Ár skammtafræðinnar

Skammtafræðin

Skammtafræðin fjallar um hið agnarsmáa, rafeindir, róteindir, nitfteindir og kvarka. En hvað þýðir orðið skammtur í þessu samhengi?

Orðið skammtur vísar til þess að tilteknar eðlisfræðilegar stærðir eins og massi, orka og rafhleðsla koma í skömmtum, þ.e.a.s. að það sé til minnsti skammtur af þessum stærðum og að allar aðrar stærðir verða að vera heiltölumargfeldi af þeim.

Skammtarnir eru því einskonar legókubbar og skammtafræðin fjallar um að reyna að komast að því hverjir eru legókubbarnir í dótakassa alheimsins. Hvernig eru kubbarnir á litinn, hver er lögun þeirra og hvernig passa þeir saman til að búa til eina heildstæða mynd. Skammtafræðin reynir því að svara spurningunni: hver er minnsta byggingareining alheimsins?

Til að skilja hvernig skammtafræðin þróaðist sem fræðigrein er best að skoða sögu hennar. Venjan er þá að byrja á því að nefna forn-gríska heimspekinginn Demókrítos sem var uppi 400 fyrir Krist. Hann setti fram eftirfarandi hugmynd:

Hann ímyndaði sér að hann tæki stein og kastaði honum í jörðina þannig að hann brotnaði í minni steina. Síðan myndi hann taka einn af þeim og kasta honum aftur, þar til hann fengi enn smærri stein. Þá spurði hann sig: „Tekur þetta ferli einhvern tímann enda? Eða er til einhver minnsti skammtur af steini? Einhvers konar frumeind — sem ekki er hægt að kljúfa frekar?“

Þennan ókljúfanlega stein nefndi hann atóm. Úr grísku „a-“ (ekki) og „tomos“ (að kljúfa). Demókrítus hélt því fram að efnisheimurinn væri gerður úr slíkum ókljúfanlegum eindum. Hins vegar hélt áhrifamesti heimspekingur fornaldar, Aristóteles, því fram að efnið væri samfellt þ.e. að það væri ekki til minnsta eining efnis.

Þessi hugmynd Aristótelesar varð ríkjandi næstu árhundruðin. Þegar Isaac Newton gaf út öndvegisrit sitt Principia Mathematica árið 1687, sem lýsti á sama tíma hvernig pláneturnar ferðast á sporbaug umhverfis sólina og öllum þeim kröftum og orku sem við verðum vör við í daglegu lífi, þá var þessi samfeldni byggð inn í stærðfræðina. Þessi stærðfræði sem Newton fann upp kallaðist kalkúlus, eða diffur- og tegurreikningur. Newtonska aflfræðin reyndist svo árangursrík að hún stóð óhögguð í yfir 250 ár, svo mjög að undir lok 19. aldar átti Lord Kelvin að hafa sagt: “Það er ekkert meira sem á eftir að uppgötva í eðlisfræði. Það eina sem að eðlisfræðingar geta gert er bara að framkvæma fleiri og nákvæmari mælingar.”

En honum skjátlaðist. Um aldamótin 1900 fóru að myndast sprungur í kenningum Newtons. Þrjú fyrirbæri stóðu upp úr sem klassísk eðlisfræði gat ekki útskýrt: svarthlutsgeislun, ljósröfun og stærð og stöðugleiki atómsins. Þessi vandamál urðu upphafspunktur skammtafræðinnar.

Það fyrsta, sem kallaðist svarthlutsgeislun. Svarthlutsgeislun er frekar fyndið orð — því einfaldasta dæmið um svarthlut er sólin okkar, og sólin er, eins og flestir vita, frekar hvít. Þannig að þessi nafngift er dálítið skrítin. En það sem þeir voru að skoða var rafsegulgeislun frá sólinni. Með öðrum orðum: þeir voru að skoða ljósið frá sólinni. Og ljósið frá sólinni er eitthvað sem allir hafa séð. En þeir voru að sjá eitthvað sem enginn annar hafði áður séð. Þeir voru að skoða graf sem sýndi ljósstyrk frá sólinni sem fall af bylgjulengd ljóssins. Bylgjulengdin segir til um litinn. Það hafði verið þekkt allt frá Newton að ef maður beinir hvítu ljósi í gegnum prisma, þá tvístrast það í alla regnbogans liti. Þannig að hvíta sólarljósið samanstendur af öllum bylgjulengdum ljóss. Hins vegar sáu þeir eitthvað merkilegt á þessu grafi. Það var ákveðin lögun á ferlinum — og það komu fram bylgjulengdir sem sólin tók fram yfir aðrar. Það var ein bylgjulengd sem var í hámarki — græn — um það bil 500 nanómetrar. Og það merkilega við þetta var að út frá toppnum á grafi gátu þeir ákvarðað hitastig sólarinnar. Þannig að bara með því að horfa á ljósið frá sólinni gátu þeir sagt til um hitastig hennar. En þetta átti ekki bara við um sólina — heldur hvaða stjörnu sem er. Þeir gátu mælt svarthlutsgeislunarróf fjarlægra stjarna og fundið hitastig þeirra líka. En það var einn galli á þessu öllu saman: Þetta voru allt tilraunaniðurstöður — og það vantaði kenningu. Það var engin Newtonsk fræði sem gat útskýrt þetta svarthlutsgeislunarróf. Allar tilraunir manna til að útskýra það höfðu mistekist. Og þess vegna voru eðlisfræðingar svo spenntir. Þeir vissu að sá sem myndi leysa svarthlutsgeislunarvandamálið myndi skrá sig í sögubækurnar — því þá væri hann búinn að finna nýja eðlisfræði. Og þessi nýja eðlisfræði átti eftir að verða: skammtafræðin. Við segjum að skammtafræðin hafi hafist þegar Max Planck tókst að útskýra svarthlutsgeislunarrófið. Hann fann stærðfræðilega lýsingu sem passaði fullkomlega við mælingarnar. En til að það gengi upp þurfti hann að leggja til byltingarkennda hugmynd: Að orka ljóss væri skömmtuð. Við þetta var boltanum hrint af stað. Næstur fram á sjónarsviðið var enginn annar en Albert Einstein. Hann var þá 26 ára gamall og vann á einkaleyfaskrifstofu í Bern. Í frítíma sínum skrifaði hann fjórar greinar sem hver um sig átti eftir að gjörbylta heimsmynd mannsins.

Max Planck hafði gert ráð fyrir því að orka ljóss væri skömmtuð til að útskýra svarthlutsgeislunina. En hann trúði því ekki að þetta hefði raunverulega eðlisfræðilega merkingu — honum fannst þetta bara vera reiknitrikk til að fá rétta jöfnu. Albert Einstein hins vegar, í fyrstu af fjórum frægu greinum sínum árið 1905, tók þetta alla leið. Hann sagði: Ekki nóg með það að orka ljóss sé skömmtuð — heldur er hún gefin með E = hf þar sem h er fasti sem hann kallaði fasti Plancks og f er tíðni ljóssins. Þetta var upphafið að öldinni sem átti eftir að mótast af hugmyndum skammtafræðinnar. Atómið hafði verið fundið. Rafeindin, róteindin og nifteindin voru fundnar. Og innan við 50 árum frá þeirri uppgötvun hafði atómið verið klofið — og notað í hernaðarskyni.