Το Νόμπελ Φυσικής 1954 μοιράζεται στους Max Born και Walther Bothe

στις

Το 1954 μοιράστηκαν το Νόμπελ Φυσικής δύο Γερμανοί. Ο Max Born (1882-1970) βραβεύτηκε για την θεμελιώδη εργασία του στην στατιστική ερμηνεία της κυματοσυνάρτησης καθώς και την δημιουργία μαζί με τον Heisenberg της πρώτης μαθηματικής εκδοχής της κβαντικής θεωρίας, τη μηχανική των πινάκων. Ο Walther Bothe (1891-1957) βραβεύτηκε για τη μέθοδο σύμπτωσης, που την χρησιμοποίησε για να δείξει ότι οι νόμοι διατήρησης της ενέργειας και ορμής ισχύουν σε κάθε μεμονωμένη σύγκρουση ηλεκτρονίου-φωτονίου κι όχι μόνο σε στατιστική βάση. Η διάταξή του με τους δύο μετρητές Geiger χρησιμοποιήθηκε κυρίως στη μελέτη της κοσμικής ακτινοβολίας και της απορρόφησης της από διάφορα υλικά.

Clipboard01

Για τον Born

Ο Born είχε προσλάβει τον Heisenberg και τον Pascaul Jordan για να εργαστούν κοντά του πάνω σε αυτά τα προβλήματα και αυτή η καρποφόρος τριάδα ήταν που έβαλε τις ιδέες του Heisenberg σε μια περισσότερη χρήσιμη φόρμα: την πρώτη μαθηματική εκδοχή της κβαντικής θεωρίας, την Μηχανική των Πινάκων.

Όμως η πιο αξιομνημόνευτη προσφορά του Born αφορά τον τρόπο με τον οποίο βλέπουμε σήμερα την Κβαντομηχανική. Τι είναι η κυματοσυνάρτηση; Τι σημαίνει στην πραγματικότητα; Αυτές και πολλές άλλες απαντήσεις έδωσε ο Born.

O Born πρότεινε ότι η μόνη παρατηρήσιμη όψη της κυματοσυνάρτησης ήταν το τετράγωνο της, Ψ(x)2 , κι όχι η ίδια η κυματοσυνάρτηση.  Θεώρησε επίσης, σαν σωστή ερμηνεία της κυματοσυνάρτησης , ότι το τετράγωνο της σε μια δεδομένη θέση του χώρου ήταν ανάλογη με την πιθανότητα να βρεθεί το σωματίδιο σε αυτό το σημείο του χώρου. Το τετράγωνο αυτό της της κυματοσυνάρτησης Ψ2 ονομάστηκε πυκνότητα πιθανότητας P(x)=|Ψ(x)2 | ενώ την ίδια κυματοσυνάρτηση μπορούμε να τη λέμε, πλάτος της πιθανότητας.

Διαλεύκανε επίσης σπουδαία ζητήματα, όπως η Αρχή της Συμπληρωματικότητας, μέσω της οποίας οι κλασσικά αντιφατικές έννοιες ‘σωμάτιο’ ή ‘κύμα’ αναδύθηκαν ως συμπληρωματικές όψεις μιας ενιαίας φυσικής οντότητας, του υλοκύματος.

Παρότι φίλος του Αϊνστάιν από παλιά, ήρθε σε σύγκρουση μαζί του για το φιλοσοφικό υπόβαθρο και την ερμηνεία της Κβαντικής Μηχανικής.

Από την ιστορία της φυσικής

Οι εργασίες του Max Born

Η έρευνα για τους νόμους που ισχύουν κατά την κίνηση των ηλεκτρονίων γύρω από τον πυρήνα στο κέντρο του ατόμου ήταν ένα κεντρικό πρόβλημα για τη φυσική κατά τη διάρκεια του 20ου αιώνα. Ο Niels Bohr έκανε την αρχή για τη λύση στο πρόβλημα αυτό το 1913. Αλλά η θεωρία του ήταν προσωρινής φύσης. Ο Max Born συμμετείχε ενεργά στην προσπάθεια να βελτιωθεί αυτή η θεωρία, όπως και πολλοί άλλοι που μαζεύτηκαν γύρω από αυτόν στο Göttingen. Κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του ’20, το Göttingen, μαζί με την Κοπεγχάγη και το Μόναχο, ήταν ένας τόπος "ιερός" για τους ερευνητές στον τομέα της ατομικής φυσικής. Όταν ο νεαρός Heisenberg , που ήταν στο παρελθόν μαθητής του Sommerfeld στο Μόναχο και του Bohr στην Κοπεγχάγη, δημοσίευσε την μνημειώδη προκαταρκτική εργασία του πάνω στους ακριβείς νόμους για τα ατομικά φαινόμενα το 1925, ήταν βοηθός του Born στο Göttingen. Η εργασία του συνεχίστηκε αμέσως από τον Born, ο οποίος έδωσε τη λογική μαθηματική μορφή στη θεωρία του Heisenberg. Εξ αιτίας αυτής της προόδου, ο Born, σε συνεργασία με τους μαθητές του Jordan και Heisenberg, ήταν σε θέση να επεκτείνει τα αρχικά αποτελέσματα των δύο τελευταίων σε μια περιεκτική θεωρία για τα ατομικά φαινόμενα. Πρόκειται για την φημισμένη θεωρία της κβαντομηχανικής.

Την επόμενη χρονιά ο Born έφτασε σε ένα νέο αποτέλεσμα θεμελιώδους σημασίας. ΟSchrödinger είχε μόλις βρει μια νέα διατύπωση για την κβαντική μηχανική. Η εργασία του Schrödinger συνέχιζε αρκετά τις αρχικές ιδέες του De Broglie, οι οποίες αναφέρουν ότι τα ατομικά φαινόμενα συνδέονται με την εκδήλωση κυματικών φαινομένων. Εντούτοις, ο Schrödinger δεν είχε λύσει το εξής πρόβλημα. Πώς είναι δυνατόν να γίνουν οι καθορισμοί για τις θέσεις και τις ταχύτητες των σωματιδίων εάν κάποιος γνωρίζει το κύμα που αντιστοιχεί στο σωματίδιο.
Ο Born τότε έδωσε λύση στο πρόβλημα. Βρήκε ότι τα κύματα καθορίζουν την πιθανότητα των αποτελεσμάτων μέτρησης. Για αυτόν τον λόγο, σύμφωνα με τους Born, η κβαντική μηχανική δίνει μόνο μια στατιστική περιγραφή. Αυτό μπορεί να εξηγηθεί με ένα απλό παράδειγμα. Όταν πυροβολείτε σε έναν στόχο είναι πιθανό σε γενικές γραμμές – σύμφωνα με την παλαιότερη σύλληψη – να σημαδέψουμε το στόχο από την αρχή έτσι ώστε να είναι σίγουρο ότι θα κτυπηθεί ο στόχος στο  μέσον.

Η κβαντική μηχανική μας διδάσκει το αντίθετο – ότι σε γενικές γραμμές δεν μπορούμε να προβλέψουμε που θα χτυπήσει το στόχο ένα βλήμα. Αλλά μπορούμε να τον επιτύχουμε τον στόχο αρκετά, επειδή μέσα από έναν μεγάλο αριθμό βολών η, στατιστικά, μέση θέση της βολής θα βρίσκεται στο μέσον του στόχου. Σε αντίφαση στις αιτιοκρατικές προβλέψεις των παλαιότερων θεωριών της μηχανικής, η κβαντική μηχανική έχει νόμους στατιστικού χαρακτήρα, και όσον αφορά τα απλά  φαινόμενα καθορίζει μόνο τις πιθανότητες να συμβεί η μία ή η άλλη λύση από τις διάφορες δυνατές λύσεις. Για τα υλικά σώματα των συνηθισμένων διαστάσεων η αβεβαιότητα των προβλέψεων της κβαντικής μηχανικής είναι σχεδόν αμελητέα. Αλλά στα ατομικά φαινόμενα, όμως, είναι θεμελιώδους σημασίας. Μια τέτοια ριζικά διάφορη αντίληψη σε σχέση με τις παλαιότερες ιδέες δεν θα μπορούσε να επικρατήσει φυσικά χωρίς αντιθέσεις. Αλλά οι ιδέες του Born σιγά-σιγά έγιναν αποδεκτές από τους φυσικούς, με μερικές εξαιρέσεις.

Οι εργασίες του Walther Bothe

Η εργασία του Bothe για την οποία πήρε το βραβείο Νόμπελ την πραγματοποίησε στο Βερολίνο δουλεύοντας ως πειραματικός φυσικός. Αυτός τότε εργάζονταν πάνω σε μια νέα χρήση των σωλήνων καταμετρήσεως φορτισμένων σωματιδίων (σωλήνες τύπου Geiger). Ένας τέτοιος σωλήνας έχει την ιδιότητα να διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα όταν περνά ένα φορτισμένο σωματίδιο, π.χ. ένα ηλεκτρόνιο, μέσα από αυτόν. Και επίσης, με ειδικές επινοήσεις, όταν συγκρούεται ένα φωτόνιο με αυτό. Η ιδέα του Bothe ήταν να χρησιμοποιηθούν δύο τέτοιοι σωλήνες – μετρητές με τέτοιο τρόπο που οι δύο σωλήνες να καταχωρούσαν μόνο τις ταυτόχρονες συγκρούσεις. Τέτοιες συμπτώσεις μπορούν να προέλθουν μόνο από δύο σωματίδια που εκπέμπονται στην ίδια στοιχειώδη διαδικασία, ή από ένα σωματίδιο που έχει ταξιδέψει μέσω και των δύο σωλήνων με υψηλή ταχύτητα, έτσι ώστε ο χρόνος που χρειάζεται για τη διάβαση του σωματιδίου από τον έναν σωλήνα στον άλλο να μπορεί να παραμεληθεί.

Ο Bothe χρησιμοποίησε αυτήν την μέθοδο σύμπτωσης το 1925 και επίσης με βελτιώσεις κάπου δέκα χρόνια αργότερα προκειμένου να αποφασιστεί εάν ο νόμος της διατήρησης της ενέργειας καθώς επίσης και το συμπλήρωμά του,  ο νόμος της διατήρησης της ορμής, είναι έγκυροι για κάθε σύγκρουση μεταξύ ενός φωτονίου και ενός ηλεκτρονίου – όπως ο Einstein και ο Compton υπέθεσαν – ή εάν αυτοί οι νόμοι είναι έγκυροι μόνο κατά μέσον όρο για έναν μεγάλο αριθμό συγκρούσεων – όπως ο Bohr και συνεργάτες του είχαν συμπεράνει. Εξετάζοντας τις συγκρούσεις των φωτονίων και των ηλεκτρονίων με τη μέθοδο σύμπτωσης, ο Bothe και οι συνάδελφοί του ήταν σε θέση να δείξουν πειστικά ότι οι αναφερθέντες νόμοι είναι έγκυροι για κάθε μεμονωμένη σύγκρουση. Αυτό το αποτέλεσμα ήταν αναμφίβολα μεγάλης σημασίας.

Η μέθοδος σύμπτωσης χρησιμοποιήθηκε ευρύτατα στη μελέτη της κοσμικής ακτινοβολίας και ήταν μια από τις σημαντικότερες πειραματικές ενισχύσεις στην έρευνα για την κοσμική ακτινοβολία. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιήθηκε αρχικά κατ’ αυτό τον τρόπο από τον Bothe όταν εργαζόταν με τον Kolhörster που είχε σημαντική συμβολή στον τομέα της κοσμικής ακτινοβολίας. Οι Bothe και Kolhörster χρησιμοποίησαν τη μέθοδο σύμπτωσης για να επιλέξουν εκείνα τα σωματίδια στην κοσμική ακτινοβολία που είχαν ταξιδέψει μέσω δύο σωλήνων καταμέτρησης. Η απορρόφηση της κοσμικής ακτινοβολίας σε διάφορα υλικά καθορίστηκε τοποθετώντας στρώματα αυτών των ουσιών μεταξύ των μετρητών και τη μελέτη της αντίστοιχης μείωσης του αριθμού των συμπτώσεων. Βρέθηκε ότι αυτά τα σωματίδια απορροφώνται σχεδόν στον ίδιο βαθμό όπως και η συνολική κοσμική ακτινοβολία. Από αυτά τα πειράματα το ιδιαίτερα σημαντικό αποτέλεσμα που επιτεύχθηκε ήταν, ότι στο επίπεδο της θάλασσας, η κοσμική ακτινοβολία αποτελείται κυρίως από σωματίδια πολύ υψηλής διεισδυτικότητας.

Advertisements