evolutia ideilor in mecanica cuantica
La sfârşitul secolului al XIX-lea, fizica clasică oferea imaginea unitară a unui Univers alcătuit din materie şi radiaţie. Existau o teorie corpusculară a materiei şi o teorie ondulatorie a radiaţiei, capabile să descrie în mod coerent, pe baza unor principii generale, cele două categorii de fenomene. Dificultăţile pe care le-au întâmpinat aceste teorii în interpretarea interacţiunii dintre materie şi radiaţie au stimulat dezvoltarea ideilor care, treptat, au dus la formularea mecanicii cuantice şi apoi a electrodinamicii cuantice.
Teoria cuantică veche
În teoria radiaţiei electromagnetice în echilibru termodinamic cu materia, distribuţia spectrală a intensităţii radiaţiei emise de un corp negru se afla în violent dezacord cu experienţa. Planck (1900) a arătat că dificultatea putea fi ocolită pe baza ipotezei că schimbul de energie între materie şi radiaţie nu se face în mod continuu, ci în cantităţi discrete şi indivizibile, pe care le-a numit cuante de energie (în latină quantum = câtime, cantitate). Einstein (1905) a dus ideea un pas mai departe, postulând că un fascicul luminos constă dintr-un jet de particule (numite apoi fotoni), care reprezintă cuante de energie; pe această bază el a elaborat o teorie cantitativă a efectului fotoelectric, pe care teoria ondulatorie fusese incapabilă să-l explice. O confirmare ulterioară a teoriei fotonului în detrimentul teoriei ondulatorii a venit de la efectul Compton (1924). Analiza experimentelor de interferenţă şi difracţie arată că lumina se propagă sub formă de unde; aspectul corpuscular se manifestă însă în procesul emisiei sau absorbţiei luminii de către materie. Acest caracter dual — corpuscular şi ondulatoriu — al radiaţiei este incompatibil cu fizica clasică.
În teoria corpusculară a materiei, descoperirea electronului în razele catodice de către J.J. Thomson (1897) şi cercetările asupra împrăştierii razelor alfa efectuate de Rutherford l-au condus pe acesta din urmă la elaborarea unui model al atomului (1911), constituit dintr-un nucleu de mici dimensiuni cu sarcină electrică pozitivă, în jurul căruia gravitează un număr de electroni. Însă atomul lui Rutherford nu putea explica stabilitatea atomilor: electronii în mişcare accelerată, potrivit legilor electrodinamicii a lui Maxwell, trebuia să piardă energie prin radiaţie şi să sfârşească prin a cădea pe nucleu. De asemenea, radiaţia emisă avea un spectru continuu, în contradicţie cu rezultatele experimentale ale spectroscopiei atomice, care indicau un spectru de linii cu o structură descrisă empiric de regula de combinare Rydberg-Ritz (1905). Preluând ipoteza existenţei cuantelor de lumină, completată cu un postulat potrivit căruia energia atomului este distribuită pe nivele discrete descrise de un număr cuantic, Bohr (1913) a elaborat un model atomic care elimina aceste dificultăţi; confirmarea experimentală a existenţei nivelelor discrete de energie în cadrul atomului a fost făcută în 1914 prin experimentul Franck-Hertz.
Realizările în teoria structurii atomului din perioada 1900–1924 au primit numele de „teorie cuantică veche”. Este vorba de fapt de un ansamblu de reguli de cuantificare arbitrare, aplicabile sistemelor multiperiodice din mecanica clasică şi ghidate de principiul de corespondenţă. Formulat explicit de Bohr abia în 1920, acesta din urmă cerea ca, la limita numerelor cuantice mari, teoria cuantică să reproducă rezultatele teoriei clasice. Modelul atomic Bohr-Sommerfeld (1916–1919) rezultat din teoria cuantică veche a permis evaluarea corectă a termenilor spectrali pentru un număr mare de atomi şi molecule; teoria conţinea însă lacune şi contradicţii.
Mecanica matricială, mecanica ondulatorie, mecanica cuantică
O analiză critică a teoriei cuantice vechi l-a condus pe Heisenberg la concluzia că noţiunea de traiectorie a unui electron în atom este lipsită de sens, şi că o teorie atomică trebuie construită numai pe baza unor mărimi observabile, cum sunt frecvenţele şi intensităţile liniilor spectrale. Noua teorie propusă de Heisenberg (1925) şi dezvoltată de el împreună cu Born şi Jordan a fost numită mecanică matricială. Interpretarea statistică a teoriei a fost dată de Born (1926); o consecinţă importantă a teoriei a fost prezentată de Heisenberg ca principiul incertitudinii. Implicaţiile ei privitor la limitele cunoaşterii realităţii fizice, dezbătute în anii următori de Bohr şi Heisenberg, au rămas cunoscute sub numele de interpretarea de la Copenhaga.
În căutarea unei baze pentru o teorie unificată a materiei şi radiaţiei, Louis de Broglie (1924) a extins conceptul de dualitate undă-corpuscul de la radiaţie la materie, făcând sugestia că unei particule microscopice îi este asociat un fenomen ondulatoriu. Ipoteza existenţei unor „unde de materie” a fost punctul de plecare pentru o teorie atomică propusă de Schrödinger (1925) sub numele de mecanică ondulatorie; în anul următor tot Schrödinger a arătat că ea era echivalentă cu mecanica matricială a lui Heisenberg. Proprietăţile ondulatorii ale electronilor au fost confirmate de experimentul Davisson-Germer (1927).
La a cincea Conferinţă Solvay despre electroni şi fotoni (1927), mecanica cuantică a fost consacrată ca teorie a materiei la scară atomică. Conferinţa a marcat şi punctul culminant al unei dezbateri, care avea să dureze mai mulţi ani, între Einstein (care atribuia caracterul statistic al mecanicii cuantice faptului că ar fi fost o teorie incompletă) şi Bohr (care, de pe poziţiile interpretării de la Copenhaga, susţinea că ea dă o descriere completă a realităţii). Formularea generală a teoriei, în care aspectele de mecanică matricială şi mecanică ondulatorie rezultă dintr-un formalism matematic unic, a fost dată de Dirac (1930).
Teoria cuantică relativistă
Dirac (1928) a propus o teorie a electronului, compatibilă atât cu principiile mecanicii cuantice cât şi cu teoria relativităţii. Pornind de la aceste principii fundamentale, ecuaţia lui Dirac explica existenţa spinului electronic, care în teoria nerelativistă a lui Pauli (1927) trebuia postulată, şi descria corect structura hiperfină a liniilor spectrale. Ea indica şi existenţa unor stări de energie negativă, care au fost reinterpretate ca stări ale unei particule ipotetice având aceeaşi masă ca electronul dar sarcină electrică opusă. Particula a fost observată în camera cu ceaţă de Anderson (1932), care a numit-o pozitron. Posibilitatea creării/anihilării de perechi electron-pozitron, concomitent cu absorbţia/emisia de fotoni, iese din cadrul mecanicii cuantice, în care numărul de particule materiale este considerat constant. Noua teorie a interacţiei dintre materie şi radiaţie propusă de Dirac a fost numită de acesta electrodinamică cuantică. Ea a fost elaborată în formă definitivă, ca teorie cuantică relativistă a interacţiei dintre electroni şi fotoni, în mod independent, de Tomonaga, Schwinger şi Feynman (1946–1949); echivalenţa celor trei formulări a fost demonstrată de Dyson (1949).
Teoria cuantică veche
În teoria radiaţiei electromagnetice în echilibru termodinamic cu materia, distribuţia spectrală a intensităţii radiaţiei emise de un corp negru se afla în violent dezacord cu experienţa. Planck (1900) a arătat că dificultatea putea fi ocolită pe baza ipotezei că schimbul de energie între materie şi radiaţie nu se face în mod continuu, ci în cantităţi discrete şi indivizibile, pe care le-a numit cuante de energie (în latină quantum = câtime, cantitate). Einstein (1905) a dus ideea un pas mai departe, postulând că un fascicul luminos constă dintr-un jet de particule (numite apoi fotoni), care reprezintă cuante de energie; pe această bază el a elaborat o teorie cantitativă a efectului fotoelectric, pe care teoria ondulatorie fusese incapabilă să-l explice. O confirmare ulterioară a teoriei fotonului în detrimentul teoriei ondulatorii a venit de la efectul Compton (1924). Analiza experimentelor de interferenţă şi difracţie arată că lumina se propagă sub formă de unde; aspectul corpuscular se manifestă însă în procesul emisiei sau absorbţiei luminii de către materie. Acest caracter dual — corpuscular şi ondulatoriu — al radiaţiei este incompatibil cu fizica clasică.
În teoria corpusculară a materiei, descoperirea electronului în razele catodice de către J.J. Thomson (1897) şi cercetările asupra împrăştierii razelor alfa efectuate de Rutherford l-au condus pe acesta din urmă la elaborarea unui model al atomului (1911), constituit dintr-un nucleu de mici dimensiuni cu sarcină electrică pozitivă, în jurul căruia gravitează un număr de electroni. Însă atomul lui Rutherford nu putea explica stabilitatea atomilor: electronii în mişcare accelerată, potrivit legilor electrodinamicii a lui Maxwell, trebuia să piardă energie prin radiaţie şi să sfârşească prin a cădea pe nucleu. De asemenea, radiaţia emisă avea un spectru continuu, în contradicţie cu rezultatele experimentale ale spectroscopiei atomice, care indicau un spectru de linii cu o structură descrisă empiric de regula de combinare Rydberg-Ritz (1905). Preluând ipoteza existenţei cuantelor de lumină, completată cu un postulat potrivit căruia energia atomului este distribuită pe nivele discrete descrise de un număr cuantic, Bohr (1913) a elaborat un model atomic care elimina aceste dificultăţi; confirmarea experimentală a existenţei nivelelor discrete de energie în cadrul atomului a fost făcută în 1914 prin experimentul Franck-Hertz.
Realizările în teoria structurii atomului din perioada 1900–1924 au primit numele de „teorie cuantică veche”. Este vorba de fapt de un ansamblu de reguli de cuantificare arbitrare, aplicabile sistemelor multiperiodice din mecanica clasică şi ghidate de principiul de corespondenţă. Formulat explicit de Bohr abia în 1920, acesta din urmă cerea ca, la limita numerelor cuantice mari, teoria cuantică să reproducă rezultatele teoriei clasice. Modelul atomic Bohr-Sommerfeld (1916–1919) rezultat din teoria cuantică veche a permis evaluarea corectă a termenilor spectrali pentru un număr mare de atomi şi molecule; teoria conţinea însă lacune şi contradicţii.
Mecanica matricială, mecanica ondulatorie, mecanica cuantică
O analiză critică a teoriei cuantice vechi l-a condus pe Heisenberg la concluzia că noţiunea de traiectorie a unui electron în atom este lipsită de sens, şi că o teorie atomică trebuie construită numai pe baza unor mărimi observabile, cum sunt frecvenţele şi intensităţile liniilor spectrale. Noua teorie propusă de Heisenberg (1925) şi dezvoltată de el împreună cu Born şi Jordan a fost numită mecanică matricială. Interpretarea statistică a teoriei a fost dată de Born (1926); o consecinţă importantă a teoriei a fost prezentată de Heisenberg ca principiul incertitudinii. Implicaţiile ei privitor la limitele cunoaşterii realităţii fizice, dezbătute în anii următori de Bohr şi Heisenberg, au rămas cunoscute sub numele de interpretarea de la Copenhaga.
În căutarea unei baze pentru o teorie unificată a materiei şi radiaţiei, Louis de Broglie (1924) a extins conceptul de dualitate undă-corpuscul de la radiaţie la materie, făcând sugestia că unei particule microscopice îi este asociat un fenomen ondulatoriu. Ipoteza existenţei unor „unde de materie” a fost punctul de plecare pentru o teorie atomică propusă de Schrödinger (1925) sub numele de mecanică ondulatorie; în anul următor tot Schrödinger a arătat că ea era echivalentă cu mecanica matricială a lui Heisenberg. Proprietăţile ondulatorii ale electronilor au fost confirmate de experimentul Davisson-Germer (1927).
La a cincea Conferinţă Solvay despre electroni şi fotoni (1927), mecanica cuantică a fost consacrată ca teorie a materiei la scară atomică. Conferinţa a marcat şi punctul culminant al unei dezbateri, care avea să dureze mai mulţi ani, între Einstein (care atribuia caracterul statistic al mecanicii cuantice faptului că ar fi fost o teorie incompletă) şi Bohr (care, de pe poziţiile interpretării de la Copenhaga, susţinea că ea dă o descriere completă a realităţii). Formularea generală a teoriei, în care aspectele de mecanică matricială şi mecanică ondulatorie rezultă dintr-un formalism matematic unic, a fost dată de Dirac (1930).
Teoria cuantică relativistă
Dirac (1928) a propus o teorie a electronului, compatibilă atât cu principiile mecanicii cuantice cât şi cu teoria relativităţii. Pornind de la aceste principii fundamentale, ecuaţia lui Dirac explica existenţa spinului electronic, care în teoria nerelativistă a lui Pauli (1927) trebuia postulată, şi descria corect structura hiperfină a liniilor spectrale. Ea indica şi existenţa unor stări de energie negativă, care au fost reinterpretate ca stări ale unei particule ipotetice având aceeaşi masă ca electronul dar sarcină electrică opusă. Particula a fost observată în camera cu ceaţă de Anderson (1932), care a numit-o pozitron. Posibilitatea creării/anihilării de perechi electron-pozitron, concomitent cu absorbţia/emisia de fotoni, iese din cadrul mecanicii cuantice, în care numărul de particule materiale este considerat constant. Noua teorie a interacţiei dintre materie şi radiaţie propusă de Dirac a fost numită de acesta electrodinamică cuantică. Ea a fost elaborată în formă definitivă, ca teorie cuantică relativistă a interacţiei dintre electroni şi fotoni, în mod independent, de Tomonaga, Schwinger şi Feynman (1946–1949); echivalenţa celor trei formulări a fost demonstrată de Dyson (1949).