Paul DiracPartea a doua a articolului lui Paul Dirac dedicat evoluţiei concepţiei despre univers a fizicienilor trece în revistă momentele importante care au marcat apariţia şi dezvoltarea mecanicii cuantice. Citiţi despre contribuţiile lui Bohr, Heisenberg şi Schrödinger.

 

 

 

Evoluţia viziunii fizicienilor asupra lumii (1)

În continuare aş vrea să prezint progresele înregistrate odată cu dezvoltarea teoriei cuantice. Aceasta se referă la lumea lucrurilor de foarte mici dimensiuni şi a reprezentat obiectul principal de studiu al fizicii în ultimii 60 de ani. În această perioadă au fost adunate o mulţime de date experimentale şi a fost dezvoltată o teorie care să fie în concordanţă cu datele culese în laborator, iar această combinaţie între teorie şi experiment a condus la evoluţii majore în ceea ce priveşte imaginea pe care fizicienii o au despre lumea în care trăim.

Cuanta a păşit pe scena fizicii atunci când Planck a descoperit că este nevoie ca energia electromagnetică să poată exista doar sub forma multiplilor unei anume cantităţi, în funcţie de frecvenţa undelor, pentru a putea fi explicată corespunzător legea radiaţiei corpului absolut negru. Ulterior Einstein a descoperit aceeaşi cantitate de energie în studiul pe care l-a făcut pe marginea efectului fotoelectric. În aceste lucrări de pionierat în domeniul teoriei cuantice unitatea fundamentală a energiei trebuia acceptată ca atare fără încorporarea sa în tabloul realităţii fizice, al imaginii despre lume, existent la acea vreme.




Primul model complet nou a fost reprezentat de descrierea atomului făcută de către Bohr. Era vorba de un model atomic conform căruia electronii se deplasau pe anumite orbite bine definite şi ocazional efectuau salturi de pe o orbită pe alta. Nu ne puteam imagina modalitatea în care aveau loc salturile. Trebuia doar să acceptăm că aveam de-a face cu un soi de discontinuitate. Modelul atomic al lui Bohr funcţiona însă doar pentru nişte cazuri particulare, mai exact pentru situaţia în care un singur electron era luat în discuţie în cadrul problemei. Astfel că imaginea introdusă de Bohr era una incompletă şi rudimentară.

Progresul principal în teoria cuantică a fost înregistrat în 1925, odată cu descoperirea mecanicii cuantice. A fost vorba de contribuţiile independente a doi oameni, mai întâi Heisenberg şi curând după acesta Schrödinger, care au abordat problema din unghiuri de vedere diferite. Heisenberg a lucrat îndreptându-şi atenţia spre dovezile experimentale cu privire la natura spectrelor atomice care erau colectate în acea vreme şi a descoperit o modalitate prin care datele de laborator puteau fi încorporate într-un aparat matematic cunoscut în prezent sub numele de mecanică matriceală. Toate datele experimentale venite din zona spectroscopiei se potriveau perfect în constructul mecanicii matriceale imaginate de Heisenberg, ceea ce a dus la apariţia unei imagini a lumii cuantice destul de diferită de cele de până atunci. Abordarea lui Schrödinger a fost una orientată spre matematică, acesta încercând să descopere o teorie care să îl mulţumească şi din punct de vedere estetic cu ajutorul căreia să descrie evenimentele din lumea atomilor, fiind ajutat în întreprinderea sa de ideea lui De Broglie privind undele asociate particulelor. A reuşit să extindă ideile lui De Broglie şi să formuleze o ecuaţie minunată, cunoscută sub numele de ecuaţia de undă a lui Schrödinger, care descrie procesele atomice. Schrödinger a ajuns la această ecuaţie pe calea raţionamentului matematic pur, căutând o frumoasă generalizare a ideilor lui De Broglie, şi fără a urmări îndeaproape progresele experimentale înregistrate în domeniu, aşa cum a fost cazul cu Heisenberg.

Aş putea să vă povestesc întâmplarea pe care am auzit-o din gura lui Schrödinger despre cum, atunci când i-a venit ideea acestei ecuaţiei, a aplicat-o imediat comportamentului electronului din structura atomului de hidrogen, obţinând rezultate neconforme cu datele experimentale. Dezacordul a apărut deoarece la acea vreme nu se ştia că electronul este caracterizat şi de proprietatea pe care astăzi o numim spin. Acest rezultat a reprezentat, desigur, o mare dezamăgire pentru Schrödinger, făcându-l să abandoneze munca pentru câteva luni. Ulterior a remarcat faptul că dacă aplică teoria într-o manieră ceva mai aproximativă, fără a ţine cont de rafinările impuse de relativitate, în cazul acestei aproximări datele sale erau în acord cu observaţiile practice. A publicat primul articol prezentând doar această versiune aproximativă, moment în care ecuaţia lui Schrödinger a fost prezentată comunităţii ştiinţifice. Desigur că mai târziu, când fizicienii au aflat cum să ţină cont în mod corect de spinul electronului, discrepanţa dintre rezultatele obţinute la aplicarea ecuaţiei relativiste a lui Schrödinger şi datele experimentale a fost complet lămurită.


Cred că există şi o morală acestei întâmplări, şi anume faptul că este mai important factorul estetic în cazul unor ecuaţii decât alinierea acestora la datele experimentale. Dacă Schrödinger ar fi avut mai multă încredere în propria operă, ar fi putut-o publica cu câteva luni mai devreme şi ar fi putut publica o ecuaţie mai corectă. Acea ecuaţie este în prezent cunoscută drept ecuaţia Klein-Gordon, deşi a fost în realitate descoperită de către Schrödinger, şi asta chiar înaintea descoperirii tot de către el a descrierii non-relativiste a atomului de hidrogen. Se pare că dacă se urmăreşte respectarea unor norme estetice în ceea ce priveşte ecuaţiile dezvoltate, iar omul de ştiinţă în cauză are o intuiţie solidă, progresul şi reuşita sunt asigurate. Dacă rezultatele muncii cuiva nu sunt în deplină concordanţă cu experimentele, autorul teoriei nu trebuie să se descurajeze, deoarece discrepanţa se poate datora unor factori de mică importanţă care nu au fost luaţi în calcul şi care vor fi lămuriţi odată cu dezvoltările viitoare ale teoriei.

Aceasta este povestea descoperirii mecanicii cuantice. Acest pas a dus la schimbări dramatice ale modului în care fizicienii se raportau la Univers, probabil cele mai mari înregistrate până în prezent. Aceste schimbări provin din necesitatea renunţării la un model determinist pe care l-am considerat întotdeauna de la sine înţeles. Ne îndreptăm către o teorie care nu prezice cu exactitate ce se va întâmpla în viitor, ci doar ne oferă informaţii privind probabilităţile de apariţie a diferitelor evenimente posibile. Această renunţare la determinism a reprezentat un subiect foarte controversat, deloc pe placul unora. Îndeosebi lui Einstein nu i s-a părut niciodată în regulă.

Deşi Einstein a adus una dintre cele mai importante contribuţii la dezvoltarea mecanicii cuantice, totuşi el a fost întotdeauna mai degrabă ostil formei spre care a evoluat mecanica cuantică pe parcursul vieţii sale, formă valabilă încă.

Ostilitatea pe care unii o manifestă în faţa renunţării la un model determinist al lumii poate fi discutată în principal în contextul unui articol deseori menţionat semnat de către Einstein, Podolsky şi Rosen, care face trimitere la dificultatea formulării unui model consistent şi care să conducă la rezultate conforme cu regulile mecanicii cuantice. Regulile mecanicii cuantice sunt destul de clare. Există metode de calcul al rezultatelor, dar şi pentru compararea acestor rezultate cu datele experimentale. Toată lumea s-a pus de acord cu privire la acest formalism. Funcţionează atât de bine încât nimeni nu îşi permite să nu fie de acord cu el. Totuşi, modelul de funcţionare al Universului care se ascunde în spatele acestui formalism este subiect de controversă.

Aş vrea să sugerez că nu e cazul să ne facem prea multe griji cu privire la această controversă. Sunt aproape convins de faptul că nivelul la care a ajuns în prezent fizica nu reprezintă expresia sa ultimă. Este doar o etapă în evoluţia modului în care înţelegem natura, şi ar trebui să ne aşteptăm ca acest proces evolutiv să continue pe viitor, asemenea evoluţiei organismelor biologice. Stadiul la care au ajuns în prezent teoriile din fizică reprezintă doar un pas către modelele superioare pe care le vom dezvolta în viitor. Ar trebui să fim convinşi că vor exista modele mai performante doar uitându-ne la dificultăţile pe care le ridică formele la care am ajuns astăzi.

Evoluţia viziunii fizicienilor asupra lumii (3)




Acest text reprezintă traducerea articolului "The Evolution of the Physicist's Picture of Nature" aparţinând lui Paul Dirac, publicat în numărul din mai 1963 al revistei Scientific American.