POVIJEST FIZIKE - Povijest fizike

18
POVIJEST FIZIKE
najprije u kozmi
kom zra
enju stvaraju se i prou
avaju svakodnevno pri akceleratorskim eksperimentima.
Slika 0.4 Kvalitativno opisivanje obilja događaja, stvaranja, pretvorbi i međudjelovanja, koje se otkrilo u svijetu elementarnih
estica bio je potpun uspjeh kvantne teorije
Uspjesi i poteško
e suvremene fizike. Mnogi drugi uspjesi koji su slijedili nisu bili tako potpuni, ostavljaju
i ili neke nedore
enosti ili zahtijevaju
i uvođenje semiempiri
kih pretpostavki. Kvantna teorija, kao uostalom i sve teorije prije, nailazi na velike poteško
e pri opisivanju problema mnogih tijela. Oslanjaju
i prora
unske aproksimacije na eksperimentalne podatke, moglo se posti
i shva
anje supravodljivosti (H. Frohlich, 1950., J. Bardeen, L. N. Cooper i J. R. Schriffer, 1957.), suprafluidnosti (L. D. Landau, 1941.), razumjeti svojstva poluvodi
a i predvidjeti mogu
nost konstrukcije tranzistora (J. Bardeen i W. Shockley, 1946.). Shva
ena su mnoga svojstva strukture atomske jezgre (W. Heisenberg, 1932., N. Bohr, 1936.; M. G. Mayer, 1948., J. H. D. Jensen, 1949., A. Bohr iB. Mottelson, 1953.), iako su tu svi uspješni pristupi nužno poluempiri
ki zbog nedovoljnog poznavanja prave prirode nuklearnih sila. Poteško
e su povezane s još vrlo površnim razumijevanjem svijeta elementarnih
estica s jedne strane i sa stanjem u kvantnoj teoriji polja, s druge strane. U poratnim godinama završena je formulacija ra
una smetnje u kvantnoj elektrodinamici (R. P. Feynman, 1949., J. Schwinger, 1948., S. Tomonaga, 1948., F. Dyson, 1949.) . Nađena je mogu
nost uklanjanja beskona
nosti koje se pojavljuju pri prora
unima kroz postupak renormalizacije (H. A. Kramers, 1938.). Iako je mogu
e konstruirati formulaciju teorije u kojoj se beskona
nosti ne pojavljuju (tzv. postupak LZS), među znanstvenicima postoji
vrsto uvjerenje da još uvijek nije postignuto potpuno razumijevanje. Kvantna elektrodinamika uspjela je objasniti mala odstupanja u vodikovom spektru (W. E. Lamb i R. C. Retherford, 1947.; H. A. Bethe, 1948.) te anomalnu veli
inu magnetskog momenta elektrona (H. M. Foley i P. Kush, 1947., J. Schwinger, 1949.). Ni jedan od tih fenomena nije se mogao shvatiti u kvantnoj mehanici, gdje se ostalo na razini u kojoj nije u teoriju uklju
ena mogu
nost stvaranja i nestajanja
estica. U jeziku kvantne elektrodinamike fizikalni foton uklju
uje u sebi i bezbrojne virtualne parove elektron-pozitron, dok je elektron također okružen virtualnim fotonima i parovima, sve u neprekidnom međudjelovanju. Mnogobrojni pokusi
19
FIZIKA – ODABRANA POGLAVLJA
u kojima se prou
ava međudjelovanje elektrona i fotona nisu još otkrili nikakvo neslaganje s kvantno-elektrodinami
kim teoritskim opisom, iako je ve
postignuta to
nost od jedne desettisu
inke od 1%. To je dovelo do nastojanja da se ideje kvantne teorije polja primijene i na druge procese. Njena relativisti
ka verzija bila je bitna za razumijevanje ve
spomenutih mnogo
esti
nih fenomena. Važan sastojak današnje fizike su tzv. Feynmanovi dijagrami, slikoviti prikaz fizikalnih procesa u obliku simboli
kog crteža kojemu se po jednostavnim pravilima mogu pridruživati odgovaraju
i matemati
ki izrazi. Isto je tako koristan i pojam S -matrice (W. Heisenberg, 1943.). Ta formulacija teorije želi raditi samo s eksperimentalno mjerljivim veli
inama te se u njoj o
ituje uzro
na povezanost fizikalnih događaja. Kvantna teorija polja je jezik koji moderna znanost upotrebljava u opisivanju i prou
avanju elementarnih
estica. Ve
1935. je H. Yukawa zaklju
io da kratki doseg nuklearnih sila upozorava na postojanje nove elementarne
estice, piona (C. M. G. Lattes, H. Muirhead, G. P. S. Occhialini i C. F. Powell, 1947.), kojoj je mogao predvidjeti i masu. No, zamršeni nelinearni sustav operatorskih jednadžbi kvantne teorije polja dopušta aproksimativna rješenja samo za slu
aj dovoljno slabih međudjelovanja (elektrodinamika, slabe interakcije). Nesposobnost da se problem potpuno i dinami
ki riješi naglašava važnost prou
avanja simetrija međ u elementarnim
esticama. Otkri
e izotopnog spina (W. Heisenberg, 1932.), kvatnog broja stranosti (K. Nishijina, 1953M. Gell-M., ann, 1953.) i tzv. SU (3) simetrije (Y. Neeman 1961.; M. Gell-Mann 1961.) te izu
avanje op
ih zakona sa
uvanja fizikalnih veli
ina, omogu
ilo je da se teoritski unaprijed predvidi postojanje mnogih novih
estica. Sli
no je u prošlom stolje
u Mendeljejevljev periodni sustav elemenata upozorio na postojanje do tada nepoznatih elemenata. No, svijet elementarnih
estica još uvijek nije uhva
en u teoretske teme jer se neprestano otkrivaju nove neslu
ene čestice i nova neo
ekivana svojstva. Uz neo
uvanje pariteta (tj. slabo međudjelovanje je u prostoru orijentirano; T. D. Lee i C. N. Yang 1956.), otkrivena je i zagonetna vremenska neobrativost nekih slabih procesa (raspad K° mezona, 1964.). Uporaba sve mo
nijih i mo
nijih akceleratora zna
i promatranje tvari pod sve ve
im i ve
im pove
anjem (u Hamiltonovom smislu tu postoji potpuna analogija s opti
kim mikroskopom), u nadi da
e se otkriti nešto novo, kao što se to do sada i događalo. Ima znakova da i subatomske
estice, protoni, pokazuju neku strukturu kada se promatraju pod snopom elektrona vrlo visoke energije (kratka valna duljina, silno pove
anje), baš kao što je nekada i atom pokazao strukturu, kada ju je Rutherford “osvijetlio” snopom α-
estica. No poteško
e, nepotpunosti i nedore
enosti u razumijevanju prirode dopuštaju da se ozbiljno postavi pitanje nije li pragmati
na metoda (oslanjanje na po
etne, op
evrijedne zakonitosti) u fizici, kako ju je definitivno uobli
io Newton, istrajala svoj vijek? Pokušaji stvaranja jedinstvene osnovne teorije prirode (W. Heisenberg, 1954.) daleko su još od uspjeha. Gravitacija, koja je od osnovne važnosti u astronomskim i kozmi
kim razmjerima, zanemaruje se u atomskoj i subatomskoj fizici kao izvanredno slabo međudjelovanje. Postoje ipak zanimljiva dodirna podru
ja. Posljedica Einsteinovog principa ekvivalencije (A. Einstein 1907., 1911.), predviđena promjena valne duljine (energije) elektromagnetskog zra
enja u jakom gravitacijskom polju, testirana je i u laboratoriju na Zemlji. Mossbauerovo otkri
e (R. L. Mossbauer, 1957.) da foton emitiran jezgrom koji je dio
vrstog tijela ne gubi energiju zbog odboja, omogu
ava izvanredno precizno mjerenje energije elektromagnetskog zra
enja. Mogao se izmjeriti porast u energiji fotona koji pada u zemaljskom gravitacijskom polju (R. V. Pound i J. L. Snider, 1965.). Sinteza neeuklidske geometrije gravitacije u op
oj teoriji gravitacije (A. Einstein, 1913.) prisutna je kod mnogih spekulacija u suvremenoj astrofizici, kao što je na primjer nagađanje da bi
20
POVIJEST FIZIKE
neobi
ne pulsiraju
e zvijezde (“pulsars”, Sveu
ilište u Cambridgeu, 1967.) mogle biti još odavno predviđene neutronske zvijezde (L. D. Landau, 1934; T. Gold 1968.).
Slika 0.5 Snimke maglene komore koje pokazuju antihilaciju protona i anatiprotona u pione. Glavni događaj je u sredini slike. Antiproton upada odozgo i njegov je trag gotovo ravan. Pri antihilaciji je stvoreno osam piona. Jedan od njih, koji je gotovo suprotno usmjeren od upadnog antiprotona, raspada se na mion i neutrino. Mion se nadalje raspada na pozitron i dva neutrina. Trag miona je oštar za razliku od traga piona, a po
etak traga pozitrona se jasno vidi. Komora je smještena u magnetskom polju okomitom na ravninu slike. Tragovi negativnih
estica zakre
u se u smjeru kazaljke na satu, a tragovi pozitivnih
estica u obratnom smjeru. Sporije
estice ostavljaju guš
e, a brže isprekidane tragove
Tendencije razvoja. Suvremena fizika je daleko od sigurnosti tzv. klasi
ne fizike iz sedamdesetih godina devetnaestog stolje
a, kada se za jedan kratki trenutak
inilo da su gotovo ve
doku
ene i posljednje tajne svijeta. Obilje eksperimentalno-teorijskih spoznaja, od kojih su u ovom prikazu mogle samo neke biti ilustrativno navedene, pokazuje da se iako se dosta dobro razumije svijet atoma, u svijet još manjih dimenzija tek se zakora
ilo. Fizika u svom eksperimentalno-materijalisti
kom pristupu izu
avanja svijeta nije definicijsko u
enje. U njenoj se znanstvenoj metodi želi razumjeti i ustrojstvo i rad mehanizma svijeta, kako bi se on
ovje
jom voljom mogao iskoristiti i kako bi se moglo na njega utjecati. U tom smislu ova pustolovina ljudskog duha koja se naziva fizikom za
ela se još s prvom vatrom pra
ovjeka.
21
www.maturski.org
|