Това е разказ за най-великото научно откритие на всички времена.
Откритието, че всичко е изградено от атоми.
Разнообразието и изобилието на всичко, което е в света около нас и отвъд,
как е изградено и как всичко е свързано-
всичко това се дължи атомите
и мистериозните закони, на които те се подчиняват.
Навлизайки навътре до атома, в самото сърце на материята,
учените разбулват най-потресаващите тайни на природата.
Те трябва да изоставят всичко, в което са вярвали
и да създадат една цяла нова наука.
Наука, върху която днес са стъпили всички раздели на физиката,
химията, биологията и дори може би самият живот.
Но за мен историята за това, как човечеството разреши загадката на атома
е едновременно вдъхновяваща и удивителна.
Това е историята на велики гении.
На мъже и жени, движени от своята жажда за знание и слава.
Проф. Ал-Халили Университет Съри, Англия
Това е история на несполуки и конфликти, на стремежи и открития.
История, която ни води през някои от най-вълнуващите и свежи идеи,
родени от човешката раса.
А за практикуващ физик като мен,
това е най-важната история на всички времена.
АТОМ Сблъсъкът на титаните
На 5 октомври 1906 г.
в хотелска стая близо до Триест
австрийски учен на име Лудвиг Болцман се обесва.
Болцман има дълга предистория от психологични проблеми
и един от ключовите фактори за неговата депресия е това,
че е бил охулен, дори отлъчен заради вярата си в нещо,
което днес смятаме за разбиращо се от само себе си.
Той вярвал, че материята не може да e безкрайно делима на все по-малки части.
Вместо това той твърдял, че в основата си всичко е изградено
от фундаментални градивни частици - атоми.
Днес звучи невероятно, че откритието на Болцман е било така оспорвано.
Но преди 100 години привеждането на доводи,
че атомът е реално съществуващ, се смятало за губене на време.
Макар че философи още от времето на Древна Гърция размишляват над въпроса,
че светът може да е съставен от някакви основни единици материя,
те съзнават, че това биха били твърде малки частици,
за да се видят дори с най-мощните микроскопи.
Поради това създаването на хипотези за тях се смятало за загуба на време.
Но после, в средата на 19-ти век,
това дали атомът е реален или не
изведнъж станало въпрос от изключителна важност.
Причината била ето тази.
Парата.
През петдесетте години на 19-ти век тя променя света.
Парата задвижва огромните двигатели,
влаковете, корабите, фабриките през индустриалната революция.
Пресмятането как да се използва по-ефективно
става въпрос от решаващо търговско, политическо и военно значение.
Не е изненадващо,
че това е ключовият проблем на науката през 19-ти век.
Изискването да се построят по-мощни и по-ефективни парни двигатели
на свой ред поражда спешната нужда
да се разбере и предвиди поведението на водата и парата
при високи температури и налягания.
Лудвиг Болцман и неговите научни сътрудници посочват,
че ако си представим парата като съставена от
милиони малки сферички - атоми,
то тогава могат да бъдат изведени някои математически уравнения,
И те ще са способни да предскажат поведението на парата
с много голяма прецизност.
Но точно тези същите уравнения въвлекли Болцман и неговите колеги в полемики.
Противниците им твърдели, че доколкото атомите, за които са тези изчисления,
са невидими, то те са по-скоро математическо удобство,
отколкото реални физически обекти.
Да се твърди, че тези въображаеми обекти са реални,
изглеждало самонадеяно, дори сквернословно.
Критиците на Болцман смятали, че е светотатство,
да се сведе великолепното Божествено творение
до поредица от сблъсъци между миниатюрни неодушевени сфери.
Болцман бил порицан като безбожен материалист.
Трагичната ирония в историята на Болцман е,
че отнемайки живота си през 1906 г.,
той си е нямал понятие, че вече е реабилитиран.
Година преди смъртта му млад учен публикува теза,
която неопровержимо доказва реалното съществуване на атома.
Може би сте чували за този млад учен.
Името му е Алберт Айнщайн.
През 1905 - година преди самоубийството на Болцман,
Алберт Айнщайн е на 26 години.
Неговата безочлива арогантност била възмутила повечето му преподаватели
и вече много трудно си намирал работа.
Точно тогава приятелката му забременяла.
Последвала бърза сватба.
Той имал нужда от каквато и да е работа
и започва като патентен чиновник тук - в Берн, Швейцария.
Настанява се в малък апартамент на ул. "Крамгасе"
с младата си съпруга Милева.
Въпреки бедственото си положение,
младият Айнщайн имал пламенни амбиции.
Той отчаяно искал да остави своя следа като физик.
И през 1905 - една чудесна година,
отпечатъкът, оставен от него, бил наистина забележителен.
Ненатоварената работа давала време на младия Айнщайн
и на работното място, и в къщи да се отдава на дълбоки размишления.
В продължение на няколко месеца той направил
няколко публикации, които щели да променят науката завинаги.
Днес всеки е чувал за Теорията на относителността,
дори и да не я разбира.
Статията му за природата на светлината щяла да му донесе Нобелова награда.
Но по ирония нито една от тези две публикации
не оказала специално въздействие върху откриването на атома.
Тази, която преобърнала нещата,
била кратка статия за това, как цветен прашец "танцува" върху водата.
Преди почти 80 години, през 1827 г.,
шотландски ботаник на име Робърт Браун
поръсил зрънца цветен прашец върху вода
и ги наблюдавал под микроскоп.
Това, което открил, било наистина странно.
Зрънцата прашец вместо да плуват спокойно във водата,
танцували бясно напред-назад, сякаш били живи.
И макар че това т.нар. Брауново движение било необичайно,
учените скоро забравили за него.
Те го сметнали за банално, дори скучно. Какво от това, че прашецът се движи?
И какво общо има това трептене с атомите по принцип?
За близо 80 години откритието на Браун си останало непозната научна аномалия.
И тогава Айнщайн променил всичко.
В изумителен проблясък
Айнщайн прозрял, че Брауновото движение се дължи на атомите.
Всъщност той осъзнал, че движението на полените във вода
може завинаги да прекрати яростните спорове за съществуването на атома.
Аргументът му е съвсем елементарен.
Прашецът би се движил само ако се сблъсква с нещо друго.
Айнщайн твърди, че водата би трябвало да е изградена от миниатюрни частици
и че самите те се движат насам-натам
и това вибриране се предава на полените.
Ако не съществуваха атоми,
частиците прашец щяха да са неподвижни.
Ето че Болцман и съвременниците му
напълно неоснователно са били яростно порицавани.
Отговорът е бил тук през цялото време.
Айнщайн доказва, че за да се случва Брауновото движение,
трябва да съществуват атоми.
В публикацията на Айнщайн имало не само словесни аргументи.
Използвайки безупречно математиката той доказва, че танцът на полените
разкрива размера на атома.
И той е шокиращо миниатюрен.
Една десетмилионна част от милиметъра в диаметър!
Човешкият косъм - едно от най-малките неща, видими с просто око,
е с дебелина над един милион атома.
Нека го кажа и по друг начин. В една чаша вода има повече атоми,
отколкото чаши вода във всички океани на света.
От това ви заболява глава само като си го помислите.
Публикацията на Айнщайн слага точка на дебата,
дали атомът е реален или не.
А Болцман е напълно реабилитиран.
Атомът трябва да е истински.
В ранните години на 20-ти век
атомът става популярен.
Учени, които твърдят, че атомът съществува, вече не са еретици.
По внезапен драматичен начин те преобръщат посоката
и това става новото общоприето схващане.
Но те щели да заплатят огромна цена за успеха си.
Преди да успеят да си честитят взаимно откриването на атома,
той дръпнал килимчето под краката им
и ги запратил в един странен и на моменти плашещ нов свят.
И всичко започнало тук, където през 1910 г.
бил световният център по атомна физика - Манчестър.
Двама от най-забележителните мъже в историята на науката
работели тук, в отдела по физика на местния университет между 1911 и 1916 г.
Това са Ернст Ръдърфорд и Нилс Бор,
две напълно различни личности
и напълно неподхождащи си за съвместна работа.
Ръдърфорд произхождал от отдалечена част на Нова Зеландия
и бил израснал във ферма.
Бор бил роден в Копенхаген
заможен и ерудиран, истински аристократ.
Ръдърфорд бил абсолютен експерименталист.
Обичал техническите науки
и добре построените схеми от батерии, бобини, магнити и радиоактивни скали.
Но освен това той бил надарен и със силна интуиция.
Противоположно на него Бор бил пълен теоретик.
За него науката била свързана с дълбоки размисли и абстрактна математика.
Неговите инструменти били молив и лист, тебешир и черна дъска.
Неговият път към истината била логиката.
Въпреки че подходите им не можело да са по-различни,
имало нещо, което ги свързвало.
Те били готови да изоставят три века научни схващания,
ако не пасват на това, което смятат за истинно.
Били са истински революционери.
Ръдърфорд и Бор са двама от най-великите умове на всички времена.
Щяло да им коства всяка частица от твърдата им решимост
и вдъхновяваща надареност да достигнат до атома.
През 1907 г. Ернст Ръдърфорд постъпва в департамента по физика в Манчестър.
Това бил период на важни научни промени.
Само десет години по-рано в Германия
е направена първата демонстрация на необясними лъчи, минаващи през плътта
и показващи нашите кости.
Тези лъчи били така непонятни, че учените не знаели как да ги нарекат.
И затова им дали името хикс-лъчи.
Няколко години по-късно в Кеймбридж
било показано, как силен електрически ток
може да произведе странен поток от малки светещи заредени частици.
които били наречени електрони.
А през 1896 г. в Париж
се случило най-забележителното от всички открития.
Това, което повече от всички други щяло да разкрие тайните на атома.
Металът ураний показал, че излъчва странна мощна енергия,
която нарекли радиоактивност.
Изглеждала съвсем като научна фантастика.
Радиоактивните метали били топли на допир.
Дори можели да изгорят кожата.
А лъчите преминавали през твърдата материя, сякаш нея я няма.
Това наистина била чудото на съвремието.
Ръдърфорд бил запленен от радиоактивността.
Терзаели го всякакви въпроси.
Как се произвежда? Защо я има в различни форми?
Колко далеч може да достигне през вакуум и въздух?
Променя ли веществата, с които се среща?
В Манчестър заедно с асистентите си Ханс Гайгер - известен с Гайгеровия брояч,
и Ернст Марсдън той разработва серия от експерименти
за проучване на загадката с радиоактивността.
1909 г. Университетът в Манчестър
Ето това е опитната постановка.
Златен лист, изкован с дебелина само няколко атома.
Подвижен фосфоресцентен екран,
който просветва, когато е ударен от радиоактивни вълни.
А вътре в тази кутия е звездата на представлението.
Мъничко парченце от метала радий.
Радият е изключително мощен източник
на един вид радиоактивност, която Ръдърфорд нарекъл алфа лъчи.
Те не били точно лъчи. Повече приличали на постоянен поток частици.
Радият изстрелвал тези частици като оръжие, на което не свършват патроните.
Ръдърфорд поставял на студентите си една-единствена проста задача.
Използвайте оръдието от радий.
Изстрелвайте алфа-радиоактивност към златния лист
и чрез фосфоресцентния екран
бройте частиците, които преминават от другата страна.
На практика това означавало да стоиш сам в тъмното
и да броиш мънички, почти невидими проблясвания върху екрана.
Това било доста скучно, но Ръдърфорд настоявал да го правят.
Минавали седмици, а екипът от изследователи не видял нищо необичайно.
Алфа частиците сякаш перфорирали златото
и преминавали, все едно то не е там.
Много рядко те незначително се отклонявали, след като преминели.
Но едва ли това било новина за първа страница на вестник.
Сега е ред на нещо, което трябва да е
най-важното събитие в историята на науката.
Едно събитие, което променило света.
Историята разказва, че Ръдърфорд се сблъскал с Гайгер в коридора.
Гайгер докладвал, че засега все още няма нищо необичайно.
В отговор Ръдърфорд можел просто да кимне и да продължи,
обаче той не го направил.
По-късно той твърдял, че казал това, което казал тогава
просто така, като очевидно следствие. Но аз не му вярвам.
Ръдърфорд имал много силна научна интуиция
и аз мисля, че той имал предчувствието, че нещо е на път да се случи.
Ето какво казал на Гайгер:
"Кажи на младия Марсдън да провери, дали може да открие някакви частици
от същата страна на златния лист, от която е източникът на радий."
С други думи, да види дали някакви алфа частици се отразяват обратно.
Това е удивително предположение от страна на Ръдърфорд,
такова, за което той нямал логическо основание.
Все пак Гайгер и Марсдън били прекарали седмици да гледат,
как алфа частиците не правят нищо, освен да преминават през златото
сякаш него го няма.
Защо би трябвало някоя да се върне обратно?
Младите Гайгер и Марсдън благоговеели пред великия новозеландец.
Те изпълнили заповедта на своя учител и се върнали в тъмната лаборатория,
където наблюдавали търпеливо.
Дни наред не забелязали абсолютно нищо.
Те напрегнато взирали поглед,
но не виждали нито една алфа частица да се отразява от златото.
Изглеждало, че предположението на Ръдърфорд е безсмислено.
Но тогава се случило невъзможното.
През един следобед на 1909 г.
Гайгер нахлул в офиса на Ръдърфорд с няколко удивителни новини.
Съвсем случайно една алфа частица
наистина рикоширала обратно от златния лист.
Гайгер изчислил, че само една от 8000 алфа частици го прави.
Това е съвсем малък процент,
но умът на Ръдърфорд се замаял от тази новина.
По-късно той ще каже, че това е като да изстреляш снаряд
срещу хартия и той да отскочи обратно към теб.
Там и тогава Ръдърфорд разбрал, че е спечелил златото във физиката.
Макар че му отнело повече от една година
напълно да разбере, защо алфа частиците правят това,
когато успял, той показал на човечеството за първи път,
как изглежда един атом отвътре.
Хората тъкмо били свикнали с идеята, че атомът съществува.
А Ръдърфорд вече знаел, че този миниатюрен свят,
с диаметър една десетомилионна част от милиметъра,
си има своя собствена вътрешна структура.
Вътре в атомния има субатомен свят.
И Ернст Ръдърфорд бил убеден, че знае точно как изглежда той.
Ръдърфорд осъзнал, че отразената алфа частица
е открила такъв атом, какъвто изобщо не бил очакван.
Той нямал сходна аналогия на Земята.
Затова Ръдърфорд потърсил такава в небето.
Той изобразил атома като миниатюрна слънчева система.
Електрони - малки частици отрицателна енергия,
се въртят в орбита около мъничък положително зареден обект,
наречен ядро.
Ръдърфорд изчислил, че ядрото е 10 000 пъти по-малко от атома.
Ето защо само една от 8000 алфа частици се връща обратно.
Това са онези, които се удрят в малкото ядро по чиста случайност.
Останалите профучавали, без да се ударят в нещо.
Първото поразително следствие на тази идея било,
че атомът на Ръдърфорд е почти изцяло празно пространство.
Затова повечето алфа частици минавали през златните атоми, сякаш няма нищо.
Там наистина няма нищо.
Ще разгледаме фантастичния извод на Ръдърфорд за атома
като си го представим в по-големи мащаби.
Ако ядрото е с размерите на футболна топка,
то най-близкият електрон би бил в орбита на 800 метра.
Останалото от атома е напълно празно пространство.
Нека го обясня по още един начин.
Ако изтеглите празното пространство от всичките атоми в тялото ми,
то аз бих се свил до размер, по-малък от песъчинка.
Но разбира се пак бих тежал толкова.
Ако направите същото с всички хора на Земята,
тогава всичките шест милиарда
ще запълнят размера на една ябълка.
Атомът не приличал на нищо, което сме откривали преди това.
И щял да става само все по-странен и по-странен!
Почти веднага изникнал проблем и той бил много голям.
Съгласно науката по това време, приета за изпитана и доверена,
електроните би трябвало да губят своята енергия,
да намаляват скоростта си и спирално да отиват към ядрото
за време, по-кратко от мигване на око.
Атомът на Ръдърфорд влязъл в противоречие с научните закони.
Не го било грижа, че не се подчинява на научни споразумения.
Той си е почти изцяло празно пространство и такъв и си остава.
Аз не давам признаци да се свия до размера на песъчинка.
И Земята също си е с размера на Земята.
Не става по-малка.
Заслужава си да си припомним времевите мащаби.
Само за шест кратки години - от 1905 до 1911
атомът известил за своето съществуване
заедно с факта, че е невъобразимо мъничък.
След това разкрил, че е предимно празно пространство.
А сега - че не се подчинява на познатите физични закони.
Не е изненадващо, че всички утвърдени учени по това време,
включително Айнщайн, били смаяни.
Научните идеи, на които се уповавали през целия си живот,
им изневерили напълно при обяснението на атома.
Атомът сега изисквал ново поколение от учени,
които да последват стъпките на Ръдърфорд.
Дръзки, много надарени и преди всичко - млади.
Решаващо било да нямат преданост и привързаност
към идеите на предишните поколения.
Един от първите новатори бил Нилс Бор.
Той пристигнал от Дания през 1911 г. и направил Англия своя родина.
След като се дипломирал в Копенхаген,
Бор решил да замина в чужбина, в центъра на новата физика.
Пътят му го отвел до Манчестърския университет и Ернст Ръдърфорд.
Бор имал брилянтен ум,
на моменти възпрепятстван от патологична мания към детайлите.
Всъщност се говори, че Бор се научил на английски език,
препрочитайки "Записки на клуба Пикуик" от Чарлз Дикенс.
Бор е така запленен от картината на Ръдърфорд за атома,
че превръща в своя мисия решаването на загадката,
защо атомът не се деформира
и защо в него има толкова много празно пространство.
Като един от новата генерация теоретични физици,
той е дързък в своето мислене
и е готов да се оттласне от здравия разум и интуицията,
за да намери някакво обяснение.
И така, с присъща на гениите промяна на посоката,
започнал да търси ключа към структурата на атома,
не чрез изучаване на материята,
а изследвайки мистериозната и удивителна природа на светлината.
Атомите и светлината са неразривно свързани.
Повечето вещества светват, когато са нагрявани.
От векове хората открили, че различните вещества
светят със собствени характерни цветове, нещо като своеобразен подпис.
Зелен за медта, жълт за натрия и червен за лития.
Тези цветове, свързани с различните вещества, са наречени "спектър".
И великият проблясък на Бор бил осъзнаването,
че спектърът ни казва нещо за вътрешната структура на атома,
и че това може би обяснява цялото онова вътрешно пространство.
Идеята на Бор била да вземе модела на атома на Ръдърфорд
и да го подмени с нещо, което е почти невъзможно за представяне.
Забележителни идеи като празното пространство
и въртящи се в орбита частици умрели.
Те били заменени с нещо, което е една от най-погрешно разбраните
и злоупотребявани концепции в цялата наука - квантовия скок.
На повечето практикуващи физици са им нужни години,
за да отстъпят и се съгласят с тази идея.
Самият Бор казва, че ако си мислите, че сте я схванали,
то значи не сте я обмисляли достатъчно задълбочено.
Е, сега ще си поема дълбок дъх
и за по-малко от 30 секунди ще се опитам да ви обясня
една от най-сложните концепции в цялата наука,
на която обаче се крепи цялата вселена.
Бор описва атома не като слънчева система,
а като многоетажна сграда.
На партера се намира ядрото,
а електроните са на по-горните етажи.
Мистериозните закони означават, че електроните живеят само на етажи,
никога помежду тях.
Други мистериозни закони гласят, че понякога
те могат мигновено да прескочат от един етаж на друг.
На това казваме квантови скокове.
Бор нямал никаква идея, какви са тези закони.
Но това мислене му позволило да направи изумително предположение.
Когато един електрон прескача от по-висок на по-нисък етаж,
той отделя светлина.
И още по-забележително,
цветът на светлината зависи от това, голям или малък е квантовият скок.
Така например един електрон, който скача от третия на втория етаж,
може да излъчи червена светлина.
А електрон, прескачащ от десетия на втория етаж -
синя светлина.
За да изпробва своята нова теория,
Бор трябвало да направи предвиждане.
Може ли то да обясни странния спектър на водорода?
След месеци на яростни изчисления,
той най-после достигнал до резултат.
И неговото предсказване се оказало изненадващо прецизно.
За първи път в историята изглеждало,
че спектърът може да бъде обяснен.
А за далечната 1913 г. това било велика новина.
Но идеята на Бор лежала върху една доста спорна хипотеза.
Защо би трябвало електроните и атомът
да се държат така, сякаш са в многоетажна сграда?
И защо ще предприемат мистериозен квантов скок от едно място на друго?
Досега никъде другаде в науката нямало такъв прецедент.
Когато един физик казал, че скоковете са пълен абсурд,
Бор отговорил: "Да, Вие сте напълно прав!
Но това не доказва, че те не се случват,
а само, че Вие не можете да си ги представите."
Но да не можеш да си представиш нещата някакси отрича смисъла на науката.
по-старите учени смятали, че целта на науката е да опознаваме света,
а не да се създават условни правила, които да се натъкмяват към фактите.
Конфликтът между двете поколения учени бил неизбежен.
Необикновеният атом на Бор и неговите "побъркани" квантови скокове
се превърнали в заплаха към традиционната класическа наука
и старата школа реагирала гневно.
Водач на традиционалистите
бил колосът на физичния свят Алберт Айнщайн.
Той ненавиждал идеите на Бор и повел борба срещу тях.
На всяка цена да се запази света на реда и здравия разум
от този пристъп на лудост.
Въпреки всичко Бор оставал непоколебим и в началото на 20-те на миналия век
е начертана бойната линия на един от най-големите научни сблъсъци.
Айнщайн прекарва доста време
в оспорване на Нилс Бор с променлив успех.
Неговата известност му давала власт
и когато кажел, че не е склонен да приеме идея като квантовия скок,
тъй като изглежда като съшита с бели конци, хората се вслушвали.
И тогава, през 1925 г. на бюрото му се появява писмо,
което се превръща в манна от физичните небеса.
Най-после имало идея, която описва света на атома
чрез изпитаните и доверени принципи на традиционната наука.
Айнщайн изпаднал в екстаз. Той споделил пред приятели:
"Най-после беше повдигнат воала на това, как функционира вселената."
Писмото съдържало доктората по физика на млад французин.
А зад него стояла необичайна история.
По време на Първата световна война френски студент прекарвал времето си
на върха на Айфеловата кула като радио оператор.
Името му било принц Луи дьо Бройл.
Произхождал от френската аристокрация, но бил отдаден на физиката.
Той бил толкова богат, че си построил собствена лаборатория на Шан-з-Елизе.
След войната дьо Бройл бил заинтригуван от мистериите и споровете около атома.
И тогава военният му опит като радио оператор
му подхвърля заинтригуваща идея.
Дали пък радио вълните не биха могли да обяснят атома?
Макар и невидими, те имат същото поведение, като вълните върху вода.
Както кръговете, разпростиращи се по повърхността на езеро,
така и радио вълните се подчиняват на математически формули,
които са изпитани и добре познати, изведени десетилетия по-рано.
В своя докторски труд дьо Бройл представя една радио вълна,
която се сблъсква с електрона около атома.
Той я нарича пилотна вълна.
Тази пилотна вълна ще придържа електрона стриктно към орбитата му,
спирайки разрушаването на атома.
Нямало никакви странни мигновени квантови скокове,
а само основани на интуиция и здрав разум най-обикновени вълни.
Облекчението, изпитано от традиционалистите, било очевидно.
"Атомът си е просто въпрос на вълни", възкликнали те,
а ние добре разбираме, какво са вълните.
Айнщайн и традиционалистите чувствали, че са грабнали победата,
Те вярвали, че са притиснали Бор и новата наука за атома до стената.
Но Нилс Бор не бил човек, който ще се обърне и ще се предаде.
Макар и да обяснил спектъра на водорода
със своята нова революционна теория,
той нямал световното признание на Айнщайн.
Но в своята родина Дания
теорията му била напълно достатъчна да го направи звезда.
Опиянен от успеха, Нилс Бор се връща в Копенхаген през 1916 г. като герой.
Новозавоюваният му статус на знаменитост
означавал безпроблемно да се сдобие с пари за изследвания.
На практика капитали от пивоварната Карлсберг
му помогнали да построи своя нов изследователски институт.
Можете да се каже, че бирата помогнала да разберем тайните на атома!
Този институт става водещ център по теоретична физика до наши дни.
Аз дойдох тук е началото на 90-те, за да проведа изследване на ядреното хало.
И дори тогава това бе място за провеждане на подобни изследвания.
Това е главната лекционна зала на института "Нилс Бор".
Не изглежда така внушителна, както се очаква да изглеждат лекционните зали,
но е пълна с велики и чудновати детайли.
Помня лекциите тук преди няколко години
и знам че самият Нилс Бор е проектирал някои от механизмите, движещи дъските.
Има невероятен брой черни дъски,
една зад друга,
дъски, изписани с формули от него,
тъй че да не се налага някога да изтрива което и да е уравнение.
Има още... и още.
Репутацията на Бор и неговите радикални и нетрадиционни идеи
превърнала Копенхаген в магнетично място за млади, амбициозни физици.
Те страстно желаели да оставят собствена диря
и да бъдат част от новаторската наука на Бор,
станала известна като квантова механика.
През 1924 г, напук на Айнщайн и традиционното обяснение на дьо Бройл,
радикалистите огласяват нова теория,
базирана на квантовите скокове на Бор.
Това изглеждало да е тяхната най-амбициозна и оспорвана идея.
Тя била на Волфганг Паули, една от изгряващите млади звезди на Бор.
Паули взел фантастичната идея на Бор за квантовите скокове
и я преработил в една от най-важните концепции е цялата наука.
И това не го казвам лекомислено.
Идеята на Паули е известна под скучното име Принцип на изключването.
Но според мен по-добро име би било "Най-добре пазената тайна на Бог",
тъй като той обяснява необятното многообразие на Сътворението.
Въпросът, на който се опитва да отговори Принципът на Паули, е следният.
Всеки атом е изграден от едни и същи елементарни компоненти.
Защо тогава те ни се показват в толкова много различни образи?
В толкова богато разнообразие от цветове, структури и химични свойства?
Да вземем за пример златото и живака.
Два напълно различни елемента. Златото е твърдо,
а живакът е течен. Златото е благороден метал, а живакът е силно отровен.
А те се различават само по един електрон.
Златото има 79, а живакът - 80.
Как така един миниатюрен електрон прави всичко толкова различно?
Това, което направил Паули, било да изведе ново квантово правило от нищото.
Спомняте ли си многоетажния атом на Бор?
Ядрото е на партера,
а електроните прогресивно изпълват горните етажи.
Според Паули има и друго квантово правило, според което
всеки етаж може да побере само точно фиксиран брой електрони.
Тъй че ако искаме да добавим друг електрон към атома,
трябва да проверим за свободно място на най-горния етаж.
И ако етажът е запълнен,
се създава нов етаж или слой над него за този електрон.
В такъв случай един-единствен електрон
може радикално да промени облика на атома,
а това на свой ред да се отрази върху поведението на атома
и на неговото отношение с другите атоми.
Тъй че Принципът на Паули действително е основата,
върху която стоят цялата химия и в крайна сметка биологията.
Принципът на Паули бил важно научно постижение за квантовата механика.
Като че ли за първи път той ни предлагал истинско разбиране
на невъобразимото разнообразие в света около нас
и дори може би за самия живот.
Успехът му направил голяма пробойна в защитата на Айнщайн и старата физика.
И както квантовия скок, правилото било точно от библията на атомната физика.
Паули не обяснил, защо принципът му действа. Той казал, че просто го прави.
Айнщайн и традиционалистите го ненавиждали.
За тях това звучало като безочлива, антинаучна безсмислица.
Те трябвало да отвърнат на удара и го направили с все сила.
Досега дебатите около новата атомна физика
се водели джентълменски.
Сега двете страни извадили своите най-тежки оръжия.
Две от най-големите имена във физиката.
Два напълно различни характера, които се ненавиждали един друг.
На страната на революционната наука
бил затвореният, амбициозен германец
на име Вернер Хайзенберг.
За традиционалистите бил жизнерадостният,
"байронов" тип австриец Ервин Шрьодингер.
Ервин Шрьодингер - пламенен и поетичен, философ и романтик.
Той пише книги за Древна Гърция, за философията, религията,
и е повлиян от хиндуизма.
Той бил с пламенен характер, дързък, приветлив, светски,
елегантно облечен и с голям успех сред жените.
Неговият безразборен сексуален живот бил пословичен.
Той имал многобройни връзки с жени по време на брачния си живот,
някои от които доста по-млади от него.
През 1925 г. 38-годишният Шрьодингер
бил в алпийския курорт Ароса в Швейцария
на тайна любовна среща със стара приятелка,
чиято самоличност и до днес остава загадка.
Но тяхната страст се оказва катализатор за творческия гений на Шрьодингер.
Един друг физик коментира така тази седмица на сексуално-вдъхновена физика
"Пред него стояли две задачи за онази седмица.
Да задоволи жена и да разбули загадката на атома.
За щастие, той успял да свърши и двете."
Той отвел идеята на дьо Бройл за мистериозна пилотна вълна,
направляваща електрона около атома, една решаваща стъпка по-напред.
Шрьодингер твърди, че електронът фактически е енергийна вълна,
вибрираща толкова бързо, че прилича на облак около атома,
облакоподобна вълна от чиста енергия.
Нещо повече, той извежда ново уравнение,
което напълно описва тази вълна
и така описва и целия атом
от гледната точка на традиционната физика.
То става известно като Уравнение на Шрьодингер.
И притежава невероятна мощ.
Това, което го прави уникално,
е, че то представя нова величина, наречена вълнова функция,
за която Шрьодингер претендира да описва напълно
поведението на субатомния свят.
Уравнението на Шрьодингер и описаната от него картина на атома,
създадена по време на сексуално зареждащия уикенд в Алпите,
позволяват на учените отново да визуализират атома
с опростени термини.
Трудно е да се опише облекчението, което идеята на Шрьодингер,
донася на обществото от физици-традиционалисти.
Колкото и да била странна неговата картина на атома,
тя била все пак картина, а учените обичат картини.
Те им позволяват да използват свята интуиция.
Но имало един все още много "дразнещ" проблем,
за който радикалните учени чувствали, че Шрьодингер не успял да реши.
Неговата нова теория така и не успяла да обясни странния квантов скок на Бор.
Дошъл моментът радикалите да нанесат ответен удар.
През лятото на същата година
едно от протежетата на Нилс Бор, Вернер Хайзенберг,
пътувал до усамотен остров на север от брега на Германия.
Той бил силно амбициозен и приел идеите на Шрьодингер като лична обида.
Силно чувствал, че необичайността на мигновените квантови скокове
е всъщност ключа към разбирането на атома.
Той смятал, че атомът е толкова необикновен и единствен по рода си,
че не бива да се компрометира чрез елементарна аналогия
като някаква вълна или орбита и дори многоетажна сграда.
Вярвал, че е време да се откажем от каквато и да е картина на атома въобще.
Вернер Хайзенберг, един от истинските гении на 20-ти век.
Млад, атлетичен, много добър планински катерач, превъзходен пианист,
и също така превъзходен студент.
На 20-годишна възраст бил на път да завърши своя докторат по физика
и е ухажван от най-големите университети в Европа.
И ето сега, през лятото на 1925 г.,
той страда от особено остър пристъп на болест и висока температура.
Лицето му е отекло почти до неузнаваемост.
Той решава да се усамоти тук,
на този красив, но затънтен остров Хелголанд.
Разхождал се по плажовете, плувал,
катерил се по скалите и размишлявал.
Откакто открил атомната физика,
Хайзенберг чувствал интуитивно, че всички опити да се визуализира атома,
да му се създаде модел чрез познати образи, е обречен на провал.
Атомът, бил убеден той, е твърде непостоянен,
твърде странен, за да може да бъде описан така примитивно.
Затова той решил да изостави всички съществуващи модели
и да опише атома използвайки единствено чиста математика.
Но скоро установил, че атомът не само не се поддава на визуализиране,
а дори не се подчинява на традиционната математика.
Докато е тук в Хелголанд
Хайзенберг прави забележително откритие.
Той установява, че за да опише някакви точни свойства на атома,
трябва да използва един нов необикновен тип математика.
Изглежда, че за това, къде е електронът в даден момент и колко бързо се движи,
когато те се умножават, има значение реда, в който се извършва това.
Нека се опитам да поясня.
Ако умножаваме две числа, няма значение в какъв ред ще го направим.
Така че три по четири е равно на точно същото като четири по три.
Но когато става дума за атоми,
Хайзенберг открива, че редът на умножение определя различни отговори.
Това бързо го отвело до други разкрития
и той бил убеден, че е разкрил кода на атома,
че някакси е успял да открие скритата вътре математика.
Той бил така развълнуван! Но също и ужасно изплашен.
Същата нощ той се изкачил на върха на една скала
и останал там докато се разсъмнало.
Нарекъл това своята "Нощ в Хелголанд".
Връщайки се в университета в Гьотинген, споделил с колегата си Макс Борн
и двамата работили заедно няколко месеца непрекъснато
разработвайки цяла нова теория за атома.
Теория, която днес наричаме матрична квантова механика.
Матричната механика използва сложни масиви от числа,
нещо като големи електронни таблици.
Чрез боравене с тези масиви,
Хайзенберг и неговия ментор, брилянтният физик Макс Бор,
успели съвсем точно да предвидят поведението на атома.
А за Айнщайн и традиционалистите
това било чиста научна ерес.
Един атом не би могъл да бъде матрица от числа.
Със сигурност ние сме съставени от атоми, не от цифри.
В Копенхаген Бор и Паули
били силно развълнувани от матричната механика.
Какво от това, че не можем да си представим атома като физичен обект?
Те били въодушевени от чистотата на математиката
и се хвърлили в яростна атака срещу простите вълни на Шрьодингер.
Хайзенберг пише: "Колкото повече разсъждавам
над физичния дял на Уравнението на Шрьодингер,
толкова по-възмутително го намирам. На практика това една пълна глупост."
Но и Шрьодингер бил също язвителен към Хайзенберг,
казвайки, че е отвратен от методите му и че намира математиката му безобразна.
През 1926 г. в Мюнхен враждата им достигнала своя връх.
Шрьодингер щял да изнася лекция за своето вълново уравнение.
Хайзенберг събрал пари, за да пътува до Мюнхен и посети лекцията.
Най-после да се изправи лице в лице със своя съперник.
На карта била заложена не само репутацията на Хайзенберг.
Той вярвал, че опростеният подход на Шрьодингер,
е не само заблуждаващ, а напълно погрешен.
И намерението му било не по-малко от пълно разбиване на теорията му.
Шрьодингер изнася лекцията си за новата вълнова механика
в препълнена със седящи и правостоящи зала.
Той изписва своето ново вълново уравнение.
За Шрьодингер то описва истинската физична структура на атома,
с електрони като вълни, обикалящи атомните ядра.
24-годишния Вернер Хайзенберг е сред публиката.
Той трудно се сдържа.
В края на лекцията станал и изнесъл монолог, атакувайки Шрьодингер.
За Хайзенберг било абсолютно невъзможно да има картина
на това, как в действителност изглежда атомът.
Публиката била на страната на Шрьодингер.
На нея й допаднала повече неговата простичка физична интерпретация
отколкото абстрактната, сложна математика на Хайзенберг.
Хайзенберг бил освиркан. Казали му да си седне и да млъкне.
Той напуснал лекцията тъжен и депресиран.
Хайзенберг се завърнал в Копенхаген със сериозно накърнена увереност.
Там в института, той и Бор преживели своите най-тежки моменти.
Почти цялото научно общество било против тях.
Те се чувствали изолирани и отчаяни. Били в безизходно положение.
Въпреки това, те упорито не се отказвали от своята оспорвана теория.
Тази мансарда е била кабинет на Хайзенберг през 1926.
Бор се качвал тук нощ след нощ
и заедно с Хайзенберг разисквали значението на квантовата механика.
Те обсъждали с такава страст,
че веднъж Хайзенберг бил доведен до сълзи.
И тогава, докато Хайзенберг гледал отчаяно
през прозореца надолу към парка,
една необичайна мисъл го осенила.
Внезапно прозрял, защо атомът не може да бъде визуализиран,
защо не може да бъде разбран интуитивно.
Не е затова, че е миниатюрен, сложен и труден.
А защото му е свойствено да е непознаваем.
Той открил, че има фундаментална граница,
до която може да познаем субатомния свят.
Например, ако знаем къде се намира един електрон в даден момент,
то тогава не може да знаем, с каква скорост се движи.
А ако знаем скоростта му, не може да знаем неговото местоположение.
Тази неопределеност не е недостатък на самата теория.
Нито е заради тромавост на начина, по който правим измерванията,
а е фундаментална истина за начина, по който функционира природата
в субатомните мащаби.
Това става известно като Принцип на неопределеността на Хайзенберг.
И той е може би най-пълната, най-забележителната,
най-необяснимата идея в цялата наука.
Това, което Хайзенберг разкрива чрез своята абстрактна матрична механика,
е една дълбока и шокираща истина за атомния свят.
Атомите са по подразбиране неопределяеми.
Ние никога не можем да знаем позицията и скоростта на един атом едновременно.
Атомният свят просто отказва и не позволява това да се случи.
Това е напълно потресаващо.
Но след като веднъж го приели,
Хайзенберг и Бор подобрили увереността си и станали още по-дръзки.
Тяхната несигурност ги принудила да поставят парадокс в сърцето на атома.
Атомите не са просто невъобразими. Те противоречат сами на себе си.
Тяхното поведение е и като на частица, и като на вълна.
И става и още по-странно.
Когато не гледате един атом, той се държи като разстилаща се вълна.
Но когато погледнете да видите, къде се намира,
поведението му става като на частица.
Това е лудост!
Най-напред, атомите не могат да бъдат изобщо визуализирани,
а сега те напълно се променят според това, дали ги гледаме или не.
Принципът на несигурността променил всичко.
Той разкрил шокиращо противоречие в самото сърце на природата.
Всичко, което виждаме, е изградено от атоми.
А все още самите атоми са непознаваеми.
Те можело да бъдат разбрани единствено чрез математиката.
За първи път за Бор и Хайзенберг всичко относно атома си дошло на мястото.
През есента на 1927 г., изпълнени с увереност,
те най-после са готови да се захванат с консерваторите.
За това открито конфронтиране във физиката,
те избрали Солвеевския конгрес в Брюксел.
Всички водещи атомни физици от целия свят щели да присъстват.
Ако Бор и Хайзенберг се представели успешно,
те щели да застанат начело на тотална научна революция.
Това е поразително. Гледам оригинален видеозапис,
на който делегатите в Солвей излизат през тази врата.
Това е Бор, разговарящ с Шрьодингер, а ето там зад тях е Хайзенберг.
Това е Паули, странно изглеждащ човек.
Ето Айнщайн, слизащ с голяма усмивка на лице.
Цяла седмица по време на конференцията всичко, за което се мислело и говорело,
била квантовата механика на Бор.
Сега с неопределеността като нейна сърцевина,
това била една наистина страховита теория.
През цялата седмица течал последният сблъсък
между Бор и неговия постоянен съперник Алберт Айнщайн.
Айнщайн мразел квантовата механика.
Всяка сутрин той идвал при Бор с аргумент,
с който смятал, че ще разклати новата теория.
Бор се оттеглял доста разстроен и усилено размишлявал над това,
а по-късно се връщал с контра-аргумент, който отхвърлял критиките на Айнщайн.
Това се случвало ден след ден докато в края на конференцията,
Бор оборил всички критики на Айнщайн
и бил поздравен като победител.
И от тук нататък неговата представа за атома,
станала известна като Копенхагенска интерпретация,
внезапно се озовала в самото сърце на атомната физика.
В края на конференцията всички се събрали да позират за обща снимка.
Никога преди, а и след това толкова много велики имена
във физиката не са се събирали заедно на едно място.
Най-отпред е доайенът на физиката Хендрик Лоренц,
а от двете му страни - Мадам Кюри и Алберт Айнщайн.
Айнщайн изглежда доста намръщен, защото е изгубил спора.
Луи дьо Бройл също не успял да убеди делегатите в своята идея.
Победата е за Нилс Бор.
Той е изключително доволен от себе си.
До него е един от невъзпятите герои на квантовата физика,
германецът Макс Борн, който направил голяма част от изчисленията.
А зад него са двамата млади последователи на Бор,
Хайзенберг и Паули.
Паули гледа самодоволно към Шрьодингер,
като котка, която се е докопала до млякото.
Това бил онзи момент във физиката, когато всичко се променило.
Старият боен отряд бил подменен с нов.
Случайността и вероятността били вплетени в нишката на самата природа
и ние вече не можело да описваме атомите като елементарни картини,
а само като използваме чиста абстрактна математика.
Копенхагенската гледна точка станала победителка.
Въпреки че Айнщайн до края на живота си не повярвал в квантовата механика,
Солвей'1927 станал повратна точка,
в която останалите учени
приели Копенхагенската интерпретация.
И тази интерпретация е общоприета и в момента.
Физиката, която прилагам в моите изследвания,
квантовата механика, която преподавам на моите студенти
и която е в книгите по рафтовете ми,
се основава на идеите, които в октомври 1927 изкристализират тук в Солвей.
В известен смисъл всичко, което знам
за строежа на света около мен, започва от тук.
Квантово-механичното описание на атома
е един от върховите триумфи на човешката творческа сила.
През последните 80 години то е потвърждавано отново и отново
и неговата достоверност никога не е подлагана на съмнение.
Това е грандиозно научно постижение.
Между 1905 и 1927 г.
науката променя нашия възглед за света.
Тя променя и нашата гледна точка за наука изобщо.
С изучаването на най-малката градивна единица на материята
учените създават най-успешната и могъща теория за всички времена-
квантовата механика.
Тя ни помага да опишем, от какво е изградена материята във вселената,
как си взаимодейства и как се съгласува.
Но това има изключително висока цена.
На най-фундаментално ниво ние трябва да приемем,
че природата се управлява от случайност и вероятност.
Принципът на неопределеността на Хайзенберг предписва,
че има определени ограничения във видовете въпроси за атомния свят.
Най-решаващо е, че докато научаваме все повече за това,
какво е един атом и какво е неговото поведение,
трябва да се откажем от възможността да си представим как изглежда.
Човешката ни природа ни кара да задаваме въпроси за всичко около нас.
Това, което сме открили, е отвъд най-смелите ни представи.
Превод: eternities www.kolibka.com