Poteško

e klasi - Povijest fizike

Poteško
e klasi
ne fizike. Maxwellovom teorijom klasi
na je fizika dosegla svoj vrhunac. Povezana su i neka dotad razli
ita podru
ja fizike: optika, elektricitet i magnetizam. S druge strane, atomi i molekule smatrani su temeljnim dijelovima tvari. Toplina se o
ituje u njihovom gibanju. Zvuk je val, a isto tako i svjetlost. Izgledalo je da se sva podru
ja fizike mogu objasniti mehani
ki na temelju nekih jedinstvenih na
ela. Kraj XIX. st. pokazao je da to nije tako.
Tome su prethodili neki drugi događaji. Tijekom XIX. st. znanstvenici su se
udili kako voda u kojoj je rastopljena npr. sol vodi elektri
nu struju. Godine 1884. Svante Arrhenius (1859. 1927.) pretpostavio je da postoje nabijeni atomi koje je nazvao ionima. Oni su po njegovom mišljenju uzrok vodljivosti. Međutim, ako postoji nabijeni atom, onda on može imati nešto više ili nešto manje tvari od neutralnog atoma, a to se protivi pojmu atoma.
Da se riješio taj problem, pomogli su neki drugi pokusi. Otkri
e Geisslerovih cijevi postavilo je pitanje što je elektri
na struja. William Crookes (1832. 1919.) otkrio je da iz katode izlaze neke
estice negativno nabijene, a te je 1891. g. G. J. Stoney nazvao elektronima. Joseph John Thomson (1856. 1940.) zaklju
io je da su katodne zrake elektroni, koji su zajedni
ki svim tvarima. Arrheniusovi zaklju
ci o ionima upu
ivali su na to da ti elektroni moraju biti sastavni dio atoma. Da bi atom bio neutralan treba postojati njegov dio koji je pozitivno nabijen. Thomson je najprije mislio da je to pozitivno nabijeni fluid u koji su usađeni elektroni. Oscilacije tih elektrona oko ravnotežnih položaja proizvode elektromagnetske valove. Na taj na
in je bilo mogu
e oscilacijom elektrona u atomu objasniti mnoge pojave koje su slijedile iz Maxwellove teorije. S druge strane, postalo je jasno da se elektri
na struja sastoji od elektrona, a ne od elektri
nog fluida. Tako je, kona
no, priroda elektriciteta i struktura tvari bila međ usobno povezana. Pored tog modela, Thomson je dao i model atoma u kojemu se elektroni gibaju. Pretpostavio je da se elektroni gibaju oko pozitivno nabijene jezgre. Za tu pretpostavku on primijenio je Boškovi
evu teoriju, po kojoj se
estice mogu gibati samo po nekim krivuljama oko drugih. Planetarni model strukture atoma eksperimentalno je potvrdio Ernest Rutherford (1871. 1937.). Opravdanje uvođenja mogu
ih staza elektrona dao je Niels Bohr (1885. 1962.) . On je postulirao da sustav jezgra-elektron normalno ne zra
i energiju. Elektron prelazi s vanjske staze više energije na unutarnju stazu niže energije, pri
emu se višak energije emitira kao kvant elektromagnetskog zra
enja .
12
POVIJEST FIZIKE
Stefan-Boltzmannov zakon i Wienov zakon za zra
enje užarenog tijela pronađeni krajem XIX. st. potvrđivali su Maxwellovu teoriju. Ali, usprkos tome, nije bilo mogu
e teorijsk izvesti oblik krivulje koja bi prikazivala ovisnost emitirane energije i valnih duljina o svakoj pojedinoj temperaturi. Max Planck (1858. 1947.) uvjerio se da zra
enje svjetlosti potje
e od submikroskopskih elektri
nih oscilatora, a nakon Thomsonovih pokusa bilo je jasno da takve oscilacije proizvode upravo elektroni. Da bi izveo relaciju koja daje raspored emitirane energije po valnim duljinama, Planck je pretpostavio da svaki oscilator može imati samo neku definiranu energiju i da zra
i samo onda kad on mijenja jednu dopustivu energetsku vrijednost, u drugu manju.
Time je odstupio od na
ela klasi
ne fizike. U po
etku, Planck nije mogao opravdati svoju teoriju, ali je ve
1905. g. Albert Einstein pokazao da se kvantna pretpostavka mora primijeniti pri objašnjenju fotoefekta. Novi pokusi potvrđivali su sve više Planckovu pretpostavku, pa je time bio otvoren put kvantnoj fizici.
Još je Newton pokušao eksperimentalno dokazati postojanje apsolutnog prostora. U XIX. st. znanstvenici su pokušali identificirati apsolutni prostor s eterom i dokazati njegovo postojanje. Albert Abraham Michelson (1852. 1931.) i Edward Williams Morley
(1838...1923) pokušali su to eksperimentalno dokazati, ali njihov pokus nije dokazao postojanje etera. To je navelo Alberta Einsteina da odbaci pojam etera i da postulira da u svim sustavima koji miruju ili se konstantnom brzinom gibaju vrijede isti fizikalni zakoni, i da je brzina svjetlosti u svim takvim sustavima jednaka.
To je zahtijevalo reviziju klasi
ne fizike i uvedena je nova teorija relativnosti.
Problem zra
enja užarenih tijela i Michelson-Morleyev pokus prodrmali su klasi
nu fiziku i ozna
ili njezinu krizu. Otkri
e elektrona i jezgre atoma (v. Atomska jezgra, TE 1, str. 479 i Subatomske
estice), kao i otkri
e radioaktivnosti potakli su snažan razvoj nuklearne fizike (v. Nuklearna fizika), tako da posljednjih nekoliko desetaka godina u fizici zapravo dominira nuklearna fizika u kojoj su u
injena najvažnija otkri
a i kroz koju su se otvorili najvažniji novi pogledi na materijalnu stvarnost. Ali razvoj fizike u tom razdoblju dio je naših današnjih pogleda u fizici.
0.4 SUVREMENA FIZIKA
Zna
ajke suvremene fizike su sve op
enitiji pogled na prirodu i tuma
enje niza pojava na osnovi nekoliko vrlo op
enitih principa, te sve ve
e udaljavanje od priproste intuitivne predodžbe o svijetu.
Po
etkom XX. stolje
a usporedno se razvijaju teorija relativnosti i kvantna fizika, jedna kao kona
na razrada Maxwellove elektrodinamike, a druga kao posljedica nastojanja da se klasi
na mehanika i elektrodinamika prošire na opisivanje atomske građe tvari.
13
FIZIKA – ODABRANA POGLAVLJA
Slika 0.3 Shematski prikaz međusobnog utjecaja fizikalnih teorija te njihov utjecaj na glavna podru
ja primjene
Transformacijska invarijantnost. U svojoj sintezi, još u renesansi zapo
ete revolucije u znanosti, I. Newton je naglasio zna
enje kvantitativnih mjerenja, spoznavanja zašto se stvari događaju kroz opis kako se one događaju, odbacuju
i aristotelovske moralno-eti
ke antropomorfne atribute kao irelevantne za tvarni svijet. U novom gledanju, koje je u povijesti ljudskog umnog razvoja isto toliko važno kao i starogr
ki skok od empiri
ke geometrije starih Egip
ana i Babilonaca do logi
ki sazdane euklidske matemati
ke zgrade, važni su analiti
ki geometrijski koordinatni sustavi (R. Descartes, 1637.). Objektivne prirodne pojave ne mogu ovisiti o samovoljno odabranom koordinatnom sustavu za njihovo matemati
ko opisivanje. U suvremenoj su teorijskoj fizici prou
avanja ponašanja teorijskih izraza pri promjenama koordinatnih sustava, tzv. transformacijska invarijantnost, neobi
no važne. Te invarijantnosti mogu se povezati sa sa
uvanjem fizikalnih veli
ina (E. Nother, 1918.). Tako, npr., invarijantnosti pri translaciji sustava, tj. sloboda u izboru po
etka koordinatnih osi, zna
i u
etverodimenzionalnom vremenu-prostoru sa
uvanje energije i impulsa. Ta fizikalna relativnost izbora koordinatnog sustava dala je ime teoriji relativnosti. Još krajem XIX. stolje
a spoznato je da Maxwellove jednadžbe. mijenjaju svoj oblik pri jednolikom gibanju koordinatnog sustava ako se pri tome vrijeme smatra apsolutnim i nepromjenljivim. Newtonove jednadžbe su s obzirom na takve transformacije nepromjenljive. Međutim, sva nastojanja da se djelovanje promjena u elektrodinami
kim sustavima zbog jednolikoga gibanja izmjere (najosjetljiviji tadanji pokus bio je ve
spomenuti Michelson -Morleyev pokus) bila su bezuspješna. Prou
avaju
i sustave u gibanju, H. A. Lorentz je 1899. i 1903. godine ustanovio da Maxwellove jednadžbe ostaju nepromijenjene uvede li se transformacija vremena, koja vodi na neko drugo vrijeme koje je Lorentz nazvao lokalnim vrijemenom. Te Lorentzove transformacije,
ije je potpuno fizikalno zna
enje spoznao nešto kasnije A. Einstein, važna su sastojina moderne fizike. Maxwellova teorija izvanredno je empiri
ki opravdana, u njoj je sadržano stoljetno iskustvo o elektromagnetizmu i sastavni je dio naše tehnologije i industrijskih primjena. Isto, naravno, vrijedi i za zakone klasi
ne mehanike. Bilo je zbog toga vrlo neobi
no kada se krajem prošlog i po
etkom ovog stolje
a
inilo da su elektromagnetski i svjetlosni fenomeni u suprotnosti s mehani
kim zakonima. Poznati
14
POVIJEST FIZIKE
matemati
ar H. Poincare posumnjao je u valjanost klasi
ne mehanike (1904.), nagađaju
i da
e se razviti nova vrsta dinamike kod koje
e najve
a mogu
a brzina biti brzina svjetlosti. U svom fundamentalnom radu (1905.) A. Einstein je analizirao pojam istodobnosti koji je bitan za mjerenje vremena. Pokazao je da se istodobnost može ustanoviti samo slanjem signala izme đu opaža
a, te da ovisi o najbržem mogu
em posredniku, a to je svjetlost. Uzme li se da je brzina svjetlosti u svim koordinatnim sustavima jednaka, dobiju se za prijelaz od sustava na sustav Lorentzove transformacije. Time su protuma
eni negativni rezultati Michelson-Morleyevog i drugih sli
nih pokusa. Pojava dužinske kontrakcije (G. F. Fitzgerald, 1892.) i dilatacije vremenskog razmaka (Larmor, 1900.), koje su stariji istraživa
i pripisivali elektromagnetskim pojavama u tvari, posljedica su na
ina mjerenja, koje je određeno fizikalnim silama i zakonima. Newtonovske jednadžbe mehanike moraju se modificirati, no odstupanja od klasi
ne fizike postaju zna
ajna tek pri vrlo velikim brzinama, bližim brzini svjetlosti. Kako se elektromagnetske pojave odvijaju brzinom svjetlosti, u Maxwellovim jednadžbama mjerenje vremena je i nesvjesno bilo uklju
eno na relativisti
ki na
in i te jednadžbe su relativisti
ke. Modifikacije mehanike nevažne su u svakidašnjem životu, no one postaju važne ve
pri konstrukciji elektroni
kih uređaja. Ve
je 1901. W. Kaufmann primijetio da se gibanje vrlo brzih elektrona može opisati klasi
nom mehanikom samo ako se dopusti porast mase s brzinom. Specijalna teorija relativnosti, sinteza klasi
ne mehanike i elektrodinamike, bez poteško
a opisuje sve takve pojave. Njena valjanost je dokazana i svakodnevno se dokazuje u tvornicama i laboratorijima diljem svijeta. Rad velikih i mo
nih akceleratora elementarnih
estica i pojave koje se s njima prou
avaju u potpunom su skladu s teorijom relativnosti i mogu se samo kroz nju sustavno spoznati. Poznato je npr. da brze nestabilne
estice postoje (“žive”) duže od jednakih mirnih
estica, kako to i traži relativisti
ka dilatacija vremena. (B. Rossi i D. B. Hall, 1941.). Prema jednoj procjeni 1963. je u SAD-u valjanost euklidske geometrije na kojoj se osniva klasi
na mehanika ispitana pri geodetskim mjerenjima bar 840.000 puta s to
noš
u od barema 10-5. Istovremeno je pri radu akceleratora elementarnih
estica ispravnost Lorentzovih transformacija, koje su osnova teorije relativnosti, dokazana barem milijun puta s jednakom ili ve
om to
noš
u. Danas se više i ne govori o specijalnoj teoriji relativnosti kao o posebnoj fizikalnoj teoriji. Zahtjev relativisti
ke invarijantnosti, tj. nepromjenljivosti teorije prema Lorentzovim transformacijama, ugrađen je u sve fizikalne teorije, pa i u kvantnu mehaniku.
KVANTNA MEHANIKA . Ta se disciplina razvila u nešto više od jednog desetlje
a nakon Bohrovog izvoda vrijednosti Rydbergove konstante (J. R. Rydberg, 1890., N. Bohr, 1913.) i tuma
enja Balmerove serije (J. J. Balmer, 1885.) atomskih spektara. Važne doprinose Bohrovoj teoriji dao je A. J. W. Sommerfeld (1915.), koji je pokazao kako se ona može poop
iti na slu
aj elipti
kih staza elektrona, te protuma
io hiperfinu strukturu spektralnih linija kao relativisti
ku pojavu.
Prou
avaju
i srazove elektrona i atoma, J. Frank i G. Hertz su 1914. pokazali da se i pri tom procesu predaja energije zbiva u skokovima. Niz pojava u vezi s atomima, njihovim spektrima i drugim svojstvima, po
elo se kvalitativno, a ponekad i kvantitativno razumijevati. No tuma
enje fine strukture spektara alkalijskih metala ili Zeemanovog efekta nije bilo mogu
e u okvirima jednostavne Bohrove teorije. Zeemanova pojava (P. Zeeman, 1896.), da se pri zra
enju atoma u snažnom magnetskom polju spektralne linije dijele, bila je važan korak, uz Rutherfordov rad, za shva
anje da i atomi imaju neku
15
FIZIKA – ODABRANA POGLAVLJA
strukturu (H. A. Lorentz, 1897.). Klju
za tuma
enje rezultat je opažanja da se rojevi atoma pri prijelazu kroz nehomogeno magnetsko polje dijele u nekoliko komponenata. Moralo se zaklju
iti da elektron nosi svoj vlastiti impulsni moment, tzv. spin (G. F. Uhlenbeck i S. Goudsmit, 1925.), koji bi u naivnoj slici sli
noj planetarnom sustavu bio analogan okretanju planeta oko vlastite osi. Spin je pomogao W. Pauliju (1924.) pri formulaciji znamenitog principa isklju
enja, koji kaže da u atomu niti dva elektrona ne mogu biti u istom kvantnom stanju. Na osnovi principa isklju
enja, elektroni postupno pune atomske staze, tako da u svakoj može biti određen broj, pa se jedino tako mogu shvatiti atomski spektri i periodni sustav elemenata . Pri prou
avanju nakupina
estica ili atoma metodama statisti
ke fizike primije
eno je da postoje dvije statistike: za
estice s polovi
nim spinovima, kao što je elektron, vrijedi princip isklju
enja (E. Fermi, 1926.), dok za
estice s cijelim spinovima ne vrijedi (S. N. Bose, 1924., A. Einstein, 1924.). Do sredine dvadesetih godina razvijena stara kvantna teorija bila je još puna formalnih proturje
nosti i nekonzistentnosti. U njoj su na klasi
nu elektrodinamiku i mehaniku bili nadodani kvantni postulati, što se opravdalo empiri
kim uspjehom. No, dok je tu predviđanje rasporeda spektralnih linija po frekvencijama bilo izvrsno, teorija je tek s velikim poteško
ama mogla nagađati o jakosti ili intenzitetu dane spektralne linije. Valna svojstva svjetlosti, ogib i interferencija nisu se mogli povezati sa svjetlosnim
esticama, fotonima, koji se gibaju prostorom kao puš
ana tanad, što je slijedilo iz Einsteinovog opisivanja fotoefekta. Izu
avaju
i sudare fotona i elektrona A. H. Compton (1923.) našao je zakone sli
ne sudarima materijalnih objekata. Budu
i da se radilo o velikim brzinama, pri prora
unu je upotrijebljena relativisti
ka formulacija mehanike, a svjetlost je shva
ena kao roj fotona.
Valovi materije. Daljnji razvoj kvantne teorije u
inio je taj dualizam val-
estica manje zabrinjavaju
im. Potaknuti L. de Broglievim spekulacijama (1923.) o valovima materije , više je fizi
ara pokazalo (W. Elsasser 1925.; C. J. Davisson i C. H. Kunsman 1925.; C. J. Davisson i L. H. Germer 1927.; G. P. Thomson 1927.) da se elektron pri raspršenju na vrlo finoj kristalnoj rešetki giba baš kao i svjetlost. W. Heisenberg je 1925. u nastojanju da opiše atomske spektre, upotrebljavaju
i samo fizikalno mjerljive amplitude povezane s jakoš
u spektralnih linija, postavio algebarski sustav jednadžbi. Ta teorija, razrađena kasnije (M. Born, W. Heisenberg i P. Jordan 1926.; P. A. Dirac 1925.) u kvantnu mehaniku (temeljenu na formalizmu nekomutativnih operatora) mogla je na matemati
ki konzistentan i fizikalno potpun na
in opisati kvantne fenomene. Ubrzo poslije toga, F. Schrodinger je (1935.), nadovezuju
i se na de Broglieve ideje i na sli
nost između klasi
ne mehanike i geometrijske optike (W. R. Hamilton, 1934.), konstruirao svoju valnu mehaniku u analogiji s valnom teorijom svjetlosti. Schrodinger je uskoro pokazao matemati
ku ekvivalentnost između svoje valne mehanike i Heisenbergove kvantne mehanike. Danas se govori o kvantnoj mehanici prema Schrodingerovom ili prema Heisenbergovom prikazu, te je svaki od njih pogodan za određene primjene. Nerelativisti
ka verzija kvantne mehanike bila je bitna pri otkrivanju poluvodi
a i izuma lasera, te polako ve
ulazi u tehni
ke primjene. Dopunjena spoznajom o elektronskom spinu dovoljna je za potpuno shva
anje periodnog sustava elemenata i za opisivanje molekula i kemijskih reakcija. Njenim primjenama na sustave s više
estica razvile su se discipline: atomska fizika, fizika
vrstog stanja, molekularna fizika, kvantna kemija, nuklearna fizika i sl.
16
POVIJEST FIZIKE
Statisti
ka interpretacija kvantne mehanike. Prou
avanje strukture kvantne mehanike i njene fizikalne interpretacije veoma je izmijenilo je predodžbe o na
inu na koji se spoznaje materijalni svijet. Pokazalo se (M. Born, 1926.) da teorija daje samo statisti
ke informacije o vjerojatnosti zbivanja nekog događaja. Pri raspršenju elektrona na kristalnoj rešetki, teorija ne može predvidjeti ponašanje pojedinog elektrona, nego samo kaže kolika je vjerojatnost da se elektron negdje nađ e. Ponovi li se eksperiment za mnogo elektrona, statisti
ka distribucija odgovara ogibnoj valnoj slici, pa je tako problem dualizma val-
estica razriješen. Statisti
ka interpretacija kvantne mehanike bitno je razli
ita od klasič ne statistike, gdje je statisti
ko ponašanje posljedica toga što nema to
nih informacija o svakoj
estici u mnoštvu, iako se te informacije, u na
elu, mogu saznati. U kvantnoj se mehanici ne mogu u na
elu dobiti potpune informacije o danoj
estici, što je formulirano kroz znamenito na
elo neodređenosti (W. Heisenberg, 1927.). Impuls i položaj elektrona npr. ne mogu se istodobno po volji to
no izmjeriti. Ako je položaj apsolutno poznat, impuls je neodređen i obrnuto. Promatranje nekoga fizikalnog sustava zna
i međudjelovanje sustava s nekim mjernim instrumentom. Po predodžbama klasi
ne fizike, takvo se međudjelovanje zbiva kontinuirano. Može se, dakle, po volji smanjiti, toliko da postane nevažno. No, kod kvantne mehanike samo postojanje kvantnih skokova ograni
ava mogu
nost da se takvo me đudjelovanje potpuno reducira. Na
elo neodređenosti je mnogo puta eksperimentalno verificirano. Osobito je uvjerljivo mjerenje kod nuklearnih raspada, gdje se pokazuje da sve to
nije određenje poluživota dovodi do sve ve
e neto
nosti u određivanju energije emitiranog zra
enja. Napuštanje jednostavnog deterministi
kog shva
anja fizike protivi se, naravno, našem svakidašnjem iskustvu, zasnovanom na vizualnim i
ulnim opažanjima pojava pri kojima su kvantni fenomeni nevažni. Kod atomskih i subatomskih pojava radi se obi
no o obilju događaja, pa se ta to
nost statisti
kog predviđanja, kao npr. ogibne slike, može testirati izvanredno precizno,
esto mnogo to
nije od mjerenja karakteristi
nih za klasi
nu fiziku iz prošlog stolje
a. Mnogobrojna nastojanja da se ipak razvije deterministi
ka slika kvantnih pojava bila su do sada potpuno bezuspješna. To je 1959. potaklo D. Bohma i Y. Aharonova da na
ine pokus koji je pokazao da i elektromagnetski potencijal (dakle nefizikalna veli
ina u klasi
noj fizici koja poznaje samo polja) i u situaciji u kojoj je polje isklju
eno utje
e na ogib elektrona. To je sasvim u skladu s kvantnomehani
kim jednadžbama.
Stvaranje i nestajanje
estica. Iako vrlo uspješna i u sebi potpuno konzistentna teorija, kvantna mehanika, određena Heisenbergovim hamiltonijama i Schrodingerovom jednadžbom, ne opisuje sve prirodne fenomene. Ta formulacija nema relativisti
ku invarijantnost. U kvantnoj mehanici uzima se da je broj
estica konstantan pa nema mogu
nosti da se opiše
in spontane emisije svjetlosti, koji zna
i stvaranje nove
estice, fotona. Sli
nost s klasi
nom teorijom elektromagnetizma omogu
avala je da se emisija fotona prora
una, no to nije zadovoljavalo potrebu za jasno
om i skladnoš
u fizikalne teorije. Žele
i ukloniti tu nedore
enost i nepotpunost P. A. M. Dirac je, upotrebljavaju
i analogiju s harmoni
kim oscilatorom, kvantizirao elektromagnetske valove. Njegov je rad jedno od važnih znanstvenih dostignu
a u prošlom stolje
u, budu
i da se u njemu prvi put poslije tisu
a godina postojanja atomisti
kih teorija pojavljuje mogu
nost da je broj elementarnih djeli
a materije promjenljiv. Diracov rad nadovezuje se na dugi razvoj. Zapo
eo ga je J. W. Rayleigh 1900. kada je pri izvodu klasi
ne teorije užarenog tijela promatrao svjetlosne titraje u prostoru kao statisti
ki sustav harmoni
kih oscilatora. Ve
1906. je P. Ehrenfest predlagao da se Planckova kvantizacija oscilatora u tijelima koja zra
e proširi i na zamišljene oscilatore elektromagnetskog polja. To je omogu
ilo P.
17
FIZIKA – ODABRANA POGLAVLJA
Debyeu da 1910. izvede Planckov zakon zra
enja. No prava veza s Einsteinovim
esticama svjetlosti dugo nije bila shva
ena. Tek 1926. su M. Born, W. Heisenberg i P. Jordan uo
ili matemati
ku ekvivalentnost Debyevog pristupa s Einstein-Boseovom kvantnom statisti
kom teorijom plinova. Jer ako kvantizacija Rayleighovih oscilatora daje isti rezultat kao teorija koja opisuje mnoštvo
estica nekog plina, onda su ti kvantizirani valovi zapravo svjetlosne
estice. Diracova uspješna formulacija tih ideja još uvijek nije vodila na skladnu i simetri
nu teoriju međudjelovanja elektrona i fotona. Heisenbergova i Schrodingerova kvantna teorija odgovarala je zapravo nekvantiziranim Maxwellovim jednadžbama. Osim toga teorija fotona bila je, automatski, i relativisti
ki invarijantna.
Materija i antimaterija. Još je Schrodinger pokušao povezati
estice i valove na relativisti
ki na
in. Primjenjuju
i takvu teoriju na vodikov atom, primijetio je da se ne slaže s pokusima. Međutim, nerelativisti
ka aproksimacija, tj. znamenita Schrodingerova jednadžba, koju je posljednju objavio, bila je to
nija. Kasnije je i primije
eno da se relativisti
ka verzija teorije ne može interpretirati u smislu Bornovih vjerojatnosti. Razrješenje obaju problema poteklo je 1928. od P. A. M. Diraca, koji je u teoriju uveo spinore. Pokazalo se da postoji više relativisti
kih verzija Schrodingerove teorije te da prvotna Schrodingerova relativisti
ka jednadžba (poznata u fizici po kasnijim istraživa
ima kao Klein-Gordonova jednadžba) opisuje
estice bez spina. Elektroni,
estice spina ½, opisani su Diracovom jednadžbom, čija su rješenja u potpunom skladu s finom strukturom atomskih spektara. No uz ta rješenja Diracove jednadžbe pojavila su se rješenja koja bi formalno odgovarala
esticama negativnih energija, što je o
ito bilo besmisleno. Dirac je ta “suvišna” rješenja pokušao pripisati nekim novim
esticama razli
itim od elektrona. Znanstvenici su ubrzo spoznali da bi ta dodatna rješenja mogla odgovarati
estici pozitivne energije koja ima istu masu kao elektron, no suprotni elektri
ni naboj. Prou
avaju
i u Wilsonovoj komori (C. T. R. Wilson, 1897.) putanje
estica stvorenih kozmi
kim zra
enjem, C. D. Anderson otkriva 1932. pozitron ili pozitivni elektron, koji ima svojstva baš kao što ih je teorija i predvidjela. Andersonov pokus, pri kojem je visokoenergetski proton pogodio atomsku jezgru stvorivši par elektron-pozitron, rezultirao je i bitno novom spoznajom. Nisu samo fotoni
estice koje u prirodi mogu nastajati i nestajati, nego to vrijedi za kvante ostalih polja, tj. za elementarne
estice. U suvremenu teoriju polja pozitron je ugrađen potpuno simetri
no s elektronom (P. Jordan i E. Wigner, 1928.; W. Heisenberg i W. Pauli, 1929., E. Fermi, 1930.), on je njegova anti
estica. U teoriji polja i materija (
estica) i antimaterija (anti
estica) promatraju se na potpuno simetri
an na
in. O izboru je ovisno što
e se nazvati materijom, a što antimaterijom. U kvantnoj teoriji polja elektroni, fotoni i druge elementarne
estice opisuju se na ravnopravan na
in te u njoj više nema proturje
ja val-
estica. Tako je Diracovo otkri
e
estica i anti
estica potpuno izmijenilo pogled na fiziku. Do toga su doba elementarne
estice zamišljane u duhu anti
ke Demokritove filozofije kao najmanji djeli
i tvari koji se nikada ne promijene i nikada se ne mogu pretvoriti u nešto drugo. Starodrevni anti
ki problem dijeljenja materije osvijetljen je sada na nov na
in. Prirodi ne odgovara ni jedna od dviju naivnih logi
kih mogu
nosti: da se materija ili može beskona
no dijeliti u sve manje i manje djeli
e ili da se mora jednom do
i do najmanjih mogu
ih
estica. Relativisti
ka povezanost mase i energije (A. Einestein, 1906.) zna
i u teoriji polja mogu
nost stvaranja
estica iz energije. Foton dovoljno visoke energije može se u nedogled dijeliti u sve nove i nove parove
estica-anti
estica. Pljuskovi
estica zapaženi
|