Žvilgsnis į atomą. Antra dalis: paaiškinti nepaaiškinamą arba kvantinės mechanikos gimimas

Prieš pratęsdami pasakojimą apie atomą ir jo pažinimo istoriją, priminsime, ties kuria vieta sustojome pirmojoje straipsnio dalyje. Bill Bryson knygoje „Trumpa istorija beveik apie viską“ pasakoja, jog Rezerfordas savo eksperimentais pažengė tiek, jog suprato, kad atomą sudaro labai didelė tuštuma, o jo sudedamosios dalelės užima labai nedidelę ir koncentruotą erdvę. Tačiau šis suvokimas ne tik nepaaiškino atomo sudėties, bet iškėlė aibes problemų – kokios gi jėgos sugeba išlaikyti tokią keistą atomo struktūrą?

Trumpai apie atomo sandarą

Kad būtų aiškiau ir paprasčiau gilintis į paslaptingą, bet tuo pačiu labai žavingą atomo pasaulį, trumpai stabtelėkime ir panagrinėkime tai, ką apie atomo struktūrą žinome dabar. Kiekvieną atomą sudaro trijų rūšių elementariosios dalelės: protonai, turintys teigiamą elektros krūvį, elektronai, turintys neigiamą elektros krūvį, ir neutronai, neturintys jokio krūvio. Protonai ir neutronai yra susitelkę branduolyje, o elektronai skrieja aplink jį. Protonų skaičius ir lemia atomo chemines savybes. Atomas su vienu protonu yra vandenilio, su dviem protonais – helio, su trim – ličio, ir taip toliau, vis didėjant protonų skaičiui. Pridėję po protoną, gauname vis kitą cheminį elementą. (Protonų skaičius atome derinamas su tokiu pat elektronų skaičiumi, todėl kartais rašoma, kad cheminį elementą apibūdina elektronų skaičius. Ir tai nekeičia esmės. Man (Billui Brysonui) buvo vaizdžiai paaiškinta, kad protonai yra atomo „tapatybė“, o elektronai – jo „asmenybė“.)

Neutronai atomo tapatybei neturi įtakos, bet sąlygoja jo masę. Neutronų paprastai yra tiek, kiek protonų, bet kartais skaičius gali ir šiek tiek skirtis. Jeigu pridėsite arba atimsite vieną ar du neutronus, gausite izotopą. Archeologijoje nustatant radinių amžių naudojami izotopai, tarkime, anglis -14: tai reiškia, kad yra anglies atomas su šešiais protonais ir aštuoniais neutronais (o jų suma – keturiolika).

Atomo branduolį sudaro neutronai ir protonai. Tas branduolys yra labai mažas – tik viena milijonoji viso atomo tūrio milijardosios dalies – bet pasakiškai tankus, nes ten sukaupta visa atomo masė. Kaip vaizdžiai pasakė Cropperis, jeigu atomą palygintumėm su katedros dydžio pastatu, branduolys toje katedroje sudarytų tik musės dydžio taškelį – bet ta musė už katedrą būtų sunkesnė daug tūkstančių kartų. Kaip tik dėl šio erdvumo – šio neįtikėtinai didelio talpumo – 1910-aisiais Rezerfordui teko gerokai pasukti galvą.

Ir dabar vis dar sunku susitaikyti su mintimi, kad didžioji atomo dalis – tuščia erdvė, o tas kietumas, kurį mes nuolat patiriame aplink, yra tik iliuzija. Kai tikrovėje susiduria du objektai – palyginimui dažniausiai pasirenkami du biliardo kamuoliukai – jie iš tikrųjų vienas į kitą neatsitrenkia. Timothy Ferrisas aiškina, kad „greičiau abiejų kamuoliukų neigiamų krūvių laukai juos atstumia vieną nuo kito… Jei jie neturėtų savo elektros krūvių, galėtų kaip galaktikos netrukdomai praskrieti vienas pro kitą“ (gal čia slypi atsakymas į mokslinės fantastikos mėgėjų tikslą išmokti vaikščioti kiaurai sienas?). Kai sėdite ant kėdės, sėdite ne tiesiog ant jos, bet pakilęs per vieną angstremą (šimtamilijonoji centimetro dalis): jūsų elektronai ir kėdės elektronai atkakliai priešinasi, neleisdami jums labiau suartėti.

Prisimenate, kai Rezerfordas suvokė, kokia tuštuma slypi atome, jam neliko nieko kito tik sutikti su planetiniu atomo modeliu, kuris atsirado 1904 metais pasiūlius japonų fizikui Hantaro Nagaoka'i. Tačiau fizikai netrukus suprato, kad elektronai visai nepanašūs į orbitomis skriejančias planetas – jie labiau primena besisukančio ventiliatoriaus mentes, vienu metu galinčias užpildyti visą tą erdvę, kurioje juda (bet tarp jų yra esminis skirtumas: taip tik atrodo, kad ventiliatoriaus virbai yra visur tuo pačiu metu; o elektronai yra iš tikrųjų).

Nielsas Bohras ir elektronų kvantiniai šuoliai

Nėra reikalo nė priminti, kiek mažai apie tai buvo žinoma 1910-aisiais ar net vėliau. Rezerfordo tyrimų rezultatai iškėlė svarbių ir neatidėliotinų klausimų, pavyzdžiui, kodėl joks elektronas, sukdamasis aplink branduolį, į jį neatsimuša? Tradicinė elektrodinamikos teorija tvirtino, kad besisukantis elektronas turėtų labai greitai išeikvoti energiją – tiesiog per kokią akimirką – ir spirale nuskrieti branduolio link, o tai turėtų katastrofiškų pasekmių jiems abiem. Kitas klausimas, kaip protonai, turintys teigiamą elektros krūvį, gali visi kartu išsilaikyti branduolyje, iš jo neišsiveržę ir nesudraskę paties atomo? Akivaizdu, kad tai, kas vyksta mažųjų dalelių pasaulyje, nepaklūsta makropasaulio, kuriame telkiasi mūsų lūkesčiai, dėsniams.

Fizikams pradėjus gilintis į subatominius klodus, buvo pastebėta, kad ten viskas vyksta ne tik skirtingai nuo to, ką mes žinome, bet ir skirtingai nuo to, ką galime įsivaizduoti. Richardas Feynmanas kartą pastebėjo: „Atomų elgesys yra toks nepanašus į mums įprastą patirtį, kad labai sunku prie to priprasti, ir tie dalykai visiems atrodo ypatingi ir mįslingi – ir naujokams, ir patyrusiems fizikams“. Nuo tada, kai Feynmanas apie tai prabilo, fizikams dar prireikė apie pusės amžiaus, kad priprastų prie keisto atomų elgesio. Taigi galite įsivaizduoti, kaip jautėsi Rezerfordas ir jo kolegos dvidešimto amžiaus antrojo dešimtmečio pradžioje, kai visa tai buvo dar labai nauja.

Vienas iš Rezerfordo kolegų buvo švelnus ir mielas jaunas danas Nielsas Bohras (apie jį mes jau esame rašę, tiesa panašu į išgalvotą istoriją, kurioje galbūt Nielsas Bohras niekada nė nedalyvavo, tačiau nuo to istorijos žavesys nė kiek nesumažėja). 1913-aisiais jis įsitraukė į atomo struktūros tyrinėjimus ir sumanė tokį nepaprastą dalyką, jog net atidėjo savo medaus mėnesį, kad padarytų tai, kas vėliau tapo labai žymiu mokslo darbu.

Fizikai negalėjo matyti atomo dydžio objektų, todėl atomo struktūrą bandydavo įsivaizduoti pagal tai, kaip elgiasi atomas eksperimentų metu, pavyzdžiui, Rezerfordui paleidus į foliją alfa dalelių srautą. Visiškai nekeista, kad tų eksperimentų rezultatai kartais būdavo mįslingi. Vienas tokių nepaaiškinamų atvejų ilgą laiką buvo vandenilio spektro linijų išsidėstymas. Tos linijos išsidėstydavo tam tikra tvarka, kuri rodė, kad vandenilio atomai išspinduliuoja tik tam tikrų bangos ilgių energiją. Panašu lyg sektum žmogų, išnyrantį tam tikruose vietovės taškuose, bet keliaujančio tarp tų taškų niekuomet nepastebėtum. Niekas nesuprato, kodėl šitaip yra.

Nagrinėjant šią problemą, kaip tik Bohrui ir atėjo į galvą sprendimas, kurį jis tuoj pat ir aprašė savo garsiajame darbe „Apie atomų ir molekulių sandarą“. Bohras pasiūlė kitą būdą suderinti naujus duomenis (spinduliavimą kvantais) su klasikine teorija (elektronas-kamuoliukas skrenda apskritimu) teigdamas, kad jie sukasi tik tam tikromis tiksliai apibrėžtomis orbitomis. Pagal šią naująją teoriją, elektronas, persikeldamas tarp orbitų, dingsta iš vienos ir tą pačią akimirką atsiranda kitoje niekada nebūdamas erdvėje tarp tų dviejų orbitų. Ši mintis – tai ir yra žymusis „kvantinis šuolis“ – žinoma, buvo labai keista, bet atrodė taip patraukliai, kad jos atmesti buvo neįmanoma. Šis darbas ne tik pagrindė, kodėl elektronai nesisuka spirale ir neatsitrenkia į branduolį, bet ir paaiškino, kodėl vandenilio bangų ilgiai yra tokie nesuprantami. Elektronai atsidurdavo tik tam tikrose orbitose, nes tik jose jie ir tegalėjo egzistuoti. Tai buvo nepaprasta įžvalga, ir už tai Bohrui 1922-aisiais buvo suteikta Nobelio premija iš fizikos, praėjus vieneriems metams po to, kai ją gavo Einšteinas.

Žymiojo „kvantinio šuolio“ iliustracija

O tuo metu nepailstantis Rezerfordas, Kavendišo (Cavendish) laboratorijos vadovu tapus J. J. Thomsonui, grįžo į Kembridžą ir pasiūlė modelį, aiškinantį, kodėl branduoliai nesprogsta. Jis manė, kad teigiamas protonų krūvis turi būti neutralizuotas kokių nors kitų sudedamųjų branduolio dalių, kurias jis pavadino neutronais. Ši mintis buvo paprasta ir labai patraukli, bet tai įrodyti nebuvo lengva. Rezerfordo bendradarbis James'as Chadwick'as vienuolika intensyvaus darbo metų ieškojo neutronų, kol 1932-aisiais juos pagaliau aptiko. 1935-aisiais jam taip pat buvo suteikta fizikos Nobelio premija.

Kaip pažymi Boorse'as ir jo kolegos, rašę šios mokslo srities istoriją, gal ir gerai, kad šie atradimai vėlavo, nes žinios apie neutronus yra atominės bombos kūrimo pagrindas. (Neutronai elektros krūvio neturi, todėl jų neatstumia atomo branduolio elektriniai laukai ir todėl juos kaip mažytes torpedas galima iššauti į atomo branduolį, sukeliant griaunamąjį procesą, vadinamą skilimu.) Jei neutronai būtų buvę atrasti trečiajame dešimtmetyje, pažymi šie istorikai, „labai panašu, kad atominė bomba pirmiausia būtų buvusi pagaminta Europoje, ir labiausiai tikėtina, kad ji būtų buvus pagaminta Vokietijoje“.

Kaip elektronas paskatino kvantinės mechanikos gimimą

Taip jau nutiko, kad europiečiai skyrė visą energiją keistam elektrono elgesiui išsiaiškinti. Pagrindinė problema, su kuria jie susidūrė, buvo ta, kad elektronas kartais elgėsi kaip dalelė, o kartais kaip banga. Šis nepaaiškinamas dualizmas fizikus tiesiog vedė iš proto. Visą dešimtmetį visoje Europoje jie įnirtingai dirbo, rašydavo ir siūlydavo hipotezes, kurios varžydavosi viena su kita. Prancūzas princas Louis-Victoras de Broglie, kunigaikščių šeimos palikuonis, nustatė, kad elektronus laikant bangomis, dingdavo kai kurios jų elgesio anomalijos. Šis atradimas patraukė austro Ervino Schrödingerio dėmesį. Schrödingeris padarė kai kuriuos patikslinimus ir sukūrė patogią sistemą, kurią pavadino bangų mechanika. Beveik tuo pat metu vokiečių fizikas Werner'is Heisenberg'as pasiūlė kitą teoriją, kurią pavadino matricų mechanika. Ji buvo tokia sudėtinga matematiškai, kad beveik niekas jos nesuprato, net ir pats Heisenberg'as („Aš netgi nežinau, kas yra matrica“, – kartą Heisenbergas liūdnai išsitarė savo draugui), bet atrodė, kad ši teorija vis dėlto gali išspręsti problemas, kurių negalėjo paaiškinti Schrödingerio bangos.

Werner'is Heisenberg'as skaito paskaitą

Taip fizikoje atsirado dvi teorijos, grindžiamos priešingomis prielaidomis ir duodančios tuos pačius rezultatus. Tokia situacija buvo neįmanoma.

Galų gale 1926-aisiais Heisenberg'as pasiūlė garsų kompromisą, įvesdamas naują discipliną, kuri buvo pavadinta kvantine mechanika. Jos esmę sudarė Heisenberg'o neapibrėžtumo principas, pagal kurį teigiama, kad elektronas yra dalelė, bet tokia dalelė, kurią galima apibūdinti bangų terminais. Tas neapibrėžtumas, kuriuo grindžiama ši teorija, reiškia tai, kad mes žinome, kaip erdvėje juda elektronas arba kur jis yra tam tikru momentu, bet nežinome abiejų dalykų iš karto. Bet koks mėginimas išmatuoti vieną, neišvengiamai sutrukdys išmatuoti kitą. Ir nuo instrumentų tikslumo tai nepriklauso – tai yra nekintanti Visatos savybė.

Praktiškai tai reiškia, kad tiksliai nuspėti, kur atsidurs elektronas tam tikru momentu, neįmanoma. Galima tik nusakyti tikimybę, kad jis bus ten. Tam tikra prasme, kaip pastebėjo Dennis'as Overbye'as, elektronas neegzistuoja tol, kol kas nors jo nepastebi. Arba, kitais žodžiais tariant, kol nepradedame stebėti elektrono, jis „gali būti visur ir niekur“.

Jei mus tai trikdo, galime pasiguosti, kad lygiai tokie pat sutrikę dėl to jautėsi , tiesą sakantir fizikai. Overbye'as pažymi: „Kartą Bohras išsitarė, kad jei pirmą kartą išgirdęs apie kvantų teoriją žmogus neįniršta, tai jis tiesiog nesupranta, apie ką kalbama“. O Heisenbergas, paklaustas, kaip galima įsivaizduoti atomą, atsakė: „Nė nebandykite“.

Taigi paaiškėjo, kad atomas visiškai ne toks, kokį daugelis vaizdavosi. Elektronas neskrieja aplink branduolį kaip planeta aplink Saulę. Jis labiau panašus į amorfišką debesį. Atomo „apvalkalas“ nėra kažkoks kietas, blizgantis futliaras – toks vaizdas kartais gali susidaryti iš siūlomų iliustracijų – o tiesiog labiausiai nutolusių elektronų debesies sluoksnis. Pats debesis iš esmės yra tik statistinės tikimybės zona, žyminti teritoriją, už kurios elektronas gali nuklysti labai retai. Taigi jei išvystumėte atomą, jis būtų labiau panašus į minkštą lauko teniso kamuoliuką nei į metalinį rutulį kietu paviršiumi (šis palyginimas irgi tik sąlyginis, nes atomas nepanašus į nieką, ką esame matę; čia turime reikalą su visiškai kitokiu pasauliu nei kiti mus supantys daiktai).

Atrodė, kad keistenybės nesibaigs. Kaip pastebėjo James'as Trefil'as, mokslininkai pirmą kartą susidūrė su „Visatos sritimi, kurios mūsų smegenys nepajėgia suprasti“. Arba, kaip teigė Feynman'as, „mažo mastelio dalykai niekuo nepanašūs į didelio mastelio objektus“. Gilinantis į šiuos dalykus, tapo aišku, kad fizikai surado pasaulį, kur ne tik elektronai, aplenkdami tarpinę erdvę, gali peršokti iš vienos orbitos į kitą, bet ir pati materija gali atsirasti iš niekur ir vėl pradėti egzistuoti – pasak Alan'o Lightman'o iš Masačūsetso technologijos universiteto, su sąlyga, kad „ji tuoj pat vėl pradings“.

„Kuo toliau į mišką, tuo daugiau medžių“

Reikalai klostėsi taip aštriai, jog vienoje konferencijoje Bohr'as apie naująją teoriją pasakė, kad svarbu ne tai, ar ji yra beprotiška, bet tai, ar ji yra pakankamai beprotiška. Norėdamas iliustruoti, kad kvantinio pasaulio prigimties negalima paaiškinti remiantis nuojautomis, Schrödinger'is pasiūlė atlikti garsųjį mąstymo eksperimentą. Įsivaizduojama katė uždaroma į dėžę su vienu radioaktyvios medžiagos atomu, pritvirtintu prie ciano vandenilio rūgšties buteliuko. Jei ši dalelė per valandą suirtų, ji paleistų mechanizmą, kuris sudaužytų buteliuką ir nunuodytų katę. Jeigu to neįvyktų, katė liktų gyva. Bet mums nežinoma, kas nutiktų iš tikrųjų, todėl moksliškai nėra kito pasirinkimo, tik manyti, kad tuo pat metu katė yra 100 procentų gyva ir 100 procentų žuvusi. Tad suprantama, kodėl Stephenas Hawkingas su tokiu pasitenkinimu teigė, kad „jei negalima tiksliai išmatuoti net dabartinės Visatos būklės, tai ateities įvykių numatyti labai tiksliai neįmanoma!“

Erwinas Schrödingeris už nuopelnus aiškinantis atomo paslaptis buvo apdovanotas Nobelio premija

Dėl šių keistenybių daugelis fizikų nemėgo kvantinės teorijos ar bent kai kurių jos dalių, o labiausiai jos nemėgo Einšteinas. Tai gana ironiška, nes būtent jis tais annus mirabilis 1905-aisiais taip įtikinamai paaiškino, kad fotonai kartais elgiasi kaip dalelės, o kartais – kaip bangos, ir ši sąvoka tapo esmine naujosios fizikos sąvoka. „Kvantinė teorija nusipelnė dėmesio“, – išsitarė jis mandagiai, bet iš tikrųjų ši teorija jam nepatiko. „Dievas nežaidžia kauliukais“, – sakė jis. (Arba bent jau visada taip sakoma. Tikrasis jo pasakymas buvo: „Sunku įžvelgti, kokias kortas turi Dievas. Bet kad Jis žaistų mėtydamas kauliuką ir taikytų „telepatinius“ metodus… aš nepatikėsiu nė vieną akimirką“.)

Einšteinas negalėjo pakęsti minties, kad Dievas būtų sukūręs Visatą, kurioje kai kas visiems laikams liks nepažinu. Net pati mintis apie veiksmą per atstumą – kad viena dalelė tą pačią akimirką gali paveikti kitą dalelę, esančią už trilijonų mylių – buvo akivaizdus reliatyvumo teorijos pažeidimas. Niekas negali viršyti šviesos greičio, o čia fizikai primygtinai tvirtina, kad subatominiame lygmenyje tai daro informacija. (Beje, niekas nėra paaiškinęs, kaip tos dalelės gali būti tokios išradingos. Pasak fiziko Yakiro Aharanovo, mokslininkai šią problemą sprendė „nemąstydami apie tai“.)

Nielsas Bohras kartu su Albertu Einšteinu ramiai diskutuoja apie fizikos teorijas

Dar viena problema, kad kvantinė fizika rėmėsi tikimybėmis, kurios iki tol neegzistavo. Kad būtų galima paaiškinti Visatos elgesį, staiga prireikė dviejų dėsnių rinkinių – kvantinės teorijos, kuri tinka mažųjų dalelių pasauliui, ir reliatyvumo teorijos – didžiajai Visatai. Pagal reliatyvumo teoriją, tuo, jog egzistuoja gravitacija, buvo galima puikiai paaiškinti, kodėl planetos sukasi aplink Saulę arba kodėl galaktikos susitelkia į grupes, bet to nebuvo galima taikyti dalelių lygmenyje. Norint paaiškinti, kas laiko atomus drauge, reikėjo kitų jėgų, ir dvidešimto amžiaus ketvirtajame dešimtmetyje dvi tokios jėgos buvo atrastos: stiprioji branduolinė sąveika ir silpnoji branduolinė sąveika. Stiprioji sąveika laiko atomo daleles kartu; būtent ta jėga ir leidžia išlikti branduolyje visiems protonams. Silpnoji sąveika atlieka daugybę kitų užduočių, dažniausiai jos susijusios su įvairių rūšių radioaktyviojo skilimo greičių kontrole.

Silpnoji branduolinė sąveika, nepaisant pavadinimo, yra dešimt milijardų milijardų milijardų kartų stipresnė nei gravitacija, o stiprioji branduolinė sąveika dar galingesnė –, tiesą sakant labai žymiai galingesnė –, bet tos jėgos veikia tik mažyčiais atstumais. Stipriosios sąveikos poveikis siekia tik vieną šimtatūkstantąją dalį atomo skersmens. Todėl atomų branduoliai yra tokie kompaktiški ir tankūs, ir dėl to elementai, turintys didelius, gausius branduolius, yra tokie nepastovūs: stiprioji sąveika tiesiog neišlaiko visų tų protonų.

Dėl to buvo sukurtos dvi dėsnių sistemos, kurias pateikė fizikai – viena apibūdino mažųjų dalelių pasaulį, kita buvo skirta didžiajai Visatai – ir abi šios sistemos ėmė egzistuoti atskirai. Einšteinui tai taip pat nepatiko. Likusią gyvenimo dalį jis skyrė ieškojimams, kaip susieti abi šias sistemas ir atrasti Didžiąją visuotinę teoriją, bet jam taip ir nepavyko. Kartais Einšteinui atrodydavo, kad jau ją sukūrė, bet ta sistema jam visada pasipriešindavo. Laikui bėgant, Einšteinas vis labiau linko į marginalius tyrimus ir kartais atrodė net šiek tiek apgailėtinai. Pasak Snow, beveik visi „jo kolegos manė ir dabar tebemano, kad antrąją savo gyvenimo pusę Einšteinas iššvaistė“.

Vis dėlto visur kitur buvo daug pažengta į priekį. Iki penktojo dešimtmečio vidurio mokslininkai jau buvo puikiai ištyrę atomą – tai net pernelyg efektyviai pademonstravo 1945-aisiais virš Japonijos susprogdintos dvi atominės bombos. Šia nelinksma gaida baigiame trumpą pažintį su atomu ir jo keistenybėmis. Tačiau mokslas atomo dar nepamiršo – nors jo struktūrą jau sugebama suvokti, lieka dar aibės neatsakytų klausimų. Visų pirmą, iš kokių elementariųjų dalelių susidaro protonai, neutronai, kas gi dalelėms sukuria masę, kokias paslaptys saugo stiprioji ir silpnoji sąveika. Visa tai dar audrina fizikų fantaziją, tačiau apie tai trečiojoje straipsnio dalyje.

Parengta pagal:

• Bill Bryson „Trumpa istorija beveik apie viską“
• Atom