RASPINJANJE MUDROSTI

NEDOKUČIVI ELEKTRON

3.933 pregleda
Putujući oko jezgra (Kristijan Engvol)

Od dvadesetih godina prošlog veka do danas, jednom kada su naučnici zaključili da elektron ne može da emituje energiju jer nema odakle da je koristi, nisu se više vraćali na to, jer se smatra da je u vezi s tim sve već rešeno. Šta je Demokrit pre 2400 godina radio bez ikakve tehnologije i formalnog naučnog metoda sticanja novih znanja da bi došao do zaključaka o atomima?

Dejan Kovačević

Dejan Kovačević

Od grčkih filozofa do danas, pitanje postojanja, teoretskog postulisanja i eksperimentalne validacije ponašanja konstutivnih delova realnosti prirode dominira u istoriji filozofske i naučne misli. Demokrit je 400 godina pre nove ere smatrao da je priroda sazdana od najmanjih, elementarnih čestica koje su nedeljive i nazvao ih je atomima, po grčkoj reči atomos koja znači nedeljiv.

Atomsko jezgro i elektron koji bi pao u jezgro u slučaju da se upotrebljavaju Njutnovi zakoni

Atomsko jezgro i elektron koji bi pao u jezgro u slučaju da se upotrebljavaju Njutnovi zakoni

U vremenu kada se uspostavljao model atoma zaključkom da elektroni kruže oko atomskog jezgra pa nadalje, veliki problem je predstavljalo kružno kretanje elektrona oko jezgra atoma. Naime, ako bi se takav model postavio na klasičan Njutnov (Isak) način, elektron bi neminovno gubio energiju i morao bi da padne u atomsko jezgro.

Takav model bio bi održiv samo u slučaju da se dodaje energija elektronu koji kruži oko jezgra atoma. Međutim, elektron sam po sebi ne može da generiše energiju ni iz čega da bi se održavao na takvoj putanji, pa je takva hipoteza prirodno odbačena. Samim tim stvorena je konfuzija i, do neke mere, nepoverenje u upotrebljivost Njutnovih zakona na svim nivoima granularnosti prirode. Stoga su bila potrebna rešenja koja bi objasnila prirodu onakvu kakva ona jeste, a to je da elektron zaista kruži oko jezgra ali i da energija ne može da se generiše ni iz čega.

Elektronova putanja kretanja je po
Brolji–Bomovom modelu jasno
definisana, i elektron ima egzaktnu
poziciju u prostoru i vremenu.

Luj de Brolji je 1924. godine postavio postulat da elektron u isto vreme ima talasnu i česticnu prirodu, što je eksperimentalno potvrđeno 1927. Ervin Šredinger je na osnovu čestično-talasne prirode elektrona kreirao novi model 1925. koji je objavljen sledeće godine. Tako je nastala Šredingerova jednačina, predstavljajući ključnu matematičku formulaciju izuzetno uspešne i široko priznate i primenjene kvantne mehanike.

Dejvid Bom

Dejvid Bom

Dok je Šredinger radio na kvantnoj mehanici, Luj de Brolji je nastavio svoj rad i 1927. godine je objavio svoj model koji je nazvao pristup s „dva rešenja”. Kasnije je istu teoriju nadogradio Dejvid Bom 1952. Godine, na osnovu čega je njegova teorija nazvana Bomova mehanika ili Brolji-Bomova pilot-talasna teorija.

De Broljijeva teorija i Bomova mehanika se zasnivaju na tome da ceo sistem interakcija na kvantnom nivou nije modeliran samo jednom talasnom funkcijom kao u slučaju Šredingerove jednačine. Oni su svojim teorijama ustanovili takav model da jedna talasna funkcija modelira talase, a da druga funkcija objašnjava česticu kao elektron koja ima interakciju sa talasima oko sebe. Kao rezultat interakcije talasa i elektrona, elektronova putanja kretanja je takvom interakcijom po Brolji–Bomovom modelu jasno definisana, i elektron ima egzaktnu poziciju u prostoru i vremenu.

Po Brolji–Bomovom modelu, talasi guraju elektron, slično lopti na površini mora na koju utiču talasi vode. Takva interpretacija ima potporu u Njutnovoj mehanici. Međutim, po tom modelu nije postojalo jasno objašnjenje šta u stvari predstavlja taj talas, osim elektrona, i kakvo je uopšte poreklo i izvor takvog talasa, odnosno takozvanog kvantnog potencijala.

Ilustracija kvantnog potencijala na osnovu Bomove mehanike u kontekstu

Ilustracija kvantnog potencijala na osnovu Bomove mehanike u kontekstu

Pošto niko nije znao odgovore na ta pitanja, a Šredignerov model je tačno objašnjavao kako će sistem da se ponaša, De Broljijev model je odbačen i usvojen je Šredingerov model koji daje tačne rezultate na osnovu verovatnoća ishoda ponašanja celog sistema, ne ulazeći u detalje funkcionisanja na finijem nivou prostorne granularnosti. Takođe, bez objašnjenja odakle energija elektronu da se održava na energetskim nivoima oko atomskog jezgra, usvojen je De Broljijev talasni model, što je bilo zadovoljavajuće.

Nezadovoljni Ajnštajn

Usled mnogih međusobno različitih tumačenja, naučnici su diskutovali i razmenjivali svoja mišljenja na brojnim konferencijama. Nakon dugih i iscrpljujućih diskusija i dopiski, ustanovljena je interpretacija kvantne mehanike, nazvana kopenhagenska interpretacija, koja je i danas na snazi. Zaključci nisu bili zadovoljavajući za sve usled vrlo neintuitivnih objašnjenja i, na određeni način, osporavanjem univerzalne primenljivosti Njutnovih zakona koji su smatrani neprimenjljivim u kvantnoj mehanici. Osim toga, Brolji-Bomova teorija je marginalizovana i decenijama je ostala u senci i van univerzitetskih programa do dan danas. Tek nedavno je počela da privlači više pažnje.

Albert Ajnštajn bio je duboko nezadovoljan kopenhagenskom interpretacijom, ne nalazeći u tome ikakvog intuitivnog smisla. Imao je brojne debate s Nils

Nils Bor i Albert Ajnštajn diskututuju kvantnu mehaniku

Nils Bor i Albert Ajnštajn diskututuju kvantnu mehaniku

om Borom, tokom kojih je svako od njih dvojice pokušavao da ilustruje scenario ili mišljenje sa ciljem ukazivanja nelogičnosti kod sagovornika.

U jednoj od takvih prilika Ajnštajn, nezadovoljan interpretacijom koja fizičke procese i zakone opisane u kvantnoj mehanici zasniva na slučajnostima kojima se ne zna povod, rekao je Boru da Bog ne baca kockice za jamb da bi time rukovodio sudbinu Univerzuma, na šta mu je oavj odgovorio: „A ko si ti da kažes Bogu šta da radi?” Ta diskusija jako dobro ilustruje dubinu podela u mišljenjima i odsustvu intuicije u fizici koja objašnjava kvantni svet, što je ostalo do današnjeg dana. U dugom nizu od gotovo sto godina problemi nisu rešeni.

Iz tog razloga i nemajući načina da se
stvari drugačije reše matematički, čestice
koje prenose silu proglašene su virtuelnim.

Jedan od najčuvenijih i najzasluznijih fizičara modernog doba, Ričard Fejnman, rekao je da smatra da sigurno može da kaže da niko zaista ne razume kvantnu mehaniku, misleći pri tom i na sebe. Iz razloga odsustva intuitivnog razumevanja, profesori univerziteta širom sveta predaju studentima kvantnu mehaniku napominjući da studenti i ne pokušavaju da je suštinski razumeju, jer u tome neće biti uspešni.

Kvantna mehanika se danas objašnjava kao pouzdan matematički alat koji odgovara eksperimentalno potvrđenim rezultatima. Na taj način su mnoge generacije obučene kako da koriste kvantnu mehaniku kao alat, bez potrebe da se ulaze u dublje intuitivne analize jer one nemaju smisla, preusmeravajući žar želje za otkrivanjem novih saznanja na drugu stranu.

Ričard Fejnman je, između ostalog, poznat po tome što je uspostavio široko primenjenu grafičku reprezentaciju interakcija subatomskih čestica, koje se nazivaju Fejnmanovi dijagrami. Problem održanja energije se i u tom kontekstu nametao, što je dotični nobelovac u svojoj grafičkoj reprezentaciji morao da reši.

Marginalizovani Njutn

Fizika je dospela dotle da su ustanovljene teorije kvantne mehanike, specijalne i generalne relativnosti takve da svaka za sebe jako uspešno modelira deo procesa u prirodi, ali su sve odstupile od korišćenja Njutnove mehanike, zbog čega je ona u dobroj meri marginalizovana. Iako su pomenute teorije dokazane, do sada nije nađen način da se primene u zajedničkom kontekstu jedinstvene teorije koja ih uspešno objedinjava.

Svakodnevno smo svedoci realnosti da naš Univerzum, zajedno sa kvantnim svetom koji ga sačinjava postoji, bez obzira na granice po kojima se teorije što ga opisuju međusobno razgraničavaju. Objedinjenje teorija na makroskopskom i kvantnom nivou ostaje do sada najveća nerešena misterija nauke.

Da li bi idejni tvorci modela atoma
i kvantne mehanike pre sto godina
uzeli u obzir postojanje Higsovog
polja da su znali da ono postoji kao
potencijalni izvor energije?

Od dvadesetih godina prošlog veka do danas, jednom kada su naučnici zaključili da elektron ne može da emituje energiju jer nema odakle da je koristi, nisu se više vraćali na to, jer se smatra da je u vezi s tim sve već rešeno. Gotovo sto godina nakon burnih rasprava koje su kulminirale uspostavljanjem kvantne mehanike, danas se pitamo da li sebi možemo dopustiti intelektualnu slobodu preispitivanja istorijski postavljanih pitanja u kontekstu najnovijih naučnih saznanja, u vreme postavljanja pitanja nedostupnih?

Ilustracija interakcije masivne čestice sa Higsovim poljem

Ilustracija interakcije masivne čestice sa Higsovim poljem

Četvrtog jula 2012. godine objavljeno je da su ATLAS i CMS eksperimenti u CERN-u nezavisno potvrdili postojanje čestice sa masom blizu 126 GeV (giga elektronvolti), što je u potpunosti konzistentno sa očekivanjima vezanim za takozvani Higsov bozon. Takav eksperimentalni rezultat je od izuzetnog značaja, jer potvrđuje postojanje energetskog Higsovog polja što prožima ceo prostor Univerzuma, za koje se nije ni pretpostavljalo da postoji u godinama kada se uspostavljao teoretski model atoma.

Zato se, možda, s pravom možemo upitati. Da li bi idejni tvorci modela atoma i kvantne mehanike pre sto godina uzeli u obzir postojanje Higsovog polja da su znali da ono postoji kao potencijalni izvor energije, koji bi elektron mogao da koristi, da bi rešili neka od otvorenih pitanja u kvantnoj mehanici? Sadašnje stanje stvari i razumevanje nam možda pruža novu šansu da preispitamo poglede na realnost prirode, koji uključuju postojanje Higsovog polja, i da preispitamo neke od pretpostavki i izvedenih zaključaka napravljenih u odsustvu ovog saznanja pre sto godina. Ukoliko bi takvo preispitivanje dalo nove odgovore, oni bi mogli da se pokažu kao ključni za napredak razumevanja prirode i njenog matematičkog modeliranja zakonima fizike, koji nas mogu dovesti korak bliže razumevanju objedinjavanja zakone fizike, uključujući genaralnu relativnost i kvantnu mehaniku.

U pogledu na prošlost nameće se pitanje: Šta je Demokrit pre 2400 godina radio bez ikakve tehnologije i formalnog naučnog metoda sticanja novih znanja da bi došao do zaključaka o atomima? Demokrit je zasigurno koristio svoju imaginaciju i sledio nit misli podržanih logikom. Da li mi danas možemo dozvoliti sebi da učinimo isto, počevši od ogromnog znanja kome svako od nas ima pristup u celosti, bilo kada i bilo gde, i da eksperimentalno dokažemo nove hipoteze koje bi induktivnom metodom, imaginacijom i logičkom misli uspostavili?

Jedno je sigurno, kao i u prošlosti, pre ili kasnije, priroda će naći načina da se ispolji onakvom kakva zaista jeste, uključujući nova saznanja o sebi samoj kroz nas, kao njenom sastavnom i neodvojivom delu.

O autoru

Stanko Stojiljković

3 komentara

  • Ovde se uzima u obzir problem elektrona u orbiti atoma na primer vodonika.
    Problem elektrona u provodniku ima sasvim drugu prirodu kretanja i on gubi energiju u interakciji da fononima i ostakim ‘preprekama’ u provodniku.
    No vratimo se elektronu u atomu Vodonika tu je kvantna mehanika gotivo sve rekla.
    Elaktron nije kuglca nego talasni paketić energije. Elaktron ima talasnu prirodu. Elektron u atimu se nalazi u stabilnoj orbiti i on je jedan vid konzervativnog sisrema jer na gubi energiju. Elektronova zatvorena putanja je omeđena tamnim liniojama (vakuumom) i kad elektron ‘preskoči’ na veći nivo, to je zaključak racionalne misli a ne stvarnoti. Paketić energije nazvan elektron ponire u more vakuuma, ili slikovitije rečeno gutaju ga tamni prstenovi. Ovde nema nikakvog fizičkog premeštanja instrument odnosno posmatrač samo registruje postojanje porenećaja. Normalno kvanta količina progutane energije je adekvatna novinastaloj energiji koja je izronila na nekom mestu iz mora vakuuma, po zakonu o održanju količane energije. Jer je i sam Univerzum konzervativan sistem.
    O tome više u narednim mojim člancima.

  • @NEDOKUČIVI ELEKTRON
    Zašto bi elektron bio nedokuciv?
    Doduše kada bi tražili elektron u pojavnom obliku klikera nikada ga ne bi našli.
    Vi govoreite o elektronu u ljusci jezgra atoma i pitate se kako on ne gubi energiju. Duboko pitanje. klasična mehanika to ne dopušta. Kvantna mehanika to dobro tumači i tu se slažemo. Međutim taj paradoks je protivan racionalnom umu. Izgleda nemoguće.
    Dakle elektron u stabilnoj zoni atoma stvarno ne gubi energiju. Zato što je ekektron u sveri jezvra atoma na primer vodonika kozervativan paketić kvanta energije koja je stabilna jer geometrija njene putane nije disipativne prirode. Ona je jednostavno ograničena sa dve tamne linije koje su vakuum granice i energiju kvanta elektrona u atomu drže u stabilnoj ravnoteži. E kad elektron kolabrira on se utopi u vakuim meore energje ili jkažemo tamni materiju. Koju mi označavamo nulom 0. I ne možemo je nikad registrovati instrumentom jer nemamo odgovor na naše, recimo merne fotonske signale. Važno je i ovo reći, elektron u atomu kad prelazi iz jene zone u drugu on se ne ponaša kao metak kad probija prepreku. Koju u kvantnoj mehnici nazivamo tunel efektom. On jednostavno nestaje u tamnoj zoni vakuuma. Da be se sa druge strane vakuum barijere pojavio isti takav paketić kvanta talasne energije iz vakuuma. Dakla ovde nema kretanja, postoji samo rezultat promene.
    Žurim pa možda i nisam baš jasan ali to je uglavnom suština paradoksa elektrona.
    To je i Ajnštajna čudilo.
    Potrudiću se da u narednom mojim tekstovima to podrobnije. Pojasnim.
    Drugu slučaj elektrona je elektron u provodniku. On je isto talasni paketić kvanta energije ali slobodan. On ne putije pravolinijski. On krivuda, sudara se sa dugum poljima, sa fotinima i tako gubi energiju. Znači da elektron u provodniku neje kao u atomu vodonika konzervativan. Zato se kabl od struje graje jer elektroni u kablu gibe energiju koja stavre veće vibracije rešetke i nagomilava energiju fotina.

    • Priroda i elektron kao njen sastavni deo, uspešno funkcioniše onako kakva ona jeste bez obzira na načine kako mi mislimo da je matematički opišemo i kao takva je postojala jako dugo pre nego što smo mi evoluirali da je interpretiramo i modeliramo. Paradoksi su rezultat sadašnjeg stanja našeg razumevanja i interpretacije procesa u prirodi. Stoga trebamo tražiti uzroke paradoksa i menjati naše razumevanje na načine koji paradokse eliminišu, čuvajući pri tome integritet eksperimentalne validacije i otvoren um za korake van granica sadašnjeg znanja.

Ostavite komentar