KursyPoradnikiInspirujące DIYForum

Historia teorii elektroniki – #2 – stała Plancka i bozon Higgsa

Historia teorii elektroniki – #2 – stała Plancka i bozon Higgsa

W poprzednim artykule streszczającym historię elektroniki teoretycznej opisana została droga od bursztynu do równań Maxwella, które niestety z czasem okazały się niepełne.

W ostatecznym wyjaśnieniu tych zagadnień miała pomóc nowa dziedzina nauki – elektrodynamika kwantowa. Czy tak faktycznie było?

Czego dowiesz się z tego artykułu?

Z lektury tego artykułu dowiesz się, z jakimi zagadnieniami zmagali się (i nadal zmagają) fizycy, którzy dążą do odkrycia, czym jest prąd elektryczny i „jak to wszystko działa”. Dynamiczny rozwój nauki sprawił jednak, że badania prowadzone w XX wieku były bardziej skomplikowane niż te z XIX wieku.

Niniejszy tekst omawia zawiłe zagadnienia. Ale spokojnie, nie musisz ich rozumieć (mało kto je rozumie), warto jednak się z nimi zapoznać, choćby tylko dla zaspokojenia ciekawości i poszerzenia horyzontów. Znajdziesz tu po prostu chronologiczny opis kolejnych teorii.

Odkryto już prawie wszystko?

Elektrodynamika klasyczna z XIX wieku tłumaczyła wiele, m.in. zjawiska występujące w bardzo długich kablach i transmisję fal radiowych. Z czasem okazała się jednak niepełna. Nie tłumaczyła bowiem zjawisk występujących w półprzewodnikach, które są podstawą m.in. układów scalonych.

Niestety, wspomnianych „kilku szczegółów” pomimo usilnych starań nijak nie dało się wyjaśnić w ramach elektrodynamiki klasycznej. Trzeba było wprowadzić zupełnie nowe koncepcje, które całkowicie zaprzeczały zdrowemu rozsądkowi. Hendrik Antoon Lorentz, który porządkował równania Maxwella, zaobserwował występujące tam dziwne zależności matematyczne, które znane są jako transformacja Lorentza. Z początku ani on, ani inni nie uznali jednak tego za ważne. Zmienił to wiek XX.

Rok 1900 – początki elektrodynamiki kwantowej

Jako „okrągłą” datę przełomową możemy przyjąć rok 1900, kiedy to Max Planck, by wyjaśnić zjawisko promieniowania termicznego ciał, w akcie desperacji przyjął, że energie fal elektromagnetycznych są skwantowane, czyli podzielone na maleńkie porcje, o ściśle określonej, a nie dowolnej wielkości. W grę wchodzi też jedna z najważniejszych stałych fizyki, nazwana stałą Plancka (h), a także wzór: E = hν.

Max Planck

Max Planck

Te teoretyczne postulaty potwierdził w roku 1922 Arthur Compton i dodatkowo wykazał, że światło będące falą elektromagnetyczną jest też jednocześnie zbiorem cząstek – korpuskuł, fotonów o określonej energii (zjawisko Comptona). Czyli że fale elektromagnetyczne są jednocześnie cząstkami…

Ogromny wkład w rozwój fizyki kwantowej miał mieszkający w Kopenhadze duński fizyk Niels Bohr, co też wiąże się z kontrowersyjną, tzw. kopenhaską interpretacją fizyki kwantowej. Bohr w swoim modelu atomu, różnym od wcześniejszego modelu „ciasta z rodzynkami”, narzucił tzw. ograniczenia kwantowe na poziomy energii cząstek w atomie.

Kolejne wyobrażenia na temat budowy atomu

Kolejne wyobrażenia na temat budowy atomu

„Ograniczenia kwantowe” zaproponował też Wolfgang Pauli, co jest znane jako zakaz Pauliego. Ważnym krokiem w rozwoju był pomysł Louisa de Broglie’a, że materia jest też jednocześnie falą – powstała koncepcja fal materii (fal de Broglie’a), co wkrótce zostało potwierdzone doświadczalnie.

Jest to ważne dla elektroników – teoria korpuskularno-falowa mówi, że „tworzące prąd” elektrony są też jednocześnie falami. A fale radiowe jednocześnie są też cząstkami – fotonami. Najbardziej zaskakujące jest to, że elektron jest nie tylko cząstką, ale też jednocześnie falą (dualizm korpuskularno-falowy). Co jeszcze dziwniejsze i niepojęte, jest także falą prawdopodobieństwa, a to budzi kolejne wątpliwości w kwestii, czym jest prąd elektryczny – więcej na ten temat można znaleźć w tym artykule:

Czym jest prąd elektryczny? Oto częste błędne wyobrażenia
Czym jest prąd elektryczny? Oto częste błędne wyobrażenia

Prąd elektryczny to z definicji uporządkowany ruch ładunków elektrycznych, a ilustruje się go często np. za pomocą analogii hydraulicznej.... Czytaj dalej »

Dziwne na pozór pomysły z rodzącej się dziedziny elektrodynamiki kwantowej próbowano jakoś opisać matematycznie. Tu w grę wchodzą dwie główne postacie. Młody niemiecki fizyk Werner Heisenberg w dziwnych okolicznościach wpadł na pomysł, że świat jest w pewnym sensie niekonkretny, rozmyty. Ten szalony wręcz pomysł konsultował z innymi – oprócz Wolfganga Pauliego także z urodzonym we Wrocławiu Maxem Bornem. To właśnie Werner Heisenberg przedstawił opis elektrodynamiki kwantowej za pomocą matematycznego pojęcia macierzy.

Jednym z tych ważnych wniosków jest tzw. zasada nieoznaczoności Heisenberga, mówiąca, że wskutek fundamentalnych właściwości świata nie da się z dowolnie dużą dokładnością określić jednocześnie i położenia, i pędu cząstki, przez co świat na poziomie kwantowym okazuje się niekonkretny i rozmyty, a być może nie tylko materia i energia są skwantowane, lecz także czas i długość.

Walter White, główny bohater „Breaking Bad”, przyjął pseudonim Heisenberg właśnie od nazwiska tego fizyka

Walter White, główny bohater „Breaking Bad”, przyjął pseudonim Heisenberg właśnie od nazwiska tego fizyka

Nieco później Erwin Schrödinger przedstawił zupełnie inny, falowy model mechaniki kwantowej. Naukowiec ten jest bardziej znany z przykładu kota, który jest jednocześnie żywy i martwy. Kot ma ilustrować kwestię prawdopodobieństwa, gdyż równanie Schrödingera opisuje elektron (i nie tylko elektron) właśnie w kategoriach prawdopodobieństwa, co dla elektronika jest ważne, tłumaczy bowiem zjawisko tunelowania, będące podstawą działania niektórych elementów półprzewodnikowych.

Potem podejmowano próby jeszcze lepszego zrozumienia i opisania tej rzeczywistości w sposób matematyczny. Dla elektronika jest ważne, że uznawany za jednego z ojców mechaniki kwantowej Paul Dirac połączył równanie Schrödingera ze szczególną teorią względności Einsteina (niezależnie zrobił to Enrico Fermi), a rozkład Fermiego–Diraca jest bardzo ważny w elektronice, bo wyjaśnia i opisuje ważne zjawiska zachodzące w materiałach półprzewodnikowych.

W poszukiwaniu „całej prawdy”

Pod koniec wieku XIX wydawało się, że cztery równania Maxwella w sposób wyczerpujący opisują zjawiska związane z elektromagnetyzmem. Jednak w ciągu pierwszych 30 lat XX wieku odkryto i udowodniono względność czasu i przestrzeni, jedność energii i materii, dualizm korpuskularno-falowy, tajemnicze zjawiska kwantowe. Do tego doszły też szczegóły z innych dziedzin fizyki. Dopiero dzięki temu można było wyjaśnić i przewidzieć różne zjawiska występujące w półprzewodnikach.

Bez półprzewodników nie mogłyby powstawać nowoczesne układy scalone

Bez półprzewodników nie mogłyby powstawać nowoczesne układy scalone

Bardzo wiele już wiemy, ale nikt nie potrafi poskładać tego wszystkiego w sensowną, harmonijną całość. Choćby tylko dlatego, że całkowicie wymyka się to potocznym doświadczeniom, tzw. zdrowemu rozsądkowi. Jeżeli masz wątpliwości co do tego „poplątania” czy „splątania”, możesz dla rozrywki zapoznać się ze skądinąd fascynującą, najprawdopodobniej bardzo pożyteczną i praktycznie użyteczną ideą splątania kwantowego.

Wyjaśnienia dla (nie)fizyków

Łatwe do przyswojenia są prace popularyzatorskie George’a Gamowa. Oprócz tekstów naukowych napisał on książki o panu Tompkinsie. Jedna z nich, przybliżająca fizykę kwantową także zupełnym laikom: Pan Tompkins w krainie czarów, dostępna jest w języku polskim (PWN, potem Prószyński i S-ka), ale raczej już tylko w antykwariatach. Poprawiona i uwspółcześniona wersja, czyli Nowy świat Pana Tompkinsa, jest jeszcze dostępna w księgarniach. Wprawdzie nie ma tam zbyt wiele o elektronice, ale bardzo interesująco i przystępnie wyjaśnione są niektóre aspekty fizyki kwantowej.

Do dziś dużym zainteresowaniem cieszą się wykłady Richarda Feynmana. Był to wybitny fizyk z duszą showmana, który za stworzenie relatywistycznej elektrodynamiki kwantowej otrzymał Nagrodę Nobla. Jednak jego wykłady zamiast wyjaśnić wcześniejsze pojęcia, raczej wprowadzają nowe, które wcale nie wyczerpują potężnego i trudnego zagadnienia, tylko pokazują jego specyficzny fragment.

Elektrodynamika kwantowa dla elektroników

Fizyka (mechanika) kwantowa i elektrodynamika kwantowa to bardzo obszerne dziedziny. Elektroników najbardziej interesują kwestie związane z półprzewodnikami i prądem elektrycznym. Szczegóły są trudne, nie każdy ma „umysł matematyczny”, by przebić się przez te trudne zagadnienia.

Jako elektronicy możemy się cieszyć, że współczesna fizyka kwantowa zaczęła się właśnie od prób opisu elektryczności. Początki fizyki kwantowej w dużym stopniu wiążą się z transformacją Lorentza, a tym samym z równaniami Maxwella, który w latach 60. XIX wieku zunifikował zjawiska elektryczne, magnetyczne i optyczne, co nazywamy oddziaływaniami elektromagnetycznymi.

Tzw. postać różniczkowa równań Maxwella

Tzw. postać różniczkowa równań Maxwella

Dziś wiemy już, że są cztery rodzaje oddziaływań podstawowych: elektromagnetyczne, grawitacyjne, słabe i silne (ale być może istnieją też inne, nieznane jeszcze oddziaływania). Mamy dość przekonującą teorię małej unifikacji, czyli teorię oddziaływań elektrosłabych, która łączy oddziaływania słabe oraz elektromagnetyczne i traktuje je jako przejaw jednego oddziaływania elektrosłabego. Przyciąganie, odpychanie i przemiany cząstek tłumaczymy wymianą innych cząstek – tzw. bozonów pośredniczących, w tym fotonu.

Chromodynamika kwantowa

Jeżeli chodzi o oddziaływania silne, związane z jądrami atomów, to jak na razie mamy tylko tzw. chromodynamikę kwantową, która ani z kolorami, ani z zapachami nie ma nic wspólnego. A w tym wszystkim duże znaczenie mają też różne symetrie i łamanie tych symetrii. Wszystko to ściśle wiąże się z tzw. modelem standardowym i jego cząstkami, co zostało zobrazowane poniżej.

Cząstki elementarne modelu standardowego (autor ilustracji: Andrzej Barabasz, CC BY-SA 3.0)

Cząstki elementarne modelu standardowego (autor ilustracji: Andrzej Barabasz, CC BY-SA 3.0)

Model standardowy próbuje zunifikować trzy oddziaływania podstawowe: elektromagnetyczne oraz słabe i silne. Obejmuje tzw. bozon Higgsa, który nadaje masę niektórym cząstkom. Jednak model standardowy nie obejmuje czwartego oddziaływania podstawowego – grawitacji, która pod wieloma względami jest podobna do oddziaływania elektromagnetycznego.

Według współczesnej wiedzy z jednej strony grawitacja musi mieć związek z wymianą jakichś cząstek, a z drugiej – jest zakrzywieniem czy też konsekwencją zakrzywienia czasoprzestrzeni przez materię, co rodzi więcej pytań, niż wyjaśnia.

Detektor CMS z Wielkiego Zderzacza Hadronów, który w 2013 roku pozwolił potwierdzić istnienie bozonu Higgsa

Detektor CMS z Wielkiego Zderzacza Hadronów, który w 2013 roku pozwolił potwierdzić istnienie bozonu Higgsa

Na przykład na razie nikt nie ma sensownego wyjaśnienia, czym jest tzw. ciemna materia (a może ciemna energia), a kwestia ta może się wiązać z kolejnymi fundamentalnymi odkryciami. Aktualnie nie ma pomysłu na zunifikowanie wszystkich czterech oddziaływań podstawowych.

Przeszkody w kolejnych odkryciach

Jednym z kluczowych problemów jest konieczność wykorzystania pojęć i metod matematycznych tak bardzo zaawansowanych, że po prostu nie zostały one jeszcze opracowane i opanowane. Być może trzeba będzie jeszcze długo czekać na całościową wielką teorię unifikacji (ang. grand universal theory, GUT), która wyjaśni wszystko, także grawitację (i to, czym naprawdę jest prąd elektryczny).

Możliwe, że niedługo pojawią się zupełnie nowe, jeszcze trudniejsze teorie

Możliwe, że niedługo pojawią się zupełnie nowe, jeszcze trudniejsze teorie

Może znajdzie się też ktoś, kto spojrzy na fizykę z zupełnie innego punktu widzenia i uporządkuje te nieprawdopodobnie złożone zagadnienia w jeszcze inny sposób, pokazując, że fundamenty są w istocie i proste, i piękne. Czekamy!

Podsumowanie – co warto zapamiętać?

Wszystko zaczęło się od pocierania bursztynu – a potem odkrywano kolejne prawa fizyki. Jednak prawie każde odkrycie, które „coś” wyjaśniało, prowadziło do kolejnych, jeszcze trudniejszych zagadnień. I tak w XX wieku naukowcy doszli m.in. do elektrodynamiki kwantowej, małej oraz wielkiej teorii unifikacji. Są to tematy, które znacznie wykraczają poza zakres zainteresowania elektroników hobbystów – warto jednak te zagadnienia znać przynajmniej z nazwy.

Czy wpis był pomocny? Oceń go:

Średnia ocena 4.9 / 5. Głosów łącznie: 50

Nikt jeszcze nie głosował, bądź pierwszy!

Artykuł nie był pomocny? Jak możemy go poprawić? Wpisz swoje sugestie poniżej. Jeśli masz pytanie to zadaj je w komentarzu - ten formularz jest anonimowy, nie będziemy mogli Ci odpowiedzieć!

Współcześni naukowcy dalej szukają teorii matematycznych i próbują je potwierdzić eksperymentalnie. Zaskakujące jest to, jak bardzo często się to udaje, ale nikt nie ogarnia całości i nie potrafi jeszcze wyjaśnić wszystkiego. Nauka cały czas idzie do przodu, więc możliwe, że wkrótce po publikacji tego wpisu zostanie odkryty kolejny szczegół, który zbliży ludzkość do zrozumienia wszechświata.

Piotr Górecki

Czym są elektromagnesy nadprzewodnikowe?
Czym są elektromagnesy nadprzewodnikowe?

Elektromagnesy nadprzewodnikowe to jedne z najsilniejszych elektromagnesów, jakie istnieją. Są one zbudowane z materiałów, które nie stawiają... Czytaj dalej »

O autorze: Piotr Górecki

PG
Popularyzator elektroniki, konstruktor z ponad 30-letnim doświadczeniem, autor książek i tysięcy artykułów omawiających różne aspekty elektroniki.

atom, elektrodynamika, teoria

Trwa ładowanie komentarzy...