Kvarkadabra - časopis za tolmačenje znanosti

Znanstveniki na počitnicah

Vrhunski znanstveniki so praviloma v službi tudi takrat, ko so na dopustu. Seveda ne tako kot menedžerji, ki morajo biti po telefonu dostopni štiriindvajset ur na dan in so velikokrat prisiljeni posle urejati tudi s plaže, ko imajo noge do kolen v morju, misli pa pri dobavitelju, ki je tovarni poslal napačne surovine. Znanstveniki so lahko v službi tudi takrat, ko sploh ne mislijo na znanost.

Iz zgodovine znanosti se lahko naučimo, da so dobili ljudje prelomne ideje prav takrat, ko so si po napornem delu vzeli nekaj dni za oddih. Pogledali si bomo enega takšnih primerov, ki se je dogodil pred nekaj manj kot sto leti in je sprožil veliko revolucijo v fiziki.

Poletni oddih na majhnem otoku

Helgoland je majhen otok v Severnem morju nedaleč od Hamburga. Zanj so značilni visoki rdeči klifi in zelena travnata površina. Prav na tem idiličnem kraju je med kratkim dopustom leta 1925, da bi ubežal poletni vročini in napadu senenega nahoda, mladi nemški fizik Werner Heisenberg dobil ključno idejo, ki je bila pomemben korak v razvoju takrat novega področja kvantne fizike. A da bomo sploh lahko razumeli pomen prelomne ideje, ki je prešinila mladega Wernerja med namakanjem nog v Severnem morju, moramo najprej povedati nekaj malega o dogajanju v takratni znanosti. Še prej pa predstavimo glavnega junaka naše poletne zgodbe.

Werner Heisenberg je bil tipični predstavnik mlade generaciji fizikov, ki so končali šolanje po prvi svetovni vojni. Zanje je bilo značilno, da niso pretirano cenili svojih starejših kolegov. Mlada generacija je bila namreč prepričana, da mora najti nove pristope k znanstvenim problemom, pri čemer jim naslanjanje na ostarele akademske avtoritete prej škodi kot koristi.

Zdrav duh v zdravem telesu

Heisenbergov oče je bil klasični filolog. Sina je že v mladosti navdušil za grško filozofijo in literaturo. Tako je mladi Werner postal tipični predstavnik takratnega nemškega mladinskega gibanja, ki je verjelo v staro geslo »Zdrav duh v zdravem telesu«. Kljub ljubezni do klasikov in glasbe (bil je namreč izvrsten pianist) se je vse bolj ogreval tudi za naravoslovno znanost.

V Münchnu je študiral pri Arnoldu Sommerfeldu, ki ga je kot obetavnega študenta leta 1921 povabil, naj ga spremlja na fizikalno konferenco v Göttingen, kjer so se dobili takratni najuglednejši znanstveniki in razpravljali o najnovejših problemih fizike. Čeprav je Heisenberg najprej nameraval postati matematik, se je po dolgi razpravi z danskim fizikom Nielsom Bohrom v Göttingenu premislil. Novi problemi teorije atomov so ga tako navdušili, da se je raje odločil za kariero fizika. Ugotovil je namreč, da postaja abstraktna matematika vse bolj pomembna za razumevanje novih fizikalnih problemov, in prav ta povezava med čisto abstraktno matematično mislijo in resničnim svetom ga je navduševala. Ko je leta 1924 končal doktorat pri Sommerfeldu, se je odpravil na Dansko k Bohru, da bi proučeval probleme nove atomske fizike.

Ko pivovarna podpre bazično znanost

Niels Bohr je že dolgo časa gojil željo, da bi delal na inštitutu, na katerem bi znanstveniki lahko mirno razpravljali o strokovnih problemih, ne da bi se jim bilo treba ozirati na ustaljene hierarhične odnose med profesorji in študenti. Leta 1920 se mu je želja zaradi donacij danskih podjetij, med katerimi je bila tudi pivovarna Carlsberg, uresničila. V Köbenhavnu mu je uspelo zgraditi prav takšen inštitut, kot si ga je zamislil. Okoli sebe je zbral mlade in bistre študente iz Evrope, Amerike in Rusije, da bi skupaj v miru raziskovali novo fiziko atomov.

V tej družbi na Bohrovem inštitutu se je Heisenberg zelo dobro počutil. Obkrožali so ga sami geniji, ki so že čez nekaj let postali vodilni znanstveniki na svojih področjih. Za vse je bilo značilno, da so briljirali v znanju in inteligenci, hkrati pa so bili zelo samozavestni in prepričani o svojem prav. Čeprav se širša javnost ni veliko zanimala za njihovo delo, jim to ni jemalo poguma. Verjeli so namreč, da so na poti k novim odkritjem, ki bodo povsem spremenila fiziko in dojemanje sveta.

Ključna poletna ideja, ki je spremenila fiziko

Po enem letu dela pri Bohru je Heisenberg odšel za asistenta k Maxu Bornu, ki je bil takrat predstojnik fizikalnega inštituta v Göttingenu. A po le nekaj mesecih dela v novi službi se je odločil, da si bo vzel čas za kratek oddih, da si uredi misli. Odšel je na majhen otok ob severni nemški obali, ki smo ga spoznali že v uvodu. Prav tu se mu je utrnila ključna ideja in v nekaj dneh je postavil temelje za novo teorijo kvantne fizike.

Kot večina takratnih fizikov se je tudi Heisenberg največ ukvarjal s problemom svetlobe, ki so jo oddajali atomi. Osrednji problem takratnih znanstvenikov je bil, kako pojasniti ugotovitev, da lahko atomi oddajajo svetlobo samo točno določenih barv. Kaj neki se v atomih dogaja, da njihova svetloba atomov ni mavrična, ampak je sestavljena le iz točno določenih barv?

Abstraktna matematika opiše obnašanje atomov

Heisenbergova ključna ideja, ki se mu je utrnila med dopustom na Helgolandu, je bila, da morda ni ključno vprašanje, kaj se zares dogaja v atomu, ampak kako matematično formulirati zgolj tisto, kar o atomu vemo. Kaj če se ne bi ukvarjali več z mehanizmom, ki bi pojasnil, kaj se v atomih zares dogaja, ampak bi barve oddane svetlobe predstavili kar s seznamom števil? Hitro je ugotovil, da obstajajo za te sezname števil lepe formalne matematične povezave, kar je pomenilo, da se lahko ti seznami izračunajo in napovejo.

Po vrnitvi s počitnic je Heisenberg svoje ugotovitve pokazal Bornu, ki je takoj opazil, da gre pri Heisenbergovih seznamih števil pravzaprav za matematične matrike. Kot vemo, je matrika nekakšna posplošena ideja števila, kjer eni matriki ustreza recimo kvadratni seznam števil. Matematiki so že nekaj časa poznali pravila, kako matrike seštevati in množiti. Vse je kazalo, da so matrice in ne števila pravi jezik, s katerim lahko opišemo obnašanje atomov.

Tokrat gre na dopust Niels Bohr

Heisenbergova ideja je bila prelomna in je hitro sprožila pravi plaz razprav in drugih idej, kako jo še izboljšati. Čeprav so fiziki hitro prišli do enačb, s katerimi so lahko napovedali barvo svetlobe, ki jo lahko sprejemajo ali oddajo posamezni atomi v različnih okoliščinah, pa je vprašanje, kaj se zares dogaja v atomih, ostalo neodgovorjeno. In to jih je čedalje bolj jezilo.

Na Bohrovem inštitutu so se še posebno veliko ukvarjali z vprašanjem, kako razumeti vsa ta nova spoznanja iz sveta atomov. Bohr, Heisenberg in še nekaj fizikov je na inštitutu v Köbenhavnu vse leto razpravljalo o problemu, kako sploh interpretirati to novo kvantno fiziko. Počasi so že obupavali, a jih je Bohrov neomajni optimizem vseeno držal pokonci. V začetku februarja 1927 pa je bil Bohr že tako izčrpan, da se je moral odpraviti na dopust. Ker je bila zima, se je odločil za turno smuko v hribih severno od Osla na Norveškem.

Interpretacija enačb, ki je še danes v učbenikih fizike

In prav na počitnicah, ko je bil sam s svojimi mislimi, se mu je utrnila ideja o interpretaciji kvantne fizike, ki še danes kraljuje v mnogih fizikalnih učbenikih. Bistvo njegovega takratnega spoznanja je, da moramo vsakič, ko postavljamo vprašanje o naravi, povedati tudi, kako bomo odgovor narave prebrali. Kot je sam izjavil: »Napačno je prepričanje, da je naloga fizike razkriti, kakšna je narava sama po sebi. Fizike zanima le, kaj lahko o naravi povemo.«

Ko Bohra ni bilo na inštitutu, je tudi Heisenberg v obsežnih razpravah s kolegi prišel do pomembnega spoznanja, ki je prav tako postavilo temelje interpretacije kvantne fizike. Oba fizika sta ločeno prišla do zelo podobnih zaključke. Heisenberg je odkril slavno načelo nedoločnosti, Bohr pa načelo komplementarnosti. Obe načeli skupaj sta jedro köbenhavnske interpretacije kvantne mehanike.

Za konec velja še enkrat opozoriti, da odhod na dopust ni najpomembnejši razlog za prelomne ideje. Te se pojavijo samo, kadar oddih sledi večmesečnemu ali celo večletnemu intenzivnemu delu in razmišljanju.

Sašo Dolenc

Kvarkadabra
http://www.kvarkadabra.net/article.php/Znanstveniki-na-pocitnicah