[ Pobierz całość w formacie PDF ]
.To rozwiązuje problem stabilności, ponieważ elektrony mogą zbliżać się do jądra najwyżej na odległość równą promieniowi wolnej orbity o najniższej energii.Model Bohra wyjaśniał zupełnie dobrze strukturę najprostszego atomu, atomu wodoru, w którym zaledwie jeden elektron okrąża jądro.Nie było jednak jasne, jak należy rozszerzyć ten model, by opisywał bardziej skomplikowane atomy.Również koncepcja ograniczonego zbioru dozwolonych orbit elektronowych wydawała się niczym nie uzasadniona.Nowa teoria mechaniki kwantowej rozwiązała te trudności.Zgodnie z nią, elektron okrążający jądro można uważać za falę o długości zależnej od prędkości elektronu.Długość pewnych orbit odpowiada dokładnie całkowitej (a nie ułamkowej) wielokrotności długości fali elektronu.W takim wypadku grzbiet fali elektronu powstaje w tym samym miejscu w trakcie każdego okrążenia, tak że fale dodają się i wzmacniają: takie orbity odpowiadają dozwolonym orbitom Bohra.Jeśli elektron okrąża jądro po orbicie, której długość nie jest równa całkowitej wielokrotności fali elektronu, to każdy grzbiet fali jest wcześniej czy później skasowany przez dolinę fali; takie orbity nie są dozwolone.Zgrabnym sposobem uwidocznienia dualizmu falowo-korpuskularnego jest tak zwana suma po historiach, wprowadzona przez amerykańskiego uczonego Richarda Feynmana.Odmiennie niż w mechanice klasycznej, cząstce nie przypisuje się jednej historii, czyli trajektorii w czasoprzestrzeni, ale przyjmuje się, że cząstka podróżuje od A do B po wszystkich możliwych drogach.Z każdą trajektorią związane są dwie liczby: jedna przedstawia amplitudę fali, a druga jej fazę (faza określa, czy mamy grzbiet, czy dolinę fali, czy też może jakiś punkt pośredni).Prawdopodobieństwo przejścia z A do B znajdujemy, dodając do siebie fale związane z wszystkimi drogami.Na ogół fazy sąsiadujących trajektorii należących do pewnego zbioru znacznie się różnią.Oznacza to, że fale odpowiadające tym trajektoriom kasują się wzajemnie niemal całkowicie.Istnieją jednak pewne zbiory sąsiednich dróg, dla których fale mają bardzo zbliżone fazy; fale związane z tymi drogami nie kasują się wzajemnie.Dozwolone orbity Bohra to właśnie takie trajektorie.Opierając się na powyższych koncepcjach, wyrażonych w matematycznej formie, można stosunkowo łatwo obliczyć orbity dozwolone w bardziej skomplikowanych atomach, a nawet cząsteczkach, które są zbudowane z wielu atomów utrzymywanych razem przez elektrony, poruszające się po orbitach otaczających więcej niż jedno jądro.Ponieważ struktura cząsteczek i ich reakcje między sobą stanowią podstawę chemii i biologii, mechanika kwantowa pozwala nam — teoretycznie rzecz biorąc — przewidzieć wszystko, co dzieje się wokół nas, z dokładnością ograniczoną przez zasadę nieoznaczoności.(W praktyce jednak obliczenia dla układów zawierających więcej niż kilka elektronów są tak skomplikowane, że nie potrafimy ich wykonać).Ogólna teoria względności Einsteina wyznacza — jak się zdaje — wielkoskalową strukturę wszechświata.Jest to teoria klasyczna — nie uwzględnia bowiem zasady nieoznaczoności mechaniki kwantowej, choć czynić to powinna, by zachować spójność z innymi teoriami.Ogólna teoria względności pozostaje w zgodzie z obserwacjami tylko dlatego, że w normalnych warunkach mamy do czynienia z bardzo słabymi polami grawitacyjnymi.Jak już jednak widzieliśmy, z twierdzeń o osobliwościach wynika, że pole grawitacyjne staje się bardzo silne w dwóch co najmniej sytuacjach: w otoczeniu czarnych dziur oraz w trakcie wielkiego wybuchu i tuż po nim.W tak silnych polach efekty kwantowo--mechaniczne odgrywają ważną rolę.A zatem klasyczna teoria względności, przewidując istnienie osobliwości czasoprzestrzeni, w pewnym sensie zapowiada swój upadek, podobnie jak klasyczna (to znaczy nie-kwantowa) mechanika zapowiadała swój, gdyż prowadziła do wniosku, że atomy powinny zapaść się do stanu o nieskończonej gęstości.Nie dysponujemy jeszcze spójną teorią, łączącą teorię względności z mechaniką kwantową, znamy tylko niektóre jej cechy.Konsekwencje takiej teorii dla czarnych dziur i wielkiego wybuchu omówimy w dalszych rozdziałach.Najpierw jednak rozważymy niedawne próby zrozumienia wszystkich niegrawitacyjnych sił natury w ramach jednej, jednolitej teorii kwantowej.Rozdział 5CZĄSTKI ELEMENTARNE l SIŁY NATURYArystoteles wierzył, że cała materia we wszechświecie składa się z czterech podstawowych elementów: ziemi, powietrza, ognia i wody.Na te cztery elementy działają dwie siły: grawitacja, czyli skłonność ziemi i wody do opadania, oraz lewitacja, czyli skłonność powietrza i ognia do unoszenia się.Ów podział zawartości wszechświata na materię i siły stosuje się do dziś.Arystoteles był przekonany, że materia jest ciągła, to znaczy, że każdy jej kawałek można bez końca dzielić na coraz to mniejsze części i nigdy nie dotrzemy do cząstki, której dalej podzielić się nie da.Inni Grecy, na przykład Demokryt, twierdzili, że materia jest ziarnista, i wszystko składa się z wielkiej liczby różnych atomów.(Greckie słowo atom oznacza “niepodzielny").Przez całe wieki trwała ta dyskusja, przy czym żadna ze stron nie przedstawiła choćby jednego rzeczywistego dowodu na poparcie swego stanowiska, dopóki w 1803 roku brytyjski chemik i fizyk John Dalton nie zauważył, że związki chemiczne zawsze łączą się w określonych proporcjach, co można wyjaśnić jako skutek grupowania się atomów w większe jednostki zwane molekułami.Jednakże spór między dwoma szkołami myślenia został ostatecznie rozstrzygnięty na korzyść atomistów dopiero na początku naszego wieku.Jeden z ważnych argumentów fizycznych zawdzięczamy Einsteinowi
[ Pobierz całość w formacie PDF ]