ŚNIADANIE TO NAJLEPSZA PORA NA SŁOWNE UTARCZKI FIZYKÓW. ARTYKUŁ O DYSKUSJACH BOHRA I EINSTEINA.

Czy Wy też macie tego jednego znajomego, który niemal zawsze szuka dziury w całym? Tym znajomym dla Nielsa Bohra był Albert Einstein. 

Zdecydowana większość miłośników fizyki przynajmniej raz w życiu widziała powyższe zdjęcie. Określa się je jako legendarne przez obecność najbardziej znanych naukowców na świecie. Czujne oko wychwyci m.in. Marię Skłodowską-Curie, Erwina Schrödingera, Hendrika Lorentza, Nielsa Bohra oraz Alberta Einsteina. Nie wszyscy jednak wiedzą, z jakiej okazji powyższa fotografia została wykonana!

Zdjęcie przedstawia 29 uczestników Piątego Kongresu Solvaya. 17 z nich otrzymało Nagrodę Nobla. Kongresy Solvaya to organizowana od 1911 roku do dnia dzisiejszego, seria konferencji poświęconych fizyce i chemii. Była ona początkowo finansowana przez Ernesta Solvaya, filantropa i przemysłowca. Podczas piątego wydania tej imprezy (w 1927 roku) skupiono się na omówieniu zagadnienia elektronów i fotonów. 

Zdjęcie z Pierwszego Kongresu Solvaya 

Spotkania te stały się świetną okazją do wymiany własnych poglądów i przeprowadzenia inspirujących wykładów. Piąty Kongres Solvaya przeszedł do historii m.in. przez gorące dyskusje Nielsa Bohra i Alberta Einsteina. 

Puszczoną z łańcuchów fizykę kwantową należy ujarzmić.

Fizyka kwantowa ryje łe... pozostawia więcej pytań, niż odpowiedzi. Kwantowa rzeczywistość jest zawsze krok przed Waszą wyobraźnią. Objawia się to na przykład w formie tancerzy, którzy na raz mogą obracać się w prawo i w lewo (widzieliście kiedyś coś takiego?). Fizyka kwantowa stała się na dodatek wulkanem nieużywanych na co dzień przez nie-naukowca wyrażeń typu anihilacja, sprzężenie hermitowskie lub kreacja pary, które zarzucają czytelnika przy pierwszym kontakcie niczym materiał piroklastyczny. 

Używane słowa i zasady nie wydają się być też tak intuicyjne jak w fizyce klasycznej. Druga zasada dynamiki Newtona dla przykładu jest dość łatwa do zrozumienia. Podaje ona, że:

Jeśli na dane ciało działa pewna siła, to ciało porusza się ruchem przyspieszonym o przyspieszeniu wprost proporcjonalnym do tej siły. Przyspieszenie to jest z kolei odwrotnie proporcjonalne do masy ciała. 

Wydaje się to dość oczywiste bez dokładnego studiowania, że im większa masa danego ciała, tym trudniej jest je przesunąć. Nie będziemy przy tym tak szybcy i zwinni, jakbyśmy tego chcieli lub potrzebowali. 

W fizyce kwantowej z kolei bra wcale nie jest biustonoszem, a studnia kwantowa nie oznacza wgłębienia w ziemi z życiodajną wodą. 

Absurdy mechaniki kwantowej doprowadziły naukowych pionierów niemal do szaleństwa.

Hendrik Lorentz żałował, że nie zmarł przed opracowaniem kwantowych prawideł. Wolfgang Pauli ubolewał nad tym, że zaczął zajmować się fizyką. Albert Einstein stał się tak zawziętym kwantowym buntownikiem, że Paul Ehrenfest wstydził się za niego. Ehrenfest tłumaczył Einsteinowi, że traktuje on nowe zasady w taki sam sposób, w jaki traktowano na początku jego teorię względności (więcej o tym nieco dalej). Einstein bowiem słysząc m.in. o zasadzie nieoznaczoności Wernera Heisenberga nie mógł się nadziwić, jakie pomysły przychodzą młodym ludziom do głowy. Dodał przy tym, że nie wierzy w ani jedno słowo przedstawione przez młodszego naukowca. 

O czym mówi zasada nieoznaczoności? 

Według niej nigdy nie jesteśmy w stanie zmierzyć na raz położenia cząstki i jej pędu. Jeśli dla przykładu posiadamy informacje o pędzie cząstki, nie wiemy, gdzie się znajduje. Im dokładniej mierzymy pęd cząstki, tym słabiej znamy położenie i na odwrót. Gdyby wpaść na pomysł zmierzenia położenia cząstki z nieskończoną dokładnością, to jej pędu nie znalibyśmy wcale. Bohr pomagał dopracować Heisenbergowi zasadę nieoznaczoności. Uważał przy tym, że wynika ona z naruszania układu podczas dokonywania pomiaru. 

Ciągłe odkrywanie nowych kwantowych smaczków wskazywało na jedno: świat jest kompletnie inny, niż do tej pory uważano i należy go postawić na nowych fundamentach.  

Jobla z tym wszystkim można dostać. 

Względnie parę słów o Albercie Einsteinie.

O Einsteinie każdy potrafi powiedzieć kilka zdań. Że fizyk. Że noblista. Że geniusz. Marzy mi się jednak dopięcie tego artykułu pod samą szyję, a tym samym czegoś sprecyzowanie i dopowiedzenie. 

Einstein opieczętował swoim nazwiskiem pół świata matematyki i fizyki. Napisał wiele prac naukowych m.in. z zakresu promieniowania ciała doskonale czarnego, teorii kwantów czy elektrodynamiki. W historii zapisały się również takie hasła jak chociażby kondensat Bosego-Einsteina. Podczas swojej kariery dokonywał rzeczy niemożliwych, a należy do nich np. wyjaśnienie ruchów Browna, nad którymi naukowcy głowili się przez 80 lat. 

Wbrew powszechnemu stwierdzeniu, Einstein nie był cieniasem z matematyki. Nagrody Nobla nie zdobył ani za szczególną, ani za ogólną teorię względności. Otrzymał ją za opracowanie efektu fotoelektrycznego, choć przyznanie mu tego odznaczenia wiązało się z wieloletnimi dyskusjami i kontrowersjami w świecie nauki. Nagrodę Nobla otrzymał dopiero 11 lat po pierwszej nominacji. Na dodatek tą pierwszą osobą, która postawiła dorobek Einsteina przed komisją noblowską był niejaki Wilhelm Ostwald. Historia jest o tyle zabawna, że ten 9 lat wcześniej zignorował rozpaczliwe błagania Einsteina o posadę pod jego skrzydłami. Einstein przyznał nawet w listownej prośbie, że został bez pieniędzy. Ostwald nigdy nie odpowiedział na żaden z jego listów. 

Einstein jako dziecko był samotnikiem. Ujęty Mozartem uwielbiał grać na skrzypcach. Nauką po raz pierwszy zainteresował się, gdy odniósł wrażenie, że igłą kompasu steruje jakaś niewidzialna siła. Rodzina spodziewała się, że młodzieniec zostanie inżynierem. Ciekawski Albert (który swoją drogą miał mieć początkowo na imię Abraham) wybrał jednak drogę fizyka teoretyka. W 1899 roku podczas pracy w laboratorium wywołał eksplozję, przez którą uszkodził sobie rękę. 

Einstein rozumiał wszystko. Tylko nie jego poglądy. 

Niels Bohr był 6 lat młodszym od Einsteina fizykiem. W porównaniu do swojego starszego kolegi, Duńczyk był nieśmiały i wolał się trzymać na uboczu. Ta cecha charakteru sprawiła, że ciężko mu się pracowało u boku Josepha Thomsona. Postanowił więc przenieść się do Manchesteru, gdzie rozwijał się u Ernesta Rutherforda. Rutherford był zachwycony Bohrem. Uważał, że jest jednym z najbardziej obiecujących młodych fizyków, a teorie przez niego wysuwane są oryginalne. 

Niels Bohr nazywany jest ojcem atomu, który wywarł ogromny wpływ na fizykę jądrową i atomową. Fizyka kwantowa doprowadzała go zarówno do radości jak i frustracji. Pod czujnym okiem Rutherforda pracował nad teorią budowy atomu. Dzięki opracowaniu opisu modelu budowy atomu wodoru otrzymał Nagrodę Nobla. Choć Komisja Noblowska zawsze stara się być dyskretna podczas dyskusji i nie ujawnia swoich faworytów, w październiku 1922 roku w duńskiej prasie doszło do przecieków, według których to właśnie Bohr odbierze tę nagrodę.

Werner Heisenberg (po lewej) i Niels Bohr (po prawej)

Duńczyk od początku do końca bardzo angażował się w założenie własnego instytutu fizyki teoretycznej. W tym okresie przepracował się do tego stopnia, że zmęczenie nie pozwoliło mu wziąć udziału w Kongresie Solvaya z 1921 r. Bardzo szanował swoich studentów. Był otwarty na ich teorie i chętnie się z nich uczył. 

Bohr miał słabość do poezji Goethego i Schillera. Języka angielskiego uczył się poprzez... czytanie książek! Powieść "Klub Pickwicka" eksplorował przy pomocy słownika. Podczas jej lektury tłumaczył każde słowo. Literatura nie była jego jedyną pasją. Noblista uwielbiał sport, a przede wszystkim piłkę nożną, jazdę na nartach i tenisa. 

Bohr był niemniej ciekawą osobą od Einsteina. Udowadnia to jedna z wielu anegdot z jego życia. Pewnego razu, gdy prowadził auto, stwierdził, że jest mu za gorąco, puścił kierownicę i zaczął zdejmować marynarkę. Jak wspomina asystent Duńczyka, Abraham Pais, szybka interwencja jego żony uratowała całą sytuację. 

Bohr był bardzo zdenerwowany podczas pewnego wykładu o izomerach jądrowych w Princeton. Bez przerwy dzielił się ze swoim asystentem opinią, że wszystko, co przedstawiono w trakcie prelekcji jest błędne. Postanowił wstać z fotela, by zgłosić swoje spostrzeżenia. Po chwili jednak zawahał się, usiadł z powrotem i skrępowany zapytał własnego studenta: czym są izomery?

Abraham Pais, asystent i autor biografii Bohra

Był to pierwszy Kongres Solvaya z udziałem Bohra. Tyle wystarczyło, by dokonać rewolucji w nauce i w filozofii.

Podczas pierwszego w historii spotkania twórców starej i nowej teorii kwantów, zwanego oficjalnie Piątym Kongresem Solvaya, wykłady wygłosili m.in. Max Born, Werner Heisenberg i Erwin Schrödinger. Ten ostatni skupił się na zabawieniu publiki opowieścią o mechanice falowej. Mówcą był również Niels Bohr, który opowiedział o, opracowanej przez siebie, zasadzie komplementarności. 

Bez względu na to, czy pasjonujecie się fizyką, czy czytacie o niej pierwszy artykuł w życiu, nie wpadajcie w kompleksy, jeśli nigdy wcześniej nie słyszeliście o tej zasadzie! Choć Bohr uważał teorię tę za swoje największe osiągnięcie, nie przeczytacie o niej w wielu polecanych i popularnych książkach. Mowa tutaj o takich tytułach jak np. "Feynmana wykłady z fizyki" czy "Mechanika kwantowa. Teoretyczne minimum". Niektórzy wykładowcy zapominają o tym wątku na zajęciach. 

Dlaczego?

Musimy to chyba zostawić tylko naszym domysłom. 

Zdjęcie wyłącznie poglądowe. W tym tomie nie znajdziecie nic o mechanice kwantowej. Zachęcam do zajrzenia do tomu 3.

Zasada komplementarności wskazuje na bardzo ważną rzecz: kontrastujące ze sobą zachowania (chociażby natura korpuskularna i falowa) wykluczają się, ale uwzględnienie obydwóch jest niezbędne do uzyskania pełnego opisu danego zjawiska. 

Naturą zarazem korpuskularną i falową wyróżnia się światło. Może się ono zachowywać zarówno jako strumień cząstek (na tym polega zachowanie korpuskularne), jak i fala. Bohr chciał zrozumieć, w jaki sposób świat unika sprzeczności. Miał przy tym nadzieję, że komplementarność znajdzie zastosowanie w wielu innych dziedzinach, niż tylko fizyka. W bohrowej korespondencji po raz pierwszy słowo to spotkać można w liście do Wolfganga Pauliego. 

Fizyk Wolfgang Pauli

Szybka ciekawostka: przez krótki czas Bohr uważał, że "wzajemność" będzie lepszym określeniem na "komplementarność". Fizyk postanowił jednak wrócić później do tradycyjnej "komplementarności". 

Ale wracając do spotkań finansowanych przez Solvaya.

Pewne wątpliwości zgłosił... macie rację! Albert Einstein! 

Twórca ogólnej teorii względności zwrócił uwagę na następstwa, które można interpretować jako kolaps funkcji falowej. 

Funkcja falowa pozwala na określenie prawdopodobieństwa znalezienia cząstki w danym punkcie lub czasie. Całkowite prawdopodobieństwo jej odszukania wynosi 1, bowiem w matematyce wskaźnik ten nigdy nie może wynieść więcej, niż 1. Kolaps funkcji falowej wiąże się ze zmianą układu, gdy na niego oddziałujemy. 

Uczestnicy kongresu zatrzymali się w hotelu Britannique. Podczas podawanych tam śniadań, Einstein dzielił się swoimi nowymi eksperymentami myślowymi podważającymi stanowisko Bohra. Choć nie wszyscy fizycy byli zainteresowani gorącymi dyskusjami przyjaciół, Duńczyk zręcznie zwalczał argumenty Einsteina. Twórca ogólnej teorii względności skupił się wówczas m.in. na wytykaniu nieścisłości w interpretacji zasady nieoznaczoności. 

Nie szkodzi, że przez dociekliwość Einsteina argumenty Bohra topniały. Zgromadzeni podczas kongresu naukowcy uważali, że to Duńczyk odniósł zwycięstwo. Otto Stern sądził, że eksperymenty myślowe Einsteina były piękne. Pauli i Heisenberg z kolei nie zwracali większej uwagi na tę fizyczną waśń. 

Einstein nie odpuścił. 

Do następnej konfrontacji chadów nauki doszło 3 lata później, podczas Szóstego Kongresu Solvaya, który skupił się wokół magnetyzmu. 

Uczestnicy Szóstego Kongresu Solvaya

Niestety nie wszyscy uczestnicy poprzedniej edycji doczekali się szóstego spotkania. Hendrik Lorentz, który do tej pory prowadził 5 Kongresów Solvaya, zmarł w 1928 roku.  

Sam magnetyzm nie przeniknął do szpiku kości imprezy. Naukowcy dyskutowali między sobą na wiele tematów, a jednym z nich był oczywiście kwantowy obraz rzeczywistości. A Einstein? Jak to Einstein. Nadal próbował udowodnić, że mechanika kwantowa jest wewnętrznie sprzeczna.

O co poszło tym razem?

Twórca ogólnej teorii względności zaproponował eksperyment, który początkowo wyrwał Bohra z butów. Wystarczyły do tego: fotony, pudełko, zegar i słynne równanie E=mc². 

W jaki sposób należało przeprowadzić ten zadziwiający eksperyment myślowy? 

• Budujemy aparat, którego podstawą stało się pudło z zegarem i przysłoną. 
• Pudełko wypełniamy fotonami.
• Ważymy pudło. 
• Ustalamy czas, po którym zegar otwiera przysłonę. Przysłona pozwala przy tym wydostać się tylko jednemu fotonowi, po czym zamyka się. 
• Wyznaczamy energię fotonu, który opuścił aparat. Udaje nam się to uzyskać dzięki ponownemu zważeniu pudła, wyżej wspomnianemu wzorowi i różnicy masy. 
• Okazuje się, że uzyskany przedział czasowy i energia stoją w sprzeczności z zasadą nieoznaczoności czasu i energii. 

Niels Bohr początkowo nie wiedział, jak odpowiedzieć na tę zaczepkę. Krążył więc między innymi fizykami, każdemu z osobna powtarzając, że nie może to być prawda. 

Duńczyk wyjaśnił kumpla po fachu podczas... śniadania, a swój wywód rozpoczął od naszkicowania myśli starszego kolegi! Odpowiedź Bohra stała się legendarna. Była iskierką dla powstania całego szeregu artykułów naukowych. Duńczyk mógłby powiedzieć: kto mieczem wojuje, ten od miecza ginie. Wykorzystał bowiem w tej batalii badania naukowe przeciwnika.  A Einsteinowi pozostało tylko przyznanie, że w rozumowaniu rywala nie ma żadnych nieprawidłowości.

Bohr wyobraził sobie aparaturę Einsteina jako zawieszone na sprężynie pudło ze wskazówką dokładnie zaznaczającą pomiary. Elementem doświadczenia jest również powieszony ciężarek, dzięki któremu możliwe stało się ustawienie wskazówki w zerze. Gdy pojedynczy foton ucieknie z pudełka, ciężarek wymienia się na cięższy, by zrównoważył utratę wagi. W ten sposób wskazówka wraca do zera. Dzięki różnicy ciężarków otrzymujemy energię, o której wspomniał Einstein.

Niels Bohr i Albert Einstein w domu Paula Ehrenfesta. Zdjęcie również wykonał Ehrenfest. 

Duńczyk zwrócił uwagę przede wszystkim na to, że nie można dokonać dokładnego położenia wskazówki zegara. Spojrzenie na jego tarczę (a tym samym oświetlenie zegara) wiąże się z wymianą fotonów i energii. Ale nam zależało na wypuszczeniu tylko jednego fotonu! Światło definiuje się przecież jako strumień fotonów. 

Przez odbijające się od aparatury fotony, pudełko będzie podskakiwało w nieprzewidywalny sposób. Aparatura podlega skutkom dylatacji czasu. Gdy pudło podskakuje do góry, czas zwalnia bieg. Ten przyspiesza, gdy pudełko niekontrolowanie porusza się w dół. 

Nieprzewidywalne podskoki pudełka powodują, że tempo mierzenia czasu ulega równie nieprzewidywalnym zmianom. Przez to nie możemy być pewni przy określeniu czasu otwarcia przysłony. Im dłużej będziemy próbować zrównoważyć pudełko, tym większą otrzymamy niepewność przy określeniu momentu uwolnienia fotonu. Bohr przy okazji dowiódł, że zasada nieoznaczoności jest zgodna z niepewnością w pomiarze energii i czasu. 

Na tym nie skończyły się naukowe przepychanki Bohra i Einsteina. Nawet po śmierci twórcy ogólnej teorii względności, Duńczyk dyskutował z nim w myślach. 

Chemia między fizykami.

Wydawać by się mogło, że relacje między Bohrem i Einsteinem były napięte lub co najwyżej neutralne. Po zapoznaniu się z całą historią można wręcz usłyszeć delikatny zgrzyt zębów i poczuć ciche westchnięcie po ujrzeniu rywala. Nie zapominajcie jednak, że... kto się lubi, ten się czubi!

Po raz pierwszy fizycy ci spotkali się w 1920 roku, gdy Bohr odwiedził Berlin. Pionier fizyki kwantowej wpadł do mieszkania Einsteina z podarkiem w postaci duńskiego sera i masła. Dyskutowali wówczas o prawdopodobieństwie w mechanice kwantowej. 

3 lata później to Einstein kopnął się do Kopenhagi, by odwiedzić dom Bohra. Okazało się jednak, że nie tak łatwo dotrzeć do duńskiej posiadłości kolegi! Podczas podróży tramwajem Einstein i Bohr pochłonęli się w dyskusjach do tego stopnia, że przejechali przystanek, na którym mieli wysiąść. I to kilkukrotnie! 

Twórca ogólnej teorii względności uwielbiał Bohra. Zwracał uwagę na jego wrażliwość i deklarował, że mało kto sprawia mu tyle radości, co Duńczyk. Uważał przy tym, że model atomu Bohra jest największym przejawem muzykalności w sferze myśli. Bohr z kolei odnosił się z ogromnym szacunkiem wobec Einsteina. Był również fizykiem, który walczył o przyznanie Nagrody Nobla starszemu koledze. Duńczyk czuł niezwykłą irytację, gdy Einstein nie przyznawał mu w czymś racji. 

Niels Bohr, James Franck, Albert Einstein i Isidor Isaac Rabi

Dyskusje Bohra i Einsteina przeszły do historii.

Dlaczego?

Uważa się, że dzięki eksperymentom myślowym Einsteina próbującym zburzyć mechanikę kwantową, jej fundamenty zostały wręcz wzmocnione. Dodatkowo dzięki jego doświadczeniom ludzkość poznała konsekwencje wynikające z tej dziedziny.

Nie można również zapomnieć o charakterze dwójki naukowców. Einstein był bardzo ciekawy świata, a Bohr niezwykle zawzięty. Zawziętość Duńczyka doprowadziła Wernera Heisenberga do łez podczas wspólnych dyskusji o fizyce kwantowej. Sam twórca ogólnej teorii względności uważał z resztą, że o wielkości naukowca decyduje charakter, a nie intelekt. 

Według australijskiego fizyka, Gerarda Milburna, być może kiedyś, wraz z rozwojem nauki, inaczej będziemy spoglądać na konflikt Bohra i Einsteina. Póki co jednak, Charles Percy Snow, brytyjski fizyk oraz chemik, stwierdził, że jest to najgłębsza debata intelektualna w historii. Debata, którą pokochali naukowcy i filozofowie na całym świecie. 

Z czego korzystałam tworząc artykuł:

• J. Baggott, "Kwantowa rzeczywistość. W poszukiwaniu prawdziwego znaczenia mechaniki kwantowej", Prószyński i S-ka, Warszawa 2021,
• W. Isaacson, "Einstein. Jego życie, jego wszechświat", Wydawnictwo W.A.B, Warszawa 2013,
• A. Pais, "Czas Nielsa Bohra. W fizyce, filozofii i polityce.", Prószyński i S-ka, Warszawa 2006,
• G. Milburn, "Inżynieria kwantowa", Prószyński i S-ka, Warszawa 1999,
• L. Susskind, A. Friedeman, "Mechanika kwantowa. Teoretyczne minimum", Prószyński i S-ka, Warszawa 2016
• A. Dragan, "Kwantechizm, czyli klatka na ludzi", Wydawnictwo Fabuła Fraza, Warszawa 2019,
• R. Penrose, "Nowy umysł cesarza: o komputerach, umyśle i prawach fizyki", Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1996
• Marek Szopa, cykl wykładów "Mechanika kwantowa dla niefizyków", wykład numer 3 "Własności falowe materii", Uniwersytet Śląski [dostęp: 07.04.2022].

Related Items randomowo