ΑΓΩΝΙΣΤΙΚΗ ΑΝΕΞΑΡΤΗΤΗ ΠΑΡΕΜΒΑΣΗ ΕΒΡΟΥ: 14 Δεκεμβρίου 1900: Η γέννηση της κβαντικής μηχανικής!

Τα 100 χρόνια που συγκλόνισαν τον κόσμο..!!

Αν ρωτήσετε στην εποχή μας κάποιον ποιά είναι η μεγαλύτερη θεωρία του εικοστού αιώνα, θα σας απαντήσει "Η θεωρία σχετικότητας του Einstein".

Ομως η θεωρία αυτή όσο γοητευτική και αν είναι δεν έπαιξε τόσο σπουδαίο ρόλο στη ζωή μας όσο η κβαντική θεωρία που ανέτειλλε στις 14 Δεκεμβρίου του 1900. Ετοιμάσαμε λοιπόν ένα αφιέρωμα, πάνω στην πιό σημαντική θεωρία του προηγούμενου αιώνα. Η πρόθεσή μας σ' αυτό το άφιέρωμα είναι να τονίσουμε και στον πιο δύσπιστο την τεράστια έκταση και ποικιλία των επιτυχών προβλέψεων της κβαντικής μηχανικής. Οι φαινομενικά παράλογες ιδέες των de ΒrοgΙie, Schroedinger και Heisenberg έχουν οδηγήσει σήμερα σε εντελώς νέες τεχνολογίες, που η ίδια η ύπαρξή τους εξαρτάται από τις ανακαλύψεις αυτών των πρωτοπόρων της κβαντικής μηχανικής

Αν θέλαμε να φτιάξουμε ένα κατάλογο των θεμάτων που ασχολείται η κβαντομηχανική, θα ξεκινούσαμε από την πυρηνική και ατομική φυσική, τα κβαντικά φαινόμενα σήραγγας, την πυρηνική σύντηξη, τη σύγχρονη χημεία , την εξήγηση του περιοδικού πίνακα, την φύση του φωτός, τους ημιαγωγούς, τα transistor, τη μικροηλεκτρονική, την αστροφυσική, την υπεραγωγιμότητα, τα υπερρευστά, τα laser, τις μαύρες τρύπες και την ακτινοβολία Hawking, τα quark αλλά και το πεδίο Higgs.

Η σύγχρονη ηλεκτρονική βιομηχανία με την τεχνολογία των chip πυριτίου, στηρίζεται εξ ολοκλήρου στην κβαντική θεωρία των υλικών, με τα υλικά που ονομάζονται ημιαγωγοί. Επίσης οι εφαρμογές των Laser είναι δυνατές μόνον επειδή κατανοούμε, στο βασικό επίπεδο των κβαντικών φαινομένων, το μηχανισμό της ακτινοβολίας του φωτός από άτομα, που εντοπίστηκε για πρώτη φορά από τον Einstein το 1916.
Ακόμα, κατανοώντας πως συμπεριφέρεται μεγάλος αριθμός κβαντικών αντικειμένων όταν βρίσκονται περιορισμένα σε μια μικρή περιοχή, οδηγούμαστε στην κατανόηση όλων των διαφορετικών τύπων της ύλης, από τους υπεραγωγούς ως τους αστέρες νετρονίων

Ομως η πλέον εκτεταμένη επιρροή της κβαντομηχανικής στην καθημερινή μας ζωή είναι αναμφίβολα στην περιοχή της φυσικής των στερεών καταστάσεων. Η λέξη «στερεά κατάσταση» είναι πεζή, ακόμη και αν την έχετε ακούσει, πιθανότατα δεν τη συνδέσατε με την κβαντική θεωρία. Παρ' όλα αυτά είναι ο κλάδος της φυσικής που μας έδωσε το ραδιόφωνο από τραντζίστορ, το γουώκμαν, τα ψηφιακό ρολόγια, τους υπολογιστές τσέπης, τους μικρο-κομπιούτερς και τα προγραμματιζόμενα πλυντήρια. Η άγνοια σχετικά με τη φυσική των στερεών καταστάσεων δεν οφείλεται στο ότι αποτελεί έναν εσωτερικό κλάδο της επιστήμης, αλλά στο ότι είναι κοινός τόπος που τον παίρνουμε σαν δεδομένο. Και, για άλλη μια φορά, δεν θα είχαμε καμιά από αυτές τις συσκευές χωρίς κόποια επαρκή κατανόηση της κβαντικής φυσικής.

Ολες οι συσκευές που μνημονεύτηκαν στην προηγούμενη παράγραφο εξαρτώνται από τις ιδιότητες των ημιαγωγών , που είναι στερεά και που, αρκετά λογικά, έχουν ιδιότητες μεταξύ των αγωγών και των μονωτών. Επιπλέον η κβαντική μηχανική, αν και αρχικά επινοήθηκε για την επίλυση βασικών προβλημάτων σχετικά με την ύπαρξη των ατόμων, στη συνέχεια βρέθηκε να εφαρμόζεται με την ίδια επιτυχία στους μικροσκοπικούς πυρήνες στην καρδιά των ατόμων, κι αυτό οδήγησε στην κατανόηση της ραδιενέργειας και των πυρηνικών αντιδράσεων. Αυτό μας βοήθησε να κατανοήσουμε τι κάνει τ' άστρα να λάμπουν αλλά και την θεωρία του Big Bang.

Ο Θεμελιωτής της κβαντικής θεωρίας: Max Planck

Ο θεμελιωτής της κβαντικής θεωρίας Max Planck, γεννήθηκε το 1858 στο Κίελο. Εφοίτησε στο ανώτερο σχολείο του Μονάχου και μετά σπούδασε Φυσική στο Βερολίνο, όπου ήλθε σ' επαφή με τους πιό μεγάλους φυσικούς εκείνης της εποχής, τον H.Helmholz, Robert Kirchhoff, R.Clausius. Εμαθε τόσα πολλά για την θερμοδυναμική που γυρίζοντας στο Μόναχο, παρουσίασε το 1879 μια διδακτορική διατριβή πάνω στον Δεύτερο Νόμο της Θερμοδυναμικής και έγινε δάσκαλος στο Πανεπιστήμιο του Μονάχου. Μετά από έξι χρόνια έγινε επίκουρος καθηγητής στο Κίελο και το 1889 καθηγητής στο Βερολίνο.

Η τελευταία θέση ήταν η υψηλότερη ακαδημαϊκή θέση στην Γερμανία και ο Planck την κράτησε ώς την ηλικία των 73 ετών. Συνέχισε όμως και μετά να δουλεύει ασταμάτητα, δίνοντας διαλέξεις, γράφοντας άρθρα ώς την ηλικία των 89 ετών που πέθανε. Σ' όλη τη διάρκεια της ζωής του ενδιαφερόταν αποκλειστικά για τα προβλήματα της θερμοδυναμικής. Αλλά η πραγματική επανάσταση στο επιστημονικό του έργο, ήταν η ανακάλυψη του κβάντου ενέργειας, για την οποία του χορηγήθηκε το βραβείο Nobel το 1918. Ο Planck ονόμασε αυτές τις ποσότητες ενέργειας κβάντα (από την λατινική λέξη quantum, πληθυντικός quanta, που σημαίνει 'ποσότητα').

Για να προσδιορίσει την σχέση ανάμεσα στην ενέργεια και στο μήκος κύματος (ή ανάμεσα στην ενέργεια και στην συχνότητα, αφού η συχνότητα είναι το αντίστροφο του μήκους κύματος), χρησιμοποίησε μία σταθερά με πολύ μικρή τιμή, που ονομάσθηκε σταθερά του Planck, και προσδιορίζει το μέγεθος του "κόκκου" ενέργειας, δηλαδή της ελάχιστης δυνατής ενεργειακής ποσότητας.

Η σταθερά του Planck είναι εξαιρετικά μικρή, πράγμα που σημαίνει ότι η ενέργεια είναι, θα λέγαμε, εξαιρετικά 'λεπτόκοκκη'. 'Ετσι η ασυνεχής φύση της δεν γίνεται αισθητή στις περισσότερες περιπτώσεις και οι νόμοι της θερμοδυναμικής μπορούν να συναχθούν έστω και αν στηριχθούμε στην παραδοχή ότι η ενέργεια είναι ένα συνεχές 'ρευστό'. Το πρόβλημα της ακτινοβολίας του μέλανος σώματος ήταν το πρώτο στο οποίο ήταν απαραίτητο να ληφθεί υπ' όψιν η ασυνεχής φύση της ενέργειας.

Αρχικά, δεν υπήρχε καμιά ένδειξη για την ύπαρξη των κβάντων, πέρα από το γεγονός ότι η εισαγωγή της εννοίας τους έκανε δυνατή την διατύπωση της εξίσωσης για την ακτινοβολία του μέλανος σώματος. Ακόμη και ο ίδιος ο Planck είχε την επιφύλαξη ότι τα κβάντα μπορεί να μην ήταν παρά μια μαθηματική επινόηση ('Ansatz') χωρίς κανένα φυσικό νόημα.

Αλλά η ανακάλυψη του Planck, που ανακοινώθηκε τον Δεκέμβριο του 1900, προκάλεσε περισσότερα ερωτήματα από όσα απάντησε. Τα πρώτα κείμενα του Planck για την κβαντική θεωρία δεν αποτελούν υποδείγματα σαφήνειας (κάτι που ενδεχομένως αντανακλά τη σύγχυση που βρισκόταν όταν υποχρεώθηκε να εισαγάγει την ιδέα στην αγαπημένη του θερμοδυναμική) και για μεγάλο διάστημα πολλοί - σχεδόν όλοι - οι φυσικοί που γνώριζαν το έργο του το θεωρούσαν απλώς ένα μαθηματικό τρικ, για να ξεμπερδέψει με την υπεριωδη καταστροφή που είχε μικρή ή και καθόλου φυσική σημασία.

Ο ίδιος ο Planck τα είχε ασφαλώς χαμένα. Σε ένα γράμμα του στον Robert Wood, γραμμένο το 1931 κοιτάζοντας πίσω στο έργο του, του 1900, έγραφε: «μπoρώ να περιγράψω την όλη διαδικασία σαν πράξη απελπισίας μια θεωρητική ερμηνεία έπρεπε να βρεθεί, όποιο και όσο βαρύ και αν ήταν το τίμημα».
Παρ' όλα αυτά γνώριζε ότι είχε πέσει πάνω σε κάτι σημαντικό, και σύμφωνα με τον Heisenberg ο γιος του Planck, αργότερα, αναφέρθηκε στο πώς ο πατέρας του περιέγραψε την εργασία του εκείνης της περιόδου στη διάρκεια ενός περιπάτου στο Γκρούνεβαλντ, στα προάστια του Βερολίνου, εξηγώντας γιατί η ανακάλυψή του ίσως εΙχε την ίδια αξία με εκείνες του Νεύτωνος.

Ο Max Planck ήταν στη Φυσική ένας συντηρητικός, βαθιά προσηλωμένος στην Κλασσική Φυσική. Και για να υπερασπιστεί αυτές τις απόψεις του, αναγκάστηκε να εισάγει στη Φυσική την επαναστατική αντίληψη του κβάντου δράσης. Θεωρούσε τον εαυτό του μαθητή του Clausius, αυτού που στα μέσα του 19ου αιώνα έκανε τη σύνθεση των δύο αρχών της θερμοδυναμικής και δημιούργησε την έννοια της εντροπίας.

Πολύ σημαντικό είναι το γεγονός πως για τον Planck, η ασυνεχής δομή της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας Ε=hν δεν εκδηλώνεται παρά όταν η ακτινοβολία αλληλεπιδράει με την ύλη. Ομως ο Einstein εισήγαγε το 1905 μια πολύ πιό ριζική αντίληψη, την αντίληψη ότι αυτή η ίδια η ακτινοβολία έχει ασυνεχή δομή και συγκροτείται από σωματίδια με ενέργεια Ε=hν και με ορμή p=hν/c. Ο Planck δεν θέλησε ποτέ να δεχθεί την άποψη του Einstein και η αντιδικία μεταξύ τους κράτησε για πολύ καιρό.

Οι φυσικοί όμως εκείνης της περιόδου ήταν απασχολημένοι στις αρχές του 1900 με τη μελέτη των ανακαλύψεων που αναφέρονταν στην ατομική ακτινοβολία. Και το νέο «μαθηματικό τρικ» του Planck, για την εξήγηση της καμπύλης του μέλανος σώματος, δεν έμοιαζε και τόσο σημαντικό όσο οι άλλες ανακαλύψεις.
Πράγματι χρειάστηκε να φθάσουμε στο 1918 και να απονεμηθεί στον Planck το βραβείο Nobel, για να αξιολογηθεί σαν μια από τις μεγαλύτερες ανακαλύψεις της ανθρωπότητας. Το διάστημα από το 1900 έως το 1918 είναι πολύ μεγάλο αν συγκριθεί με την ταχύτητα με την οποία αναγνωρίστηκε το έργο των Curie ή του Rutherford.