Kada je atom postao kvant

Milenijima atomi su predstavljali fantome čije se postojanje tek naslućivalo ali su tvrdoglavo ostajali nevidljivi. Verovalo se da su dalje nedeljivi, pa su tako i nazvani, prema grčkom 'nedeljiv'.

Početkom 20. veka fizičari su znali da atomi u sebi nose naelektrisane delove. Model kojem se najčešće pribegavalo sastojao se od pozitivno naelektrisane lopte 'pudinga' sa negativno naelektrisanim 'šljivama', elektronima. Sliku je pokvario Ernest Raderford 1911. kada je ustvrdio da je pozitivni 'puding' sav zbijen u gusto jezgro, ili nukleus, a da su 'šljive', elektroni, uokolo na distanci.

Raderfordov atom još više je zbunio naučnike, budući da se sve kosilo za zakonima fizike. Suprotna naelektrisanja se neumoljivo privlače i elektroni bi po sili zakona trebalo da u spirali završe u pozitivno naelektrisanom jezgru za manje od milisekunda, (pa i ako ne bi, njihova uzajamna negativna naelektrisanja izbacila bi ih iz orbita). Ali atomi su nekako uspešno udomljavali i negativna i pozitivna naelektrisanja. 

Ovaj paradoks rešio je Nils Bor tačno pre sto godina kada je uspešno spojio standardnu fiziku sa novom kvantnom teorijom iz koje je dalje razvijen model strukture atoma.

I više od toga. Pomirio je teoriju sa eksperimentom, razumeo je osnove atoma i kako se povezuju u molekule. Objasnio je i do tada misteriozno ponavljanje svojstava hemijskih elemenata koja se uočavaju na periodičnoj tablici. Najvažnije, otkrio je fundamentalnu ulogu kvantne fizike u realnosti koja nas okružuje.

Iako su tehnički detalji Borovog modela ispali pogrešni, značajan je njegov pristup posmatranju atoma, a to je da se oslobodimo zaključaka na koja nas navodi zdrav razum i ne zanemarujemo čudna pravila kvantne teorije. Bor je za razliku od svojih savremenika uvideo da je prihvatanje kvantne fizike ključ za rešenje sakrivenih tajni prirode. Dok je kvantna konfuzija druge bacala u očaj, Bor se uputio stazom koja ga je vodila u 'šumu', i kada se staza račvala na dve putanje išao i jednom i drugom ali ostajući jedan putnik. Insistirao je da poznavati realnost znači prihvatati istinu i uzajamno nespojivog.

U dekadama nakon njegovog opisa atoma, Bor je bio i vodič i tumač među fizičarima koji su se bacili na istraživanje čudnog novog kvantnog sveta. Kako je primetio J.R.Openhajmer, u razvoju moderne kvantne fizike, "Nils Borov duboko kreativan, istančan i kritički duh predvodio je, ograničavao, produbljivao i konačno preokrenuo stvar". 

Otac atoma

Borova uloga u razotkrivanju tajni atoma počela je 1913. kada serijom od tri stručna članka udara temelje novoj atomskoj nauci.

Bor "je prvi utro čvrst i trajan put ka razumevanju strukture atoma i njegove dinamike", napisao je fizičar Abraham Pais u Borovoj biografiji, Niels Bohr's Times (1991), i "u tom smislu možemo ga smatrati ocem atoma".

Kao i svi očevi, Bor se ponosio svojim čedom ali nije bio slep da ne vidi njegove mane. Od početka je uviđao da je njegov model suviše jednostavan da bi obuhvatio svu složenost realnosti. Ali bio je ubeđen da se atom može objasniti samo kvantnom fizikom. "I u tome je naravno ključ Borovog uspeha", kaže istoričar nauke J. Heilbron (John Heilbron), sa Kalifornijskog univerziteta, Berkeley.

Da se mora pribeći kvantnoj teoriji Bor je uvideo dok je pripremao doktorsku disertaciju 1911. Našao je da se elektroni koji prenose struju ponašaju drugačije od onih koji su vezani za atome, i to sasvim neobično u odnosu na zakone mehanike klasične fizike. 

"Shvatio je da ne postoji način kojim bi se pomoću klasične fizike objasnilo ponašanje elektrona u metalima", kaže fizičar Alfred Goldhaber sa Stony Brook Univesity, New York.

Razna rešenja nagoveštavala su da bi se problem mogao objasniti primenom Maks Plankove kvantne ideje, uvedene 1900. Na osnovu eksperimenata sa toplotnim zračenjem, Plank je zaključio da se energija sa toplog objekta emituje samo u nedeljivim paketima, kvantima, nalik pojedinačnim zrncima u pesku. Nekoliko godina kasnije Ajnštajn je ustvrdio da sva zračenja, uključujući i svetlost, ne samo da se emituje nego se i prenosi u 'paketićima', (kasnije nazvanim fotoni), mada se za svetlost znalo da putuje kao talas.

U prvoj deceniji 20. veka samo je nekoliko naučnika ozbiljno prihvatilo Plankovu ideju, a još manje ih je verovalo Ajnštajnu. Ali Bor jeste. Dok su drugi osuđivali kvantne kontradiktornosti, on ih je istraživao. Zahvaljujući okolnostima u kojima je odrastao i bio vaspitavan, spremno je izlazio u susret svim izazovima.

Rođen je u Kopenhagenu 1885. u akademski obrazovanoj porodici, u bogatom intelektualnom okruženju. Od malena prusustvovao je večernjim raspravama između njegovog oca, fiziologa, i porodičnih prijatelja, među kojima je bilo fizičara, filozofa i filologa. Bor je upijao multikulturalne ideje nasleđene u danskoj istoriji i geografiji, na raskrsnici između Nemačke i Engleske. Kao deci, njemu i bratu Haraldu, otac je čitao naglas Getea, Šekspira, Dikensa. Nils je konzumirao danske autore kao što su Kieregaard, Hans Kristian Andersen, čitao nezavršeni roman Poul Martina Mollera (Kierkegaardovog mentora) Adventures of a Danish Student. Bora su duboko doimale rasprave pune dilema i kontradikcija, i bile lekcije o jeziku i logici na koje se vraćao u životu.

Već od ranog školovanja do studentskih godina na kopenhagenskom univerzitetu svojom briljantnošću privlačio je pažnju profesora i kolega. "Porodica i prijatelji, kao i učitelji, prepoznavali su redak duh koji je nosio u sebi, videli u njemu mislioca koji zadire u dubine i širine, te su mu izlazili u susret na sve načine da bi razvio svoje sposobnosti", kaže Heilbron.

U naučnom obrazovanju Bor je jednako prihvatao nemačku sklonost ka teoriji i matematici i britansku koja se više bavila eksperimentima. Iako skloniji teoretskom radu, za postdoktorske studije odabrao Kavendiš laboratoriju u Kembriđžu, meku britanske eksperimentalne fizike u to vreme.

Istorija atoma

Ideja o atomu kao osnovnom gradivnom sastojku materije je stara. Grci su mu dali ime, atom, ali njegova struktura i uloga u svemu što nas okružuje je skorašnje otkriće.

Uživao je u magiji Kembriđža, kako u laboratoriji tako i u samom mestu. Igrao je fudbal i unapređivao znanje engleskog jezika čitajući The Pickwick Papers, uz pomoć malog crvenog rečnika koji je kupio, ali najviše je voleo rasprave sa J.J.Tomsonom. Tomson je bio na čelu laboratorije, uvaženi naučnik koji je otkrio elektron, ali Bor je nalazio propuste u njegovom radu u vezi elektrona metala. Tomson je gotovo nezainteresovano prelazio preko Borovih primedbi. Krajem 1911. Bor sreće Raderforda, koji mu prenosi novosti sa konferencije u Briselu na temu kvanta. Ubrzo posle tog razgovora Bor prelazi na University of Manchester i pridružuje se Raderfordovom timu.

I u Mančesteru Bor se u početku i dalje bavi elektronima, uključujući beta čestice koje je otkrio Raderford. Ali ubrzo shvata da se tajne radioaktivnosti kriju u samom jezgru. Tako se njegova potraga za istinom okreće ka samom atomu.

Početkom 1912. Bor radi grozničavo i s uspehom. "Već se bacio na posao, ispituje svaki aspekt atoma, namerio se da pronađe sve što je moguće," rekao je Goldhaber. U junu Bor piše bratu:"Čini mi se da sam pronašao nešto malo o strukturi atoma". Skromno rečeno, jer ispostavilo se da je otkrio da kvantna fizika 'drži' atom. 

Bor nije bio prvi koji je pokušao da primeni kvantnu fiziku na atome. Ali jeste prvi koji je ukazao na to kako ona može da 'radi'. Ustvrdio je da ispravna teorija stabilnog atoma mora da ima broj sa dimenzijom dužine koja bi korespondirala sa veličinom atoma, kao što dužina viljuške uslovljavlja veličinu točka na biciklu. Do broja razumne dužine za atomsku viljušku bilo je moguće doći jedino primenom ključnog broja u kvantnoj teoriji a to je Plankova konstanta, u kombinaciji sa električnim nabojima i masama elektrona i jezgra. 

Razumevanje kako kvantna fizika objašnjava ponašanje atoma nije išlo pravolinijski. Za svoj model atoma Bor je primenio klasičan matematički pristup a onda u to dodao kvantnu fiziku na četiri specifična načina. Dva su se odnosila direktno na Plankovu teoriju zračenja, uključujući tehničke aspekte energija elektrona. Druga dva bila su inspirisana procesima sakrivenim u misterioznim mahinacijama Borovog zagonetnog uma.

Prvi je, često slavljen kao krucijalni sastojak u Borovom modelu atoma, da elektroni mogu okupirati samo izvesne određene orbite oko jezgra. U svakoj takvoj dozvoljenoj orbiti elektron poseduje ugaoni momenat jednak umnošku Plankove konstante podeljen sa 2 pi. Sa takvim ograničenjem Bor je mogao da objasni zašto se iz vodonikovih atoma emituje svetlost samo u izvesnim vrlo specifičnim bojama, ili frekvencijama. Emitovana svetlost korespondirala je sa elektronom koji 'skače' sa jedne dozvoljene orbite na drugu.

Od mnogih zbunjujućih aspekata Borovog atoma, ovaj je bio najjači. Prema standardnoj fizici frekvencija svetlosti trebalo bi da zavisi od toga koliko dugo elektronu treba da napravi orbitu oko jezgra, što je njegova orbitalna frekvencija. Ali ako elektroni emituju svetlost dok kruže, Bor je primetio, atomi bi zračili svetlost sve vreme, a to se ne dešava. Otuda Bor zaključuje da elektroni okupiraju ne-zračeće orbite dok je atom u stanju 'mirovanja', razdvaja frekvenciju svetlosti od frekvencije orbite. 

"Ovo je izmaklo tlo pod nogama mnogim fizičarima, koji su pretpostavljali da bi ovaj fenomen unutar atomskih procesa mogao biti povezan direktno sa kretanjima u mikrosvetu", rekao je Heilborn na sastanku Američkog društva fizičara u aprilu.

Druga Borova pametna opaska ponudila je ideju kako da se premosti jaz izmeđe kvantne i klasične fizike. Elektron daleko od jezgra, rekao je Bor, imao bi frekvenciju emitovane svetlosti blizu klasičnoj predikciji. Pošto su udaljene orbite međusobno blizu, orbitalne frekvencije su skoro jednake. Tako da skok sa jedne na drugu emituje frekvenciju skoro jednaku orbitalnoj frekvenicji. To je na drugi način rečeno ono što znamo za velike objekte, kvantni efekti bili bi suviše mali da bismo ih primetili - ključni deo konačnog razumevanja kvantne realnosti.

Sastav atoma

Da bi objasnio zamešateljstvo klasične fizike sa kvantnom teorijom Bor je ponudio toliko objašnjenja da sve nije moglo da stane u jedan stručni rad. Zato objavljuje seriju od tri rada pod jednim naslovom "O sastavu atoma i molekula" u Philosophical Magazine. U prvom delu, koji je objavljen u julu 1913., pomoću spektra boja koje emituje vodonik, opisao je kvantna pravila za orbite elektrona i kvantne skokove atoma vodonika. U drugom delu opisuje raspored elektrona u krugovima oko jezgra složenijih atoma, što je bio prvi korak ka objašnjenju periodične tablice elemenata. U trećem opisuje kako atomi formiraju molekule sa zajedničkim elektronima.

Reakcije na Borovu teoriju bile su pomešane. Dok su jedni nalazili da je ideja genijalna, drugima je bila nerazumljiva. Ajnštajn je bio zaintrigiran ali ne i ubeđen. Ali kada su jednim eksperimentom potvrđena Borova predviđanja, da su neke boje u spektru svetlosti za koje se mislilo da su vodonikove zapravo došle iz helijuma, Ajnštajn više nije sumnjao. Kada su mu javili za taj eksperiment, rekao je "Ovo je veliki pomak, Borova teorija mora da je tačna".

Ali Bor je znao da je njegova teorija tek tračak uvida u realnost, i da ima manjkavosti. Uspešna je, verovao je, najvećim delom zahvaljujući jednostavnosti vodonika. Tokom naredne decenije pokušaji da se isto primeni na složenije elemente nisu davali rezultate. Konačno 1925. Verner Hajzenberg, mladi nemački fizičar koji je studirao na Borovom institutu za teoretsku fiziku u Kopenhagenu, osmislio je novi matematički pristup koji je dao prave odgovore. Hajzenbergov rad obeležio je rođenje moderne kvantne mehanike.

Negde u isto vreme, eksperimentima se utvrdilo da se čestice nekad ponašaju kao talasi, i obrnuto. Ervin Šredinger konstruisao je talasnu verziju kvantne teorije, koja se uskoro pokazala kao ekvivalent Hajzenbergovoj čestičnoj verziji. Hajzenberg je 1927. otkrio slavni princip neodređenosti: nemoguće je tačno izmeriti par svojstvava istovremeno, kao na primer položaj čestice i njen impuls.

Još jednom će Bor objasniti paradoks. Na predavanju 1927. predložio je princip komplementarnosti. Svetlost može biti čestica ili talas u zavisnosti koji eksperiment ćete izabrati. Možete utvrditi položaj elektrona, ili njegov impuls, kako već osmislite eksperiment. Ne možete i jedno i drugo istovremeno.

Borova komplenemtarnost poslužila je kao temelj Kopenhagenškoj interpretaciji kvantne mehanike. U popularnim raspravama ovaj pristup je stavljao u prvi plan ulogu posmatrača u razotkrivanju stvarnosti, poenta u prepirkama mnogih fizičara i danas. Ali Bor nije o njoj govorio na taj način, kaže filozof nauke Don Howard sa Univerziteta Notre Dame. Hajzenberg je bio taj koji je u fokus stavio ulogu posmatrača.

Borovo viđenje bilo je mnogo suptilnije. Insistirao je na tome da svojstva kvantnog sistema nemaju tačno značenje pre nego što budu izmerena. Ali merenje je zahtevalo instrument za merenje koji komunicira sa kvantnim sistemom. Jednom kada se ta komunikacija uspostavi, instrument za merenje i kvantni sistem imaju istoriju, postaju 'povezani', u modernoj terminologiji. Pa kako je onda uopšte bilo moguće razgovarati o svojstvima kvantnog sistema?

"Na ovom mestu Bor dobija krucijalnu ideju u svom razmišljanju", rekao je Howard na susretu fizičara. Ako definišete eksperiment koji želite da izvedete, možete da upotrebite rezultat da opišete svojstvo kvantnog sistema kao da ima tačnu vrednost, čak i ako nema tačnu vrednost bez merenja. Naravno, ne biste mogli da pričate o svim svojstvima sistema odjednom, treba da izaberete šta da merite.

"Za Bora, dva svojstva kao što su položaj i ugaoni momenat su neophodni za kompletnu vrednost sistema i njegovog ponašanja", rekao je Howard. "Ali o njima možemo da govorimo samo o jednom po jednom, ne oba istovremeno, zato što moramo da imamo tačno definisana svojstva sistema samo u kontekstu u kojem to svojstvo može da bude izmereno." A konteksti merenja za položaj i ugaoni momenat su fizički nespojivi."To je bio jak razlog zašto nismo mogli simultano da govorimo o ispravno definisanim vrednostima za položaj i dobro definisanim vrednostima ugaonog momenta", rekao je Howard.

Višestruke istine

Borov jedinstven pristup kontradiktornostima potiče od njegovog pogleda na svet i istinu od rane mladosti. U stvari, njegova istraživanja kvantne nauke otvorila su put ka mnogo širem pogledu na realnost koja nas okružuje.

"Najveće zadovoljstvo koje mu je donelo istraživanje na polju kvantne fizike u domenu šire filozofije bilo je otkriće da više istina dolaze...u komplementarnim parovima", rekao je Heilbron.

Nedavno su objavljena Borova pisma verenici, Margareti Norlund, koja je pisao u vreme istraživanja atomovog modela. U njima Bor navodi razne vrste istina, one u propovedima, u velikim književnim delima, naučne istine, za koje vidimo da se sve razlikuju ali su važne. "To je nešto što me jako doima, što mogu gotovo nazvati svojom religijom - istina je sve što ima vrednost ".

Heilbron u ovom vidi paralele sa četiri metoda koji uvode kvant u atom - mnogo je istina, nisu sve konzistentne.

"Mada se razlikuju u fizičkom sadržaju, ponekad su u konfliktu sa matematikom, ali Bor je verovao da mu trebaju sve", kaže Heilbron. "Ove četiri formulacije Boru nisu samo služile da odredi granice svojim nagađanjima. Verovao je da svaka sadrži element istine i da stoga ima obavezu da ih sve uzme u razmatranje, tj prihvati čak i kada su protivurečne. Princip inkluzije po svaku cenu postao mu je gotovo religijsko pravilo".

Standardnu religiju Bor nije simpatisao. Majka mu je bila Jevrejka, koja nije upražnjavala religijske običaje, otac ateista Luteran. Kao momak, Niels je pokušao da prihvati religiju ali je ubrzo zaključio da ona ne može da prođe test logike i nauke. Kada je to u jednoj prilici predočio ocu, ovaj se samo nasmejao. Ovu epizodu je opisao verenici, "Moja hrabrost je urlala u meni, divljački, divljački, konačno sam znao da sada i ja umem da razmišljam".

Heilbron vidi u ovom začetak Borovog izuzetnog intelektualnog puta.

"Ohrabrujući osmeh čoveka kojem se divio najviše na svetu učinio je da oseti da pripada nekolicini koji misle slobodno, neovisno od standardnih uverenja koja vladaju u njihovoj klasi ili kulturi, vremenu ili mestu", primećuje Heilbron.

Ohrabren, ne samo da je razmišljao već je to činio način kako drugima nije padalo na pamet. Za njega je klasična fizika u uđžbenicima "daleko od istina mikrosveta koliko i konvencionalna religiozna ubeđenja od stvarnog značaja života", rekao je Heilbron. 

Bor je prihvatao uvrnutost kvantnog sveta ne kao jeres koju treba izbegavati, već kao ključ rešenja problema. Mirnoća sa kojom je prilazio kontradikcijama omogućila mu je da formuliše objašnjenja kvantnih paradoksa koja su izdržala test eksperimenata, mada mnoga nakon njegove smrti 1962. godine.

Pred kraj života Bor je uvažavan kao najveći atomski fizičar na svetu. Još uvek se smatra da je drugi veliki fizičar svih vremena, odmah posle Ajnštajna. Legenda o njemu se razvijala 1920-tih i 1930-tih godina, kako su mladi naučnici svih naroda dolazili na studije na njegov institut u Kopenhagenu. Upravo tu je sredinom 1930-tih formulisana prva jasna slika fizike unutar atomskog jezgra. Uskoro potom, u saradnji sa američkim fizičarem Đžon A. Vilerom, Bor je izašao sa teoretskim objašnjenjem procesa nuklearne fizije. Borov atom je tada konačno u potpunosti konstruisan.

Viler je jednom rekao kako je želeo da studira u Kopenhagenu zato što je Bor video dalje u budućnost nego ostali. Kako je to Boru polazilo za rukom zbunjivalo je druge na skoro isti način na koji su atomi zbunjivali fizičare pre Bora. Njegovo prodiranje u kvantnu stvarnost bilo je misteriozno koliko i čudna mešavina kvantne i klasične fizike u vodonikovom spektru.

Možda će, kaže Heilbron, njegova lična prepiska od skora dostupna javnosti, ponuditi materijal za nove spekulacije o Borovom geniju ili intelektualnoj kreativnosti generalno.

I dodaje:"Njegov genije se možda neće ponoviti. Jer, kako je Ajnštajn jednom rekao, neverovatno je da se um kakav je Borov uopšte pojavio."

Astronomski magazin