Uticaj nestvarnih čestica na veliki svet

Jun 1925. godine, pitoreskna nemačka ostrva Helgoland u Severnom moru. Dvadesetčetvorogodišnji nemački turista na visokoj steni posmatra kako snažni talasi, gonjeni vetrom sa otvorenog mora, udaraju u četrdeset sedam metara visoku geološku strukturu poznatu kao Lange Ana. Oboleo od teškog alergijskog rinitisa, mladić se po savetu lekara tog doba leči aspirinom i kokainom da suzbije nepodnošljive napade kijavice. Zbog alergije je pobegao iz Kopenhagena na Helgoland, na čijim ostrvima nema polena.

Ovde se, usred Severnog mora, u čudnovatom, eksitovanom stanju, danima bavi slikom atoma koji zamišlja kao kuglicu na opruzi, pokušavajući da prevaziđe po njemu pogrešnu semiklasičnu Borovu sliku atoma sa orbitama. Pošto se orbite i položaji ne mogu izmeriti u eksperimentima, traga za načinom da ih opiše frekvencijama svetlosti, ali ovo jednostavno razmatranje uvodi ga u svet čuda. Opisuje ponašanje atoma kao oscilacije opruge, ali dobija da u računu pri množenju ne važe pravila komutativnosti koja zna svako nemačko dete. Matematički opis atoma koji dobija izuzetno je čudan, gotovo nastran, tako da se šiban severnim vetrom pita gde greši.

Mladić je Verber Hajzenberg (1901–1976), izuzetno talentovani fizičar koga je pet godina ranije otkrio i primio kao studenta slavni Arnold Zomerfeld (1868–1951), najveće ime nemačke fizike na Univerzitetu u Minhenu. Mada ga je usmeravao na klasične probleme kao što je izučavanje turbulencija, na čemu će Hajzenberg doktorirati 1923. godine, Zomerfeld ga ipak vodi sa sobom u Getingen, sedište nove fizike u kojem se okupljala generacija sledbenika danskog fizičara Nilsa Bora (1885–1962), rodonačelnika kvantne mehanike, kako bi diskutovala o strukturi sveta i prirodi atoma.

U Getingenu će Hajzeberg raditi sa Maksom Bornom (1882–1970) i upoznati brojne istraživače, a potom će zimu 1924. provesti u Kopenhagenu kod samog Bora. Na ostrvu Helgoland, bolestan, poludrogiran i sasvim sam, u delirijumu alergije i unutrašnje borbe, otkriva novu matematiku kojom se mogu opisati atomi. Dok se penje po stenama nosi West–östlicher Divan, zbirku Geteovih pesama inspirisanih persijskom poezijom, pokušava da memoriše stihove i u polusnu odlučuje da se okuša sa opisom pomoću operatora koji nisu komutativni (to jest, da nije svejedno kojim se redom, AB ili BA, množe).

“Bilo je oko tri ujutru, usred noći, kada se finalni rezultat izračunavanja našao preda mnom. Isprva sam bio duboko potresen. Toliko sam bio uzbuđen da nisam mogao ni da pomislim na san. Izašao sam iz kuće i popeo se na stenu da sačekam svitanje”, zapisaće kasnije. Sa jutrom, na horizontu se javlja nova, kvantna fizika, nauka potpuno strana intuiciji, kakvu ljudi nikad pre nisu razvili. Na Helgolandu Hajzenberg piše ključni rad kvantne mehanike, jedan od najpoznatijih u istoriji ljudskih ideja, pod nazivom Über quantentheoretische Umdeutung kinematischer und mechanischer Beziehungen, o kvantno-teoretskoj reinterpretaciji kinematičkih i mehaničkih odnosa. Danas poznat kao Umdeutung (reinterpretacija), Hajzenber će rad prvo poslati svojim prijateljima fizičarima.

MATRICA DELIRIJUMA

“Sve je još uvek maglovito i nejasno, ali se čini da se elektroni u atomu ne kreću po orbitama”, napisaće kolegi i prijatelju Volfangu Pauliji (1900–1958), koji će biti jedan od pionira kvantne fizike. U međuvremenu, od Maksa Borna iz Getingena mu stiže prelomna vest – njegov proračun nije kokainski delirijum, reč je o tada slabo poznatoj ali sasvim utemeljenoj grani matematike koja se bavila matricama i prepoznavala da za njihovo množenje ne važi komutativnost. Danas se đaci i studenti, upravo zbog fizike, relativno rano upoznaju sa matricama, ali pre sto godina množenje matrica malo kome je bilo poznato. To je bila sasvim egzotična disciplina kojom su se bavili sasvim retki matematičari i za koju se činilo da nema nikakvu primenu u stvarnosti.

Hajzebnerg svoj rad objavljuje 1925. godine, a odmah za njim se istog istraživanja poduhvata cela generacija iz Getingena i ideju razvijaju Maks Born i Paskal Džordan, koji samo par meseci kasnije objavljuju svoje radove, da bi u naredne dve godine bila objavljena lavina rezultata. Zahvaljujući Hajzenbergovim proračunima, cela oblast je čak nazvana matrična mehanika, kojoj će se godinu dana kasnije pridružiti i talasna mehanika Ervina Šredingera (1887–1961), kao nešto drugačija interpretacija istih zakonitosti u atomskom svetu.

Godina 1925. zbog ovih se prodora smatra prelomnom u razvoju novih, kvantnih ideja. Istoričari su, međutim, saglasni da je nova fizika nastajala tokom nekoliko prvih decenija 20. veka, ali razvoj je bio tako buran, toliko dramatičan da je danas sasvim uobičajeno da se naziva – kvantna revolucija. Za nju je vezana neobična sudbina. Mada je proizvela zakone koji su često strani ljudskoj logici, to je najtvrđe dokazana naučna oblast, utemeljena na izuzetno preciznim naučnim eksperimentima. Njene posledice je nemoguće sagledati, od atomskih bombi do prvih kompjutera, a naše tehnologije 21. veka, pre svega razvoj bilo kakvih računarskih procesora, LED, novih materijala i lasera, pa i mnogih medicinskih prodora, ne bi se desio bez kvantne fizike.

Godina 2025. proglašena je “kvantnom godinom” kako bi se obeležila stogodišnjica ovih naučnih preloma. Ironija je da se ova čudna nauka proslavlja u svakako čudnom, nestabilnom svetu današnjice, gde se u udarnim vestima smenjuju AI tehnologije sa genocidnim ratovima i populizmom. No, teško je reći da kvantna mehanika obeležava svoj jubilej, kao što bi to bilo u slučaju neke druge sto godina stare i prihvaćene discipline, koliko pokušava da otvori prostor da njena, mada eksperimentima i tehnologijama potvrđena otkrića, postanu opšteusvojena.

KVANTNE ORBITE

“Sve što nazivamo stvarnim načinjeno je od stvari koje ne možemo smatrati stvarnim”, rekao je Nils Bor, koji je još kao mlad istraživač 1913. godine razvio novi model atoma, kumujući kreiranju kvantne fizike. Mada jednostavan, Borov model je vrlo uspešno opisao misteriozne rezultate do kojih je dve godine ranije Ernest Raderford došao u eksperimentima sa bombardovanjem atoma, koji su pokazivali kako nije reč samo o tome da se materija sastoji od atoma između kojih je praznina, nego da je i sam atom sačinjen od “delova” među kojima je takođe praznina.

Kao i u svakoj revoluciji, u Borovo doba, činilo se da fizika prolazi kroz svoju najveću krizu u istoriji. Dve decenije ranije, godine 1900, stvari su bile toliko drugačije da je lord Kelvin (1824–1907), britanski fizičar ogromnog ugleda u Evropi i Americi, u Kraljevskoj instituciji u ulici Albemarl u Londonu, slavnoj po naučnopopularnim predavanjima (svojevremeno toliko posećenim da je zbog gužvi i redova kočija ovo postala prva jednosmerna ulica na svetu), održao lekciju u kojoj je istakao kako na čistom nebu fizike postoje samo “dva tamna oblaka”: jedan dubiozan problem sa zračenjem crnog tela i drugi, tehnički izazov – da se najzad izmeri brzina svetlosti u odnosu na etar. Ispostaviće se da će upravo ova dva “mala problema”, samo nekoliko godina kasnije, srušiti klasičnu fiziku.

Iste godine, nemački fizičar Maks Plank (1858–1947) predlaže rešenje za Kelvinov prvi oblak, takozvanu ultraljubičastu katastrofu kod crnog tela, zaključujući nešto neobično – da se energija emituje u određenim “količinama”, takozvanim kvantima svetlosti. Godine 1905. mladi službenik Patentnog zavoda u Bernu, Albert Ajnštajn (1979–1955), objavljuje pet prelomnih radova, od kojih će dva utemeljiti Specijalnu teoriju relativnosti i rešiti Kelvinov drugi problem (postulatom da je brzina svetlosti konstanta). Jedan od preostala tri Ajnštajnova rada tiče se fotoelektričnog efekta i presudno utiče na dalji razvoj Plankove ideje o kvantima. Kada Nils Bor uvede novi model atoma, sa pozitivnim jezgrom i negativnim elektronom koji može da kruži oko njega na “kvantovan” način – po određenim orbitama – otvoriće se vrata za jedno novo tumačenje sveta.

Narednih godina u eksperimentima će biti otkriveni fenomeni kao što je Komptonovo rasejanje, u kojima se pokazivalo da se zračenje ponaša kao čestica, a Luj de Brolj će 1923. definisati talasno-čestični dualizam. I onda, u periodu od 1924. do 1927, sa napuštanjem orbita i uvođenjem matrica u račun, rodiće se nova nauka – iz meseca u mesec, Verner Hajzenberg, Volfang Pauli, Pol Dirak, Ervin Šredinger i brojni drugi objavljivaće nove radove kojima će, korak po korak, pokrenuti kvantnu revoluciju.

KVANTNI NOBEL

Mada je sa uspehom za savremene ljude objasnila kako atom izgleda i dala tolike tehnologije, kvantna fizika još uvek nije istinski apsorbovana – njene ideje se tek poslednjih decenija bolje razumevaju i više prihvataju, pa se nekad govori da je u toku revolucija u primenama kvantne mehanike. Mnogi savremeni uređaji nastaju upravo zbog novih primena ovog naučnog nasleđa, koje se čini kao dedovina koju smo tek sad počeli da trošimo. No, kvantna fizika je strana čoveku. Mahom je i poznata po začudnim fenomenima kao što su kvantna teleportacija, zapletenost, koherencija i pitanje razvoja kvantnih računara, zato što se bavi svetom koji je mali i nedostižan, bitno drugačiji od naše makroskopske stvarnosti.

Igrom slučaja, upravo je ovogodišnja Nobelova nagrada pokušala da bude most između ta dva sveta. Kako je saopšteno iz Stokholma pre dve nedelje, Nobelovu nagradu za fiziku 2025. dobili su fizičari Džon Klark, Džon M. Martinis i Mišel Devor za, kako je rečeno, “otkriće makroskopskog kvantnog tunel-efekta i kvantizacije energije u električnom kolu”. Trojica istraživača, Britanac, Amerikanac i Francuz, u svojim su eksperimentima koristili superprovodne Džozefsonove spojeve i pokazali da se pojave kao što je tunel-efekat mogu demonstrirati u sistemima dovoljno velikim da ih je moguće fizički držati u ruci. To kvantnoj revoluciji daje sasvim novu boju.

U našem makroskopskom svetu podrazumevamo da stvari ne mogu proći kroz zid, za šta u kvantnoj mehanici postoje izvesne verovatnoće, pa se to i događa, a ovogodišnji nobelovci su uspevali da pronađu makroskopske fenomene gde je to moguće. Kvantnih pojava na ljudskim skalama inače nije otkriveno mnogo. U svetu mnogo manjem od našeg, na atomskoj skali veličina, kvantni su efekti presudni za razumevanje prirode, oni na naš veliki svet prelomno utiču “odozdo”, ali na većim skalama nikad ne vidimo kvantno ponašanje. Ponašanje čestica “koje ne možemo smatrati stvarnim”, ono koje je suprotno svakodnevnoj intuiciji, odudara od iskustva sveta koji razumemo svojim čulima, pa njihova pojava na velikoj skali podseća na pojavu duhova. A to bi sasvim lako mogli biti oni koje su fizičari probudili pre sto godina.