HERC PRISKAČE U POMOĆ

     Pravi junak (po mišljenju ovog veoma pristrasnog istoričara nauke) bio je Hajnrih Herc koji je serijom opita, koji su potrajali više od deset godina (1873-1888), potvrdio sva predviđanja data u Maksvelovoj teoriji.
     Talasi imaju talasnu dužinu. To im je ona razdaljina između vrha jednog i vrha sledećeg talasa. Talasi vode u okeanu razmaknuti su, tipično, nekoliko metara, recimo nekih sedam do deset metara. Talasna dužina zvučnih talasa iznosi otprilike centimetar-dva, ili tri. Elektromagnetizam takođe nailazi u talasima. Različiti elektromagnetni talasi - infracrveni, mikrotalasi, rendgenski, radio-talasi - razlikuju se između sebe naprosto po talasnoj dužini. Vidljiva svetlost - plava, zelena, narandžasta, crvena - nalazi se u sredini elektromagnetnog spektra. Radio-talasi i mikrotalasi imaju veće talasne dužine. Ultraljubičasti, rendgenski i gama-zraci imaju kraće talasne dužine.
     Upotrebljavajući namotaj sa strujom visokog napona i jedan detektor, Herc je našao način da proizvodi radio-talase i da meri njihovu brzinu. Pokazao je da imaju iste odlike u pogledu odbijanja, prelamanja i polarizacije kao i svetlosni talasi; štaviše, da se mogu i prikupiti u žižu. Maksvela su onoliko grdili, a ispalo je da je bio u pravu. Herc ne samo što je podvrgao Maksvelove teorije strogoj opitnoj proveri; on ih je i učinio jasnijim i pojednostavio na 'sistem četiri jednačine', na koji ćemo uskoro doći.
     Posle Herca, Maksvelove zamisli postadoše opšteprihvaćene. Stari problem delovanja na daljinu time je odložen u stranu. Sile, u obliku raznih polja, idu kroz prostor, šire se kroz njega jednom konačnom brzinom, a to je baš brzina svetlosti. Maksvel je osećao potrebu da svojim električnim i magnetnim poljima obezbedi neki medijum koji će ih podržavati i prenositi; u te svrhe, prilagodio je zamisao Faradeja i Boškovića o jednom sveprožimajućem eteru u kome vibriraju električna i magnetna polja. Baš kao onaj Njutnov odbačeni eter, tako je i ovaj eter imao neke vrlo 'zavrnute' odlike i odigrao ulogu u sledećoj naučnoj revoluciji.
     Trijumf Faradeja, Maksvela i Herca značio je, ujedno, i novi uspeh redukcionizma. Univerziteti nisu više morali da zaposle jednog profesora da predaje elektricitet, drugog magnetizam, a trećeg optiku. To se sve sad ujedinilo u isti predmet, pa je dovoljno zaposliti jednog profu (tako da ostaje više para za ragbi ekipu). Tim jednim naučnim predmetom obuhvaćena je ogromna raznovrsnost ljudskih tvorevina i pojava prirode: motori i generatori, transformatori, ogromna industrija za proizvodnju električne energije, ali i svetlost Sunca, zvezdana svetlost, radio, radar, mikrotalasi, kao i zraci infracrveni, ultraljubičasti, rendgenski i gama, i laseri. Prostiranje svih njih objašnjava se pomoću Maksvelove četiri jednačine, koje u svom modernom obliku, primenjene na elektricitet u slobodnom prostoru, izgledaju ovako:

     c delta x E = - (dB/dt)
     c delta x E = (dE/dt)
     delta B = 0
     delta E = 0

     U ovim jednačinama, E je električno polje; B je magnetno polje; a c, što je, dabome, brzina svetlosti, jeste kombinacija električnih i magnetnih svojstava koje možemo na laboratorijskom radnom stolu da izmerimo. Zapazite simetriju E i B. Nemojte se mučiti sa tim nerazumljivim škrabocijama; za našu svrhu, nije neophodno da objašnjavamo kako ove jednačine dejstvuju. Suština je sledeća: te četiri jednačine jesu naučni način da kažemo "Neka bude svetlost!"
     Studenti fizike i inženjerstva širom sveta nose majice na kojima su ispisane ove četiri stroge jednačine. Maksvelove prvobitne jednačine, međutim, nisu ni izdaleka ličile na ove četiri. Ove uprošćene verzije delo su Herca, čoveka koji je jedan od onih vrlo retkih slučajeva kad neko postigne izvanredne rezultate kao eksperimentator, a u isto vreme raspolaže i znanjem teorije koje je iznad 'dovoljnog snalaženja'. Herc je bio izuzetno uspešan u oba. Kao i Faradej, bio je svestan ogromnog praktičnog značaja svojih postignuća, ali nezainteresovan za to. Prepustio je da praktične primene razvijaju skromniji naučni umovi, kao što su Markoni i Lari King (Larry King). Hercov teorijski rad sastojao se uglavnom u tome što je očistio i sredio Maksvela, sveo i popularizovao njegovu teoriju. Da nije bilo Herca, studenti fizike morali bi da dižu tegove veoma uporno da bi postali mnogo širi u ramenima, kako bi onda na njihovim majicama bilo dovoljno prostora za Maksvelovu trapavu i zapetljanu matematiku.
     Ostajemo verni našoj tradiciji i obećanju koje dadosmo Demokritu, koji nam je, uzgred rečeno, maločas telefaksom poslao poruku da se vratimo temi. Znači, treba da pitamo Maksvela (ili naslednike) o atomima. Dabome da je on verovao u njih. Bio je, takođe, autor vrlo uspešne teorije koja je posmatrala gasove kao skupove atoma. Verovao je, i bio je u pravu, da hemijski atomi nisu naprosto kruta tela, nego da imaju i neku složenu strukturu. Ovo verovanje došlo je iz njegovog poznavanja optičkog spektra, koji je postao značajan, kao što ćemo videti, u razvijanju kvantne teorije. Maksvel je takođe verovao, ali pogrešno, da njegovi složeni atomi ne mogu biti presečeni na manje delove. Ovo je iskazao divni stilom i jezikom, godine 1875: "Iako je tokom dugih razdoblja bilo katastrofa nebeskih, koje se i opet desiti mogu; iako se drevna društva mogu raspasti, a iz njihovih ruševina uzdići nova; ipak (atomi) od kojih svi ti sistemi (Zemlja, Sunčev sistem i tako dalje) jesu sazdani - kamenovi temeljci, dakle, materijalne Vaseljene - ostaju neslomljeni - nepohabani, štaviše." Ih, da je samo rekao 'kvarkovi i leptoni' a ne to 'atomi'...
     Konačna ocena o Maksvelu dolazi opet od Ajnštajna, koji je rekao da je Maksvel dao najvažniji pojedinačni doprinos nauci devetnaestog veka.

MAGNET I KUGLA

     Malo smo preskočili neke važne pojedinosti u našoj priči. Otkud znamo da se polja šire nekom određenom brzinom? Kako su fizičari devetnaestog veka uopšte znali koja je brzina svetlosti? U čemu je razlika između trenutnog delovanja na daljinu i delovanja tek kad signal doputuje?
     Zamislite vrlo moćan elektromagnet na jednom kraju ragbi igrališta, a na drugom kraju gvozdenu loptu okačenu o vrlo tanku žicu da visi sa vrlo visokog stuba. Lopta će se naginjati malo, samo malo ka magnetu. Sad pretpostavimo da vrlo brzo isključimo struju u elektromagnetu. Ako pomno motrimo na kuglu i žicu, primetićemo da nastaje reakcija. Kugla kao da je oslobođena, vraća se polako u ravnotežni položaj. Međutim, da li ta reakcija nastaje trenutno? Da, upravo tako, kažu zastupnici trenutnog delovanja na daljinu. Između magneta i kugle postoji veza koja je čvrsto zategnuta; kad magnetno dejstvo iščezne, kugla istog trena polazi natrag ka ravnotežnom položaju, gde će njen otklon biti nula. "Ne!" kažu zastupnici konačne brzine. Preko igrališta putuje informacija koja kaže: "Hej, ti! Magnet je isključen, možeš se sad opustiti!" Ona putuje nekom određenom brzinom, a kad stigne, kugla počne da se vraća, tek tad, u ravnotežni položaj.
     Nama je danas poznat tačan odgovor. Kugla mora malo da sačeka; vrlo malo, zato što informacije putuju brzinom svetlosti, ali ipak mora (neko vreme; a to vreme je merljivo) da sačeka. Danas to znamo, ali u Maksvelovo vreme ovaj problem bio je u središtu silovite rasprave. U pitanju je bila sudbina cele zamisli polja. A što nisu oni lepo izveli opite, pa videli? Pa, zato što svetlost putuje tako brzo da za milioniti deo sekunde preleti ragbi igralište. Oko godine 1880. nije bilo baš lako izmeriti tako maleno zakašnjenje. Danas nije nikakav problem - štaviše, trivijalno je - meriti i milijardite delove sekunde, tako da širenja raznih elektromagnetnih pojava merimo do mile volje i uvek nalazimo da se prostiru nekom određenom, konačnom brzinom. Na primer, postavimo ogledalo na površinu Meseca. Onda laserskim zrakom sa Zemlje gađamo to ogledalo i gledamo kad ćemo videte reflektovani zrak. Za ovo dvosmerno putovanje (Zemlja-Mesec-Zemlja) svetlosti je potrebno nešto više od dve i po sekunde.
     Evo primera u kudikamo većim razmerama. Dvadeset trećeg februara 1987, tačno u 7 sati i 36 minuta po griničkom srednjem vremenu, primećena je eksplozija jedne zvezde na južnom nebu. Ta supernova eksplodirala je u Velikom Magelanovom oblaku, a to je jedna skupina zvezda i prašine (galaksija) nekih 160.000 svetlosnih godina odavde. Drugim rečima, elektromagnetna informacija o eksploziji putovala je od supernove čak sto šezdeset hiljada godina da bi, najzad, stigla do Zemlje. A ta supernova, registrovana kao 87A, zapravo nam je sused, tu je, blizu. Najudaljeniji opaženi kosmički objekt udaljen je oko 8 milijardi svetlosnih godina. Svetlost koja nam sad stiže sa tih objekata krenula je u jedno doba koje je bilo prilično blizu Početku.
     Brzinu svetlosti prvi put je izmerio na Zemlji, u laboratoriji, jedan Francuz po imenu Arman-Ipolit-Luj Fizo (Armand-Hippolyte-Louis Fizeau) godine 1849. Pošto nije na raspolaganju imao osciloskope i kvarcne časovnike, Fizo je domišljato rasporedio ogledala (da bi prisilio svetlost da ide što dužom putanjom, i da se vrati) i namestio jedan zupčasti točak koji se mogao zavrteti veoma brzo. Ako znamo kojom brzinom se točak vrti i znamo obim točka, možemo da izračunamo koliko vremena treba da u jedno prazno mesto naiđe zubac i zakloni ga. Podesimo da ovo vreme bude tako da svetlost prođe između dva zupca, ode do onih dalekih ogledala, vrati se i ponovo prođe kroz isti otvor, u oko msje Fizoa. Mon dieu! Vidim ga! Sad postepeno ubrzavamo točak (skraćujemo vreme raspoloživo za prolazak zraka) i najzad nastupi blokada svetlosti. Eto. Sad znamo ne samo koliki put je zrak morao da prevali - iz izvora svetlosti, kroz prazninu između dva zupca, do ogledala, pa nazad, gde naleti na zubac - nego znamo i za koje vreme je zrak to postigao. Razna petljanja i podešavanja ovoga dala su Fizou slavni broj, trista miliona metara u sekundi (3 x 108 m/s), odnosno 186.000 milja u sekundi.
     Uvek me iznenadi filozofska dubina tih momaka u renesansi elektromagnetizma. Ersted je verovao (nasuprot Njutnu) da su sve sile u prirodi (a to je tad značilo: gravitacija, elektricitet i magnetizam) samo različiti vidovi ispoljavanja jedne praiskonske sile. To je taaaako moderno! Faradejeva nastojanja da uspostavi simetriju elektriciteta i magnetizma odzvanjaju grčkim nasleđem - traganjem za jednostavnošću i objedinjenjem; a to su dva od ukupno sto trideset sedam ciljeva koje danas, devedesetih godina dvadesetog veka, sebi postavlja Fermilab.

VREME DA SE KRENE KUĆI?

     U prethodnom i u ovom poglavlju pokrili smo više od tri stotine godina klasične fizike, od Galileja do Herca. Preskočio sam mnoge dobre ljude. Holanđanin Kristijan Hajgens, na primer, rekao nam je mnogo o svetlosti i talasima. Francuz Rene Dekart (René Descartes), osnivač analitičke geometrije, bio je među vodećim zastupnicima atomizma, a davao je i neke teorije o materiji i kosmologiji, veoma maštovite, sa velikim razmahom, ali neuspešne.
     Gledali smo klasičnu fiziku iz jednog neuobičajenog ugla - naime, prateći potragu za Demokritovim a-tomom. Obično se ova klasična era posmatra kao istraživanje sila, i to dve sile, a to su sila teže i elektromagnetna sila. Kao što smo videli, sila teže potiče od privlačenja masa. U elektricitetu je Faradej prepoznao drugačiju pojavu; tu je materija nevažna, rekao je on. Polja sila treba gledati. Naravno, kad dobiješ silu, ipak se moraš pozvati na Njutnov drugi zakon (F = ma) da bi ustanovio koliko će kretanje proisteći iz te sile; a tu inerciona materija, stvarno, jeste bitna. Faradejeva teza da materija nije bitna izvedena je iz intuicije Ruđera Boškovića, jednog od pionira atomizma. Naravno, Faradej je dao i prve nagoveštaje o 'atomima elektriciteta'. Možda bi neki ljudi rekli da ne treba istoriju gledati na ovaj način, kao traganje za jednim konceptom, za konačnom česticom. Pa ipak, to traganje postoji ispod površine intelektualnog života mnogih junaka fizike.
     Potkraj devedesetih godina devetnaestog veka, fizičari su mislili da su već, otprilike, sklopili celu sliku. Shvatili ceo elektricitet, ceo magnetizam, celu svetlost, celu mehaniku i sve o stvarima u pokretu, a i kosmologiju, i gravitaciju... ovladali svim tim stvarima, i to pomoću samo nekoliko jednostavnih jednačina. Što se atoma tiče, većina hemičara smatrala je to pitanje manje-više zatvorenim. Imamo periodnu tablicu elemenata. Vodonik, helijum, ugljenik, kiseonik i tako dalje, svi su elementi, svaki se sastoji od svojih atoma, a ti atomi su svi nevidljivi i svi nedeljivi.
     Doduše... šta reći... tu i tamo se u toj slici nalazila poneka tajanstvena naprslina. Sunce, na primer. Zbunjivalo ih je. Koristeći tadašnje poznavanje hemije i atomistike, britanski naučnik lord Rajli izračunao je da je Sunce svakako trebalo da sagori sve svoje raspoloživo gorivo u roku od 30.000 godina od svoga postanka. Naučnici su, međutim, znali da je Sunce mnogo starije od toga. Pa onda, ta stvar sa eterom. Mnogo nezgodna stvar. Eter bi morao da ima neke mehaničke osobine koje su - sakloni Bože - zaista bizarne. Morao bi da bude potpuno providan; takođe, sposoban da klizi između atoma svih materija, a da ih ne uznemiri ni najmanje, a ipak, u isto vreme, da bude čvrst kao čelik da bi izdržao nailazak svetlosti koja kroz njega šiba tako stravičnom brzinom. Ipak, ljudi su se nadali da će te i druge tajne već biti nekako rešene kad za to dođe pravo vreme. Da sam ja bio nastavnik davne 1890, lako se moglo desiti da kažem svim mojim studentima da idu kući i da se opredele za neku zanimljiviju nauku jer su u fizici sva velika pitanja rešena. Ono malo što je ostalo - otkud Suncu snaga, otkud radioaktivnost, i još poneka zagonetka - ranije ili kasnije pregaziće teorijski parni valjak Njutna i Maksvela, neće ti problemčići odoleti takvoj snazi. Fizika je u suštini cela već smeštena uredno u kutiju, kutija zamotana u ukrasni papir, uvezana ukrasnom trakom, a traka je navrh kutije vezana još i u 'mašnicu'.
     Kad najednom, na samom kraju veka, poče taj paket da se razmotava. Krivac je bila eksperimentalna nauka. Ko bi drugi.

PRVA PRAVA ČESTICA

     Tokom devetnaestog veka fizičari su se zaljubili u električna pražnjenja koja se mogu puštati kroz staklenu cev ispunjenu nekim gasom pod niskim pritiskom. Odeš kod duvača stakla i on ti napravi divnu cevčugu, metar dugačku. U oba kraja uvuku se metalne elektrode, a onda se zatope. Eksperimentator ispumpa vazduh najbolje što ume i može, a onda pusti unutra samo malo nekog željenog gasa (vodonika, ili ugljen-dioksida, a može i da ostane malo vazduha); važno je da pritisak bude nizak. Negde u blizini treba da bude baterija; žice iz nje prikačiš na jednu i drugu elektrodu. Potreban je visoki napon. Onda, u zamračenoj sobi, naučnici sa divljenjem gledaju prekrasna žarenja i blistanja gasa, koja će i menjati oblik ako se pritisak menja. Ko god je video neonsku reklamu, zna kako izgleda to blistanje i žarenje. A kad se pritisak dovoljno smanji, blistanje u cevi pretvori se u zrak, samo jedan, prav, koji putuje od katode, negativne elektrode, prema anodi, pozitivnoj. Taj zrak nazvaše, logično, 'katodni zrak'. Ove pojave, za koje sad znamo da nisu nimalo jednostavne, očarale su celo jedno pokolenje fizičara i privlačile zanimanje laika širom Evrope.
     Naučnici su znali za neke sporne i međusobno suprotne pojedinosti o tim katodnim zracima. Zraci donose negativni električni naboj. Putuju pravolinijski. Ako im se na put, unutar cevi sa niskim pritiskom, namesti fini, laki točak sa lopaticama, zraci će taj točak početi da okreću. Električna polja ne skreću ovakav zrak. Električna polja skreću ovakav zrak. Magnetno polje savija ga u luk, a taj luk je ona vrsta koja je, oblikom, deo kružnice (kružni luk). Kroz debelu metalnu ploču ovaj zrak ne može da se probije, kroz tanku metalnu foliju može.
     Zanimljive činjenice, ali ostala je glavna tajna: šta su katodni zraci? U poznom devetnaestom veku, nagađanja o ovome išla su u dva pravca. Neki istraživači su mislili da bi katodni zraci mogli da budu elektromagnetne vibracije u eteru, i to vibracije bez ikakve mase. Nije im to bilo loše nagađanje. Jer, katodni zrak svetli kao svetlosni zrak, koji jeste jedna vrsta (ali ne ta vrsta) elektromagnetnog treperenja. Jasno je bilo da elektricitet, koji je oblik elektromagnetizma, ima neke veze sa ovim zrakom.
     Drugi tabor tvrdio je da katodni zrak ipak jeste neki oblik materije. Nagađalo se da su to neki molekuli gasa u cevi, koji su od elektriciteta uzeli deo napona. Ali isto tako se nagađalo da je katodni zrak sazdan od nekog novog oblika materije, od nekakvih sitnih čestica koje nikad dotad nisu izdvojene. Iz raznih razloga, zamisao da postoji neki osnovni prenosilac naelektrisanja 'visila je u vazduhu'. Pa, dobro, hajde da mi odmah pustimo mačku iz te vreće. Katodni zraci nisu bile elektromagnetne vibracije, niti su bili molekuli gasa.
     Da je Faradej bio još živ u to doba, šta bi rekao? Njegovi zakoni snažno su nagoveštavali da postoje 'atomi elektriciteta'. Setićete se da je i Faradej pravio neke slične opite, s tim što je provodio električnu struju kroz tečnosti, a ne kroz gasove; na kraju je dobijao jone, dakle naelektrisane atome. Još godine 1874, Džordž Džonston Stouni (George Johnston Stoney), irski fizičar, skovao je termin 'elektron' za onu jedinicu naelektrisanja koja bude izgubljena u trenutku kad neki atom postaje jon. Da je Faradej mogao da gleda katodne zrake, možda bi u dubini duše znao da su to elektroni u akciji.
     Neki naučnici su u ovom razdoblju možda naslućivali da je katodni zrak sačinjen od čestica; možda su neki i smatrali da je, time, elektron konačno pronađen. Ali kako to ustanoviti? Kako dokazati? U razdoblju pomnih istraživanja, do godine 1895, mnogi istaknuti istraživači u Engleskoj, Škotskoj, Nemačkoj i SAD proučavali su električna pražnjenja u gasovima. 'Zlatni rudnik' našao je, međutim, tek Dž. Dž. Tomson, Englez. Neki drugi su bili na domaku. Osvrnućemo se na dvojicu takvih, samo da bismo videli koliko tuge i žalosti može biti u naučnom radu.
     Tip koji se najbliže primakao da pre Tomsona otkrije elektron bio je Emil Vajhert (Emil Weichert), pruski fizičar. Svoju tehniku pokazao je publici u jednoj dvorani, januara 1887. godine. Njegova staklena cev bila je oko četrdeset centimetara dugačka, a osam centimetara u prečniku. Dvorana je bila delimično zamračena, tako da su blistavi katodni zraci u cevi bili odlično vidljivi.
     Ako si naumio da nekoj čestici nabaciš laso oko vrata i uvučeš je u ogradu zvanu 'koral', moraš da postigneš dve stvari: da opišeš koje naelektrisanje (e) ona ima i koju masu (m). U ono doba, čestica o kojoj govorimo nije mogla da bude izmerena jer nije bilo načina da se izmeri težina nečeg tako malenog. Da bi zaobišli ovaj problem, mnogi istraživači su se, nezavisno jedan od drugog, dosetili da na zrak deluju poznatim električnim i magnetnim silama, pa da izmere nastalu reakciju zraka. Sećate se da je F = ma. Ako je katodni zrak stvarno mlaz nekakvih naelektrisanih čestica, onda će sila, koja na njih deluje, zavisiti od količine naelektrisanja (e) koju svaka ta čestica nosi. Ali će reakcija zraka biti utoliko slabija ukoliko je inerciona masa (m) svake čestice veća. Na nesreću, dakle, jedino si mogao da izmeriš koeficijent dobijen deljenjem jedne te veličine drugom; razlomak e/m. A to znači da nikako nisi mogao naći koliko je samo e, a koliko je samo m. Šta ti vredi da dobiješ neki broj koji je ishod deljenja e sa m? Evo jednog jednostavnog primera. Daju ti broj 21 i kažu da je nastao tako što je nešto podeljeno sa nečim. Imaš, zaista, jedan nagoveštaj, ali samo nagoveštaj. Ta dva broja za kojima tragaš mogu biti 21 i 1, ili, isto tako, 63 i 3, ali moglo bi biti i 7 i 1/3. Zašto ne 210 i 10? I tako dalje - do beskonačnosti. Ali kad bi bar naslutio koji je jedan od ta dva broja, za tren bi ustanovio i onaj drugi. Dedukcijom.
     U svome jurišu na e/m, Vajhert je preko cevi stavio potkovičasti magnet, tako da se cev našla u rupi potkovice, između krakova. Blistavi zrak savio se u luk. Magnet odguruje električne naboje u česticama na jednu stranu; ukoliko su one sporije, utoliko će lakše magnet uspeti da savije njihovu putanju u kružni luk. Vajhert je dokučio kolika je brzina zraka, i na osnovu toga i magneta prilično dobro ocenio e/m.
     Bilo mu je takođe jasno da ako može na osnovu iole ikakvog znanja da nasluti koliko je naelektrisanje čestice, odmah potom može i da izračuna približnu njenu masu. Zaključak Vajhertov glasio je: "Nemamo ovde nikakva posla sa atomima znanim iz hemije, jer masa ovih pokretnih čestica (u katodnom zraku) izgleda da je dve hiljade do četiri hiljade puta manja od mase najlakšeg poznatog hemijskog atoma, vodonikovog." To je bilo maltene u samo središte mete. Čovek je bio svestan da traga za novom vrstom čestice. Bio je prokleto blizu da pogodi njenu tačnu masu. (Danas znamo da je masa jednog elektrona 1.837 puta manja nego masa vodonikovog atoma.) Pa, zašto je onda Tomson u visinama slave, a Vajhert samo fusnota? Zato što je Vajhert naprosto pretpostavio (nagađao) vrednost za naelektrisanje; nije imao nikakav dokaz o tome. Vajhertu je smetalo i to što je baš tada prelazio sa jednog zaposlenja na drugo; kao i to što mu je pažnju odvlačilo drugo interesovanje - za geofiziku. Bio je to naučnik koji je pogodio tačan zaključak, ali nije imao sve podatke potrebne za to. Na ovom vašaru tvoja strelica je pogodila, Emile, ali cigaru nisi osvojio!
     Drugi 'Uh! zamalo!' pronalazač elektrona bio je Valter Kaufman (Walter Kaufmann) u Berlinu. Taj drugar je projurio preko linije finiša ove trke u aprilu 1897, ali su njegove greške bile tačno suprotne od Vajhertovih. Čovek prikupio dobre podatke... a onda loše razmišljao o njima. I on je pomoću magnetnih i električnih polja došao do vrednosti za e/m, ali je poneo ove opite još dalje - jedan značajan korak dalje. Zainteresovao se za pitanje kako bi se vrednost e/m menjala kad bi se i pritisak gasa u cevi menjao, i kad bi se, štaviše, menjala vrsta gasa u cevi - vazduh, vodonik, ugljen-dioksid. Za razliku od Vajherta, Kaufman je mislio da su čestice katodnog zraka naprosto naelektrisani atomi tog gasa koji se u cevi nalazi; iz toga proističe da će one imati sasvim različite mase kad je u cevi ovaj, ili onaj, ili neki treći gas. Ali... iznenađenje. Kaufman je ustanovio da se vrednost (e/m) prilikom promene vrste gasa u cevi ne menja. Uvedeš u cev bilo koji gas i pod bilo kojim pritiskom, a ovo e/m ostane - isto! Kaufman je ostao 'bez teksta', nije znao šta bi dalje preduzeo. Zato je i propustio čamac ka obali slave. Šteta, šteta zaista, jer njegov opit bio je i te kako elegantan. Kaufman je čak tačnije izračunao vrednost e/m nego onaj ko je u ovom takmičenju pobedio, Dž. Dž. Tomson. Zaista je jedna od svirepih ironija nauke da Kaufman nije video, nije čuo ono što su njegovi podaci naprosto vikali, vrištali njemu u lice: tvoje čestice su novi oblik materije, hej, Dummkopf, glavo tvrda! Te čestice su sastavni delići atoma, i to svih atoma, svake vrste atoma. Zato se e/m ne menja.
     Džozef Džon Tomson počeo je karijeru u oblasti matematičke fizike i veoma se iznenadio kad su ga, 1884. godine, imenovali za profesora eksperimentalne fizike u slavnoj laboratoriji Kevendiš na Kembridžskom univerzitetu. Baš bi lepo bilo kad bismo znali da li je zaista želeo da postane eksperimentator. Nadaleko se širio glas o njegovoj fizičkoj trapavosti u rukovanju raznim predmetima tokom obavljanja opita. Ali on je imao tu sreću da su se oko njega našli odlični asistenti koji su postupali po njegovim uputstvima, tako da profesor Tomson nije morao da prilazi ni blizu staklariji koja, kao što znamo, tako lako može da se polomi.
     Godine 1896. Tomson je prionuo na posao da shvati prirodu katodnog zraka. Imao je i on staklenu cev dugačku četrdeset centimetara. I, sad, na jednom kraju je katoda iz koje izbijaju ti tajnoviti zraci. Zraci srljaju prema anodi, dobro, ali u anodi je neko izbušio rupu. Ta rupa dopušta jednom delu katodnih zraka (čitaj: elektrona) da prolete kroz nju i lete dalje, sve do kraja cevi. Tamo je namešten jedan fluorescentni ekrančić. Na njemu nastaje blistava zelena tačkica. Tomson uvodi jedno iznenađenje. U cev unosi dve pločice, dugačke po petnaestak centimetara. Jednu namešta iznad, drugu ispod. Katodni zrak koji je već prošao kroz rupu u anodi mora sad da prođe i između ovih pločica, da bi tek onda udario u ekrančić. Tomson povezuje te dve pločice za bateriju, pušta struju, nastaje električno polje pod pravim uglom u odnosu na putanju katodnog zraka. Sad smo u oblasti defleksije.
     Ako zrak bude reagovao na ovo polje, to će značiti da je nosilac naelektrisanja. Ako su, međutim, katodni zraci fotoni, prenebreći će postojanje ove dve pločice i produžiće da se kreću pravolinijski sve do ekrana. Tomson uzima moćnu bateriju i vidi da se zelena tačkica na fluorescentnom ekranu pomera nadole kad je gornja pločica naelektrisana negativno, a nagore kad je naelektrisana pozitivno. Time dokazuje da su katodni zraci naelektrisani. Onako uzgred otkriva da ako je struja naizmenična, ako se brzo smenjuju njena dva pola (plus-minus, plus-minus, plus-minus...) tačkica juri gore-dole, gore-dole, tako brzo da se pretvara u blistavu zelenu liniju. To je prvi korak u pravcu stvaranja televizijskog ekrana i gledanja Dena Rejdera na večernjem TV dnevniku.
     Ali godina je tek 1896, a Tomsonu sad nije do toga. On nešto drugo ima na umu. Pošto je sila poznata (to je jačina električnog polja), ništa lakše nego izračunati, pomoću najjednostavnije njutnovske mehanike, koliko ta blistava tačkica treba da se pomeri nagore, ili nadole, ako znamo brzinu zraka. Sad Tomson ubacuje jedan trik. Namešta i magnet oko cevi u takav položaj da magnetno polje deluje sasvim suprotno električnom polju; znači, magnetni otklon i električni otklon treba međusobno da se tačno potru. Pošto će magnetna sila zavisiti od te nepoznate brzine, Tomsonu je dovoljno da očita snagu električnog i snagu magnetnog polja, pa da dobije tačnu vrednost za pomenutu brzinu. On to i čini. E, sad, kad je ustanovio brzinu kretanja katodnog zraka, može se vratiti prethodnom zadatku, merenju otklona zraka u električnom polju. Dobija rezultat, tačnu vrednost za e/m, a to je razlomak dobijen deljenjem naelektrisanja jedne čestice katodnog zraka masom te iste čestice.
     Veoma prilježno, Tomson pušta različite jačine električnog polja da deluju. Meri otklone. Poništava otklone pomoću dejstva drugih polja. Meri polja, dobija još podataka o e/m. Isto kao i Kaufman, sve proverava i sa katodom napravljenom od drugih metala (od aluminijuma, platine, bakra, kalaja). Opiti ponovljeni - rezultati isti. Dobija se uvek jedan isti broj. Tomson takođe menja gas u cevi: vazduh, vodonik, ugljen-dioksid. Rezultati opet isti. Tomson ne ponavlja Kaufmanovu grešku. Zaključuje da katodni zraci nisu nealektrisani molekuli nijednog gasa, nego da su to neke osnovne čestice koje moraju ulaziti u sastav sve materije.
     Pošto još nije zadovoljan količinom prikupljenih dokaza, on se doseti da iskoristi zakon o očuvanju energije. Hvata katodne zrake tako što na njihovu putanju stavlja jedan blok metala, kao malu opeku. Taj blok hvata katodne zrake i zadržava ih u sebi. Energija kojom zraci raspolažu poznata je; to je, naprosto, električna energija, tačno ona koju im napon baterije daje. Koliko će se blok metala zagrejati? Tomson meri tu temperaturu i opaža da, kad podeli energiju (onu koju su hipotetični 'elektroni' morali imati) toplotom stvorenom u metalnoj 'opeki', dobija baš onu istu razmeru e/m. Kreće dugotrajnim nizom opita i dobija vrednost za e/m (2,0 x 1011 kulona po kilogramu) koja nije mnogo različita od njegovog prvog nalaza. Godine 1897. Tomson saopštava rezultat: "Imamo u katodnom zraku materiju u jednom novom stanju, stanju u kome se sa deobom materije na sve sitnije i sitnije deliće otišlo mnogo, veoma mnogo dalje nego pri stvaranju običnog gasovitog stanja." Ova "deoba materije na sve sitnije i sitnije deliće" važi za svu materiju, a pronađeni delići jesu "deo one tvari od koje su hemijski elementi sazdani".
     Kako nazvati tu novu česticu? Već je pri ruci reč koju je smislio Stouni, 'elektron'; pa, kad je tako, nek bude elektron. Tomson je krenuo da drži predavanja i da piše članke o osobinama čestica katodnog zraka. Ovim se bavi od aprila do avgusta 1897. Taj posao je poznat pod nazivom marketing - iznošenje tvojih naučnih rezultata na 'tržište'.
     Preostala je još jedna zbunjujuća stvar koju je trebalo razrešiti. Kolika je vrednost samo e, a kolika je, zasebno od e, vrednost onoga m? Tomson se tu nalazi u istom škripcu kao Vajhert nekoliko godina pre toga. Zato preduzima nešto oštroumno. Primećuje da je e/m za ovu novu česticu otprilike hiljadu puta veće nego za vodonik, najlakši od svih hemijskih atoma, i shvata da kod elektrona ili e mora biti mnogo veće, ili m mnogo manje. Šta više volimo: veliko e ili malo m? Po intuiciji, Tomson ide na malo m - hrabar izbor, jer on je naprosto nagađao da bi nova čestica mogla imati majušnu masu, daleko manju od vodonikove. Imajmo na umu da u to doba većina hemičara i fizičara još veruje da se hemijski atom ne može podeliti. A, gle, šta radi ovaj Tomson, insistira da taj sjaj u njegovoj cevi jeste dokaz da postoji jedan zajednički sastojak svih atoma, jedan njihov sitniji sastavni delić.
     Godine 1898. Tomson kreće da izmeri električni naboj elektrona. To bi značilo da, posredno, ustanovi odmah i masu elektrona. Za ovo koristi sasvim novu tehniku, poznatu pod nazivom 'maglena komora'. Izmislio ju je njegov student, Škotlanđanin po imenu Vilson (C. T. R. Wilson), ali sa namerom da proučava osobine kiše. U Škotskoj imaju kiše napretek; tamo nije nestašica toga. Kiša nastaje kad se vodena para kondenzuje oko trunčica prašine, stvarajući, tako, kapljice. Kad je vazduh čist, naelektrisani atomi, dakle joni, mogu da posluže umesto prašine. E, upravo to se dešava u maglenoj komori. Ukupni električni naboj magle u komori Tomson je izmerio pomoću elektrometrijske tehnike, a onda je ustanovio koliki je naboj svake kapljice vlage tako što ih je prebrojao i njihovim brojem podelio ukupni naboj.
     Kad sam spremao doktorsku disertaciju, morao sam kao deo tog posla da načinim jednu Vilsonovu (to jest, maglenu) komoru, i od tada mrzim tu tehniku, mrzim Vilsona, mrzim svakoga ko je imao ikakve veze sa tom zlosrećnom spravom tvrdoglavom poput mazge. To što je Tomson izvukao tačnu vrednost e i onda, naravno, dobio i tačnu vrednost m, to je čudo nad čudima. A pomislite samo sa čim se on još suočavao... Njegova odanost poslu morala je biti stvarno stamena. Otkud on zna koliko je jako električno polje? Pročita nalepnicu na bateriji, možda? Nalepnice nema. Otkud zna baš tačnu jačinu magnetnog polja, bez čega ne može izmeriti brzinu? A kako je on uopšte merio struju? Gledaš kako se pomiče igla na skali, ali tu ima problema. Igla ima i neku svoju debljinu. Igla se ponekad njiše ili treperi. A kako si kalibrisao taj merni instrument - na osnovu čega su podeoci na skali nacrtani baš tako, a ne drugačije? Godine 1897. nisi mogao iz nekog kataloga da naručiš sve što treba, proizvedeno tačno po standardima. Svako pojedino merenje - napona, jačine struje, temperature, pritiska, udaljenosti, proteklog vremena - bilo je zaseban, ogroman problem. Za rešavanje svakog takvog problema, morao si do u tančine da poznaješ rad baterije, magneta, mernog instrumenta.
     A tek politički problem: kako ubediti ljude koji su na vlasti da ti odobre novac potreban za sve to. Tomson je bio gazda u toj laboratoriji, što mu je zaista pomoglo. Međutim, ne pomenuh najveći od svih problema: kako odlučiti koji opit treba da se radi. Tomson je imao dar, političku spretnost i fizičku izdržljivost da izgura do kraja taj posao u kome su svi drugi poklekli i pali. Godine 1898. objavio je da su elektroni sastojci atoma i da su katodni zraci elektroni otrgnuti od atoma. Do tada su naučnici mislili da je hemijski atom lišen strukture, da ga je nemoguće preseći. Tomson ga je rasklopio.
     Atom je tako bio rascepljen. Našli smo našu prvu elementarnu česticu, prvi a-tom. Čujete li da se neko tamo tiho smejulji?

5. GOLI ATOM

     Ovde se dešava nešto glasno,
     al' šta se dešava nije jasno.

     Bafalo Springfild

     Na novogodišnje veče na kraju 2000. godine, dok se ceo svet bude veselio na poslednjoj velikoj svetkovini u ovom stoleću, fizičari od Palo Alta do Novosibirska, od Kejptauna do Rejkjavika, odmaraće se, umorni od svoje svetkovine otprilike tri godine pre toga - kad su proslavili stotu godišnjicu (a to je u 1998. godini) otkrića elektrona, prve zaista elementarne čestice. Fizičari vole da svetkuju. Proslaviće oni rođendan svake čestice, ma kako opskurne. Ali elektron - o, uau! Plesaće oni po ulicama.
     Kad su otkrili elektron, posle toga su mu često nazdravljali, na mestu gde je rođen (a to je u laboratoriji Kevendiš u Kembridžu) govoreći sa čašom u uzdignutoj ruci: "Dugo nam poživeo i nikada ni za šta ne poslužio!" Ali nije uspelo. Prošlo je, evo, nepuno jedno stoleće, a celokupna naša tehnološka nadgradnja zasnovana je na tom jednom malenom drugaru, elektronu.
     Tek što se rodio, elektron je počeo da nam pravi probleme. Baca nas on 'u rebus' i do dana današnjeg. Kad hoćemo sebi da dočaramo 'sliku' elektrona, onda zamislimo jednu lopticu električnog naboja koja se brzo vrti oko svoje ose i time stvara magnetno polje. Dž. Dž. Tomson se borio kao lav da izmeri naelektrisanje i masu ove čestice, i izborio se. Danas znamo i jednu i drugu vrednost veoma precizno.
     Pažnja, sad kreće ono avetinjsko. U čudnovatom svetu atoma, manje-više je usvojeno da je poluprečnik elektrona jednak nuli. Ovo postavlja pred nas izvesne probleme:

     - Ako je poluprečnik nula, šta se vrti?
     - I kako može imati masu?
     - I gde je taj njegov naboj?
     - Otkud nam uopšte zamisao da mu je poluprečnik jednak nuli?
     - Je l' možete vi nama da vratite pare koje smo uplatili za ovakvo 'školovanje'?

     Sad se gledamo oči u oči sa problemima Ruđera Boškovića. On je problem sudaranja atoma rešio tako što ih je pretvorio u tačke, bez ikakvih dimenzija. Te njegove tačke bile su, bukvalno, matematičke tačke, ali je on ipak dozvolio svojim tačkastim česticama da zadrže neke sasvim obične osobine: masu, kao i nešto što danas nazivamo naboj (a Bošković je govorio da je to "izvor polja sile"). Bošković je pričao teorijski, spekulativno. Ali elektron je stvaran, stvarno postoji. Verovatno jeste tačkasta čestica, ali sve one druge odlike ima. Zadržava ih, nedirnute. Masu ima. Naelektrisanje ima. Spin ima. Poluprečnik nema.
     Setite se češirskog mačora u romanu Alisa u zemlji čuda Luisa Kerola (Lewis Carroll). Malo-pomalo nestaje češirski mačak, i najzad ga nema, samo njegov osmeh ostaje. Mačora tu nema. Samo se osmeh zadržao. Pa, lepo, zamišljajte kako se poluprečnik jedne čestice, koja se vrti oko svoje ose, smanjuje, smanjuje polako, i najzad nestane, ali ostanu spin te čestice, naelektrisanje, masa i osmeh.
     Ovo poglavlje govori o rođenju i razvoju kvantne teorije. To je priča o onome što se dešava u atomu. Počinjem sa elektronom zato što je takva čestica, koja ima masu i spin, a nikakav prečnik nema, suprotna intuiciji nas, ljudskih bića. Ona je, dakle, kontraintuitivna. Razmišljati o takvim stvarima, to je kao da radiš moždane sklekove. Hoće mozak da zaboli malčice jer si prinuđen da koristiš neke opskurne moždane mišiće koji do tada nisu radili, možda, ništa.
     Pa ipak, zamisao o elektronu kao tačkastoj masi, tačkastom električnom naboju i tačkastom spinu stavlja nas pred konceptualne probleme. Sa ovim strukturnim teškoćama blisko je povezana i Božija čestica. Dubinsko shvatanje šta je to 'masa' nama još izmiče, a elektron iz tridesetih i četrdesetih godina bio je vesnik ovih teškoća. Merenje razmera elektrona postalo je svojevrsna narodna radinost, tu su branili doktorske disertacije pripadnici svake nacije, iz celog sveta, pa i sa Tibeta. Prolazile su godine, izvođeni su opiti sa sve većom osetljivošću i svaki put dobijani su sve manji i manji brojevi. Rezultati su svaki put bili takvi da bi se uklopili i sa nultim poluprečnikom. Kao da je Bog uzeo elektron u šaku i stiskao (stiskala) najjače što može. Uz pomoć velikih akceleratora napravljenih tokom sedamdesetih i osamdesetih godina ovog veka, ova merenja postadoše još preciznija. Godine 1990. ustanovljeno je da poluprečnik elektrona mora biti manji od 0,000000000000000001 inča, ili, naučno napisano, oko od 10-18 cm. To je najbolja 'nula' koju fizika može o elektronovom poluprečniku da dâ... za sada. Kad bih smislio opit kojim bi se na ovo mogla dodati još jedna nula, bacio bih iz ruku sve druge poslove i pojurio bih da tražim odobrenje za taj poduhvat.
     Još jedna zanimljiva osobina elektrona jeste njegov magnetizam, koji je opisan pomoću jednog broja, poznatog kao g činilac. Upotrebom kvantne teorije, izračunato je da g činilac iznosi:

     2 x (1,001159652190)

     Ali to su bila izračunavanja! Velemajstori teorijske fizike godinama su radili, koristeći ogromno vreme na kompjuterima, da bi to izračunali. Radi potvrđivanja, eksperimentatori su smislili veoma domišljate metode da izmere g činilac sa istom takvom preciznošću. Rezultat je:

     2 x (1,001159652193)

     Kao što vidite, imamo potvrdu maltene do dvanaestog decimalnog mesta. To je spektakularno podudaranje teorije i opita. Suština je ovde to što proračuni g činioca izrastaju iz kvantne teorije, a u samom srcu kvantne teorije leži ono što danas kažemo da je 'Hajzenbergovo načelo neodređenosti'. Godine 1927. jedan nemački fizičar predložio je zapanjujuću zamisao: da je nemoguće izmeriti, sa nekom proizvoljno željenom preciznošću, i brzinu i položaj čestice istovremeno. Ponavljam - i jedno i drugo; nemoguće je izmeriti oba. Ova nemogućnost nema nikakve veze sa genijalnošću eksperimentatora i sa razmerama budžeta koji mu je dat na raspolaganje. Ta nemogućnost je jedan od najosnovnijih zakona prirode.
     Pa ipak, iako je neodređenost utkana u samo tkivo, u samo biće kvantne teorije, ova teorija nastavlja da proizvodi sve nova i nova predviđanja koja se posle podudare sa rezultatima opita do, recimo, jedanaestog decimalnog mesta. Kvantna teorija je nesumnjivo naučna revolucija i ujedno uporište na kome leže temelji celokupne nauke dvadesetog veka... ali počela je priznanjem o jednoj neodređenosti, nemogućnosti da se bude siguran.
     Otkud nam ta teorija? Priča o tome je dobro detektivsko štivo; kao i u svim delima te vrste, i ovde imate tragove, od kojih su neki pravi, a neki lažni. Na sve strane se vrzmaju neki batleri i zbunjuju detektive. Gradski panduri, pa zatim policija savezne države i, najzad, FBI dolaze, svađaju se, sarađuju, odlaze svaki na svoju stranu. Junaka ima mnogo. Postoje preokreti i onda preokreti preokreta. Daću jedno veoma jednostrano gledanje na ovo, nastojaću da prenesem uglavnom samo kakvo je bilo osećanje dok su se ove zamisli razvijale od 1900. do tridesetih godina. (Tada su veoma zreli 'revolucionari' doveli u red i 'završne' pojedinosti ove teorije.) Ali, upozoravam vas! Mikrosvet je kontraintuitivan; tačkaste mase, tačkasti naboji, tačke koje se vrte jesu opitno dokazane odlike čestica u atomskom svetu, ali mi u svakodnevnom normalnom životu ne vidimo ništa ni izdaleka slično tome. Ako ćemo preživeti zajedno i ostati prijatelji do kraja ovog poglavlja, moraćemo naučiti da prepoznajemo onaj mamurluk koji u našoj glavi ostaje zbog ograničenog iskustva koje stičemo kao makrostvorenja. Dakle, zaboravite ono što je normalno; očekujte šok i nevericu. Nils Bor, jedan od osnivača kvantne teorije, rekao je da onaj ko kvantnom teorijom nije šokiran, nije ni razumeo šta se u njoj kaže. Ričard Fajnmen je saopštio da kvantnu teoriju ne razume niko. ("Pa šta onda Vi očekujete od nas?" pitaju moji studenti.) Ajnštajn, Šredinger i još neki dobri naučnici nikada se nisu pomirili sa implikacijama kvantne teorije, pa ipak, danas, u devedesetim godinama dvadesetog veka, za mnoge kvantne 'aveti' smatra se da su od presudnog značaja za razumevanje nastanka Vaseljene.
     U arsenalu intelektualnog naoružanja sa kojim su istraživači zakoračili u novi svet atoma behu i Njutnova mehanika i Maksvelove jednačine. Činilo se da sve makroskopske pojave jesu podvrgnute tim dvema moćnim sintezama. Ali opiti iz devedesetih godina devetnaestog veka počeli su da zabrinjavaju teoretičare. O katodnim zracima već smo govorili, a oni su doveli do otkrića elektrona. Godine 1895. Vilhelm Rentgen (Wilhelm Röntgen) otkrio je zrake koji se po njemu tako i zovu, rendgenski zraci. Godine 1896. Antoan Bekerel (Antoine Becquerel) pukim slučajem otkriva radioaktivnost; naime, on je strpao u istu ladicu izvesne fotografske ploče i neke komade urana. Radioaktivnost je brzo dovela do koncepta životnog veka i 'veka poluraspadanja' (ili 'poluživota') radioaktivnih tvari. Polovina radioaktivnog materijala raspadne se posle izvesnog vremena, osobenog za taj materijal. Reč je tu o jednom proseku koji se može izmeriti, ali kad će se i da li će se neki određeni, pojedinačni atom raspasti, to je nepredvidljivo. Pa, šta sve to znači? To nikome nije bilo jasno. Nijedna od pomenutih pojava nije se mogla objasniti na klasičan način.

KAD DUGA NIJE DOVOLJNA

     Fizičari su tada počeli da zaviruju izbliza i u osobine svetlosti. Njutn je pomoću prizme pokazao da može napraviti kopiju duge tako što će rastaviti belu svetlost u njene spektralne sastojke; dobija se spektar koji počinje crvenom bojom, a na drugom kraju se završava ljubičastom, pri čemu se boje postupno i glatko pretapaju jedna u drugu. Godine 1815. Jozef fon Fraunhofer (Joseph von Fraunhofer), zanatlija veoma vešt, znatno je unapredio optički sistem korišćen za gledanje tih boja koje izviru iz prizme. Namestio je pored prizme maleni teleskop. Kad zuriš jednim okom kroz taj teleskop, a drugo zatvoriš, ugledaš veoma jasno, sa izvrsnim izoštrenjem, uveličanu sliku spektra. Ovim instrumentom Fraunhofer je začas došao do jednog otkrića. Na veličanstvenim bojama Sunčevog spektra postoje, pokazalo se, neke fine crne linije, čitav niz; Fraunhofer je posle nekog vremena zabeležio čak 576 tih uporednih tankih linija. Šta bi to moglo da znači? U Fraunhoferovo vreme već je bilo poznato da je svetlost talasna pojava. Kasnije će Džejms Klerk Maksvel pokazati da su svetlosni talasi električna i magnetna polja i da je, kod njih, presudan parametar razdaljina između vrha jednog talasa i vrha sledećeg - dakle, talasna dužina, koja određuje boju.
     Kad znamo talasne dužine, možemo spektar duginih boja raširen ispred nas razložiti na uspravne uporedne trake i svakoj traci pridodati određene brojčane vrednosti. Biće to numerička skala, to jest raspon brojeva. Vidljiva svetlost kreće se od duboke crvene, koja ima talasnu dužinu oko 8.000 angstrema (0,00008 cm), pa sve do duboke ljubičaste, koja ima oko 4,000 angstrema. Upotrebljavajući ovu skalu, Fraunhofer je tačno odredio mesto svake od tih tankih crnih linija. Na primer, jedna slavna, poznata kao 'ha-alfa' (tako se naziva, a ako ti se to ne dopada, možeš da je prekrstiš u, recimo, 'Cica') ima talasnu dužinu od 6.526,8 angstrema i nalazi se u zelenom području, blizu sredine spektra.
     Šta nas briga za te crte? Briga nas je i te kako, jer je oko 1859. godine nemački fizičar Gustaf Robert Kirhof (Gustav Robert Kirchoff) pronašao duboku povezanost ovih linija sa hemijskim elementima. Tip je zagrevao pojedine hemijske elemente - bakar, ugljenik, natrijum - u plamenu dok ih nije doveo do usijanja. Propuštao je struju kroz razne gasove u cevima i pomoću još usavršenije optičke aparature osmatrao je spektar dobijen razlaganjem svetlosti iz svake takve užarene tvari. Otkrio je da svaki element emituje osobeni niz vrlo oštrih linija, blistavo obojenih, na pozadini koja se sastojala od tamnijeg žarenja boja koje se bez prekida prelivaju jedna u drugu. Kod Kirhofa je u unutrašnjost teleskopa bila već umetnuta jedna skala, ugravirana u staklo, kalibrisana da pomoću nje možeš odmah tačno izmeriti talasne dužine. Na taj način se moglo vrlo precizno odrediti mesto na kome se nalazi svaka blistava linija. Pošto su rasporedi ovih linija bili različiti za svaki hemijski element, Kirhof i njegov saradnik Robert Bunzen (Robert Bunsen) napravili su katalog ovih 'otisaka prstiju' koje svaki element ostavlja pomoću pomenutih spektralnih linija. (Kirhofu je bio potreban neko da užaruje sve te elemente; a koga bi boljeg mogao da angažuje nego čoveka koji je pronašao Bunzenov gorionik?) Uskoro su istraživači mogli, uz malo veštine, da ustanove da li se u neki užareni komad provukla nečistoća - prisutnost nekog drugog hemijskog elementa u maloj količini. Tako je nauka dobila alatku pomoću koje može da ispituje hemijski sastav svakog predmeta koji iz sebe zrači svetlost - Sunca, na primer; posle izvesnog broja godina počeli smo na taj način da ispitujemo i sastav dalekih zvezda. Naučnici su našli spektralne linije čitavog niza novih, još neotkrivenih hemijskih elemenata, kao prebogati rudnik. U Suncu je nađen jedan takav i dat mu je naziv 'sunčani', a to je helijum. U spektru je uočen 1878. godine, a tek sedamnaest godina kasnije ovaj hemijski element koji se u zvezdama rađa otkriven je i na Zemlji.
     Pomislite kakvo je to uzbuđenje bilo kad je prvi put proučena svetlost jedne blistave zvezde... i kad se pokazalo da je i ona sagrađena od istih ovih materijala od kojih smo sagrađeni mi, ovde, na Zemlji! Pošto je svetlost zvezda veoma bleda, bila je potrebna velika veština u baratanju teleskopom i spektroskopom da bi se proučavali zvezdani spektralni otisci boja i crnih linija, ali su dobijeni zaključci koje više niko nije mogao da izbegne: i Sunce i zvezde od iste su građe kao Zemlja. Zapravo, još nismo našli ni jedan jedini element u zvezdama koji već nemamo na Zemlji. Svi smo napravljeni od zvezdane tvari. Za svako uzvišeno zaključivanje o svetu u kome živimo ovo otkriće je, naravno, od nepojamno velike važnosti. Ono dodatno potvrđuje Kopernikovo gledište: nismo ništa posebno.
     Ah, da, ali otkud one crne crte koje je video već Fraunhofer, tip koji je sve ovo započeo? Crne uspravne linije u spektru Sunca? Odgovor na ovo pitanje nađen je prilično brzo. Užareno jezgro Sunca (ono je belo; nalazi se u stanju belog usijanja) emituje svetlost svih talasnih dužina. Međutim, ta svetlost mora da prođe kroz srazmerno 'prohladne' (to jest, mnogo hladnije od jezgra) gasove na površini Sunca, a dok svetlost prolazi, gasovi apsorbuju iz nje izvesne frekvencije, i to upravo iste one koje vole i da emituju. Prema tome, Fraunhoferove tamne linije su posledica, i dokaz, apsorpcije, upijanja. A njegove svetle linije su posledica, i dokaz, emisije.
     Nalazimo se, dakle, na kraju devetnaestog veka i nastojimo sve ovo nekako da skontamo. Šta sad? Navodno su hemijski elementi čestice koje su tvrde, imaju masu, nemaju strukturu, nemoguće je da budu presečene: a-tomi. Ali, gle, svaki takav 'a-tom' izgleda da je sposoban da emituje ili apsorbuje svoj osoben niz oštrih traka elektromagnetne energije. Nekim naučnicima se činilo da ove činjenice naprosto viču, da se dernjaju: "Struktura! Struktura!" Bilo je veoma dobro poznato da neki mehanički predmeti imaju strukturu koja, kad na nju delujete ujednačenim, pravilnim i jednakim impulsima, počinje da daje rezonanciju, pojačano odzvanjanje. Žice na violini ili u klaviru trepere i zato ovi vrlo pažljivo pravljeni instrumenti daju muzičke note. Kad neki moćni tenor peva savršenu notu, dešava se da fina vinska čaša prsne u komade. Vojska krene preko mosta na nerazuman način, gruvajući nogama 'svi u korak' i most počne strahovito da se trese i vibrira. I svetlosni talasi su to isto, ništa drugo: impulsi koji imaju svoj 'ritam', a to vam je njihova brzina podeljena njihovom talasnom dužinom. Ovi mehanički primeri navodili su ljude na pitanje: ako atomi nemaju unutrašnju strukturu, kako mogu da ispoljavaju odlike rezonancije, kao što je ovo sa spektralnim linijama?
     Ali, ako atomi imaju strukturu, šta bi Njutnove i Maksvelove teorije rekle o tome? Jedna stvar bila je zajednička za rendgenske zrake, radioaktivnost, elektron i spektralne linije: ništa od ta četiri nije se nikako moglo objasniti klasičnom teorijom (mnogi su pokušali...). Opet, nijedna od tih pojava nije bila ni u neposrednoj suprotnosti sa Njutnovom i Maksvelovom teorijom. To su bile samo pojave koje se nisu dale objasniti. Dakle, nije se nigde video 'zadimljeni pištolj' i zato klasična fizika nije bila leš u padu; ostajala je nada da će odnekud došetati neki mladi pametnjaković da joj spase život.
     Nije došetao nijedan. Umesto toga, pojavio se pištolj iz koga se dimilo. U stvari, bar tri zadimljena pištolja su se pojavila.

ZADIMLJENI PIŠTOLJ BROJ 1: ULTRALJUBIČASTA KATASTROFA

     Prvi opaženi dokaz koji je pravo krenuo da baš 'ubije' klasičnu teoriju bilo je takozvano 'zračenje crnog tela'. Iz svih predmeta zrači energija. Topliji predmeti zrače više energije. Živo, dišuće ljudsko stvorenje emituje oko 200 vati zračenja u infracrvenom, nevidljivom području spektra. (Teoretičari 210, a političari kad se zahukću dostižu 250.)
     Svi predmeti takođe apsorbuju energiju iz svog okruženja. Ako su topliji od svog okruženja, onda više zrače nego što apsorbuju. To znači: hlade se. Izraz 'crno telo' je stručni, tehnički termin. To bi bilo neko telo koje bi savršeno upijalo - dakle, koje bi uspevalo da upije svih 100% zračenja koja do njega stignu. Takav predmet, kad je hladan, izgleda crn, zato što ne odbija od sebe ni zračak svetlosti (sve upija). Eksperimentatori vole da pominju to zamišljeno 'crno telo' zato što je ono etalon (standard za merenje, za poređenje) prema kome mogu da mere koliko zračenja ispuštaju iz sebe razna tela koja stvarno postoje.
     Kad se neko telo (neko koje stvarno postoji) zagreva, zanimljivo je pratiti njegovo zračenje. Recimo da se zagreva komad uglja, ili konjska potkovica, ili žica u tosteru kad hoćeš da prepečeš krišku hleba. Gledaš koju boju svetlosti predmet ispušta - dakle, koju talasnu dužinu. Zagrevamo predmet polako, a naše oči prvo primete da on počinje da se žariti tamnocrvenom bojom, pa onda svetlijom crvenom; kad postane mnogo vreliji, žari se žutom bojom, zatim plavobelom, a kad se baš veoma užari (mnogo toplote!) onda blista belom svetlošću. Zašto baš belom?
     Postepeno pomeranje boja duž spektra znak je da se, dok temperatura raste, vrhunski intenzitet svetla tako pomera, od infracrvenog preko crvenog i žutog pa sve do plavog. Ali dok se to dešava, širi se i ukupni raspon proizvedenih svetlosnih talasa svih boja. Dok vrhunac (najjača proizvodnja zračenja) stigne do plavog kraja spektra, već je u toku proizvodnja i svih drugih boja, koje se mešaju, što našem oku daje, sveukupno, utisak beline. Pa kažemo: belo usijanje. Danas astrofizičari proučavaju zračenje crnog tela preostalo iz najblistavije provale zračenja u istoriji kosmosa - Velikog praska.
     Ali ovo je digresija. U poslednjih nekoliko godina devetnaestog veka, podaci o zračenju raznih stvarnih tela podvrgnutih usijavanju postajali su sve bolji i bolji. A šta je Maksvelova teorija govorila o tome da bi oni trebalo da budu? Eto katastrofe! Pokazalo se da je Maksvelova teorija govorila nešto što je naprosto pogrešno. Naime, ta Maksvelova, klasična teorija predviđala je jednu određenu krivu (jedan grafikon) raspodele intenziteta svetlosti među različitim bojama, ali pogrešnu krivu. Po klasičnoj teoriji, vrhunac intenziteta morao bi uvek da bude negde u najkraćim talasnim dužinama, nadomak ljubičastog kraja vidljivog spektra, ili čak u nevidljivom delu - ultraljubičastom. Ali ne dešava se tako. Otud kažemo 'ultraljubičasta katastrofa'. To je prvi zadimljeni pištolj.
     U prvo vreme se verovalo da ovaj neuspeh u primeni Maksvelovih jednačina može biti rešen boljim razumevanjem načina na koji materija stvara i zrači elektromagnetnu energiju. Prvi fizičar koji je uvideo stvarni značaj ovog neuspeha bio je Albert Ajnštajn, godine 1905. Ali pozornicu za nastup ovog velikog majstora pripremio je, ipak, neko drugi.
     Ulazi Maks Plank, teoretičar iz Berlina, star oko četrdeset godina, čovek iza koga je već duga karijera u fizici, stručnjak za teoriju toplote. Bio je oštrouman; ali bio je i pravi profa. Jednom prilikom zaboravio je u kojoj fakultetskoj sali je trebalo da održi predavanje; svratio je do kancelarija katedre za fiziku i pitao: "Izvin'te, u kojoj sali danas drži predavanje profesor Plank?" Odgovoriše mu strogim glasom: "Mladiću, nemoj ti tamo da ideš. Suviše si ti mlad da razumeš predavanja našeg učenog profesora Planka."
     U svakom slučaju, Plank je imao na raspolaganju podatke dobijene eksperimentima. Veliki deo tih podataka prikupile su, zapravo, kolege u njegovoj berlinskoj laboratoriji, a on je rešio da ih rastumači. Nadahnuto je nagađao o matematičkom izrazu koji bi se dobro uklopio sa ovim podacima. Nagađao i pogodio. Taj njegov izraz ne samo što je odgovarao raspodeli svetlosnih jačina pri bilo kojoj datoj temperaturi nego se i podudarao sa načinom na koji se ova kriva (raspodela talasnih dužina) menjala sa promenom temperature. Da bismo razumeli ono što se posle toga događalo, važno je naglasiti da data kriva omogućuje da izračunamo temperaturu tela koje zrači. Plank je imao čime da se ponosi. "Danas sam postigao otkriće ravno Njutnovom", hvalio se on svome sinu.
     Sledeći Plankov problem bio je kako da poveže svoj srećan, na znanju zasnovan pogodak sa nekim zakonom prirode. Crna tela emituju (govorili su podaci) vrlo malo zračenja na kratkim talasnim dužinama. Koji bi to 'zakon prirode' mogao suzbijati kratke talasne dužine, koje klasična Maksvelova teorija toliko voli? Nekoliko meseci posle objavljivanja svoje uspešne jednačine, Plank je naleteo na jednu mogućnost. Toplota je oblik energije, a to znači da je energetski sadržaj zračećeg tela ograničen temperaturom tog tela. Što je telo vrelije, više energije ima. U klasičnoj teoriji, ta energija trebalo bi da bude jednako raspoređena na razne talasne dužine. Alll-i! (Naježite se, do đavola, evo ovog trenutka ćemo otkriti kvantnu teoriju.) Pretpostavimo da količina energije zavisi od talasne dužine te energije. Pretpostavimo da kraće talasne dužine 'koštaju' više energije. Onda, ako pokušavamo da proizvodimo kratkotalasna zračenja, utrošimo suviše energije. Ona nam, dakle, ponestane, i nemamo je dovoljno za taj zadatak.
     Plank je ustanovio da mora, ako želi da odbrani svoju formulu (koja je sada poznata kao Plankov zakon zračenja), usvojiti dve pretpostavke, izričito. To je i učinio. Rekao je, prvo, da zračena energija stoji u vezi sa talasnom dužinom svetlosti koja se zrači; i, drugo, da ova pojava neminovno jeste povezana, i to nerazdvojno povezana, sa takozvanim 'diskretnim' zračenjem (a to znači: u zasebnim, izdvojenim količinama, komadićima). Jedino tako je Plank mogao da spase svoju formulu, a da izbegne objavu rata zakonima toplote. Znači, zračenje izlazi iz toplog tela u 'paketićima', u zamotuljcima. Svaki takav zamotuljak je jedna 'količina', što se latinski kaže 'kvantum'. Eto! Rodilo se. Svaki kvantum (to jest, kvant) povezan je sa frekvencijom u kojoj dolazi; jednačina za ovo sasvim je jednostavna i glasi ovako: E = hf. Energija jednog kvanta E jednaka je frekvenciji te svetlosti f pomnoženoj jednom konstantom. Ova konstanta, kojom treba pomnožiti f, jeste, dakako, ovo h. Pošto je frekvencija obrnuto srazmerna talasnoj dužini, kraće talasne dužine (dakle, više frekvencije) koštaju više energije. Kolika god temperatura da je data, ipak je količina energije ograničena, nije beskrajna. Otud se proizvodi manje onih visokih frekvencija. Od ključnog je značaja da svetlost dolazi u paketićima. Frekvencija je brzina podeljena talasnom dužinom.
     Ova konstanta koju je Plank uveo, h, bila je određena već prikupljenim podacima. Ali šta je h? Plank ju je nazivao 'kvantum akcije', to jest 'količina delanja', ali istorija je odlučila da se h zove 'Plankova konstanta'. Tako je ostalo i ta će konstanta zauvek simbolisati ovu revolucionarnu novu fiziku. Plankova konstanta ima određenu vrednost, koja iznosi 4,11 x 10-15 eV sekundi. Pa, sad, ako vam to nešto znači. Nemojte se truditi da upamtite. Samo uočite da je to veoma malen broj, jer u sebi ima ovo 10-15, što znači nula zapeta nula nula nula... i tako redom, petnaest nula posle decimalne zapete i tek onda nešto.
     Ovo - uvođenje zamisli da postoji kvant, to jest zamotuljak energije - jeste prekretna tačka, iako ni Plank ni njegove kolege nisu shvatali dubinu tog otkrića. Jedini je to shvatio Ajnštajn. Samo je on uvideo stvarni značaj Plankovih kvanta; a sva ostala naučna zajednica uspela je to da ukapira tek posle još dvadeset pet godina razjašnjavanja. A Maksa Planka je njegova sopstvena teorija bacila u zabrinutost. Nije želeo da vidi uništenje klasične fizike. "Moraćemo nekako živeti sa kvantnom teorijom", rekao je Maks Plank konačno, mireći se sa sudbinom. "A ona će se, verujte mi, širiti. Neće ona ostati samo u optici. Zahvatiće sva polja." Kako je bio u pravu!
     Dodaćemo jedan završni komentar o ovome. Godine 1990. jedan satelit koji se naziva 'Istraživač kosmičkog pozadinskog zračenja' (COBE - Cosmic Background Explorer) poslao je na Zemlju, svojim oduševljenim gospodarima, astrofizičarima, podatke o spektralnoj raspodeli kosmičkog pozadinskog zračenja koje ispunjava svu Vaseljenu. Ovi podaci, koji se odlikuju ranije nedostignutom preciznošću, tačno su se uklopili u Plankovu formulu za crno telo. Pamtimo da kriva koja prikazuje raspored intenziteta raznih talasnih dužina što ih zrači neko telo omogućuje da odredimo i temperaturu tog tela. Pomoću podataka sa COBE satelita i pomoću Plankove jednačine izračunali smo prosečnu temperaturu Vaseljene. Dakle, Vaseljena je jedno mnogo hladno mesto: samo je 2,73 stepena iznad apsolutne nule.

ZADIMLJENI PIŠTOLJ BROJ 2: FOTOELEKTRIČNI EFEKAT

     Preskačemo hitro na Alberta Ajnštajna, koji raducka polako kao ćata u Patentnom zavodu države Švajcarske, u gradu Bernu. Godina je 1905. Dve godine pre toga, Ajnštajn je odbranio doktorsku tezu. Posle doktoriranja, proveo je jednu godinu razmišljajući sumorno o smislu i sistemu života. Ali godine 1905. krenulo mu je bolje. Uspeo je da reši tri krupna problema fizike, sva tri te iste godine: fotoelektrični efekat (o tome ćemo sad), teoriju Braunovog kretanja (izvol'te pa pogledajte to u nekoj drugoj knjizi!) i - oh, da - posebnu teoriju relativnosti. Ajnštajn je shvatio da ono što je Plank pogodio znači da se svetlost, elektromagnetna energija, emituje uvek u diskretnim (zasebnim, izdvojenim) grudvama energije. Svako hf je jedna takva grudva. Ne događa se ona klasična idila u kojoj emisija samo teče, glatko teče, i svaka talasna dužina se glatko i neprekinuto preliva u one pre i posle sebe.
     Ovo uviđanje svakako je navelo Ajnštajna na pomisao da bi mogao da objasni jedno eksperimentalno opažanje Hajnriha Herca, koji je proizvodio radio-talase da bi potvrdio Maksvelovu teoriju. Herc ih je proizvodio tako što je nameštao da između dve metalne kugle iskaču iskre. Dok se bavio time, primetio je da varnice lakše iskaču ako su kugle nedavno izglačane. Pomislio je da uglačanost olakšava električnom naboju skok ka susednoj kugli. Pošto je bio radoznao, utrošio je izvesno vreme proučavajući kako svetlost deluje na metalne površine. Primetio je da kad varnica zablista plavoljubičastom bojom, u blizini kugle se pojavi veća količina naelektrisanja, što onda pomaže i olakšava da zaprašte još mnoge iskre. Herc je ovako razmišljao: glačanjem se skidaju oksidi koji, valjda, ometaju delovanje svetlosti na površinu metala.
     Pokazalo se da plavoljubičasta svetlost navodi elektrone da izleću iz metala u okolni prostor. U ono vreme činilo se da je to baš bizaran efekat. Drugi eksperimentatori su proučavali ovu pojavu i došli do sledećih neobičnih zaključaka:

     1. Crvena svetlost ne uspeva da oslobodi elektrone, pa čak ni kad je izuzetno jaka.
     2. Ljubičasta svetlost, čak i kad je srazmerno slaba, uspeva, vrlo lako, da oslobodi elektrone.
     3. Što je kraća talasna dužina (što je svetlost ljubičastija), viša je energija oslobođenih elektrona.

     Ajnštajn je shvatio da Plankova zamisao da se svetlost javlja u zamotuljcima može biti ključ za shvatanje ove fotoelektrične tajne. Zamislite jedan elektron kako, u metalu neke Hercove silno uglačane kugle, gleda svoja posla. Koja vrsta svetlosti može dodati ovom elektronu toliko energije da on iskoči iz površine metala? Ajnštajn je, koristeći Plankovu jednačinu, zaključio da kad je talasna dužina svetlosti dovoljno kratka, elektron primi dovoljno energije da se 'otrgne' iz metala i poleti kroz vazduh. Elektron tu ima samo dve mogućnosti, razmišljao je Ajnštajn: ili da proguta ceo zamotuljak energije, ili ništa. E, sad, ako je talasna dužina progutanog zamotuljka prevelika (a količina energije, dakle, premala), elektron neće moći da pobegne; neće imati dovoljno energije. Uzalud ćeš ti zasipati metal pravom poplavom nemoćnih, impotentnih (dugotalasnih) paketića svetlosne energije. Ništa to ne pomaže. Bitno je, rekao je Ajnštajn, koliko energije ima u svakom zamotuljku ponaosob, a ne koliko tih zamotuljaka imaš.
     Ova Ajnštajnova zamisao dejstvuje do savršenstva dobro. Kod fotoelektričnog efekta bivaju apsorbovani svetlosni kvanti - dakle, fotoni (to su ti zamotuljci, to jest paketići). (Plankova teorija je objasnila kako se emituju. Sad vidimo kako se apsorbuju.) I kod emitovanja i kod apsorbovanja neophodni su kvanti, a njihova energija E jednaka je h puta f. Zamisao o kvantima sve šire je prihvatana u nauci. Ali postojanje fotona ubedljivo je dokazano tek 1923. godine, kad je američki fizičar Artur Kompton (Arthur Compton) pokazao da foton može da se sudari sa elektronom; da to ide otprilike kao sudar dve bilijarske kugle; da posle tog sudara foton odleti drugim pravcem i ima drugu energiju i drugi impuls i, uopšte, ponaša se u svakom pogledu kao čestica - ali sasvim izuzetna čestica, koja je na neki način povezana sa frekvencijom treperenja (vibriranja), što znači, dabome, i sa talasnom dužinom.
     Tu se jedan duh digao iz groba. Priroda svetlosti bila je bojište vrlo staro. Setite se, Njutn i Galilej smatrali su da se svetlost sastoji od 'korpuskula' - dakle, 'telašaca'. Međutim, danski astronom Kristijan Hajgens zalagao se za talasnu teoriju. Ovu istorijsku bitku Njutnovih telašaca i Hajgensovih talasa smirio je Tomas Jang (Thomas Young) tako što je pobedu dodelio talasima (razmotrićemo uskoro Jangov opit sa dva proreza) početkom devetnaestog veka. Ali nailaskom kvantne teorije vaskrsnula je čestica svetlosti, sada nazvana foton, a nedoumica 'talas ili čestica' opet se postavila pred nauku. Ubrzo je rešena na prilično iznenađujući način.
     Ali još crnje i gore nevolje čekale su klasičnu fiziku zbog Ernesta Raderforda koji je otkrio atomsko jezgro.

ZADIMLJENI PIŠTOLJ BROJ 3: KO ĆE PUDING OD ŠLJIVA?

     Ernest Raderford bio je jedan od onih likova koji su maltene suviše dobri da bi bili istiniti, kao da je neka filmska kompanija poslala glumca idealnog za ulogu naučnika. Krupan, robustan Novozelanđanin, imao je brkove kao morski konj i bio je prvi strani istraživač ikada pušten da radi u slavnoj laboratoriji Kevendiš, kojom je u ono doba upravljao Dž. Dž. Tomson. Raderford je došao tačno na vreme da prisustvuje otkriću elektrona. Veoma veštih ruku (za razliku od gazde u toj laboratoriji, profesora Tomsona), bio je vrhunski sposoban eksperimentator, dostojan takmac Faradejevoj slavi u tom pogledu. Pročuo se po svome uverenju da kad psuješ jedan opit, on proradi bolje; ovo uverenje podržano je Raderfordovim opitnim uspesima, ako već ne i teorijom. Kad vrednujemo Raderforda, moramo paziti da uzmemo u obzir i njegove studente i postdiplomce, koji su pod njegovim ljutitim pogledom uspešno obavljali velike opite. Imao je on znatan broj njih; jedan je bio Čarls D. Elis (Charles D. Ellis) koji je otkrio beta raspad. Drugi je bio Džejms Čedvik (James Chadwick), tip koji je otkrio neutron. Treći, Hans Gajger (Hans Geiger) koji - znate već. Brojač. A bilo je i drugih. Nemojte zamišljati da je lako držati pod svojim nadzorom pedeset postdiplomaca. Kao prvo, moraš pročitati stručne radove koje oni donose. Čujte kojim rečima je jedan od mojih najboljih studenata započeo svoju doktorsku tezu: "Ovo polje fizike je toliko devičansko da nijedna ljudska očna jabučica još nijednom nije nogom kročila po njemu." Bolje da se vratimo Ernestu.
     Raderford je slabo uspevao da prikrije svoj prezir prema teoretičarima, mada, kao što ćemo videti, i sam nije bio loš teoretičar. Nego, mnogo je dobra stvar što novinari pre devedeset godina nisu tako vešto prodirali u naša posla kao što to čine danas. Raderford je tako umeo da 'odvali', da bi sam sebi upropastio nebrojene budžetske dotacije, pune kamione para, da je kojim slučajem u štampi navedeno šta je rekao. Evo nekoliko Raderfordovih bisera koji su procurili kroz decenije i stigli do nas:

     "Nemoj neko na mojoj katedri da bi pomenuo Vaseljenu."
     "A, to /relativnost/. Mi ovde ne obraćamo nikakvu pažnju na to kad radimo."
     "Sva nauka je ili fizika ili filatelija."
     "Čitam nešto one moje radove iz mladosti i kažem sebi: Raderforde, momče, al' si bio pametan nekad."

     Taj što je bio veoma pametan nekad radio je jedno vreme sa Tomsonom, onda prešao Atlantik i radio na Univerzitetu Mek Gil u Montrealu, u Kanadi, pa se vratio u Englesku i zauzeo katedru na Mančesterskom univerzitetu. Godine 1908. dobio je Nobelovu nagradu za svoj rad u oblasti radioaktivnosti. To bi većini ljudi bio divan vrhunac karijere, ali ne Raderfordu. Taj ford je tek tad počeo da radi.
     Ali ne vredi pričati o Raderfordu, a da ne objasniš neke stvari o laboratoriji Kevendiš, koja je osnovana 1874. godine kao istraživačka laboratorija Kembridžskog univerziteta. Prvi direktor bio je Maksvel (teoretičar da komanduje u laboratoriji?). Drugi je bio lord Rejli, a treći Tomson počev od godine 1884. Raderford je došao iz svoje rodne zabiti kao student-istraživač godine 1895, a to je bilo fantastično vreme za velika, nagla otkrića. Jedan od glavnih sastojaka za profesionalni uspeh u nauci jeste čista sreća. Ako nisi taličan, nema izgleda na uspeh. Raderford je bio srećan. Rad na radioaktivnosti, pojavi tada novootkrivenoj (govorilo se da su to Bekerelovi zraci), izoštrio ga je i pripremio za njegovo najvažnije otkriće, otkriće atomskog jezgra 1911. godine. Atomsko jezgro otkrio je na Mančesterskom univerzitetu, onda se trijumfalno vratio na Kevendiš i tu nasledio Tomsona - naime, postao direktor umesto njega.
     Pamtite da je Tomson gadno zapetljao istraživanje materije time što je otkrio elektron. Mislilo se da je hemijski atom ona nedeljiva čestica koju je predložio još Demokrit, a sad se pokazalo da neki mali momci besomučno trče ukrug u unutrašnjosti svakog atoma. Elektroni. Dobro, ako svaki elektron ima po jedno negativno naelektrisanje, tu vidimo jedan problemčić. Materija je neutralna, nije ni pozitivna ni negativna. Onda, šta izravnjava, to jest poništava tu negativnost koju elektroni imaju?
     Ova dramatična pripovest počela je vrlo prozaično. Ulazi gazda u laboratoriju. Tu sedi jedan postdiplomac, Hans Gajger, i jedan student koji je, eto tako, gubio vreme i lunjao po prostorijama, Ernest Marsden. Oni obavljaju opit sa rasipanjem alfa-čestica. Izvor radioaktivnosti - na primer, radon 222 - prirodno i spontano emituje alfa-čestice. Alfa-čestice, kako se pokazalo, nisu, zapravo, ništa drugo nego helijumovi atomi lišeni svojih elektrona; a to znači, jezgra helijuma, kao što je Raderford uvideo godine 1908. Radon, koji nam služi kao izvor alfa-čestica, stavimo u jedan olovni sanduk sa rupom, i to uzanom rupom, na jednoj strani. Alfa-čestice prolaze kroz tu rupu, a mi nanišanimo tako da pogađaju u jednu izuzetno tanku zlatnu foliju. Alfe proleću kroz foliju, ali se mnoge usput sudaraju sa atomima zlata, što ih skreće s puta. E, ustanoviti pod kojim ih uglom skreće s puta, to je bio cilj proučavanja. Raderford je bio namestio taj jedan opit koji je postao istorijski prototip za sve kasnije opite sa rasipanjem čestica. Ispucavaš čestice u metu i gledaš kuda će koja da odskoči. U ovom slučaju svaka alfa-čestica bila je kao jedna mala sonda, a svrha sondiranja bila je da se možda dozna kakva je struktura atoma. Meta, napravljena od supertankog listića zlata, okružena je sa svih strana - 360 stepeni - zastorima od cink-sulfida. Kad alfa-čestica tresne u molekul cink-sulfida, taj molekul ispusti iz sebe jedan blesak svetlosti. Ovo omogući istraživačima da izmere ugao pod kojim se alfa odbila od zlata. Da ponovimo: alfa se zaleti u foliju od zlata, čvakne neki atom zlata, zbog toga skrene, i skrka se u ekran od cink-sulfida. Sevne! Većina alfa-čestica skrene sa svoje putanje samo malo, tako da se bleskovi dešavaju uglavnom pravo ispred zlatne folije. Bio je ovo mukotrpan opit. Nisu imali nikakav brojač čestica zato što ga Gajger još nije izumeo. Zato su i Gajger i Marsden bili prisiljeni da sede u mračnoj komori satima, pa kad im se oči priviknu na mrak, da počnu opit. Trebalo je svojim sopstvenim očima da opaze svaki takav mali odsjaj i da u jedan katalog upišu gde je i koliko bleskova bilo.
     Raderford, dakle, nailazi - on nije morao da sedi ni u kakvoj mračnoj komori, jer on je tu bio gazda - i kaže toj dvojici: "E, aj' vidite da l' se ne odbije nešto i nazad od zlata." Drugim rečima, da li se događa da neka alfa-čestica udari u zlatnu foliju i pojuri natrag prema svome izvoru. Marsden je kasnije pričao o tom događaju: "Baš me je iznenadilo kad sam primetio upravo taj efekat... Rekao sam to Raderfordu kasnije, kad sam ga sreo na stepeništu koje je vodilo ka njegovom kabinetu."
     Podaci koje su Gajger i Marsden objavili obaveštavaju nas da je po jedna od svakih 8.000 alfa-čestica poletala tačno nazad. Sad su slavne reči kojima je Raderford opisao svoju reakciju u prvom trenutku, kad mu je vest saopštena: "Bio je to svakako najneverovatniji događaj u celom mom životu. Bilo je to kao da ispališ artiljerijsku granatu od 380 milimetara na listić toalet-papira, a granata se odbije i doleti nazad do tebe i tresne te."
     Bio je maj 1909. godine. Početkom 1911. Raderford, sada nastupajući kao teorijski fizičar, uspeva da reši ovaj problem. Dočekuje svoje studente širokim osmehom. "Znam kako izgleda atom i razumem to snažno rasipanje unazad." Maja iste godine, njegov članak kojim se proglašava da postoji 'nuklearni atom' izlazi iz štampe. To je kraj jedne epohe. Sad se vidi istina o hemijskom atomu. Sad se zna da je složen, a ne jednostavan; da se može seći; da nimalo ne liči na a-tom. Počela je nova era, era nuklearne fizike, a klasična fizika je potučena, bar u unutrašnjosti atoma.
     Raderfordu je trebalo više od osamnaest meseci da se razabere u ovom problemu, koji sada rešavaju naši studenti fizike, i to na prvoj godini, kao brucoši. Zašto je potpuna refleksija alfa-čestica toliko zbunila Raderforda? Moralo je ovo biti u nekoj vezi sa načinom na koji su naučnici tog doba videli atom. Jedna masivna, pozitivno naelektrisana alfa-čestica zaleti se u atom zlata i - odbije se od njega? Opšta saglasnost u godini 1909. bila je da bi alfa-čestica morala da projuri silovito i bez zaustavljanja, kao artiljerijska granata kroz WC papir, ako ćemo upotrebiti Raderfordovo poređenje.
     Taj WC model atoma potiče još od Njutna, koji je rekao da se sile u atomu moraju međusobno poništavati da bi on imao mehaničku stabilnost. Prema tome, električne sile privlačenja i odbijanja moraju nekako da se uravnoteže ako hoćemo stabilan atom u koji bismo mogli imati poverenja. Teoretičari u toj epohi na kraju jednog i početku drugog veka prošli su kroz razdoblje zaista mahnitog pravljenja i rasturanja svakojakih modela, ne bi li rasporedili elektrone tako da se dobije stabilan atom. Znalo se da atomi imaju mnoštvo elektrona koji nose svoje negativne naboje. Znači, negde unutra mora biti jednak broj pozitivnih naboja, raspoređenih nekako. Pošto su elektroni vrlo laki, a atom težak, onda mora biti ili da se atom sastoji od mnogo hiljada elektrona (da bi se dobila ta težina) ili da težina počiva u pozitivnim nabojima. Među mnogo predloženih modela, izdvojio se kao vodeći onaj koji je nastao trudom nikog drugog do samog Dž. Dž. Tomsona, Mister Elektrona. Taj model nazvan je 'puding od šljiva' zato što su u Engleskoj imali običaj da u veliku posudu punu pudinga umešaju i pokoju šljivu, a u Tomsonovom modelu je pozitivni naboj bio 'razmućen' po celom atomu, nalik na loptu nekakvog pudinga, dok su elektroni bili tu i tamo usađeni u unutrašnjost kao šljive u puding. Činilo se da bi takav aranžman mogao da ima mehaničku postojanost, pa čak i da dopusti elektronima da vibriraju oko svojih ravnotežnih položaja. Ali priroda pozitivnog naboja ostajala je sasvim tajanstvena.
     Raderford je, međutim, smatrao da samo jedna konfiguracija može da se ispreči alfa-čestici na put i da je drmne takvom snagom da ona odleti pravo nazad otkuda je i došla: a to je konfiguracija u kojoj bi sva masa i sav pozitivni naboj bili usredsređeni u vrlo malu zapreminu, u središtu jedne srazmerno ogromne (velike kao ceo taj atom) kugle. Jezgro! Elektroni bi bili razmešteni svud po kugli. Vreme je prolazilo, stizali su sve izoštreniji podaci, pa je Raderford prečistio svoju teoriju. Središnji deo, nabijen pozitivnim naelektrisanjem, ima zapreminu koja je otprilike jedan bilioniti deo ukupne zapremine atoma (hiljaditi deo milijarditog dela). Po Raderfordovom modelu, materija se sastoji uglavnom od praznog prostora. Kad ti lupaš pesnicom po stolu, čini ti se da je sto stamen, ali to je samo zbog međuigre električnih sila (i kvantnih pravila) među atomima i molekulima; samo privid čvrstine. Atom je uglavnom praznina. Aristotel bi se užasnuo.
     Raderfordovo iznenađenje što se alfa-čestice onako odbijaju možemo bolje shvatiti ako se manemo tog njegovog poređenja sa topovskim projektilom i razmislimo o kugli za kuglanje koja grmi niz svoju stazu prema poređanim čunjevima. Zamislite kako bi se šokirala kuglašica (ili kuglaš) kad bi se kugla odbila od čunjeva i pojurila pravo nazad istom stazom, preteći da liši kuglašicu njenoga života! Može li se to dogoditi? Pa, pretpostavimo da se negde oko sredine trougaono raspoređene grupe uspravnih čunjeva nalazi i jedan posebni čunj, 'debeljko', izliven od iridijuma, najgušćeg nama poznatog metala. Bez ikakvih šupljina. Taj čunj je teeežak! Pedeset puta je teži od kugle. Niz fotografija snimljenih superbrzom kamerom i posle puštenih usporeno pokazaće nam kako kugla naleće na debeljka, koji se malo uzdrma i udubi sa te strane, ali brzo ispravlja nastalo izobličenje i time odbacuje kuglu energično od sebe; kugla dobija brzinu u suprotnom smeru (isti pravac) i srlja natrag prema sportistkinji (sportisti). Ovako se dešava pri svakom elastičnom sudaru - recimo, između bilijarske kugle i ograde bilijarskog stola. Raderfordova kudikamo slikovitija metafora sa toaletnim papirom proistekla je iz njegove ranije zablude, u kojoj su bili i gotovo svi fizičari onog vremena, da je atom kugla vrlo razređenog pudinga koji popunjava sav raspoloživi, dakle veoma veliki, prostor. Veoma veliki, to znači, kod atoma zlata, kuglu poluprečnika 10-9 metara.
     Da bismo stekli utisak kako izgleda Raderfordov atom, zamislimo da je jezgro veliko kao zrno graška. To vam je prečnik od nekih pet-šest milimetara. U tom slučaju poluprečnik atoma je oko sto metara; atom je, dakle, lopta prečnika 200 metara, u koju možemo da uguramo šest ragbi igrališta ako ih malo stisnemo i rasporedimo otprilike u kvadrat. I ovde je Raderford imao mnogo sreće. Pukim slučajem se desilo da njegov radioaktivni izvor proizvodi alfe čija je energija bila oko pet miliona elektron-volti (mi to pišemo 5 MeV) - idealno za otkrivanje jezgra. Pri tako niskoj energiji, alfa-čestica ne uspe da se probije do samog jezgra, nego biva odbijena već samim dejstvom njegovog električnog polja, koje je pozitivno i snažno. Okolni oblak elektrona, međutim, imao je masu tako malenu, da nije mogao ozbiljnije zasmetati prolaženju alfe. Da je alfa-čestica imala mnogo veću energiju, zarila bi se u jezgro, osetila bi jaku nuklearnu silu (o tome ćemo učiti kasnije), pa bi se obrazac rasipanja alfa-čestica veoma zapetljao. (Naravno, ogromna većina alfi prohuji kroz atom tako daleko od jezgra, da njihova skretanja sa pravolinijske putanje budu malena.) Dogodilo se, sticajem svih ovih okolnosti, da je obrazac rasipanja alfa-čestica, zabeležen trudom Gajgera i Marsdena, a kasnije i trudom čitave gomile njihovih takmaca na raznim mestima na evropskom kontinentu, bio matematički ravan onome što bi se moglo očekivati i ako bi jezgro bilo tačka. Mi sada znamo da jezgro nije tačka, ali ako se alfa-čestica ne zarije suviše duboko prema jezgru, aritmetika iziđe na isto.
     Bošković bi bio zadovoljan; opit u Mančesteru podržao je njegove vizije. Ishod sudara zavisi od polja sila koja postoje oko nekih stvari koje su 'tačke'. Raderfordov opit je imao i neke druge implikacije, dalje od otkrića jezgra. Uspostavio je pravilo da vrlo snažna skretanja čestice znače da je čestica naletela na malu, 'tačkastu' koncentraciju; a to je jedna od ključnih zamisli kojima će se istraživači rukovoditi kasnije, kad budu jurili kvarkove, koji zaista jesu tačke. U procesu postepenog uviđanja kakva je zaista struktura atoma, Raderfordov model bio je nesumnjivo orijentir od ogromnog značaja.
     Raderfordov atom bio je zaista kao neki minijaturni Sunčev sistem. U središtu je pozitivno naelektrisano, zbijeno jezgro, a oko njega leti izvestan broj elektrona po raznim orbitama, tako da se ukupno pozitivno i ukupno negativno naelektrisanje međusobno tačno potiru. Maksvela i Njutna odmah pozvaše u pomoć. Orbitirajući elektron je kao kakva mala planeta, poslušno izvršavao Njutnovu komandu F = ma. Sad je, doduše, sila F bila električna sila između naelektrisanih čestica, po Kulonovom zakonu. Pošto je i ovo sila koja opada obrnuto srazmerno kvadratu udaljenosti, kao i gravitacija, čovek može pretpostaviti, na prvi pogled, da će nastati orbite slične planetnim. I, eto, gotov posao, dobili ste uredan sunčev sistemčić, to vam je model hemijskog atoma. Sve lepo i fino.
     Pa, dobro, bilo je lepo i fino dok nije u Mančester došao jedan mladi danski fizičar sklon pretežno teoriji. "Zofem se Bohr, Nils Henrik Daavid Bohr, profesore Radherford. Ja sam mlat theoretski phisicist i došaho sam ta vam pomoghnem." Možemo samo zamisliti kako je na ovo reagovao grubi Novozelanđanin sklon prostačkom izražavanju.

BITKA

     Revolucija koja je nama poznata kao kvantna fizika nije iskočila gotova i cela iz nekog teoretičarskog čela. Ona je izvođena deo po deo, na osnovu podataka koji su stizali iz hemijskih atoma. Ako pratimo kako se odvijala ta borba, razumećemo da je tadašnji atom bio samo vežba za pravu, kasniju bitku, a to je razumevanje subatomskih čestica, subnuklearne džungle.
     Možda je baš dobro što se stvarni svet otvara pred nama tako sporo, malo-pomalo. Šta bi pomislili Galilej, ili čak Njutn, kad bi neko stavio pred njih celu masu znanja iz Fermilaba? Jednom mom kolegi na Kolumbiji, profesoru vrlo mladom, blistavo inteligentnom, odličnom govorniku, prepunom poleta, dali su, jednom prilikom, jedinstven nastavni zadatak. Trebalo je da uzme nekih četrdeset brucoša koji su se opredelili za fiziku i da sa njima dve godine radi izuzetno ubrzano. Jedan profesor, četrdesetoro mladih koji žele da postanu fizičari, rok dve godine. Opit se završio porazno loše. Gotovo svi ti studenti su napustili fiziku i prešli na razne druge oblasti. Razlog je naveo, kasnije, jedan od njih, kad je diplomirao kao matematičar: "Profesor Mel bio je super, bio je to najbolji nastavnik koga sam ikad imao. Za te dve godine ne samo da smo projurili kroz ono uobičajeno - njutnovsku mehaniku, optiku, elektricitet i tako dalje - nego je on za nas otvorio prozor i prema svetu moderne fizike i omogućio nam da bacimo pogled na probleme kojima se bavio u svom istraživačkom radu tada. Smatrao sam da ja nikako i nikad ne bih mogao da ovladam tako teškim problemima, pa sam prešao na matematiku."
     Ovo nas vodi ka jednom dubljem pitanju, a to je da li će ljudski mozak ikada biti sposoban da prihvati tajne kvantne fizike, tajne koje uznemiravaju čak i neke od najboljih fizičara u devedesetim godinama dvadesetog veka. Teoretičar Hans Pejdžels (Hans Pagels), koji je poginuo pre nekoliko godina u tragičnom događaju prilikom planinarenja, izložio je zamisao, u svojoj izvrsnoj knjizi Kosmički kod, da ljudski mozak možda nije dostigao u svojoj evoluciji onaj stepen razvoja koji bi bio potreban da razumemo kvantnu stvarnost. Možda je Pejdžels bio u pravu, mada izgleda da ima nekoliko kolega, danas, koji smatraju da su sa evolucijom odmakli mnogo dalje nego mi ostali.
     Ono što se nadasve mora znati o kvantnoj teoriji, koja je danas veoma istančana i koja čvrsto vlada fizikom, jeste sledeće: kvantna teorija uspešno radi. Ona pokazuje taj svoj uspešan rad u atomu. U molekulu, takođe. Ona dejstvuje u složenim čvrstim telima, u metalima i izolatorima, u poluprovodnicima i superprovodnicima, ona naprosto sjajno dejstvuje gde god smo je primenili. Veliki deo ukupnog nacionalnog proizvoda u privredama vodećih zemalja zasniva se na industrijskim procesima u kojima se svaki dan ponovo i ponovo dokazuje da je kvantna teorija tačna. Nama je još i važnije to što nemamo nikakvu drugu alatku osim kvantne teorije za prodiranje dole, dublje u jezgro, u sastojke jezgara, dole, još dole, u ogromnu sitnost praiskonske materije - gde ćemo se naći konačno oči u oči sa a-tomom i sa Božijom česticom. Ali upravo tu mogu biti od presudnog značaja izvesne teškoće u obrascu kvantne fizike, iako ih većina aktivnih fizičara odbacuju kao 'filozofiranje'.