Arnold Sommerfeld i zagadka widma wodoru (1916)

Miał historycznego pecha: był 81 razy nominowany do Nagrody Nobla z fizyki, ale nigdy jej nie dostał. „Planck był autorytetem, Einstein – geniuszem, a Sommerfeld – nauczycielem”, jak ujął to historyk Armin Hermann. Nauczycielem noblistów, trzeba dodać. Czterech jego doktorantów i trzech postdoków zostało później laureatami Nobla, a do tego dochodzi mnóstwo nazwisk uczniów i współpracowników, które i dziś znane są fizykowi. Jego ośrodek w Monachium obok Getyngi Maksa Borna i Kopenhagi Nielsa Bohra wychował całe pokolenie genialnych chłopców lat dwudziestych (osobny był tylko Paul Dirac, ale on był zawsze osobny). Sommerfelda wyjaśnienie struktury subtelnej widma wodoru było eleganckie i niezwykle dokładne. Jednak osiągnięcia Sommerfelda nie stanowiły zamkniętej teorii, było jeszcze za wcześnie na mechanikę kwantową. Trudno czynić mu z tego zarzut: ani Planck, ani Einstein nie posunęli się dalej.

Sommerfeld był właściwie matematykiem zajmującym się zagadnieniami fizyki matematycznej. Gdy w 1906 r. objął katedrę fizyki teoretycznej w Monachium nie było jeszcze fizyki kwantowej oprócz pionierskich prac Plancka i Einsteina. Dopiero podczas wojny Sommerfeld zainteresował się serio zagadnieniami kwantowymi. 

Czterdziestopięcioletni profesor nie został powołany do wojska ze względu na wiek, zresztą pomimo swego patriotyzmu nie był entuzjastą wojny, jak większość jego rodaków. Wkrótce jednak i jemu udzieliła się nieuchronna atmosfera paranoi i oblężonej twierdzy, podpisał np. antybrytyjski apel Wilhelma Wiena wzywający, by niemieccy uczeni nie publikowali w angielskich czasopismach i odrzucali „nieuzasadnione wpływy naukowe Anglików”. Było więcej tego rodzaju wstydliwych wystąpień, zresztą po obu stronach konfliktu. Zaledwie rok wcześniej, w roku 1913, zarówno Wien, jak Sommerfeld brali udział w drugim Kongresie Solvaya, gdzie spotykała się elita ówczesnych fizyków i mogło się wydawać, że nauki ścisłe nie mają narodowości.

Sommerfeld znany był z otwartości i bliskich kontaktów ze swymi studentami. Chodził z nimi na piwo i jeździli wspólnie na narty, w tamtych czasach taka postawa była rzadkością. Einstein, kiedy poznał Sommerfelda, obiecywał sobie, że będzie miał podobne podejście do studentów. Podczas wojny Sommerfeld prowadził wprawdzie nadal wykłady, ale wielu studentów i młodszych kolegów było na froncie. Chętnie jednak w miarę możliwości korespondowali na tematy naukowe, pozwalało im to na chwilę zapomnieć o toczącej się wciąż wojnie.

Sommerfeld stosował metodę, którą później wielokrotnie stosował Steven Weinberg: jeśli chcesz nauczyć się jakiegoś przedmiotu, wygłoś na ten temat cykl wykładów. W przypadku Sommerfelda wynikiem jest wielotomowy kurs fizyki teoretycznej, a także monografia Atombau und Spektrallinien („Budowa atomu i linie widmowe”), biblia pierwszych lat fizyki kwantowej. W przypadku Weinberga to seria znakomitych solidnych podręczników na różnym poziomie, a także zarys historii fizyki.

W lutym 1915 roku Sommerfeld pisał do Wiena: „W tym semestrze prowadziłem wykłady na temat [modelu] Bohra i interesuję się tą kwestią, na ile wojna pozwala. Dzisiejsze 100 000 Rosjan to z pewnością piękniejsza wiadomość niż wyjaśnienie serii Balmera przez Bohra. Mam jednak piękne nowe wyniki na ten temat.” Owe 100 000 Rosjan to jeńcy po bitwie nad jeziorami mazurskimi. Przez cały rok 1915 Sommerfeld pracował, choć z przerwami, nad zagadnieniem atomu. Udało mu się uogólnić warunki kwantowania Bohra, a następnie zastosował do elektronu mechanikę szczególnej teorii względności (którą także w owym czasie wykładał). Model relatywistyczny pozwolił wyjaśnić rozszczepienie optycznych linii widmowych wodoru, a także optycznych i rentgenowskich linii cięższych pierwiastków. Wyjaśniła się w ten sposób kwestia znana od wielu lat: linie widmowe pierwiastków mają często kilka blisko położonych składowych widocznych przy dużej zdolności rozdzielczej (np. żółta linia sodu świecąca w lampach sodowych jest dubletem). Tę strukturę subtelną wodoru odkryli Albert Michelson i Edward Morley jeszcze w roku 1887. Dzięki Sommerfeldowi wyjaśniło się, że odgrywa tu rolę szczególna teoria względności, w latach 1915-1916 jej słuszność wcale nie była jeszcze oczywista, obie teorie względności jeszcze długo później uchodziły za „kontrowersyjne”, pamiętajmy, że Nagrodę Nobla przyznano Einsteinowi z wyraźnym zastrzeżeniem, iż nie jest nagrodą za teorię względności. Wspominany w tym blogu kilkukrotnie Ernst Gehrcke, zaciekły przeciwnik teorii Einsteina, był specjalistą od pomiarów widmowych. Przez lata spierał się z Friedrichem Paschenem, który zmierzył wielkość rozszczepienia linii zgodną z wynikami Sommerfelda. Gehrcke otrzymywał wciąż nieco inną wartość. I to z pozornie obiektywnych pomiarów, w których widmo było rejestrowane przez przyrząd. Nienawiść zaślepia. 

Wynik Sommerfelda niemal pokrywa się z tym, co uzyskano później z równania Diraca. Eleganckie i zgodne z obserwacjami wyniki Sommerfelda stały się największym sukcesem tzw. starej teorii kwantów, czyli fizyki sprzed powstania mechaniki kwantowej. Co ciekawe, twórcy mechaniki kwantowej, Schrödinger i Pauli, publikując rozwiązania dla atomu wodoru w styczniu 1926 roku, nie do końca byli usatysfakcjonowani. Obaj bowiem, zupełnie niezależnie, próbowali osiągnąć wynik Sommerfelda i im się to nie udało. Musieli zadowolić się podejściem nierelatywistycznym, bez struktury subtelnej. Mieli więc świadomość, że górują pod względem metody, ale nie dorównują wynikom Sommerfelda. Relatywistyczną mechanikę kwantową zapoczątkował w 1928 r. Paul Dirac, lecz okazało się dość szybko, jeszcze w latach trzydziestych, że potrzebna jest tu kwantowa teoria pola. Obliczenia w ramach teorii pola szybko doprowadziły do impasu: niektóre wyniki okazywały się nieskończone. Wyjście z tego impasu znaleziono dopiero po II wojnie światowej: było nim sformułowanie elektrodynamiki kwantowej przez Juliana Schwingera, Shin’ichirō Tomonagę i Richarda Feynmana. Dopiero wtedy dokładność teorii (a także pomiarów) wyprzedziła wyniki Sommerfelda i Diraca.

W modelu Bohra dozwolone są orbity kołowe, które spełniają warunek

gdzie to odpowiednio moment pędu, promień orbity, masa i prędkość elektronu oraz stała Plancka, a jest dodatnią liczbą całkowitą. Max Planck interesował się zagadnieniem oscylatora harmonicznego – oscylatory takie emitują bądź pochłaniają fale elektromagnetyczne. Można opisać je w przestrzeni fazowej, gdzie współrzędnymi są położenie oraz pęd . Jeśli położenie w zależności od czasu opisane jest równaniem ( jest częstością), to pęd elektronu jest równy i łatwo sprawdzić, że tor w przestrzeni fazowej jest elipsą (wystarczy skorzystać z jedynki trygonometrycznej). Warunek kwantowania Plancka ma postać następującą:

Pole zakreślane w przestrzeni fazowej przez elektron jest wielokrotnością stałej . Można ten warunek zapisać w postaci

Zastanawiano się także nad dodaniem jakiejś stałej w rodzaju do , ale na razie zostawmy to bez stałej. Dla eliptycznego toru w przestrzeni fazowej, mamy więc . Obliczając energię oscylatora, otrzymamy

Jest to zgodne z tym, co na temat oscylatorów twierdzili Planck i Einstein.

Warunek kwantowania można zapisać także w postaci:

Druga całka jest po zamkniętym konturze, jej sens geometryczny jest taki sam.

Sommerfeld zastosował warunki kwantowania w tej drugiej postaci do ruchu elektronu w polu kulombowskim. Ruch klasyczny jest płaski, mamy więc dwa stopnie swobody. Położenie elektronu określają np. współrzędne biegunowe: odległość od jądra oraz kąt z ustalonym kierunkiem. Odpowiadają tym zmiennym dwa pędy: składowa radialna oraz składowa styczna . W naszym przypadku element odległości w zmiennych biegunowych ma postać

Iloczyn w przypadku składowej radialnej przyjmuje postać , a w przypadku składowej stycznej , pędem skojarzonym z kątem jest po prostu moment pędu. Można to uzasadnić ściślej, istnieje w mechanice precyzyjny przepis, jak dowolnej zmiennej uogólnionej przypisać odpowiedni pęd, por. niżej (*).

Przestrzeń fazowa jest teraz czterowymiarowa. Mamy dwa warunki kwantowania dla obu par zmiennych. Dla kąta i warunek jest trywialny i pokrywa się z warunkiem Bohra:

Dla zmiennych radialnych otrzymujemy coś nowego:

gdzie liczby kwantowe mogą się różnić. Ponieważ dopuszczamy teraz zmiany odległości od jądra, należy się spodziewać, że podobnie jak w przypadku ruchu planet wokół Słońca dopuszczalne ruchy elektronu będą zachodzić po elipsach (mówimy tylko o stanach związanych, warunki kwantowania dotyczą tylko takiej sytuacji). 

Energia kinetyczna elektronu jest zatem równa

Całkowita energia elektronu w atomie wodoru (pomijamy ruch jądra) dana jest wyrażeniem

gdzie piszemy ( to ładunek elementarny i przenikalność dielektryczna próżni). Możemy wyznaczyć z równania energii i wstawić do warunku kwantowania. Obliczając całkę (**) i wyznaczając dostajemy wynik Bohra:

Zamiast jednej liczby kwantowej, mamy teraz sumę dwóch liczb kwantowych: . Stała jest bezwymiarowa i równa

Stała ta zwana stałą struktury subtelnej nabiera znaczenia w teorii relatywistycznej, jak zobaczymy niżej. Istnieje więc pewna liczba stanów o tej samej energii: wszystkie odpowiadają orbitom o tej samej dużej osi i różnym spłaszczeniu. Łatwo pokazać, że stosunek długości osi małej i dużej jest równy

Sommerfeld wykluczył stany o zerowym momencie pędu, gdy tor elektronu jest odcinkiem o końcu w jądrze atomu. W ten sposób zamiast trzeciej orbity Bohra mamy zestaw okręgu i dwóch elips (jądro jest zawsze w ognisku elipsy). Mamy więc w ogólności wiele stanów o tej samej energii: zdegenerowanych.

Nietrudno procedurę Sommerfelda uogólnić na przypadek relatywistyczny. Klasyczne elipsy ulegają teraz precesji. Nie jest to precesja Einsteina z ogólnej teorii względności, Sommerfeld, śledzący na bieżąco postępy Einsteina, doskonale wiedział o różnicy. Obliczył nawet, że w przypadku Merkurego precesja byłaby równa 7 sekund kątowych na stulecie.

Rysunek z Atombau Sommerfelda

Wystarczy wstawić  do równania na energię, jest ujemną energią wiązania. Ponownie wyznaczając i całkując warunek kwantowy, otrzymamy

W bardziej przejrzystym przybliżeniu w postaci szeregu w stałej struktury subtelnej:

Wyniki te niewiele zmieniają się w teorii Diraca, należy tylko zastąpić przez , gdzie jest liczbą kwantową całkowitego momentu pędu z uwzględnieniem spinu. Oczywiście w roku 1916 o spinie jeszcze nikt nie słyszał. W elektrodynamice kwantowej wyniki uzyskuje się w postaci szeregu potęgowego względem . Dzięki takim rozwinięciom można elektrodynamikę potwierdzić z dokładnością kilkunastu cyfr znaczących.

 

(*) W przypadku współrzędnych uogólnionych pędy zdefiniowane są jako

gdzie jest energią kinetyczną, a pochodną czasową zmiennej .

(**) Całki występujące w obu wersjach kwantowania Sommerfelda są postaci

Współczynniki są dodatnie i wyrażenie podcałkowe ma dwa miejsca zerowe. Można w tym przypadku znaleźć całkę nieoznaczoną i wziąć ją w odpowiednich granicach. Metoda elegancka to scałkowanie wyrażenia na płaszczyźnie zespolonej z rozcięciem wzdłuż osi rzeczywistej między dwoma pierwiastkami. Można też użyć pakietu Sagemath, Maxima albo Mathematica.

Reklama

Nagroda Nobla dla Einsteina: polityka i pieniądze

Einstein był przekonany, że prędzej czy później otrzyma Nagrodę Nobla. W 1918 r. zaproponował pieniądze z Nagrody swej pierwszej żonie Milevie jako fundusz zabezpieczający przyszłość synów. Oferta ta miała ją skłonić do zgody na rozwód, którego wciąż mu odmawiała, mimo że od 1914 roku mieszkali w innych krajach: ona w Szwajcarii, on w Niemczech. Einstein chciał uregulować prawnie swój związek z kuzynką Elsą Einstein, która miała dwie dorosłe córki z poprzedniego małżeństwa. Już teraz zaproponował Milevie 40 000 marek jako zaliczkę na poczet przyszłej Nagrody.

Czy rzeczywiście mógł się spodziewać Nagrody Nobla? Był niewątpliwie najwybitniejszym uczonym tamtego okresu i całej pierwszej ćwierci wieku XX. Jego dorobek był przy tym różnorodny, oprócz teorii względności: szczególnej i ogólnej obejmował początki fizyki kwantowej: cząstki światła (dziś zwane fotonami), skwantowane drgania kryształów (zwane fononami), teorię promieniowania (z której wyprowadza się działanie lasera), miała jeszcze do tego dojść kondensacja Bosego-Einsteina, przykład przemiany fazowej możliwej tylko dzięki kwantowej naturze materii. A do tego jeszcze teoria ruchów Browna, dzięki której ponad wszelką wątpliwość stwierdzono istnienie atomów (w tej dziedzinie równolegle do Einsteina z powodzeniem pracował Marian Smoluchowski zmarły przedwcześnie w 1917 roku). Z tego materiału dałoby się wykroić kilka porządnych Nagród Nobla, spora część tych osiągnięć miała potwierdzenie doświadczalne: Robert Millikan wykazał słuszność równania Einsteina dla zjawiska fotoelektrycznego, pomiary Walthera Nernsta i innych wskazywały, że drgania kryształów są skwantowane, a Jean Perrin zbadał szczegółowo ruchy Browna. No i w roku 1919 Arthur Eddington zmierzył ugięcie promieni świetlnych w pobliżu Słońca. Można powiedzieć, że nie było w historii tej nagrody uczonego, któremu bardziej by się ona należała.

Społeczność naukowa zdawała sobie z tego sprawę: od roku 1910 był Einstein nominowany do Nagrody Nobla regularnie (z wyjątkiem lat 1911 i 1915), z czasem przez coraz większą liczbę uczonych. Komitet Noblowski (udzielający rekomendacji z danej dziedziny), a także Akademia Królewska (która zatwierdza kandydatury, ale czasem zgłasza i zatwierdza własnych kandydatów) nie mogły więc nie zdawać sobie sprawy z jego pozycji w świecie naukowym. Szwedzcy uczeni mieli silne związki ze światem niemieckim, wydawałoby się, że powinno to faworyzować kandydata z Berlina. Jednak nie takiego kandydata Szwedzi pragnęli. Faworyzowali oni tradycyjnie badania doświadczalne, wielu akademików wciąż wierzyło, że tylko fakty eksperymentalne mają znaczenie, a wyszukane, by nie powiedzieć: wydumane, teorie stanowią jedynie zbędną nadbudowę. W dodatku ich sympatie polityczne były wyraźnie prawicowe i nacjonalistyczne, choć Szwecja była podczas wojny neutralna. Einstein niezbyt pasował do wizerunku statecznego profesora służącego własnemu krajowi: był zbyt bezkompromisowy i nonkonformistyczny, w dodatku deklarował się jako pacyfista. Toteż pierwsza uroczystość noblowska po wojnie, w czerwcu 1920 roku, doborem laureatów sprawiała raczej wrażenie rewanżystowskie.

filmik z roku 1920

Mamy tu od lewej: Fritza Habera (chemia, 1918), Charlesa Glovera Barklę (fizyka, 1917), Maksa Plancka (fizyka, 1918), Richarda Willstättera (chemia, 1915), Johannesa Starka (fizyka, 1919) i Maksa von Laue (fizyka, 1914), wszyscy prócz wdowca Willstättera w towarzystwie małżonek. Niewątpliwie przeważają Niemcy, a także eksperymentatorzy,  teoretykami są tu Planck i von Laue. Nagroda dla Habera, pomysłodawcy i gorliwego wykonawcy broni chemicznej, była jawną prowokacją, choć przyznano mu ją za proces Habera-Boscha ważny w produkcji nawozów dla rolnictwa (dzięki temu samemu procesowi Niemcy mogły prowadzić latami wojnę mimo odcięcia od chilijskiej saletry). Planck otrzymał nagrodę mocno już spóźnioną, ale był najbardziej szanowanym fizykiem w Niemczech i nie sposób było go pominąć. Max von Laue został nagrodzony za dyfrakcję rentgenowską (choć nie on przeprowadził eksperymenty), Stark za prace doświadczalne wybitne wprawdzie, ale z pewnością nie przełomowe – za jego kandydaturą stał Philipp Lenard, także eksperymentator i podobnie jak Stark skrajny nacjonalista. Osobliwym przypadkiem jest Barkla – jedyny przedstawiciel Ententy, Brytyjczyk, znany z prac nad widmami rentgenowskimi, lecz wówczas już raczej na marginesie, głoszący dziwne i słabo umotywowane poglądy na temat tzw. zjawiska J. Pozostały one na zawsze w obszarze niesprawdzonych i nie potwierdzonych spekulacji. Zgłosił go Ernest Rutherford, ale był to jeden z tych laureatów, o których szybko i zasłużenie zapomniano.

W roku 1920, a więc wkrótce po obserwacjach Eddingtona, raport na temat Einsteina przygotował Svante Arrhenius, wybitny fizykochemik, twórca teorii dysocjacji elektrolitycznej, który był zwolennikiem panspermii – idei, iż zarodki życia przybyły z kosmosu. Arrhenius sądził, że mogły być przenoszone przez ciśnienie promieniowania gwiazd. Dziś pamiętany jest także jako pionier badania wpływu CO₂ w atmosferze na temperaturę Ziemi. Jak widzimy, zainteresowania Arrheniusa były wprawdzie szerokie, lecz odległe od fizyki fundamentalnej. Jego raport przynosił dyskusję trzech efektów obserwacyjnych przewidywanych przez teorię względności: precesji peryhelium Merkurego (potwierdzona), ugięcia światła w pobliżu tarczy Słońca (jego zdaniem: efekt nie potwierdzony jednoznacznie ze względu na duże błędy obserwacji) oraz grawitacyjnego przesunięcia ku czerwieni (efekt zaobserwowany dopiero w 1959 roku przez Roberta Pounda i Glena Rebkę, gdy dzięki zjawisku Mößbauera, otrzymano bardzo wąskie linie widmowe). Arrhenius nie był przekonany, reszta Komitetu i Akademii także nie, kandydatura Einsteina nie została nawet poddana pod głosowanie. Dodatkowo był to rok kampanii antyeinsteinowskiej prowadzonej przez Lenarda, Starka i tyleż nieprzejednanego co niekompetentnego w tej dziedzinie Ernsta Gehrckego (specjalistę od spektroskopii). Nagrodę Nobla za rok 1920 przyznano Szwajcarowi, Charlesowi Édouardowi Guillaume, dyrektorowi Międzynarodowego Biura Miar i Wag za odkrycie inwaru, stopu żelaza i niklu o bardzo niskim współczynniku rozszerzalności. Było to odkrycie bez wątpienia pożyteczne, pozwalało bowiem na budowę dokładniejszych zegarów wahadłowych, choć jak dziś wiemy, zegary wahadłowe nie miały przed sobą wielkiej przyszłości w roku 1920. Dokładne pomiary – choćby nawet nic z nich nie wynikało – były jednak ideałem bliskim szwedzkim uczonym. Oczywiście, pomiary jako informacja o zachowaniu przyrody są bezcenne, ale ponieważ nie można zmierzyć zależności wszystkiego od wszystkiego, warto wybierać wielkości, których pomiar autentycznie rozwija wiedzę, a nie tylko zapełnia tablice Landolta-Börnsteina. Nagroda w dziedzinie chemii trafiła znacznie bardziej fortunnie do Walthera Nernsta.

W roku 1921 aż czternastu uczonych (na trzydziestu dwóch) wskazało kandydaturę Einsteina. Jako jedyny Einstein otrzymał nominacje z obu stron niedawnego konfliktu, mimo że panowała naukowa zimna wojna i Niemcy byli izolowani, zwłaszcza przez Anglików i Francuzów, od udziału w konferencjach, międzynarodowych komitetach itp. Alianci wciąż nie mogli zapomnieć niemieckich zbrodni wojennych: chloru i gazu musztardowego, zatapiania statków  pasażerskich przez U-booty, a także wystosowaniem orędzia Do cywilizowanego świata, podpisanego przez 93 niemieckich luminarzy i zaprzeczającego oczywistym faktom. Einsteina, który nie podpisał owego fatalnego dokumentu i znany był z pacyfizmu, traktowano inaczej niż jego kolegów niemieckich (co zresztą rodziło trudności i napięcia w jego stosunkach z krajowymi kolegami, na ogół przepojonymi żądzą odwetu za wojnę). Zadania oceny dorobku Einsteina tym razem podjął się Allvar Gulstrand, oftalmolog i laureat Nagrody z medycyny. Zajmował się on optyką wzroku i miał w tej dziedzinie osiągnięcia, np. ulepszenie lampy szczelinowej, do dziś używanej przez okulistów. Czuł się jednak mocny także w fizyce matematycznej. 

Gullstrand opublikował w 1921 r. pracę, w której odkrył inną postać metryki dla sferycznie symetrycznego ciała w teorii względności. Jest to bardzo ważny przypadek, bo dotyczy typowej sytuacji astrofizycznej. Pierwsi rozwiązania takie uzyskali Karl Schwarzschild i niezależnie od niego Johannes Droste. Za pomocą nowej metryki, dziś zwanej metryką Painlevégo-Gullstranda, szwedzki profesor usiłował dowieść, że teoria Einsteina nie daje jednoznacznych przewidywań, a nawet można w niej otrzymać dowolną wielkość precesji peryhelium Merkurego w zależności od pewnej arbitralnie przyjętej stałej całkowania. Nie jest to prawda. Sytuacja była już w tamtym czasie dość dobrze rozpoznana i równania Einsteinowskie rozwiązywali w swoich wykładach i książkach m.in. wybitni matematycy tacy, jak David Hilbert i Hermann Weyl. Trudno się było spodziewać, że i oni, i Max von Laue, który także napisał książkę poświęconą teorii Einsteina, nie dostrzegli elementarnego błędu. Na publikację Gullstranda zareagował zresztą jego rodak, w dodatku fizyk teoretyczny, Carl Wilhelm Oseen, który zauważył słusznie, że w teorii względności z zasady nie ma jednego układu współrzędnych, ponieważ obowiązuje ogólna kowariancja, tzn. równania słuszne są w dowolnych współrzędnych. W związku z tym nie wolno przypisywać wybranym współrzędnym jakiegoś szczególnego znaczenia fizycznego, są one tylko swego rodzaju etykietami, które nie mogą wpływać na obserwowane zjawiska. 

Gullstrand nie dawał się jednak nikomu przekonać i miał ponoć stwierdzić, że „Einstein nie może dostać Nagrody Nobla, choćby nawet cały świat się tego domagał”. Jego zdecydowana postawa przeważyła tym łatwiej, że większość akademików i tak nie miała ochoty przyznawać nagrody Einsteinowi. W roku 1921 nagrody z fizyki nie przyznano, odkładając decyzję na rok następny. 

W roku 1922 sytuacja nieco się zmieniła. Teraz do Komitetu Noblowskiego dołączył Oseen i zaczął prowadzić misterną grę. Nie był on wielkim zwolennikiem Einsteina, choć jako teoretyk lepiej sobie zdawał sprawę z wysokiej pozycji uczonego. Celem Oseena było jednak zapewnienie nagrody Nielsowi Bohrowi za jego model atomu. Duńczyk potrzebował pieniędzy na rozwinięcie swego instytutu w Kopenhadze, powszechnie zresztą sądzono, że nagroda mu się należy. Ponieważ jednak praca Bohra pochodziła z roku 1913 i Duńczyk był w stosunku do Einsteina już młodszym pokoleniem fizyków, Oseen zadbał, aby przyznano nagrodę zarówno Einsteinowi, jak i Bohrowi. W przypadku Einsteina obrał sprytną strategię, by ograniczyć się do jednej tylko pracy, lecz dobrze potwierdzonej przez doświadczenie. Chodziło o równanie zjawiska fotoelektrycznego. Eksperyment potwierdzał równanie Einsteina i można było na chwilę zapomnieć o leżącej u podstaw tego równania teorii, że światło ma naturę cząstkową. Równanie w każdym razie było słuszne i Oseen skoncentrował się na tym jednym punkcie. Strategia ta przyniosła podwójny sukces: postanowiono przyznać Einsteinowi nagrodę za rok 1921, a Bohrowi za rok 1922. 

Wczesną jesienią 1922 roku zaczęto Einsteinowi dawać do zrozumienia, że być może powinien zarezerwować czas, aby w grudniu udać się do Sztokholmu. Uczony zignorował te aluzje i wybrał się na wcześniej zaplanowaną turę odczytów do Japonii. Gdy oficjalnie ogłoszono przyznanie obu nagród z fizyki, był na morzu między Hong Kongiem a Szanghajem. Nie uważał za stosowne odnotować otrzymania Nagrody Nobla w dzienniku podróży, który prowadził. Najprawdopodobniej niezbyt go to obeszło, a poza tym pieniądze obiecał już Milevie. Wkrótce pochłonęły go egzotyczne wrażenia z Japonii, gdzie na Święcie Chryzantem stał się większą atrakcją niż cesarzowa. Podczas oficjalnej uroczystości 10 grudnia 1922 roku Svante Arrhenius następująco przedstawił osiągnięcia Einsteina:

Nie ma prawdopodobnie wśród żyjących współcześnie fizyków nikogo, kogo imię znane by było tak szeroko, jak imię Alberta Einsteina. Dyskusje koncentrują się przeważnie na jego teorii względności. Ma ona związek z epistemologią i dlatego była przedmiotem ożywionej debaty w kręgach filozoficznych. Nie jest sekretem, iż sławny filozof Bergson z Paryża kwestionuje tę teorię, podczas gdy inni filozofowie popierają ją całkowicie. Teoria ta posiada także implikacje astronomiczne, które są obecnie sprawdzane w dokładny sposób.

Tradycjonalistyczny upór Akademii Szwedzkiej sprawił ostatecznie, że Einstein otrzymał Nagrodę Nobla za swoją najbardziej wizjonerską pracę dotyczącą fotonów (nawet Planck sądził, że Einstein posunął się w niej zbyt daleko, co pokazuje, jak bardzo młody Einstein wyprzedzał poglądy kolegów). Dyplom i medal odebrał ambasador Niemiec, który okazał się bardziej asertywny od ambasadora Szwajcarii (Einstein wciąż uważał się za obywatela Szwajcarii). Dopiero w styczniu 1923 roku Einstein oficjalnie podziękował za przyznanie mu Nagrody Nobla, pisząc do Arrheniusa: „Bardzo się cieszę, między innymi dlatego, że nie będą mnie już z wyrzutem pytać: «Czemu nie dostał pan Nagrody Nobla?»”

Warunkiem otrzymania pieniędzy z Nagrody jest poprowadzenie wykładu. Arrhenius zaprosił Einsteina do Göteborga na odbywający się latem zjazd skandynawskich przyrodników i zaproponował mu, by na temat wykładu wybrał nie zjawisko fotoelektryczne, lecz teorię względności. Einstein uprzejmie się zgodził, choć opowiedział głównie o swojej nowej wersji jednolitej teorii pola. Jak zawsze, najbardziej interesowała go praca, którą się w danym momencie
zajmował. W odczycie wygłoszonym do dwóch tysięcy słuchaczy, wśród których znajdował się król Szwecji, Einstein streścił obie teorie względności. Przedstawił też „będący obecnie przedmiotem żywego zainteresowania problem identyczności pola grawitacyjnego i pola elektromagnetycznego. Umysł dążący do unifikacji teorii nie może być  usatysfakcjonowany tym, że istnieją dwa pola, które są całkowicie od siebie niezależne. Poszukiwana jest  matematycznie jednolita teoria, w której pole grawitacyjne i pole elektromagnetyczne będą interpretowane jako różne składowe czy przejawy tego samego jednolitego pola (…) W szczególności teoria pola, moim zdaniem, może być  zadowalająca tylko wówczas, gdy dopuszczać będzie elementarne ciała elektryczne jako rozwiązania wolne od osobliwości”. Był to program badawczy uczonego na następne trzydzieści lat. Fizyka poszła za Bohrem.

Pieniądze z Nagrody – równowartość swych dziesięcioletnich zarobków – rzeczywiście przekazał Milevie, która kupiła najpierw jeden, a potem dwa kolejne domy w Zurychu. Mileva nie miała żyłki do interesów i inwestycje te okazały się raczej kosztowną klapą. Einstein z daleka próbował jej pomagać, głównie ze względu na synów, z których młodszy Eduard trafił do zakładu psychiatrycznego i jego utrzymanie sporo kosztowało. Uczony po wyjeździe do Stanów Zjednoczonych stracił większość swego europejskiego majątku, który skonfiskowali naziści. Żeby kupić w Princeton słynny domek przy Mercer Street 112, musiał zorganizować specjalną aukcję jednego ze swych rękopisów. 

Einstein w Pradze (1911-1912)

Kariera akademicka Einsteina na dobre zaczęła się w 1909 roku, kiedy w wieku trzydziestu lat został profesorem nadzwyczajnym na uniwersytecie w Zurychu i mógł zrezygnować z posady w Biurze Patentowym. Kontrkandydatem na to stanowisko był Friedrich Adler, który się jednak wycofał, uznając, że sprawiedliwiej będzie, jeśli otrzyma ją Einstein (por. Einstein, gildia cór Koryntu i Friedrich Adler (1909)). Już w następnym roku pojawiła się perspektywa stanowiska bardziej prestiżowego: profesora zwyczajnego fizyki teoretycznej na uniwersytecie niemieckim w Pradze. W ówczesnym świecie uniwersyteckim profesora zwyczajnego od nadzwyczajnego dzieliła niemal przepaść. W szczególności oznaczało to też większą pensję. Einstein zaczął negocjacje z Pragą, które ciągnęły się dość długo. Wydział Filozoficzny w Pradze zaproponował Einsteina jako pierwszego z trzech kandydatów, drugim był Gustav Jaumann, uczeń Macha, profesor politechniki w Brnie. Minister kierujący oświatą w Wiedniu, Karl von Stürgkh, wolał Jaumanna, który był obywatelem Austro-Węgier. Jaumann wszakże w końcu nie zdecydował się na wyjazd do Pragi (legenda, że obraził na wieść o tym, iż uczelnia woli Einsteina, jest, jak się zdaje, nieprawdziwa). Wrócono w każdym razie do kandydatury Einsteina. Uczony musiał zadeklarować swoje wyznanie jako mojżeszowe, ponieważ cesarz Franciszek Józef nie uznawał żadnych dysydentów religijnych. Jeszcze jednym warunkiem była zmiana obywatelstwa, ale to żądanie Einstein po prostu zignorował i pozostał obywatelem szwajcarskim (por. Obywatelstwa Einsteina).

Kiedy w Zurychu dowiedziano się o propozycji z Pragi, studenci złożyli petycję o zatrzymanie młodego profesora, który chętnie rozmawiał ze studentami, a nawet zapraszał ich do kawiarni albo do domu w celu kontynuowania dyskusji, w ściśle hierarchicznym świecie akademickim była to postawa niespotykana. Pod petycją podpisało się piętnaście osób, w tym Polak, Stefan Straszewicz, matematyk, który został w Zurychu dłużej, pracując nad doktoratem u Ernsta Zermelo. Straszewicz, późniejszy profesor Politechniki Warszawskiej, opowiadał jako anegdotę, że uczył Einsteina (na jego prośbę) podstaw teorii mnogości. Środowisko matematyków i fizyków w Zurychu było na tyle małe, że wszyscy znali się tam nawzajem. Uniwersytet w Zurychu podniósł wprawdzie już po roku pensję Einsteina z 4500 do 5500 franków rocznie, ale i tak nie udało się go zatrzymać. Nie chodziło chyba tylko o pieniądze, Einstein wystąpił do władz uczelni, by zmniejszyły opłatę studencką za udział w jego seminarium pod pretekstem, że trwa ono nie dwie godziny, lecz tylko jedną – z pewnością pamiętał jeszcze dobrze chude studenckie życie i starał się ułatwić sytuację młodym ludziom. Pieniędzy mu już wtedy nie brakowało, pod koniec roku 1910 otrzymał bowiem trzyletnie prywatne stypendium wynoszące 5000 marek rocznie (ok. 6200 franków szwajcarskich), ufundowane przez anionimowego darczyńcę. Był nim Franz Oppenheim, przemysłowiec związany z firmą Agfa. Prace dotyczące termodynamiki i kwantów światła były uważnie czytane przez uczonych berlińskich takich, jak Walther Nernst, mający bliskie kontakty z przemysłem. Ostatecznie Einstein zrezygnował z posady w Zurychu i od 1 kwietnia 1911 roku został przez Jego Cesarsko-Królewską Apostolską Wysokość łaskawie mianowany na profesora fizyki teoretycznej w Pradze. Jego pensja wynosić miała 6400 koron (czyli 6720 franków szwajcarskich) plus spore dodatki. Nominacja ta zapewniała ustalone podwyżki co pięć lat „służby” – wszyscy bowiem profesorowie, tak jak urzędnicy i wojsko, służyli cesarzowi, któremu uroczyście zaprzysięgano wierność. Jako członek korpusu urzędniczego Cesarstwa Austro-Węgier sprawił sobie przepisowy piękny mundur, który czasem wkładał na spacer do parku, chcąc sprawić przyjemność Hansowi Albertowi (7 lat) – wyglądał w nim bowiem jak jakiś admirał. Jego służbowa kariera aż po emeryturę i śmierć uregulowana była ścisłymi przepisami. Nikt wtedy nie podejrzewał, że za siedem lat zniknie z mapy samo Cesarstwo. Einstein wytrwał w Pradze trzy semestry, latem 1912 wrócił do Zurychu, ale na stanowisko profesora zwyczajnego i nie na uniwersytecie, lecz w ETH, swej macierzystej uczelni, gdzie dwanaście lat wcześniej nie było dla niego miejsca. Niejako symbolicznie, w 1912 roku zmarł Heinrich Weber, profesor, który swego czasu wstrzymał karierę Einsteina na wiele lat (por. Student Einstein, profesor Weber i diamenty (1906)). Uczony miał tam zarabiać 11000 franków, ale po dwóch latach i tak przeniósł się do Berlina, który był wtedy światowym centrum fizyki.

Praga rozczarowała Einsteina, który jeszcze w tym samym roku zaczął negocjować stanowisko w Utrechcie i na ETH. Studenci byli tu na gorszym poziomie niż w Zurychu, uniwersytet niemiecki funkcjonował równolegle do uniwersytetu czeskiego, lecz miał znacznie mniej słuchaczy. Mniejszości niemiecka i żydowska (też niemieckojęzyczna) żyły w izolacji od społeczeństwa czeskiego. Uczony obracał się wyłącznie w kręgu niemieckojęzycznym.

Wśród zalet swej pozycji w Pradze uczony wymieniał dobrze zaopatrzoną bibliotekę oraz duży gabinet z czterema oknami wychodzącymi na piękny park, po którym spacerowali w pewnych porach wyłącznie mężczyźni, a w innych – kobiety. Zaintrygowany, spytał kogoś o powód tak osobliwej sytuacji i dowiedział się, że są to lżej chorzy pacjenci szpitala psychiatrycznego. Dużo w tym czasie pracował, często podróżował, m.in. został zaproszony na bardzo elitarny Kongres Solvayowski, gdzie mówił o kwantowym podejściu do drgań atomów w kryształach – jeszcze jednej ze swych rewolucyjnych prac (por. Student Einstein, profesor Weber i diamenty (1906)). Nieco wcześniej poznał osobiście Hendrika Lorentza, jedynego bodaj fizyka, przed którym czuł respekt. Na kongresie poznał też Marię Curie, atakowaną właśnie przez prawicową prasę francuską za romans z Paulem Langevinem („Żydówka-imigrantka, która rozbija katolicką rodzinę”, nie miało oczywiście żadnego znaczenia, że Maria Skłodowska nie była Żydówką, a Langevin miał poglądy zdecydowanie lewicowe, podobnie jak pani Curie). Znakomity matematyk, Henri Poincaré, nie zrobił na Einsteinie wrażenia kogoś, kto naprawdę rozumie problemy ówczesnej fizyki. Einstein natomiast robił na wszystkich znakomite wrażenie, bez przesady można powiedzieć, że był nadzieją fizyki – sądzili tak uczeni tak różni, jak Hendrik Lorentz, Max Planck, Arnold Sommerfeld, a także Henri Poincaré i Maria Curie (Planck rekomendował Einsteina do Pragi, a Poincaré i Curie do ETH).

Philipp Franck, który był następcą Einsteina na katedrze w Pradze i znał go osobiście, wspominał:

Bezpośrednie wrażenie, jakie Einstein wywierał na otoczeniu, było niejednoznaczne. Zachowywał się tak samo wobec wszystkich. Takim samym tonem zwracał się zarówno do najważniejszych urzędników uniwersytetu, jak i do sklepikarza czy sprzątaczki w laboratorium. Wskutek swych wielkich odkryć naukowych zyskał już głębokie poczucie pewności siebie. Presja, jaką często odczuwał w młodości, ustąpiła. Pogrążony był w pracy, której zamierzał poświęcić życie i do której się nadawał. Z perspektywy tej pracy problemy dnia codziennego wydawały mu się nieważne. (…) Widział sprawy codzienne w nieco komicznym świetle i coś z tego nastawienia wyzierało z jego słów; jego poczucie humoru rzucało się w oczy. Kiedy ktoś powiedział coś zabawnego, intencjonalnie albo niechcący, Einstein reagował bardzo żywiołowo. Wydobywający się z głębi jego jestestwa śmiech był jedną z jego charakterystycznych cech, które natychmiast zwracały uwagę. Dla ludzi dookoła był ów śmiech źródłem radości i ożywienia. Czasem jednak dawało się w nim wyczuć krytycyzm, który nie każdemu przypadał do gustu. Ludziom o wysokiej pozycji społecznej niezbyt się podobało, że Einstein uważa ich świat za śmiechu warty w porównaniu z wielkimi problemami, którymi sam się zajmuje. Jednak ludzie o niższej pozycji społecznej czerpali zawsze przyjemność z obcowania z Einsteinem. Jego sposób prowadzenia rozmowy sytuował się gdzieś między dziecinnymi żartami a gryzącym szyderstwem, tak że niektórzy nie wiedzieli, czy powinni się śmiać, czy obrazić. (…) Toteż wrażenie, jakie Einstein wywierał na otoczeniu, oscylowało między dziecinną wesołością a cynizmem.

Czasem wydawał się osobą, która „potrafi serdecznie przejąć się losem kogoś zupełnie obcego, a czasem egoistą, który przy bliższym kontakcie natychmiast zamyka się w sobie”. Owa dwoistość pogłębiała się z czasem, choć wszędzie potrafił Einstein znaleźć szybko przyjaciół. Albert Einstein z aparycji przypominał wówczas bardziej skrzypka wirtuoza niż profesora. Szybko zresztą znalazł w Pradze towarzyszy do uprawiania muzyki kameralnej, m.in. Georga Picka, wybitnego matematyka i zamiłowanego skrzypka. Poznał też Moritza Winternitza, profesora sanskrytu, ojca pięciorga dzieci, i zaprzyjaźnił się z nim oraz z całą jego rodziną. Szwagierka profesora, stara panna i nauczycielka muzyki, grywała
razem z nim, nie szczędząc słów krytyki, kiedy mu się coś nie udało. Towarzyski Einstein szybko się zadomowił w nowym miejscu, choć brak mu było partnerów do dyskusji naukowych. Gorzej wyjazd ten zniosła Mileva, zajęta wychowaniem dwóch synów, z których młodszy, Eduard, zwany w rodzinie Tete, przyszedł na świat zaledwie rok wcześniej. Małżonkowie
mocno się już od siebie oddalili, przyjaciołom rzucała się w oczy odmienność ich charakterów: Mileva niełatwo się zaprzyjaźniała z ludźmi, była milcząca, skłonna do melancholii i niezbyt towarzyska. Ich małżeństwo zaczynało się rozpadać, Mileva, niegdyś marząca o pracy naukowej, była teraz uwiązana w domu, coraz rzadziej towarzyszyła mężowi w jego podróżach, nie stała się też jego partnerką czy nawet powiernicą w sprawach naukowych.

Mieszkali teraz znacznie wygodniej, Einsteinowie po raz pierwszy mieli tu światło elektryczne – w Bernie używali lamp naftowych, w Zurychu oświetlenie było gazowe. Mieli także służącą na stałe. Hans Albert poszedł do katolickiej szkoły, gdzie lekcje religii były obowiązkowe, i  Einstein żartował, że dziecko zacznie sobie wyobrażać Boga jako kręgowca w gazowym stanie skupienia. Było to nawiązanie do tezy Ernsta Haeckla z Kongresu Wolnomyślicieli w roku 1904: „Antropomorficzny Bóg, kręgowiec w gazowym stanie skupienia, należy do dziedziny literatury mistycznej”.

Miasto bardzo się Einsteinowi podobało pod względem architektury, znacznie mniej jako miejsce do życia: woda była niezdrowa, a w powietrzu unosiła się sadza. Po wypielęgnowanych i schludnych miastach szwajcarskich stolica Czech wydawała się brudna i zaniedbana. Ludzie łączyli w sobie wyniosłość z oślizgłą służalczością, co także stanowiło
nieprzyjemny kontrast z atmosferą obywatelskiego społeczeństwa Szwajcarii. W każdej sprawie konieczne były pisma urzędowe i bez zgody namiestnika cesarskiego nie można było nawet zakupić środków czystości na potrzeby Instytutu.

Einstein zetknął się tu ze środowiskiem niemieckojęzycznych Żydów, będących pod wpływem Martina Bubera, poznał Franza Kafkę i Hugona Bergmanna, jednego z założycieli ruchu syjonistycznego. Kafka nie był wtedy znany jako pisarz, pisarza z kolei niezbyt interesował uczony, było to więc spotkanie bez żadnych konsekwencji. Wszyscy oni zbierali się w salonie artystycznym bogatej patronki, Berty Fanty (po czesku Fantová). Był to dla Einsteina, przyzwyczajonego do szwajcarskiej neutralności i panujących tam liberalnych wartości, zupełnie nowy świat. Dotąd nie myślał zbyt wiele o swej żydowskości, rzadko stykał się z przejawami antysemityzmu. Nawet jednak w szczęśliwej Szwajcarii Żydzi utrzymywali kontakty głównie z Żydami. Z czasem, w miarę upływu wieku XX, świadomość żydowska będzie się dla niego stawać coraz ważniejsza, choć wszelkie uczucia zbiorowe zawsze wydawały mu się podejrzane.

W roku 1912 przyjechał do Pragi na kilka dni Paul Ehrenfest, fizyk o rok młodszy od Einsteina, który dzielił wiele jego poglądów. Znali się dotąd ze swych publikacji. Ehrenfest, Żyd i wiedeńczyk, ożeniony z rosyjską matematyczką, Tatjaną Afanassjewą, mieszkał teraz w Sankt Petersburgu, gdzie doskwierała mu naukowa izolacja, myślał więc o powrocie do Europy. Einsteinowie powitali go na dworcu kolejowym i zaprosili do kawiarni, a potem panowie, już bez Milevy, udali się do Instytutu, gdzie mogli rozmawiać o fizyce. Obu im tego ostatnio brakowało, odkryli, że wiele ich łączy. Zaprzyjaźnili się w ciągu kilku godzin i była to przyjaźń na całe życie. Einstein proponował później, aby Ehrenfest objął po nim katedrę w Pradze, lecz ten, pryncypialny ateista, nie chciał za żadną cenę deklarować się jako wierzący

Wspomnienie Pragi wróciły do Einsteina w nieoczekiwanej postaci. W ostatnich latach życia pozostawał w bliskim związku z Johanną Fantovą, synową Berty Fantovej, której salon odwiedzał kiedyś w Pradze. Później zaprzyjaźnił się z Johanną w Berlinie, kiedy porządkowała mu bibliotekę. Niedługo przed wojną Fantová przyjechała do Stanów Zjednoczonych i spotkała się z Einsteinem w Princeton. Poradził jej, aby uczyła się bibliotekarstwa, po studiach została zatrudniona przez bibliotekę miejscowego uniwersytetu. Była dla niego częścią utraconego świata przedwojennej Europy. Czytała mu Goethego, on pisywał dla niej wierszyki. Das Ewigweibliche, pierwiastek kobiecy, pociągał go nawet w ostatnich latach życia, kiedy podupadał coraz bardziej na zdrowiu i powoli musiał wyrzekać się uroków świata. Zarówno w Berlinie, jak i w Princeton pływał z Johanną swoją żaglówką. Dziennik Fantovej w bibliotece Princeton University stanowi mało znany dokument z ostatnich lat uczonego.

Lord Rayleigh i błękit nieba, 1871

John William Strutt, pierworodny syn barona Rayleigha i dziedzic tytułu, był słabego zdrowia. Nie chodził z tego powodu regularnie do żadnej szkoły, uczył się prywatnie, co chyba mu wyszło na dobre. Studiował w Trinity College w Cambridge i tam w ciągu kilku lat okazało się, że ma talent do matematyki. Z czasem został jednym z najwszechstronniejszych fizyków swoich czasów. Zajmował się wieloma dziedzinami, szczególnie upodobał sobie zjawiska związane z falami różnego rodzaju. Prowadził też eksperymenty, jego największym osiągnięciem było odkrycie argonu, za które uzyskał Nagrodę Nobla w roku 1904, rok po małżonkach Curie. Skromnie opisuje to odkrycie jako rezultat dokładności swoich eksperymentów: azot uzyskany z powietrza i azot uzyskany drogą chemiczną różniły się nieco gęstością. Rayleigh zaczął badać wszystkie możliwe powody tej różnicy i odkrył nowy składnik powietrza, którego istnienia nikt nie podejrzewał.
Prace Rayleigha są znakomicie i przejrzyście napisane, w zbiorowym wydaniu zajmują sześć tomów z pewnością nie dlatego, by autor mnożył je ponad potrzebę, jak to często zdarza się dzisiaj. Zajmiemy się tu tylko jednym tematem badanym przez Rayleigha: rozpraszaniem światła w atmosferze. Bezchmurne niebo jest głęboko błękitne, mimo że powietrze jest przecież oświetlone białym światłem słonecznym. Z punktu widzenia fizyka oznacza to, że światło niebieskie łatwiej jest rozpraszane niż inne barwy. Z tego samego powodu zachodzące słońce jest czerwone: bo światło przechodzi wówczas przez grubszą warstwę atmosfery i światło niebieskie zostało rozproszone na boki – dociera do nas czerwone. Całe piękno wschodów i zachodów słońca sprowadza się więc do zrozumienia, czemu jedne barwy są łatwiej rozpraszane niż inne.

Rozpraszanie światła polega na tym, że padająca fala pobudza do drgań elektrony w cząsteczkach powietrza. Drganiom cząstek naładowanych towarzyszy zawsze powstawanie fali elektromagnetycznej (elektrony drgają w antenie i obwodach naszego telefonu komórkowego, gdy pracuje). Fala ta rozchodzi się we wszystkich kierunkach: w rezultacie część energii fali padającej jest rozpraszana na boki. Gdyby takiego rozproszenia nie było, widzielibyśmy oślepiające słońce na tle czarnego nieba. Dlaczego rozpraszanie zależy od barwy? Barwy światła związane są z długością fali. Fiolet i błękit mają najmniejszą długość fali, pomarańczowy i czerwień – największą. Wyobraźmy sobie falę elektromagnetyczną biegnącą w ośrodku, którego cząstki są znacznie mniejsze niż długość fali. Sytuację przedstawia rysunek: mamy tu falę świetlną wysłaną przez słońce przedstawioną w różnych punktach przestrzeni w jakiejś jednej chwili.

Dwie „cząsteczki powietrza” są mniejsze niż długość fali. Oznacza to, że w każdej z nich pole elektryczne padającej fali jest praktycznie jednakowe. Wobec tego elektrony w naszych „cząsteczkach powietrza” będą drgać zgodnie – a więc wytwarzane przez nie fale będą się dodawać. Gdybyśmy obserwowali falę wytworzoną przez jedną „cząsteczkę powietrza” w pewnej odległości r od tej cząsteczki, to amplituda fali wytworzonej powinna być proporcjonalna do amplitudy fali padającej: dwa razy większa fala wywoła dwa razy większe drgania elektronów. Powinna także maleć odwrotnie proporcjonalnie do r (wszystkie fale w trójwymiarowej przestrzeni tak się zachowują). Amplituda ta powinna też być proporcjonalna do objętości V naszej cząstki powietrza: bo przy dwa razy większej objętości, będzie tam dwa razy więcej elektronów. Mamy jeszcze trzecią wielkość o wymiarze odległości: długość fali λ. Ponieważ stosunek obu amplitud musi być bezwymiarowy, więc jedyną możliwą kombinacją tych wielkości jest

Natężenie fali, czyli np. przenoszona przez nią energia, jest proporcjonalne do kwadratu amplitudy, zatem natężenia będą odwrotnie proporcjonalne do czwartej potęgi długości fali – jest to bardzo silna zależność i to właśnie widzimy na niebie. Na wykresie widzimy zależność natężenia światła słonecznego od długości fali (krzywa niebieska) i tę samą zależność przefiltrowaną przez rozpraszanie Rayleigha (krzywa czerwona, jednostki na skali pionowej nie mają znaczenia, długości fal są w nm).

Widzimy, że światło o krótkich falach (niebieskie) jest rozpraszane znacznie silniej. Wrażenie barwne zależy jeszcze od wrażliwości oka na różne barwy i mechanizmu samego widzenia barwnego. Na siatkówce mamy trzy rodzaje pręcików wrażliwych na trzy różne obszary widma. To, co widzimy, jest wynikiem współdziałania tych trzech rodzajów pręcików. Nasze oczy nie są dobrym spektrometrem, ponieważ różne rozkłady natężeń mogą prowadzić do tego samego wrażenia – a więc koloru, jaki widzimy. Doświadczenia takie prowadził zresztą lord Rayleigh, który pokazał, że ustalona proporcja światła czerwonego i zielonego daje to samo wrażenie co światło żółte. W przypadku nieba wrażenie barwne jest takie samo, jak dla mieszanki monochromatycznego błękitu o długości fali 475 nm z bielą widmową.

Okazało się zresztą, że z dwóch krzywych na wykresie trudniej zrozumieć tę niebieską, czyli widmo słoneczne – jest to bowiem promieniowanie termiczne, zależne jedynie od temperatury. Zgodnie z fizyką klasyczną każdy rodzaj drgań pola elektromagnetycznego powinien mieć taką samą energię proporcjonalną do temperatury (). A ponieważ im krótsza fala, tym więcej rodzajów drgań, więc promieniowanie termiczne powinno „wybuchać” dla krótkich długości fali, co jest jawnym nonsensem. Trudność tę zauważył lord Rayleigh w roku 1900 i próbował zaproponować jakieś rozwiązanie ad hoc. Prawidłowym rozwiązaniem był wzór Plancka, i szerzej cała fizyka kwantowa.

Dodatek dla wymagających

Trochę inne uzasadnienie zależności wygląda następująco: elektrony w ośrodku w każdej chwili znajdują się w chwilowym położeniu równowagi, tzn. ich wychylenie z położenia równowagi jest w każdej chwili proporcjonalne do chwilowej wartości pola elektrycznego E (przybliżenie adiabatyczne: drgania elektromagnetyczne są stosunkowo powolne). Amplituda emitowanej fali jest proporcjonalna do przyspieszenia elektronu, zatem w ruchu harmonicznym o częstości kołowej jest proporcjonalna do . Natężenie zaś jest kwadratem amplitudy.

Lord Rayleigh nie ograniczył się oczywiście do argumentu wymiarowego, lecz w roku 1899 podał niezwykle elegancki wzór na współczynnik tłumienia światła (na odległości natężenie maleje razy), gdy mamy N cząsteczek chaotycznie rozmieszczonych w jednostce objętości:

gdzie n jest współczynnikiem załamania gazu. Wzór ten można wyprowadzić nawet w teorii sprężystego eteru. Wynika on także z rozważań w Wykładach Feynmana (t. I cz. II, równania 31.19 oraz 32.19). Wynik jest zbyt prosty, aby zależał od konkretnego modelu (choć Feynman woli raczej trzymać się konkretu). Rzeczywiście, można go uzyskać w sposób fenomenologiczny, co robią różne podręczniki elektrodynamiki. Interesujący współczynnik z trzecią potęgą bierze się częściowo z sumowania natężenia po kącie bryłowym, a częściowo z przeliczania drogi optycznej na fazę, w którym każde odpowiada zmianie fazy o .

Najbardziej rewolucyjna praca Einsteina (1905)

Wiosną 1905 roku Einstein pisał do swego przyjaciela matematyka, Conrada Habichta:

Kochany Habichcie!

Panuje między nami tak świętobliwe milczenie, że wydaje się niemal grzeszną profanacją naruszać je mało istotną paplaniną. Ale czyż na tym świecie nie dzieje się tak zawsze z rzeczami wzniosłymi? Cóż pan porabiasz, mrożony wielorybie, ty, połciu wędzonej, suszonej i zapuszkowanej duszy? I cóż jeszcze, nadzianego w siedemdziesięciu procentach gniewem, a w trzydziestu litością, mógłbym panu cisnąć w głowę?
(…)
Dlaczegóż nie przysłałeś mi pan jeszcze swojej dysertacji? Czyżbyś pan nie wiedział, o nędzniku, że będę jednym z tych półtora osobników, którzy przeczytają ją z zadowoleniem i zainteresowaniem? Obiecuję panu za to cztery prace, przy czym pierwszą z nich przyślę już wkrótce, ponieważ oczekuję egzemplarzy autorskich. Jest ona poświęcona promieniowaniu oraz energii światła i jest niezmiernie rewolucyjna, jak to sam pan zobaczy,
jeśli n a j p i e r w przyśle mi swoją pracę. Praca druga zawiera określenie rzeczywistych rozmiarów atomów na podstawie dyfuzji oraz lepkości w rozcieńczonych roztworach substancji obojętnych. Trzecia natomiast
dowodzi, iż z założeń molekularnej [kinetycznej – J.K.] teorii ciepła wynika, że cząstki o średnicy rzędu 1/1000 mm, tworzące zawiesinę w cieczy, muszą wykonywać dostrzegalne, chaotyczne ruchy, spowodowane ruchami cieplnymi [cząsteczek cieczy – J.K.]; w rzeczy samej, fzjologowie zaobserwowali niewyjaśnione [słowo skreślone przez autora listu – J.K.] ruchy małych nieożywionych cząstek w zawiesinach, które nazwano molekularnymi ruchami Browna. Czwarta praca istnieje na razie tylko w brudnopisie i dotyczy elektrodynamiki ciał w ruchu przy wykorzystaniu zmodyfkowanej teorii przestrzeni i czasu; czysto kinematyczna część pracy z pewnością
pana zaciekawi.

Rzeczywiście, praca dotycząca światła okazała się najbardziej rewolucyjna z całej tej historycznej serii artykułów dwudziestosześcioletniego urzędnika Biura Patentowego w Bernie. Einstein wysunął w tej pracy hipotezę kwantów światła: promieniowanie elektromagnetyczne ma według niego naturę cząstkową. Był to pogląd niezmiernie heretycki, który fizycy odrzucali przez następnych dwadzieścia lat, nawet wbrew wynikom eksperymentalnym.

Gdyby o naturę światła spytać Isaaca Newtona, odrzekłby, że naturalnie są to cząstki, choć dosyć osobliwe, gdyż można je polaryzować, a przy odbiciu od cienkiej warstewki np. miki cząstki te w jakiś sposób „wiedzą”, jaka jest grubość warstwy pod powierzchnią i stosownie do jej wartości odbijają się albo wnikają w głąb. Na początku XIX wieku zrozumiano dzięki pracom Thomasa Younga i Augustina Fresnela, że światło jest falą. James Clerk Maxwell pokazał, że są to fale elektromagnetyczne, można więc za pomocą urządzeń elektrycznych takie fale generować, co dało początek radiu, telewizji, a także różnym systemom łączności aż do telefonii komórkowej i GPS. Nie ma nic bardziej praktycznego niż dobra teoria: dzięki teorii Maxwella elektryczność, magnetyzm i optyka stały się jedną dziedziną, opisywaną tymi samymi równaniami, a to, co umiemy opisać matematycznie, możemy też zrozumieć albo przynajmniej modelować. Niezliczone doświadczenia pokazywały i wciąż pokazują, że teoria Maxwella znakomicie opisuje zjawiska. W tej sytuacji powiedzenie, że może jednak światło nie jest falą, wyglądało na szaleństwo, zwłaszcza gdy proponował to nikomu nieznany urzędnik, ekspert trzeciej klasy w Biurze Patentowym.

W różnych poradnikach typu „Naucz się przez weekend myśleć jak Einstein” roi się od porad w rodzaju: należy odrzucać przyjęte zasady i myśleć twórczo. Gdyby było to takie proste, każdy dziwak mógłby zostać Einsteinem. Ziemia nie jest płaska, a Słońce nie krąży wokół naszego podwórka. Czemu więc Einstein wysunął taką hipotezę i jak wyjaśniał sukces teorii Maxwella? Jego rozmyślania nad podstawami fizyki trwały już dobre kilka lat i zdążył on przemyśleć rozmaite za i przeciw. Wysuwał hipotezę, za którą przemawiały pewne argumenty.

Albert Einstein miał silne poczucie jedności całego wszechświata. Sądził, że muszą w nim obowiązywać prawa i koncepcje uniwersalne. Tymczasem ówczesna fizyka z jednej strony uznawała istnienie atomów i ich lekkich naładowanych składników elektronów, z drugiej zaś posługiwała się pojęciem pola elektromagnetycznego, a więc czegoś określonego w każdym punkcie przestrzeni i z natury ciągłego. Dyskretne cząstki i ciągłe pola, taka dychotomia niezbyt mu przypadała do gustu. I nie był to jakiś młodzieńczy wybryk, o którym wkrótce się zapomina. Wręcz przeciwnie: aż do końca swego życia naukowego, przez następne pięćdziesiąt lat, zastanawiał się Einstein nad pojęciem cząstki i starał się tę dychotomię zlikwidować, uznając później cząstki za ruchome obszary zwiększonego pola.

We wstępie do pracy z 1905 roku pisze, że wprawdzie doświadczenia optyczne pokazują falowe własności światła, lecz mierzymy zawsze wielkości uśrednione w czasie, więc niekoniecznie świadczy to o falowej naturze światła. Miał rację, rzeczywiście obrazy interferencyjne i dyfrakcyjne są skutkiem nałożenia się dużej liczby cząstek. Jak na poniższych rysunkach (odnoszą się one wprawdzie do elektronów, ale z fotonami jest tak samo).

Co miałoby jednak przemawiać za cząstkowym charakterem światła? Główny argument Einsteina jest subtelny i nie był doceniony przez kolegów. Wyobraźmy sobie naczynie o objętości wypełnione gazem doskonałym.

Jeśli wydzielimy w nim myślowo pewien obszar o objętości , to prawdopodobieństwo znalezienia konkretnej cząstki w tej wydzielonej objętości, będzie równe

ponieważ cząstki poruszają się w sposób chaotyczny. Jeśli liczba cząstek wnaczyniu równa jest , to prawdopodobieństwo, że wszystkie zgromadzą się w danej chwili w naszej wydzielonej objętości jest równe

Cząstki poruszają się niezależnie, więc prawdopodobieństwo iloczynu (koniunkcji) zdarzeń jest równe iloczynowi wszystkich prawdopodobieństw jednocząstkowych.

W jaki sposób możemy się przekonać, że powyższe rozumowanie jest prawidłowe? Ludwig Boltzmann powiązał prawdopodobieństwo z wielkością zwaną entropią , którą można mierzyć na podstawie pomiarów cieplnych. Związek ten ma postać:

gdzie jest stałą fizyczną (stałą Boltzmanna). W przypadku gazu doskonałego wiadomo, że zmiana entropii odpowiadająca zmianie objętości od do jest równa

Możemy więc z wielkości zmiany entropii, możliwej do zmierzenia w laboratorium, otrzymać liczbę cząstek gazu. Biorąc jeden mol gazu, wyznaczylibyśmy w ten sposób liczbę Avogadro – sam Einstein, jak też inni fizycy stosowali wówczas szeroko rozumowania tego rodzaju do wyznaczania własności atomów. Był to jakiś sposób przeskoczenia z poziomu makroskopowego, laboratoryjnego, do poziomu atomów i cząsteczek, których wówczas nie można było obserwować bezpośrednio.

Przypadek promieniowania jest bardziej subtelny. Jeśli wyobrazimy sobie zamknięte naczynie o pewnej temperaturze, to będzie ono wypełnione promieniowaniem termicznym. Można w naczyniu zrobić niewielki otwór i badać uciekające promieniowanie – mamy wtedy do czynienia z tzw. promieniowaniem ciała doskonale czarnego, które ma charakterystyki zależne jedynie od częstości i temperatury (a nie np. rodzaju ścianek naczynia albo ich składu chemicznego). Promieniowanie zamknięte w naczyniu jest gazem fotonów, podobnym pod pewnymi względami do zwykłego gazu jak np. powietrze w zwykłych warunkach. Przed rokiem 1905 Einstein opublikował kilka prac dotyczących fizyki statystycznej i stał się jednym z najlepszych znawców jej metod, kontynuatorem Plancka i Boltzmanna. Teraz, w 1905 roku, wykazał, że jeśli promieniowanie z dowolnego niewielkiego przedziału częstości zmieni objętość z do , to zmiana entropii będzie przy tym równa

gdzie jest energią promieniowania, a stałą wprowadzoną przez Plancka. Jeśli porównamy oba wyrażenia na zmianę entropii, widzimy, że

Gaz promieniowania zachowuje się więc jak gaz niezależnych cząstek o energii każda, przynajmniej pod względem termodynamicznym. Zarysowała się w ten sposób daleka perspektywa usunięcia dualizmu cząstek i pól. Wynikały z tych rozważań rozmaite konsekwencje możliwe do sprawdzenia. Np. w zjawisku fotoelektrycznym padające światło wybija elektrony z metalu. Jeśli światło występuje w porcjach o energii , to energia kinetyczna wybijanych elektronów powinna być równa

gdzie jest pracą potrzebną na ucieczkę elektronu z metalu, zależną od rodzaju metalu. Z równania tego wynika szereg istotnych wniosków: istnieje pewna progowa częstość światła poniżej której zjawisko nie występuje. Zależność energii kinetycznej od częstości jest linią prostą o takim samym nachyleniu dla wszystkich materiałów itd. Równanie Einsteina zostało doświadczalnie zweryfikowane przez Roberta Millikana. Einstein otrzymał Nagrodę Nobla za rok 1921 właśnie za to równanie – nie za teorię względności i nie za koncepcję kwantów światła. Komitet Noblowski wybrał bezpieczne osiągnięcie dobrze sprawdzone eksperymentalnie (Millikan za te pomiary, jak i za wyznaczenie ładunku elektronu otrzymał Nagrodę Nobla za rok 1923).

Wyniki Millikana z roku 1916 (z nachylenia prostej wyznaczył wielkość stałej Plancka )

Nie należy sądzić, że te i inne wyniki eksperymentalne oznaczały przyjęcie poglądów Einsteina. Sam Millikan wspominał w roku 1949:

Spędziłem dziesięć lat życia na sprawdzaniu równania Einsteina i  wbrew wszystkim moim oczekiwaniom w 1915 roku musiałem uznać, że zostało jednoznacznie potwierdzone, mimo iż wydaje się zupełnie absurdalne, ponieważ pozornie przeczy wszystkiemu, co wiemy na temat interferencji światła.

Einstein i Millikan w 1932 w Caltechu. Public Domain

Millikan był eksperymentatorem, mógł zatem być sceptyczny wobec zbyt nowatorskich teorii, jednak nawet koledzy Einsteina Max Planck czy Niels Bohr długo nie chcieli uwierzyć w istnienie cząstek światła. Dopiero zjawisko Comptona w roku 1923 uznano za przekonujący dowód cząstkowej natury światła. Fotony znalazły swe miejsce w logicznej strukturze fizyki w drugim etapie tworzenia fizyki kwantowej, gdy od mechaniki nierelatywistycznej fizycy przeszli do konstruowania kwantowej teorii pola. Elektrodynamika kwantowa jest precyzyjną teorią fotonów i cząstek naładowanych, lecz jej rozwój nastąpił dopiero pod koniec lat czterdziestych. Einstein pozostał przy swoich próbach zbudowania klasycznej jednolitej teorii pola, ignorując te osiągnięcia.

 

Fizyka dla mieszkańców Syriusza: stałe fizyczne (Max Planck, 1899-Matvei Bronstein, 1935)

Max Planck, profesor fizyki w Berlinie, najwybitniejszy niemiecki fizyk teoretyczny przełomu wieku XIX i XX, przez lata badał własności promieniowania termicznego. Idealnym obiektem badań jest tu tzw. ciało doskonale czarne, czyli takie, które pochłania całe padające nań promieniowanie. Można wykazać, że każde ciało doskonale czarne emituje promieniowanie o rozkładzie widmowym zależnym wyłącznie od temperatury. Np. Słońce jest w dobrym przybliżeniu ciałem doskonale czarnym.

Widzimy tu (szary) teoretyczny rozkład widmowy promieniowania ciała doskonale czarnego o temperaturze K zestawiony z rzeczywistym promieniowaniem docierającym ze Słońca. Ciało doskonale czarne nie jest czarne, jego barwa zależy od temperatury. (obrazek: Wikimedia)

Znalezienie postaci krzywej widmowej tego promieniowania stało się największym osiągnięciem Maksa Plancka. Otrzymana przez niego zależność ma następującą postać

gdzie stałe oznaczają odpowiednio stałą Boltzmanna (nazwa wprowadzona przez Plancka), prędkość światła w próżni i stałą Plancka. Mamy tu trzy stałe fizyczne, które ze względu na uniwersalność promieniowania powinny mieć fundamentalne znaczenie.

Max Planck zauważył (w roku 1899, zanim jeszcze wyprowadził swój słynny wzór), że stałe w połączeniu ze stałą grawitacyjną pozwalają wprowadzić jednostki niezależne od zaszłości ludzkiej historii czy w ogóle niezależne od naszych ludzkich parametrów: „pojawia się możliwość ustanowienia jednostek długości, masy, czasu i temperatury niezależnych od szczególnych ciał czy substancji, których znaczenie dla wszystkich czasów i wszystkich kultur, także pozaziemskich i pozaludzkich, pozostanie w konieczny sposób takie same”.

Stała Plancka to , stała grawitacyjna to . Mamy więc dla ich iloczynu i ilorazu jednostki:

Zatem wielkości będą nowymi „pozaziemskimi” jednostkami długości oraz masy:

Jednostkę czasu otrzymamy, dzieląc odległość przez prędkość światła:

Te „pozaziemskie” jednostki Planck nazwał naturalnymi, a my dziś nazywamy układem jednostek Plancka. Podstawowe stałe fizyki mają w nim wartości równe 1: . W roku 1899 interesująca wydawała się sama możliwość wprowadzenia jednostek, umożliwiających porozumiewanie się z fizykiem z Syriusza, który ma – jak to dobrze wiemy – postać  świecącego zielono dodekahedronu zanurzonego w inteligentnym oceanie (oni tam szybciej weszli w fazę AI).

Jednostki długości i czasu w układzie Plancka są skrajnie małe: nie tylko w porównaniu z nami, ale nawet z protonem i czasem potrzebnym światłu na przebycie jego wnętrza. Sens fizyczny tych jednostek stał się jasny znacznie później.

Najpierw powiedzmy, jak interpretuje się dziś stałe użyte przez Plancka.

Stała Boltzmanna jest w zasadzie przelicznikiem temperatury w kelwinach na wartości energii – byłoby logiczniej z punktu widzenia fizyki mierzyć temperatury w jednostkach energii, a skoro tego nie robimy, potrzebujemy stałej Boltzmanna. Według najnowszych ustaleń od roku 2019 stała Boltzmanna równa jest dokładnie J/K. Jest to tym samym nowa definicja kelwina (bo dżul zdefiniowany jest na podstawie kilograma, metra i sekundy).

Prędkość światła, czy ogólniej: każdego promieniowania elektromagnetycznego, w próżni wydawała się już około roku 1900 wielkością bardzo ważną. Dzięki teorii względności z roku 1905 wiemy, że jest to coś więcej niż pewna charakterystyczna prędkość w przyrodzie. Jest to bowiem naturalna granica prędkości ciał. Z punktu widzenia teorii względności prędkość światła jest właściwie przelicznikiem między odległościami a czasem. W fizyce poeinsteinowskiej odległości i czas należałoby mierzyć tymi samymi jednostkami. Inaczej mówiąc, stała wyraża stosunek jednostek odległości do jednostek czasu. Jej wartość w dzisiejszej fizyce jest na mocy konwencji równa dokładnie m/s$. Ta dziwna wartość wynika z potrzeby ciągłości dawnych i nowych jednostek.

Trzecia stałą, pojawiającą się we wzorze Plancka, jest oznaczana przez niego literą wielkość, dziś zwana stałą Plancka. Pojawia się ona wszędzie tam, gdzie występują zjawiska kwantowe. Podstawowe równanie fizyki kwantowej, równanie Schrödingera, można zawsze zapisać w postaci

gdzie to jednostka urojona, a , jest funkcją falową, a – hamiltonianem, czyli matematycznym zapisem energii układu. Planck z początku nie wiedział, jak ogromne znaczenie ma jego stała wprowadzona dla promieniowania. Obecnie (od roku 2019) wartość stałej Plancka jest określona raz na zawsze jako J·s. W istocie, jest to nowa definicja kilograma, słynny wzorzec z Sèvres jest już niepotrzebny (kilogram pojawia się w jednostce energii: ).

Stałe określają możliwe teorie fundamentalne fizyki. Sytuację tę można przedstawić za pomocą sześcianu Bronsteina (sam obrazek jest późniejszy):

 

W początku układu mamy mechanikę klasyczną bez grawitacji. Odpowiada to wartościom . Szczególna teoria względności odpowiada przyjęciu , mechanika kwantowa przyjęciu niezerowej stałej Plancka . Kwantowa teoria pola, czyli Model Standardowy cząstek odpowiada oraz . Ogólna teoria względności zawiera stałą grawitacji oraz prędkość światła . Kwantowa teoria grawitacji byłaby „teorią wszystkiego” w tym sensie, że zawierałaby zarówno efekty kwantowe, jak i grawitacyjne. Wszystkie trzy stałe byłyby w niej niezerowe.

Matvei Bronstein, dwudziestoparolatek, już w roku 1933 zaczął się zastanawiać nad kwantowaniem grawitacji. Pięć lat później już nie żył, aresztowany i skazany na śmierć podczas wielkiego terroru w Związku Sowieckim. Także Lew Landau, największy rosyjski teoretyk, był wówczas aresztowany. W jego przypadku pomogła interwencja Piotra Kapicy.

Sześcian Bronsteina jest tylko prostą ilustracją jednego z aspektów poszukiwanej kwantowej teorii grawitacji: wszystkie trzy fundamentalne stałe miałyby w niej skończoną wartość. Wszystkie te stałe (wraz ze stałą Boltzmanna) pojawiają się w we wzorze Hawkinga na temperaturę czarnej dziury. Układ Plancka byłby w kwantowej grawitacji naturalnym układem jednostek. Znaczy to, że zjawisk kwantowych związanych z grawitacją należy oczekiwać w skali długości Plancka, czyli znacznie poniżej dostępnych dziś w badaniach. Masa Plancka jest niemal porównywalna z naszymi jednostkami. Znaczy to jednak, że odpowiadająca jej energia równa będzie J. W teorii fundamentalnej jest to energia olbrzymia, widać to, gdy wyrazimy ją w elektronowoltach:  eV. Dla porównania najdroższy akcelerator w dziejach fizyki, LHC w CERN-ie, może maksymalnie osiągnąć energię 14 TeV, czyli eV – jest to piętnaście rzędów wielkości poniżej energii Plancka.

Wartości stałych fundamentalnych stanowią rodzaj przelicznika pomiędzy naszymi zwykłymi jednostkami, jak metry, sekundy, kilogramy, a jednostkami, jakich używa przyroda, zrozumiałymi dla kolegi z Syriusza. Nb. matematyka jest zapewne jedynym językiem, w którym moglibyśmy się z owym dodekaedrem porozumieć. Może należy zwrócić na to uwagę w dyskusji dotyczącej matury z matematyki: matematyka to jedyny język, w którym możemy się porozumiewać z mieszkańcami Syriusza czy szerzej: ze wszechświatem. Zastosowania są chyba oczywiste.

Niezależne od jednostek są stałe bezwymiarowe. Np. kwadrat ładunku elektronu można wyrazić następująco:

Mając jeszcze do dyspozycji masę elektronu , można wyrazić wszystkie wielkości atomowe. Energia wiązania elektronu w atomie wodoru to

a promień atomu (tzw. promień Bohra):

Wielkości te określają skalę zjawisk atomowych i cząsteczkowych. W  fundamentalnej teorii wszystkiego powinniśmy masę elektronu wyrazić w masach Plancka, a promień Bohra w długościach Plancka.

Ilu różnych bezwymiarowych stałych potrzebujemy do opisu świata? Używamy jednostek Plancka. Zatem grawitacja kwantowa nie zawiera żadnych dowolnych stałych. Model Standardowy potrzebuje trzech stałych określających siłę oddziaływań: oprócz dla oddziaływań elektromagnetycznych, potrzeba jeszcze stałych dla oddziaływań słabych i silnych. W sumie mamy 3 stałe. Dalej, potrzebujemy mas: sześciu kwarków, trzech leptonów i trzech neutrin oraz bozonu Higgsa (wszystko wyrażamy w masach Plancka, więc są to wielkości bezwymiarowe). Dotąd mamy 16 stałych. Potrzebna jest jeszcze wartość oczekiwana pola Higgsa: stała nr 17. Kolejnych 8 stałych bierze się z różnych macierzy mieszania. Daje to 25 parametrów, przy czym większość wynika z Modelu Standardowego. Wielkość ciemnej energii jest parametrem nr 26 (jeśli ciemna energia to stała kosmologiczna). Z jednej strony jest tych stałych za wiele jak na fundamentalną teorię, z drugiej strony jednak od czterdziestu lat nikt nie potrafi wskazać teorii bardziej ekonomicznej, a te stałe nie są jakimiś kaprysami teoretyków, lecz potwierdzane są w eksperymentach (tutaj LHC ma jak najbardziej zastosowanie).

Więcej szczegółów nt. stałych w artykule Johna Baeza.

 

Ludwig Boltzmann: Jak świat pogrąża się w chaosie (1877)

Atomizm był od starożytności doktryną szczególnie ostro zwalczaną. Wydawało się bowiem – i zapewne słusznie – że w świecie z atomów nie ma miejsca na duszę, która może przetrwać śmierć ciała. Jednak odkrycie w XV w. poematu Lukrecjusza O rzeczywistości (nb. przez papieskiego sekretarza, Gianfrancesco Braccioliniego) wywarło spory wpływ na dzieje idei. W Anglii Isaaca Newtona udało się pogodzić bożą wszechmoc z atomizmem, ale nie wszyscy zwolennicy nowej nauki byli przekonani do takich kompromisów. Do nieprzejednanych oponentów atomizmu należeli m.in. René Descartes i Gottfied Wilhelm Leibniz.

Naukowa kariera atomizmu złączona była z chemią oraz nauką o cieple. Od czasu Johna Daltona atomy okazały się niezwykle przydatnym narzędziem dla chemików. Fizycy dopiero w drugiej połowie XIX wieku zaczęli rozwijać teorię kinetyczną, czyli w gruncie rzeczy konsekwencje cząstkowego obrazu materii obdarzonej ruchem. Szczególnie prosta okazała się teoria kinetyczna gazów, ponieważ wystarczyło założyć, że cząsteczki gazów oddziałują tylko za pomocą zderzeń. Ten sposób myślenia przebijał się wszakże bardzo powoli, jak świadczy przykład Johna Waterstona. Kilkanaście lat później James Clerk Maxwell zapoczątkował nowoczesną teorię kinetyczną.

Teoria gazów stała się głównym tematem badań Ludwiga Boltzmanna, wiedeńczyka, który co kilka lat przenosił się niespokojnie z jednego uniwersytetu na drugi, pracując w Wiedniu, Grazu, potem znowu w Wiedniu, znowu w Grazu, w Monachium, jeszcze raz w Wiedniu, w Lipsku i ponownie w Wiedniu. Boltzmann stworzył całą nową dziedzinę wiedzy: fizykę statystyczną – czyli mikroskopowy statystyczny opis zjawisk cieplnych. Głównym zastosowaniem była dla niego teoria gazów, w istocie jednak teorię tę stosować można do wszelkich układów wielu cząstek. Wyjaśnia ona własności makroskopowe różnych ciał: kryształów, cieczy, metali, półprzewodników, magnetyków itd. Pokazuje, jak z poziomu oddziaływań między atomami i cząsteczkami przejść na poziom własności materii obserwowanej w laboratorium.

Zjawiska cieplne podlegają zasadom termodynamiki. Pierwsza z nich to po prostu zasada zachowania energii. Druga jest znacznie bardziej interesująca: mówi bowiem o kierunku możliwych przemian w świecie. Można zdefiniować wielkość zwaną entropią , która jest funkcją stanu ciała, czyli np. w przypadku gazu zawartego w objętości i mającego energię : . Otóż druga zasada termodynamiki mówi, że entropia układu izolowanego cieplnie nie może maleć, a zazwyczaj rośnie. Intuicyjnie wzrost entropii odpowiada temu, że większa część energii ciała ma postać chaotycznych ruchów cieplnych i trudniej ją wykorzystać do uporządkowanych zmian typu np. zmiany objętości (dlatego nie można zbudować np. silnika samochodowego, który wykorzystywałby w 100% energię uzyskaną ze spalania; samochody elektryczne przenoszą ten problem do elektrowni, które też zazwyczaj coś spalają, z nieco większą wydajnością, ale także daleką od 100%).

Entropia jest wielkością tzw. ekstensywną, to znaczy entropia układu złożonego z dwóch części będzie sumą entropii obu części:

Jak na poziomie cząsteczkowym opisać wzrost entropii? Boltzmannowi udało się powiązać entropię z prawdopodobieństwem, a właściwie z liczbą mikrostanów odpowiadających danemu makrostanowi. Rozważmy naczynie z gazem, w którym znajduje się cząstek o łącznej energii . Tej samej wartości energii całkowitej odpowiada bardzo wiele różnych konfiguracji cząstek (mikrostanów). Gaz dąży spontanicznie do równowagi cieplnej, ponieważ jest to stan najbardziej prawdopodobny. Wzrost entropii nie jest więc tajemniczym prawem przyrody, lecz konsekwencją trywialnego faktu matematycznego, że zdarzenia bardziej prawdopodobne realizują się częściej niż wyjątkowe.

Jak można to opisać ilościowo? Stan ruchu jednej cząstki możemy opisać, podając jej położenie oraz pęd . Załóżmy, że całą przestrzeń dostępnych stanów podzieliliśmy na komórki o jednakowej objętości. Stan makroskopowy gazu znamy, gdy podana zostanie liczba cząstek gazu w każdej komórce. Wyobrażamy sobie przy tym, że liczby te są duże (w jednym molu mamy cząstek, więc nawet po rozdzieleniu tych cząstek na bardzo wielką liczbę komórek, możemy wciąż mieć dużo cząstek w każdej komórce). Stan makroskopowy będzie więc listą liczb cząstek w kolejnych komórkach: , gdzie jest całkowitą liczbą komórek (jeśli całkowita energia gazu równa jest , to żadna cząstka nie może mieć energii większej niż , a więc obszar przestrzeni stanów potrzebny nam w rozważaniach jest ograniczony).

Schematyczny rysunek obszaru w przestrzeni stanów (jest on sześciowymiarowy, a więc trudny do narysowania). Zaznaczyliśmy jedną z komórek, na jakie dzielimy całą przestrzeń stanów wraz z liczbą cząstek w tej komórce.

Jeśli znamy poszczególne , to możemy także obliczyć całkowitą liczbę cząstek :

oraz całkowitą energię :

gdzie oznacza energię w  i-tej komórce. Dalej zakładamy, że oraz (a także objętość gazu) są ustalone. Ilu konfuguracjom cząstek (mikrostanom) będzie odpowiadać dana lista ? Zakładając, że cząstki są rozróżnialne, lecz jednakowe, liczba konfiguracji prowadzących do tej samej listy równa jest

Nietrudno zrozumieć sens tego wyrażenia: liczbę permutacji wszystkich cząstek dzielimy przez liczby permutacji wewnątrz kolejnych komórek, bo nie zmieniają one wartości . Liczba konfiguracji jest proporcjonalna do prawdopodobieństwa. Możemy poszukać takiej listy , dla której W będzie maksymalne. Fizycznie powinno to odpowiadać stanowi równowagi termodynamicznej. Ów rozkład najbardziej prawdopodobny jest tzw. rozkładem Maxwella-Boltzmanna:

gdzie stałe określone są warunkami stałości całkowitej liczby cząstek i energii. Boltzmann wcześniej uzyskał ten rozkład z innych rozważań. Można teraz zdefiniować entropię następującym wzorem:

Pojawienie się logarytmu jest tu całkiem oczekiwane, ponieważ gdy weźmiemy dwa układy o liczbach konfiguracji odpowiednio , to całkowita liczba konfiguracji będzie równa

a chcemy żeby entropie w takiej sytuacji się sumowały: . Zdefiniowaliśmy entropię nie tylko w stanach równowagowych, którym odpowiadają listy , ale także w dowolnych innych, którym odpowiadają listy . Żeby nowa definicja miała sens, trzeba było oczywiście wykazać, że w sytuacjach równowagowych, otrzymuje się znane wcześniej wyrażenia. Wzór Boltzmanna

stał się nową definicją entropii, dziś uważaną za podstawową. W istocie wzór Boltzmanna ma znacznie szersze pole zastosowań niż fizyka klasyczna znana w jego czasach. Jeśli rozważymy np. cząstki nierozróżnialne, można z analogicznych rozważań otrzymać prawa obowiązujące dla gazu fermionów (np. elektrony w metalu albo w białym karle) albo gazu bozonów (z czego wynikają prawa promieniowania cieplnego oraz, w innej nieco sytuacji, kondensacja Bosego-Einsteina). Wzór Boltzmanna pozwala też wyprowadzić wniosek, że w niskich temperaturach, gdy układ znajduje się w stanie podstawowym, entropia powinna być równa zeru – jest to treścią trzeciej zasady termodynamiki sformułowanej przez Wilhelma Nernsta.

W czasach Boltzmanna teoria kinetyczna była wysoce spekulatywna. Nie było pewności, czy w ogóle istnieją cząstki składające się na gaz. A więc znajdowanie liczby ich konfiguracji mogło wydawać się liczeniem diabłów na łebku szpilki. Ludwig Boltzmann przez całe życie odpierać musiał rozmaite zarzuty i brać udział w polemikach. Część dotyczyła spraw istotnych: w jaki sposób z odwracalnej mechaniki dochodzi się do procesów nieodwracalnych jak stygnięcie herbaty w kubku albo przewidywane wówczas przez niektórych uczonych stygnięcie, śmierć cieplna całego wszechświata? Najbardziej zjadliwe były polemiki filozoficzne. Zaciętym wrogiem Boltzmanna był tu Ernst Mach, dziś znany głównie za sprawą liczby Macha w lotnictwie ponaddźwiękowym. Fotografował on kule w locie.

Chciał też rewizji całej fizyki. Sądził, że posługuje się ona mnóstwem pojęć nie wytrzymujących krytyki. Np. przestrzeń absolutna u Newtona. Rozważania Macha zainspirowały Alberta Einsteina, choć w sposób bardzo swoisty. Sam Mach nie chciał słyszeć o teorii względności. Filozofia Macha miała ambicję wyrugowania z nauki pojęć nieopartych na bezpośrednim doświadczeniu. Chciał on niejako spojrzeć na świat od nowa. Dostrzegał w nim jedynie swoje wrażenia i ich wiązki.

Rysunek Ernsta Macha: jego pokój widziany lewym okiem

Dlatego koncepcja atomów była przez niego uważana za fikcję. Boltzmanna traktował jak naiwnego materialistę, nieświadomego subtelności pojęciowych. Przyszłość należała do fizyki statystycznej i atomów. „Naiwne” koncepcje fizyków zadziwiająco często sprawdzały się w praktyce. Co oczywiście, zdaniem filozofów, niczego nie dowodzi.

Skłonny do zmian nastrojów, Boltzmann cierpiał na napady depresji. W 1906 roku, przebywając na wakacjach w Duino nieopodal Triestu, popełnił samobójstwo, w czasie gdy żona i córka pływały w morzu. Nie dowiemy się, ile zdołałby osiągnąć, gdyby znano wtedy leki antydepresyjne.

Zaprawdę, to osobliwe, nie przebywać już odtąd na ziemi,

wyuczone zaledwie porzucić zwyczaje,

różom i innym odrębnie obiecującym rzeczom

nie dawać znaczeń ludzkiej przyszłości, już nigdy.

Tym, czym się było w dłoniach tak nieskończenie trwożnych,

nie być już więcej i nawet własne swe imię

porzucić, jak się porzuca połamaną zabawkę.

To osobliwe, już nie mieć życzeń. To osobliwe,

wszystko, co było związane, ujrzeć w przestrzeni

rozpierzchłe…

(przeł. M. Jastrun)

Rezygnacja Richarda Willstättera (1924)

Na krótkim filmie z czerwca 1920 r. widzimy laureatów Nagrody Nobla wraz z żonami. Od lewej stoją: Fritz Haber (chemia, 1918), Charles Glover Barkla (fizyka, 1917), Max Planck (fizyka 1918), Richard Willstätter (chemia, 1915), Johannes Stark (fizyka, 1919) oraz Max von Laue (fizyka, 1914).

Półtora roku po Wielkiej Wojnie – jak wtedy mówiono – uroczystość noblowska była jedną z pierwszych okazji gromadzących uczonych z dwóch stron niedawnego frontu. Wymowny jest brak na zdjęciach obu brytyjskich laureatów z fizyki za rok 1915: Williama Henry’ego Bragga (ojciec) i Williama Lawrence’a Bragga (syn). Drugi syn Williama Bragga, Robert Charles, zginął na wojnie. Obaj Brytyjczycy pracowali nad dźwiękowym wykrywaniem łodzi podwodnych oraz pozycji artylerii – czymś w rodzaju akustycznego radaru. Także Haber i Willstätter zaangażowani byli w wysiłek wojenny swego kraju. Pierwszy uratował Niemcy przed klęską militarną: zapasy materiałów wybuchowych i amunicji wystarczały na kilka miesięcy wojny. Kiedy okazało się, że nie będzie szybkiego rozstrzygnięcia, pojawił się problem produkcji materiałów wybuchowych. Do tej pory korzystano z saletry importowanej z Chile. Jednak po wybuchu wojny marynarka brytyjska dość skutecznie odcięła tę drogę zaopatrzenia. Ratunkiem dla Niemiec okazał się proces Habera-Boscha produkcji amoniaku z powietrza. Haber na tym nie poprzestał, zaczął pracować nad gazami bojowymi i stał się entuzjastycznym inicjatorem wojny chemicznej. Willstätter także pracował na rzecz armii, ale nie chciał zajmować się produkcją broni, opracował maskę gazową, chroniącą żołnierzy. Zaopatrzenie armii koordynował Walther Rathenau, przemysłowiec i wielki patriota, późniejszy minister spraw zagranicznych w roku 1922 zamordowany przez nacjonalistów. Charakterystyczne jest, że choć niemieccy Żydzi wnieśli wielki wkład w wysiłek wojenny swego kraju (także walcząc w okopach), po przegranej wojnie to oni zostali oskarżeni o klęskę i spiskowanie z wrogiem.

Społeczeństwo niemieckie wyszło z wojny zupełnie podzielone. Nikt nie chciał odpowiadać za klęskę i bezmiar cierpień. Traktat wersalski przyniósł upokorzenie, nakładając ciężary reparacji niemożliwe do udźwignięcia. Skrajne siły na lewicy i prawicy podmywały porządek konstytucyjny, antysemityzm, od dawna obecny wśród Niemców, coraz częściej przeradzał się w obsesyjną nienawiść. Nawet nauka nie była wyłączona z tej presji politycznej. Z pięciu uczonych niemieckich na filmie, dwóch było Żydami, dwóch – von Laue i Planck – starało się zachować neutralność nauki, Johannes Stark natomiast był jednym z wczesnych zwolenników Hitlera i później propagatorem czegoś, co nazywało się „fizyką niemiecką” – jakby atomy, grawitacja, elektryczność, kwanty miały narodowość i aryjski rodowód.

Richard Willstätter był chemikiem, Nagrodę Nobla otrzymał za badania nad chlorofilem. Dzięki jego długoletniej pracy znane stały się podstawowe cechy budowy cząsteczki chlorofilu, z jej magnezowym centrum (miał tu polskiego prekursora w Leonie Marchlewskim), udowodnił także, że występują dwa rodzaje chlorofilu: a i b. Wykazał, że cząsteczki chlorofilu w różnych roślinach mają jednakową budowę, podobną zresztą do budowy cząsteczki hemoglobiny. Za ogromną różnorodnością życia kryła się więc jednolitość na poziomie biochemicznym. Willstätter badał też inne barwniki występujące w roślinach. Na filmie jest sam, jego żona umarła, później umarł także ich synek, została mu tylko córka. Uczony do końca życia pozostał już sam.

Rodzina pochodziła z Badenii, lecz przyszły chemik do gimnazjum chodził w Norymberdze, a studiował w Monachium. Starszy o siedem lat od Einsteina, w odróżnieniu od niego czuł się w Bawarii dobrze, choć też doświadczał czasem antysemityzmu, począwszy od łobuziaków na ulicy, goniących i rzucającyh kamieniami za żydowskimi rówieśnikami. Znacznie poważniejszym problemem był antysemityzm elit. W nauce Żydzi zostawali czasem profesorami, było to jednak trudne. Willstätter pierwszą posadę profesorską dostał w Szwajcarii, w ETH w Zurychu. Potem ściągnięto go w roku 1912 do Berlina, nieco podobnie dwa lata później Einsteina: był to świadomy zamysł ludzi takich, jak Haber, Nernst czy Planck, aby budować wielkość nauki niemieckiej. W roku 1916 Willstätter dostał propozycję katedry w Monachium, mógł dzięki temu wrócić na swą macierzystą uczelnię, teraz jako dyrektor budujący nowy gmach laboratorium, który wyposażył za pieniądze ze swej Nagrody Nobla.

W 1924 roku uniwersytet rozpatrywał sprawę nominacji profesora geochemii. Znakomitym kandydatem był Victor M. Goldschmidt, pracujący w Kristianii (dzisiejsze Oslo). Jednak Wilhelm Wien, fizyk i ówczesny dziekan wydziału, utrącił tę kandydaturę, przekonując profesorów, by nie głosowali za osobą „obcokrajowca” (nie chodziło mu przy tym bynajmniej o obywatelstwo norweskie). Przyjęto na stanowisko nauczyciela ze szkoły dla dziewcząt, bez żadnego dorobku naukowego. Decyzja podjęta za sprawą uprzedzeń rasowych wzburzyła bardzo Willstättera – tego samego dnia podał się do dymisji i nie odwiodły go od niej rozmaite apele i rozgłos wokół tej sprawy. Nie przyjął też żadnej z licznych propozycji, które zaczęły napływać z kraju i zagranicy: miał pięćdziesiąt trzy lata, był noblistą i sporo jeszcze mógł dokonać. Wycofał się na emeryturę, odtąd pracował naukowo, kontaktując się telefonicznie ze swymi asystentami, nigdy już nie odwiedzając swego laboratorium.

W marcu 1939 roku Richard Willstätter przekroczył granicę niemiecko-szwajcarską, opuszczając na zawsze ojczyznę. Pozwolenie na wyjazd okupione było długotrwałymi staraniami i utratą większej części majątku, w tym wspaniałej biblioteki zajmującej siedem pokoi w jego monachijskim domu. Umarł kilka lat później.

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.

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 i pędów . 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

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 zarejestrujemy nasz elektron, należałoby obliczyć iloczyn skalarny z wektorem przedstawiającym elektron w :

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:

Wartość funkcji falowej w danym punkcie można traktować jako składową wektora . Zapis Diraca 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: daje nam prawdopodobieństwo zarejestrowania elektronu w punkcie (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 jakiś inny wektor: , przy czym

gdzie 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 działając na pewne odpowiednio wybrane wektory daje bardzo prosty wynik: mnoży wektor wyjściowy przez liczbę. Np.

co zwykle zapisuje się krócej:

Litera oznacza wartość wielkości fizycznej, a więc powinna to być liczba rzeczywista, a przynależny jej stan 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 . 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:

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:

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:

Okazuje się, że wystarczy to do znalezienia wartości energii oscylatora (dla uproszczenia przyjmiemy jednostki ). 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:

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

W podobny sposób możemy obliczyć iloczyn wzięty w odwrotnej kolejności:

Odejmując ostatnie dwie równości stronami, otrzymamy

Zbadajmy teraz wartości własne operatora  – muszą one być o mniejsze niż wartości własne operatora . Jeśli jest wektorem własnym N o wartości , to mamy

Oznacza to, że wektor 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 , że

Po prawej stronie mamy wektor zerowy, czyli brak jakiegokolwiek stanu. Oczywiście, , czyli wektorowi temu odpowiada zerowa wartość własna. Możemy teraz do tego wektora zastosować operator , otrzymamy

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

W zwykłych jednostkach energie wyrażają się przez częstość oscylatora :

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 ), 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:

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