Fizyka w XX wieku
 
Fizyka w XX wieku
Pod koniec XIX w. wielu uczonym wydawało się, że badania w dziedzinie fizyki są niemal zakończone. W kwietniu 1900 W. Thomson (lord Kelvin) w głośnym wykładzie w Londynie stwierdził, iż „Piękno i jasność teorii dynamicznej, która tłumaczy ciepło i światło jako rodzaje ruchu, są obecnie przyciemniane przez dwa obłoczki... Jeden z nich to pytanie, jak Ziemia może się poruszać przez światłonośny eter, który w zasadzie jest sprężystym ciałem stałym. Drugi to doktryna Maxwella-Boltzmanna ekwipartycji energii”.
Odkrycia w fizyce w XX w. całkowicie zmieniły obraz świata, jaki panował w końcu poprzedniego stulecia. Za symboliczną datę powstania nowej fizyki uważa się często dzień 14 XII 1900, kiedy to M.K.E. Planck przedstawił publicznie swą hipotezę kwantowania procesów absorpcji i emisji promieniowania. Ale już kilka lat wcześniej dokonano odkryć o fundamentalnym znaczeniu dla zrozumienia mikroświata.
Promienie X i promieniotwórczość
Podczas badań promieni katodowych W.C. Röntgen przypadkowo odkrył (listopad, 1895) niewidzialne dla oka, przenikliwe promieniowanie, które nazwał promieniami X. Parę tygodni później A.H. Becquerel odkrył (luty, 1896), że takie samo przenikliwe promieniowanie wysyła uran. Błędna interpretacja wyników niektórych doświadczeń skłoniła A.H. Becquerela do uznania, że promieniowanie uranu podlega odbiciu, załamaniu i polaryzacji, jest to więc po prostu nowy rodzaj fal elektromagnetycznych o bardzo małej długości fali. Ta błędna konkluzja upadła dopiero po odkryciu (1898) nowych pierwiastków promieniotwórczych, polonu i radu, przez M. Skłodowską-Curie i jej męża P. Curie. E Rutherford odkrył (1898), że promieniowanie uranu ma dwie składowe, różniące się znacznie zdolnością przenikania przez materię. Składową silnie pochłanianą, która okazała się złożona z cząstek o dodatnim ładunku elektrycznym, nazwał promieniowaniem α, a składową przenikliwą, o ujemnym ładunku — promieniowaniem β. P. Villard odkrył w 1900, że istnieje jeszcze neutralna składowa γ. W pierwszej dekadzie XX w. udało się wykryć wiele odmian pierwiastków promieniotwórczych (dziś zwanych izotopami) i uporządkować je w cztery szeregi promieniotwórcze.
Teoria kwantów
W ostatniej dekadzie XIX w. wyznaczono doświadczalnie rozkład widmowy natężenia promieniowania nagrzanych ciał, w tym tzw. ciała doskonale czarnego, wyidealizowanego obiektu, który można było z dużą dokładnością aproksymować doświadczalnie. W. Wien sformułował w 1893 tzw. prawo przesunięć (iloczyn temperatury promieniującego ciała i długości fali, przy której natężenie promieniowania jest maksymalne, jest wielkością stałą). Kiedy jednak światło traktowano, zgodnie z teorią Maxwella, jako falę elektromagnetyczną, to wszystkie próby znalezienia wzoru odtwarzającego rozkład widmowy natężenia promieniowania ciała doskonale czarnego, dawały wyniki sprzeczne z doświadczeniem.
W październiku 1900 M. Planck znalazł wreszcie wzór, który bardzo dobrze zgadzał się z wynikami doświadczenia. Był to jednak tylko wzór empiryczny. Próbując znaleźć jego uzasadnienie M. Planck wysunął (14 XII 1900) hipotezę, że wbrew wyobrażeniom klasycznym ciało może emitować i pochłaniać energię tylko w określonych porcjach, o wielkości proporcjonalnej do częstości światła. Współczynnik proporcjonalności h nazywamy dziś stałą Plancka.
W 1905 A. Einstein opublikował pracę na temat zjawiska fotoelektrycznego, w której rozszerzył pomysł M. Plancka i przypuścił istnienie kwantów światła (dziś nazywamy je fotonami), dzięki czemu mógł podać równanie wyjaśniające ilościowe cechy zjawiska fotoelektrycznego.
Teoria kwantów nie cieszyła się uznaniem fizyków w pierwszych dwóch dekadach XX w. Nawet sam M. Planck wypowiadał się publicznie (Kongres Solvayowski, 1911), że pomysł kwantowania energii należy raczej rozumieć jako wybieg matematyczny, a nie jako opis rzeczywistości fizycznej. R. Millikan w 1916 nazywał hipotezę kwantów światła Einsteina — lekkomyślną, chociaż to on właśnie dokładnie sprawdził równanie zjawiska fotoelektrycznego wyprowadzonego z tej hipotezy. Zwrot w podejściu fizyków nastąpił gdy A. Compton w 1923 odkrył zjawisko rozpraszania promieni X na elektronach, w którym korpuskularna natura promieniowania przejawia się niezwykle wyraźnie, przy czym energia kwantów promieniowania wynosi hv, a ich pęd hv/c, zgodnie z hipotezą A. Einsteina. G.N. Lewis zaproponował (1926) dla kwantów światła nazwę fotony.
Budowa atomów
W końcu XIX stulecia przyjmowano dość powszechnie model atomów wirowych podany przez Kelvina. Atom wirowy miał być obracającym się wirem w eterze. Z rachunków wynikało, że taki wir pierścieniowy w doskonałym płynie byłby niezniszczalny i posiadałby doskonałą sprężystość.
Z badań promieni katodowych wynikało, że mogą one przenikać przez bardzo cienkie folie metalowe, z czego wnioskowano, że materia jest w jakimś stopniu przezroczysta. Ponadto, z pomiarów wykonanych niezależnie przez E. Wiecherta, W. Kaufmanna i J.J. Thomsona (1897) wynikało, że stosunek ładunku do masy (e/m) jest dla tych promieni około 1000 razy większy niż mierzony przy elektrolizie dla najlżejszego znanego pierwiastka — wodoru. Taki sam stosunek ładunku do masy wynikał z rachunków, które przeprowadził H.A. Lorentz, aby wyjaśnić zjawisko rozszczepienia linii widmowych w polu magnetycznym, które odkrył w 1896 P. Zeeman. Była to wskazówka, że promienie katodowe są cząstkami o masie znacznie mniejszej od masy atomu wodoru.
J.J. Thomson uznał, że są to „korpuskuły”, które stanowią części składowe atomów. Wprowadzenie pojęcia „naładowanych elektrycznie części atomów” otwierało przede wszystkim problem ich stabilności, ponieważ wiadomo było, iż według fizyki klasycznej ładunek elektryczny poruszający się po torze zakrzywionym promieniuje, a więc traci energię. Atomy złożone z takich poruszających się w ich wnętrzu ładunków musiałyby więc być nietrwałe i bardzo szybko ulegać zanikowi.
J.J. Thomson wiedział, że ładunki elektryczne tworzące zamknięte pierścienie promieniują o wiele słabiej — mimo ruchu po okręgu — niż ładunki pojedyncze. Ponadto przypuszczał on, że prawidłowości w powstawaniu kolejnych pierścieni ładunków w atomach mają związek z ustaloną przez D. Mendelejewa periodycznością właściwości atomów. Jeszcze przez następnych kilka lat J.J. Thomson próbował rozwijać swój model atomu jako „ciastka z rodzynkami”. Zamiast nazwy „korpuskuły” powszechnie zaczęto używać nazwy „elektrony” wprowadzonej dużo wcześniej dla innych celów przez G.J. Stoney'a. Liczba elektronów w atomach nie była przez czas jakiś znana i sądzono, że może ona być bardzo duża.
E. Rutherford, kierując się wynikami badań rozproszenia cząstek alfa na foliach metalowych, zaproponował w 1911 nowy model atomu, w którym niemal cała masa była skupiona w maleńkim, naładowanym elektrycznie jądrze, a reszta atomu, zawierająca ładunki elektryczne przeciwnego niż jądro znaku, była niemal pusta. Taki model pozwalał wyjaśnić duże prawdopodobieństwo rozproszenia cząstek alfa pod bardzo dużymi kątami. Pojawienie się jądrowego modelu atomu nie rozwiązało sprawy liczby elektronów w atomie, ponieważ nie było metody dokładnego wyznaczenia ładunku jądra. Koniec tej niepewności przyniosło dopiero opublikowanie (H. Moseley, 1913) wyników systematycznych badań charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego pierwiastków. Prawo Moseleya pozwalało jednoznacznie ustalić ładunek jądra atomu danego pierwiastka, a więc — ze względu na neutralność atomu jako całości — także liczbę znajdujących się w nim elektronów.
N. Bohr zdecydował się na śmiały krok, wprowadzając (1913) arbitralne założenie o istnieniu w atomie pewnych dozwolonych orbit kołowych, po których elektrony obiegają jądro nie tracąc energii na promieniowanie. Orbity dozwolone były wyróżnione przez wartość momentu pędu J, który równał się całkowitej wielokrotności stałej Plancka, J = nh. Promieniowanie energii przez atom miało następować przy przejściu elektronu z jednej dozwolonej orbity na drugą. Przy tym założeniu N. Bohr wyprowadził wzór J. Balmera (1885) na długości linii widmowych atomu wodoru. W półklasycznym planetarnym modelu atomu Bohra, zastosowanym najpierw dla atomu wodoru, pojawiła się początkowo tylko jedna liczba kwantowa n związana z promieniem kołowej orbity elektronu. Podobieństwo atomu N. Bohra do układu planetarnego było tylko pozorne, ponieważ w takim układzie planety są związane przyciągającymi siłami grawitacyjnymi, podczas gdy ujemnie naładowane elektrony w atomie są przyciągane przez dodatnie jądro, ale odpychają się nawzajem ze względu ten sam znak ładunku elektrycznego. Te nowe wyobrażenia o budowie atomu znalazły potwierdzenie, kiedy doświadczalnie stwierdzono występowanie skwantowanych stanów energetycznych w atomach (J. Franck, G. Hertz, 1913)
W dalszym rozwoju wyobrażeń o strukturze atomu wielkie zasługi położył A. Sommerfeld, toteż planetarny model atomu otrzymał nazwę modelu Bohra-Sommerfelda. Wkrótce okazało się, że do opisu danych doświadczalnych dotyczących promieniowania wysyłanego przez atomy potrzeba więcej, bo aż czterech liczb kwantowych. Druga liczba kwantowa, tzw. azymutalna, pozwalała uwzględniać istnienie orbit eliptycznych, a trzecia, magnetyczna, dotyczyła kwantyzacji ustawień orbity w przestrzeni, względem kierunku zewnętrznego pola magnetycznego. Kwantyzacja przestrzenna momentu pędu elektronu w atomie została potwierdzona doświadczalnie (O. Stern, W. Gerlach, 1921). Ostatnia, czwarta liczba kwantowa została wprowadzona po odkryciu (1925) spinu elektronu (S. Goudsmit, G. Uhlenbeck). Ta tzw. starsza teoria kwantów została w połowie lat 20. zastąpiona przez mechanikę kwantową.
Teoria względności
W czerwcu 1905 A. Einstein ogłosił słynną pracę O elektrodynamice ciał w ruchu, która zawierała jego szczególną teorię względności. Jako podstawę tej teorii A. Einstein przyjął dwa postulaty: 1) prawa przyrody są jednakowe dla wszystkich obserwatorów w ruchu jednostajnym prostoliniowym; 2) prędkość światła nie zależy od ruchu jego źródła. Konsekwencją tych założeń okazało się, że odstęp czasu między dwoma zdarzeniami nie ma charakteru absolutnego, lecz zależy od obserwatora, podobnie jak mierzona przezeń długość odcinka. Te dwa ważne wyniki, relatywistyczna dylatacja czasu i skrócenie długości, zostały następnie potwierdzone w wielu doświadczeniach. H. Minkowski podał w 1908 elegancki formalizm szczególnej teorii względności wprowadzając tzw. czasoprzestrzeń.
A. Einstein zaproponował we wrześniu 1905 wzór E = mc2, a w 1907 wyprowadził podstawową zasadę równoważności masy grawitacyjnej i masy bezwładnej, będącą kluczem do ogólnej teorii względności. Opracowanie całej tej teorii potrwało jednak do 1915. Nowe ujęcie grawitacji pozwoliło A. Einsteinowi wyjaśnić ilościowo znaną od dawna wartość ruchu peryhelium Merkurego, przewyższającą to, co wynikało z mechaniki Newtona. A. Einstein podał też ilościowe przewidywania odchylenia promienia świetlnego w polu grawitacyjnym Słońca, które zostały potwierdzone przez obserwacje astronomiczne położeń gwiazd na niebie podczas całkowitego zaćmienia Słońca w 1919. Teoria względności, zwłaszcza szczególna, spotkała się początkowo z wielkim oporem ze względu na trudny do pogodzenia z tzw. zdrowym rozsądkiem opis czasu i przestrzeni. Dziś jest to fundament naszego rozumienia przyrody.
Mechanika kwantowa i kwantowa teoria pola
L. de Broglie wysunął w 1923 hipotezę, że przez analogię do światła ujawniającego w niektórych doświadczeniach naturę korpuskularną, także elektrony i inne cząstki materialne powinny wykazywać właściwości falowe. Potwierdzili to doświadczalnie C. Davisson i L.H. Germer oraz niezależnie G. Thomson, którzy zaobserwowali w 1927 dyfrakcję elektronów.
W. Heisenberg zaczął rozwijać od 1925 mechanikę macierzową oraz znalazł w 1927 tzw. zasadę nieoznaczoności, narzucającą ograniczenia na dokładność jednoczesnego pomiaru par zmiennych kanonicznie sprzężonych, jak np. położenia i odpowiedniej składowej pędu cząstki, energii i czasu jej pomiaru. Zasada nieoznaczoności jest wyrazem dualizmu falowo-korpuskularnego.
E. Schrödinger zapoczątkował w 1926 mechanikę falową, podając słynne równanie falowe, którego rozwiązania zawierały liczby całkowite należące do opisu stanów kwantowych układu (w obliczeniach starszej teorii kwantów liczby kwantowe były narzucane). Udowodnił także, że jego podejście jest równoważne podejściu W. Heisenberga. Statystyczną interpretację funkcji falowej podał w 1926 M. Born udowadniając, że znajomość funkcji falowej pozwala obliczyć prawdopodobieństwo znalezienia cząstki w danym obszarze. W. Pauli sformułował w 1925 tzw. regułę zakazu (zakaz Pauliego).
P. Dirac zapoczątkował w 1927 elektrodynamikę kwantową publikując pracę na temat oddziaływania elektronu z polem elektromagnetycznym. W następnym roku sformułował on relatywistyczne równanie elektronu. Kwantyzacja pola elektromagnetycznego sprawiała jednak przez szereg lat trudności ze względu na pojawianie się w rachunkach wartości nieskończonych. Dopiero w latach 1947–49 R. Feynman, J. Schwinger, Shin'ichirō Tomonaga i F. Dyson znaleźli metodę renormalizacji, pozwalającą prowadzić obliczenia. Obecnie elektrodynamika kwantowa jest najdokładniejszą teorią fizyczną.
Fizyka atomu i materii skondensowanej
Rozwój mechaniki kwantowej miał wielkie znaczenie dla wyjaśnienia struktury materii. W. Heitler i F. London wykonali (1927) pierwsze obliczenia wiązania chemicznego cząsteczki wodoru, co zapoczątkowało chemię kwantową. W latach 1927–31 zbudowane zostały podstawy kwantowej teorii materii skondensowanej. F. Bloch i L. Brillouin zapoczątkowali teorię pasmową ciał stałych, opracowując tzw. metodę fal płaskich. F. Bloch i R. Peierls podali teorię przewodnictwa elektrycznego metali. A. Wilson, biorąc jako podstawę strukturę pasm energetycznych, zaproponował (1931) podział ciał stałych na metale, izolatory i półprzewodniki, wprowadził też pojęcie donorów i akceptorów. Fizyka ciała stałego rozwijała się jednak początkowo powoli, ustępując pierwszeństwa bardziej modnej w latach 30. fizyce jądra i cząstek elementarnych, w której nastąpiło wówczas wiele spektakularnych odkryć. Przełomowe znaczenie miało skonstruowanie w 1948 pierwszego tranzystora (J. Bardeen, W. Brattain i W. Shockley), które zapoczątkowało burzliwy rozwój elektroniki kwantowej i przyniosło wkrótce zastosowania w przekazywaniu informacji i komputeryzacji, zmieniające obraz życia w ostatnich dekadach XX w.. Rozwój fizyki ciała stałego przyniósł w ostatnich latach nowy przełom w postaci odkrycia i badania tzw. nanostruktur, których zastosowanie zrewolucjonizuje inżynierię materiałową.
H. Kamerlingh-Onnes w 1911 odkrył zjawisko nadprzewodnictwa, znikania oporu elektrycznego metali w temperaturach bliskich zera bezwzględnego. Udaną teorię nadprzewodnictwa opracowali w 1957 J. Bardeen, L. Cooper i J. Schrieffer. Ta teoria, zwana BCS od inicjałów jej twórców, jest oparta na założeniu istnienia par elektronów (par Coopera), które nie ulegają zderzeniom z atomami w nadprzewodniku. Dużym zaskoczeniem było odkrycie w 1986 przez J.G. Bednorza i K.A. Müllera, że w niektórych materiałach nadprzewodnictwo może występować nawet w temperaturach 35 K. Ze względu na olbrzymie potencjalne możliwości zastosowań rozpoczęło to trwający do dziś wyścig do osiągnięcia nadprzewodnictwa przy jak najwyższej temperaturze.
W 1917 A. Einstein opublikował pracę na temat kwantowej teorii promieniowania atomów, w której wskazał na możliwość tzw. emisji stymulowanej. Rozwinięcie tej idei znalazło wyraz w konstrukcji pierwszych kwantowych generatorów fal elektromagnetycznych — maserów (Ch. Townes, 1954) i laserów (1960), które stały się potężnym narzędziem badań fizycznych oraz znalazły szerokie zastosowania w różnych dziedzinach.
Fizyka jądrowa i cząstek elementarnych
Początkowo cząstki alfa wysyłane przez pierwiastki promieniotwórcze były jedynymi pociskami pozwalającymi sondować wnętrze atomu. Za początek fizyki jądrowej niektórzy uznają obserwację, dokonaną w 1919 przez E. Rutherforda, pierwszej reakcji przekształcania pierwiastków pod wpływem bombardowania cząstkami alfa (α + 14N → 1H + 17O). Konstrukcja i rozwój akceleratorów umożliwiły wywoływanie reakcji jądrowych za pomocą pocisków przyspieszanych w sposób kontrolowany. J. Cockcroft i E. Walton jako pierwsi zbadali (1932) reakcję p + 7Li → α + α.
W latach 20. XX w. sądzono, że jądro atomowe jest zbudowane z protonów i elektronów związanych przyciągającymi siłami kulombowskimi. Ten model elektronowo-protonowy nie zgadzał się jednak z wynikami doświadczeń. Kiedy J. Chadwick odkrył w 1932 neutron, D. Iwanienko i W. Heisenberg niezależnie od siebie wysunęli przypuszczenie, że w jądrze atomu znajdują się nie elektrony, lecz neutrony. Usuwało to wspomniane wyżej niezgodności z doświadczeniem, ale wymagało wprowadzenia nowego rodzaju sił, które mogłyby wiązać w jądrze protony z pozbawionymi ładunku elektrycznego neutronami. H. Yukawa zaproponował w 1934 istnienie sił wymiennych, których hipotetyczne nośniki miały mieć masę około 200 razy większą od masy elektronu.
F. Joliot-Curie i I. Joliot-Curie odkryli w 1934 tzw. sztuczną promieniotwórczość, wywołaną przez bombardowanie jąder atomowych cząstkami alfa i w tym samym roku E. Fermi stwierdził, że sztuczną promieniotwórczość mogą też wywoływać neutrony, które jako pociski neutralne mogły łatwo wnikać do naładowanych elektrycznie jąder. W wyniku badań reakcji wywołanych przez neutrony O. Hahn i F. Strassmann odkryli w 1938 zjawisko rozszczepienia jądra uranu z wydzieleniem znacznej energii. Znalazło to zastosowanie w reaktorze jądrowym, zbudowanym w 1941 przez E. Fermiego w Chicago oraz w konstrukcji bomb jądrowych, użytych do zbombardowania Hiroszimy i Nagasaki (1945).
Równolegle rozwijały się badania promieniowania kosmicznego, które odkrył w 1912 V. Hess. To bardzo przenikliwe promieniowanie uznano początkowo za promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali jeszcze mniejszej od promieni γ (nazywano je promieniowaniem „ultragamma"). Potem okazało się, że składa się ono z cząstek naładowanych dodatnio, przeważnie protonów. Pierwszym ważnym odkryciem dokonanym w badaniach promieniowania kosmicznego było odkrycie pozytonu, cząstki o masie elektronu i ładunku dodatnim (C. Anderson, 1932). Istnienie takiej antycząstki elektronu zostało przewidziane przez P. Diraca. Okazało się, że pozytony są także wysyłane w procesie sztucznej promieniotwórczości.
C. Anderson i S. Neddermeyer odkryli w 1936 w promieniowaniu kosmicznym cząstkę o masie około 200 razy większą od masy elektronu. Nazwano ją początkowo „mezonem”, Okazało się jednak szybko, że nie może to być cząstka postulowana wcześniej przez H. Yukawę w celu wyjaśnienia wiązania jąder atomowych, ponieważ bardzo słabo oddziałuje z materią. Zagadka została rozwiązana, kiedy zespół kierowany przez C. Powella odkrył w 1947 inny mezon, o masie nieco większej, rozpadający się na „mezon” C. Andersona i S. Neddermeyera. Mezon C. Powella, nazwany mezonem π, okazał się cząstką silnie oddziałującą z materią. Cząstkę odkrytą wcześniej oznaczono symbolem μ (mion). Jest ona przedstawicielem leptonów, cząstek słabo oddziałujących.
W 1947 G. Rochester i C. Butler odkryli w promieniowaniu kosmicznym pierwsze cząstki V, które później podzielono na hiperony (bariony o masie większej od nukleonów) i ciężkie mezony. Rozpoczęła się epoka bardzo częstych odkryć nowych cząstek. Porządek w tej powodzi nastąpił kiedy M. Gell-Mann zaproponował (1964), że wszystkie cząstki silnie oddziałujące (hadrony) są złożone z kwarków. Model kwarków przyjęto zwłaszcza po stwierdzeniu w badaniach rozproszenia elektronów na protonach, że te ostatnie mają strukturę złożoną z obiektów punktowych, partonów.
W ostatnich dekadach w fizyce cząstek elementarnych opracowany został i udoskonalony tzw. Model Standardowy, który z wielką dokładnością zgadza się z doświadczeniami. Częścią Modelu Standardowego jest chromodynamika kwantowa, teoria z cechowaniem, zbudowana na wzór elektrodynamiki kwantowej. Inną częścią jest teoria oddziaływań elektrosłabych, którą rozwinęli S. Glashow, A. Salam i S. Weinberg, unifikując opis oddziaływań elektromagnetycznych przenoszonych przez fotony i oddziaływań słabych przenoszonych przez bozony pośredniczące W± i Z0. Te ostatnie miały być pośrednikiem w tzw. prądach naładowanych. Wielkim triumfem tej teorii było odkrycie w 1978 przewidzianych prądów neutralnych oraz w 1983 — samych bozonów W± i Z0. Model Standardowy ma jednak nadal zbyt wiele wolnych parametrów, trwają więc stale próby zastąpienia go przez doskonalszą teorię. Jednym z najpoważniejszych problemów jest znalezienie tzw. cząstki Higgsa, której istnienie przewiduje Model Standardowy. W celu rozwiązania tego problemu wybudowano w CERN w Genewie najpotężniejszy akcelerator świata, Large Hadron Collider (LHC), który uruchomiono w 2010.
Andrzej Kajetan Wróblewski
Ilustracje
Laser rubinowy, schemat; strzałki wskazują obieg gazu chłodzącego

Tabele

Powiązane hasła

Przeglądaj encyklopedię
Przeglądaj tabele i zestawienia
Przeglądaj ilustracje i multimedia