (Wykresy z T.S. Kuhn, Black-Body Theory and the Quantum Discontinuity, 1894-1912, Clarendon Press, Oxford 1978, s. 217).

solvay_conference_1927_

Druga fotografia przedstawia uczestników V Kongresu Solvaya w roku 1927. Nosił on tytuł Elektrony i fotony. Fotony, cząstki światła, zostały zapostulowane przez Einsteina w roku 1905, teraz niejako oficjalnie uznano, że miał rację. A więc niewątpliwy triumf. Nikt przez dwadzieścia lat nie chciał wierzyć w owe kwanty światła, po eksperymentach Comptona i innych, wreszcie w nie uwierzono. Triumf zabarwiony był jednak goryczą. W latach 1925-1926 młodzi fizycy przedstawili mechanikę kwantową, z którą Einstein nie potrafił się zgodzić ani wtedy, ani nigdy później. Był nadal sprawny intelektualnie, nie zapomniał fizyki, ale należało wyjść poza krąg dotychczasowych idei, rozstać się z pewnym ideałem nauki. Rewolucji dokonali ludzie młodzi, mówiono o tym Knabenphysik – fizyka chłopców.
Fotografia ilustruje wymownie, jak wzrosła pozycja Einsteina w środowisku naukowym w ciągu tych kilkunastu lat. Teraz on zajmuje miejsce centralne. Siedzi między starym Lorentzem a posiwiałym Langevinem z nawoskowanymi wąsami, niczym rewolucjonista uwięziony w świecie XIX wieku. Obok Lorentza mocno postarzała, surowa i niepobłażająca Maria Skłodowska-Curie i znużony Max Planck. Dopiero w drugim rzędzie znajdujemy chudego, jakby wyjętego z dramatu Becketta Paula Diraca, arystokratycznego, rasowego Louisa de Broglie’a, uprzejmego i skromnego Maksa Borna, wychowawcę siedmiu noblistów, i wreszcie silnego i skupionego Nielsa Bohra. Elegancki Erwin Schrödinger, sceptyczny Wolfgang Pauli i szelmowsko chłopięcy Werner Heisenberg stoją skromnie w trzecim rzędzie. Trudno o bardziej symboliczny obraz zmiany warty: Einstein stał się teraz kimś podobnym do Lorentza czy Plancka, a więc wybitnym uczonym, którego należy szanować, ale od którego nie można się zbyt wiele nauczyć. Liczyli się młodzi ludzie z drugiego i trzeciego rzędu oraz ich duchowi przewodnicy, Bohr i Born. W ciągu następnych kilku lat twórcy mechaniki kwantowej otrzymali Nagrody Nobla, wszyscy oprócz Diraca nominowani byli zresztą także przez Einsteina. Najwybitniejszy spośród nich, Paul Dirac, musiał zadowolić się Nagrodą Nobla wraz ze Schrödingerem. Właśnie Paul Dirac w latach 1927-1928 pokazał, jak można sformułować kwantową teorię elektronów i fotonów. Było to otwarcie drogi, która zakończyła się dwadzieścia lat później zbudowaniem konsekwentnej elektrodynamiki kwantowej przez Richarda Feynmana, Freemana Dysona, Juliana Schwingera i Shin’itiro Tomonagę.