Naslijeđe njemačke škole fizike

Njemački naučnici su zadužili svijet i napravili niz velikih stvari u području fizike, Ovo je samo površan pregled toga.

Kada zamišljamo naučnika, kada treba naučnika nacrtati, staviti u neku reklamu – gotovo uvijek je to neka karikatura Alberta Einsteina.

Einstein je postao sinonim za naučnika, neka vrsta maskote. Rođen je u Ulmu, Kraljevstvo Wurttemburg, Njemačko Carstvo, 14. marta 1879. godine, a umro u Princetonu, SAD, 18. aprila 1955. Jevrej, njemačkog porijekla, umro kao državljanin Sjedinjenih Američkih Država – primjer je naučnog kosmopolite, najavio je talas “odliva mozgova” iz Evrope u SAD. Ipak, najveći broj stvari, uključujući Specijalnu i Opštu teoriju relativiteta te zakon fotoelektričnog efekta, Einstein je smislio upravo u Njemačkoj i te teorije i pravila su se dobrim dijelom naslanjali na otkrića Einsteinovih prethodnika, poput Hertza i Plancka. Kako sam u nekoliko postova prilično toga napisala o Einsteinu, ovdje ću se fokusirati na nekoliko Einsteinovih prethodnika, poznanika, savremenika – fizičara koji spadaju u red najvažnijih naučnika uopšte.

Georg Simon Ohm (16. mart 1789. Erlangen, Brandenburg-Bayreuth, Sveto Rimsko Carstvo – 6. juli 1854. Minhen, Kraljevina Bavarska) bio je njemački fizičar i matematičar. Jedan je od onih koji imaju čast da neki naučni zakon nosi naziv po njima: Ohmov zakon nam govori o tome kako se jačina struja smanjuje sa povećanjem otpora, a povećava sa povećanjem napona. Ne samo to, po Georgu Simonu i jedinica otpora ima naziv om (ohm). 1827. godine u radu pod naslovom Die galvanische Kette, mathematisch bearbeitet, Ohm objašnjava svojstva otpora i kako se on reflektira na jačinu struje u strujnom toku. Suštinski, u dosta slučajeva, otpor je nepoželjno svojstvo: u provodnicima, dalekovodima pokušavamo imati materijale kojima je otpor minimalan. Srebro je metal sa najmanjim otporom, ali, kako je skupo, onda se za izradu provodnika koristi bakar, također materijal sa niskim otporom. Međutim, da nema otpora, ne bismo imali ni sijalice: volfram (tungsten) od kojeg se pravi žičica u klasičnim sijalicama je materijal velikog otpora i onda je svjetlost produkt tog otpora kroz metarijal. Naravno, danas težimo upotrebi sijalica koje čuvaju okoliš i štede struju, ali stare sijalice su samo jedan od primjera korisnosti otpora kao električnog svojstva. Recimo, razne vrste grijalica i grejnih tijela rade upravo zahvaljujući otporu.

Georg Simon Ohm

George Simon Ohm

Wilhelm Eduard Weber (24. oktobar 1804. Wittenberg, Saksonija, Sveto Rimsko Carstvo – 23. juni 1891. Göttingen, Hannover, Pruska), nemački je fizičar koji je, zajedno sa Carlom Friedrichom Gaussom, izumio telegraf. Sa Gaussom je proučavao i magnetizam, dok je sa Rudolphom Kohlrauschom pokazao da je odnos elektrostatske naspram elektromagnetne jedinice jedan konstantan broj, nama danas poznat kao vrijednost konstantne brzine svjetlosti. Zapravo, oznaka za brzinu svjetlosti “c” potječe od Webera i Kohlrauscha. Po njemu je SI jedinica za magnetni fluks dobila naziv veber (weber, Wb).

Hermann von Helmholtz (31. avgust 1821. Postdam, Kraljevina Prusija – 8. septembar, Charlottenburg, Njemačko Carstvo) bio je fizičar, fiziolog, filozof: istraživao je teoriju konzervacije energije i područje elektrodinamike i termodinamike, fiziologiju vida, dok je kao filozof bio sljedbenik Fichtea i Kanta. Po njemu naziv nosi tip parcijalnih diferencijalnih jednadžbi: Helmholzove jednadžbe koje objašnjavaju neke osobine talasa/valova i talasne funkcije.

Wilhelm Conrad Röntgen (27. mart 1845. Lennep, Njemačka konfederacija – 10. februar 1923. Minhen, Bavarska, Njemačka) najpoznatiji je po otkriću elektromagnetne radijacije u visokofrekventnom dijelu spektra, danas poznate kao rentgenske ili X-zrake. Za otkriće ovih zraka dobiće Nobelovu nagradu za fiziku 1901. Naime, 8. novembra 1895. u tamnoj sobi otkrio je da papir premazan barijum platinumcijanidom, udaljen 2 metra od izvora zračenja (Lenardova cijev) svijetli. Istražujući dalje, zaključuje da materijali različite debljine mogu i zaustaviti misteriozne zrake. Upravo zbog toga što nije bilo jasno porijeklo ovih zraka, Röntgen ih je i nazvao “X-zrake”. Danas znamo da su to visokoenergetske zrake male talasne dužine od 0.01 do 10nm, frekvencija 30 petaherza do 30 egzaherca, a energije u rasponu 100ev do 100keV. Izvori ovog zračenja mogu biti prirodni, poput radionuklida ili kosmičkog zračenja ili vještački, kakvi su sinhotroni, ciklotroni te X-ray cijevi. Danas su nezaoblizane u dijagnostici i radioterapiji. Kao visokofrekventne zrake, opasne su za živa bića, ali pravilno doziranje i upotreba su krucijalne za upotrebu X-zraka u medicini.

Wilhelm Conrad Röntgen i njegova ruka uslikana pomoću X-zraka

 

Heinrich Hertz (22. februar 1857, Hamburg, Njemačka konfederacija – 1. januar 1894. Bon, Njemačko Carstvo) je izuzetno značajan za razvoj elektromagnetne teorije. Naime, on je eksperimentalno dokazao postojanje elektromagnetnih talasa o kojima je teoretizirao James Clerk Maxwell. Njegov mentor za doktorsku disertaciju je bio već spomenuti Hermann von Helmholtz, koji je i naslutio da bi Hertz mogao dokazati Maxwellovu tezu. Međutim, Hertz nije samo otkrio elektromagnetne talase – on je u toku svega jedne godine istraživanja potpuno ispitao osobine ove pojave. Pokazao je da elektromagnetni talasi imaju svojstva svjetlosti: odbijaju se, prelamaju, pokazuju interferenciju pod određenim uslovima. Zapravo, na kraju će biti shvaćeno kako je nama poznata svjetlost – nama vidljiva svjetlost – tek jedan dio elektromagnetnog spektra. U taj spektar spadaju gama zračenje, X-zrake, UV zrake, vidljiva svjetlost, infra-crveno zračenje…Hertzovi ogledi su objavljeni 1888.godine, a na sastanku prirodnjaka (to je tadašnji naziv sa sve ljude koji su proučavali prirodu, bez obzira na vrstu pojave – ono što danas nazivamo fizičarima, hemičarima i biolozima), Hertz je održao čuveno predavanje “O vezi između svjetlosti i elektriciteta”. Otkrićem električnih tj. elektromagnetnih talasa počela je nova epoha u nauci, epoha koja će otvoriti nova pitanja u oblasti fizike, a koja će, opet, dovesti do stvaranja kvantne toerije. Hertzu u čast jedinica za frekvenciju nazvana je hertz (herc, Hz), a predstavlja recipročnu sekundu (inverzna sekunda, 1/s). Hertz je bio luteran, ali je njegov otac pripadao prvoj generaciji konvertovanih Jevreja, što se nikako nije dopadalo nacistima te su odlučili Hertzov portret ukloniti sa prominentnog mesta u hamburškoj vijećnici.

Max Planck (23. april 1858. Kiel, Vojvodstvo Holstein – 4. oktobar 1947. Göttingen, Donja Saksonija, Njemačka) bio je njemački teoretski fizičar, “otac” kvantne teorije, dobitnik Nobelove nagrade za fiziku 1918. Dakle, šta se to desilo sa fizikom nakon Maxwella i Hertza? Klasična fizika je dostigla svoj vrhunac, naučnici su se složili da su svjetlost, kao i elektromagnetizam valne prirode…sve dok fizičari nisu glavom udarili u jedan vrlo tvrd zid: toplotno zračenje tijela. Da budemo precizniji, zračenje apsolutno crnog tijela. Pod pojmom toplotno zračenje ovdje mislimo ne samo na infracrveni dio spektra, nego na cijeli spektar. Spektar zraka koje emituje neko tijelo kada se zagrijava zavisi od temperature na kojoj se zagrijava to tijelo. Većina čvrstih tijela na 525°C počinje emitovati slabu svjetlost tamno crvene boje i tu pojavu nazivamo crveno usijanje. Daljim zagrijavanjem tijelo emituje svjetlost narandžaste, žute i napokon, bijele boje na oko 1200°C (bijelo usijanje). Eh sad, ono što fizičari nazivaju “apsolutnim crnim tijelom” je hipotetičko tijelo koje savršeno/gotovo savršeno apsorbuje sva zračenja. Crne rupe su gotovo savršena apsolutna crna tijela prema današnjem shvatanju. No, Max Planck nije znao za crne rupe. Znao je za problematiku koju je prvi formulisao jedan drugi njemački fizičar, Gustav Kirchhoff 1859. godine: kako intenzitet elektromagnetnog zračenja apsolutno crnog tijela ovisi o frekvenciji radijacije i temperaturi tijela? Za sve ovo je potreban jedan duži tekst, ali recimo sad samo ovo: eksperimentalni rezultati pokušaja da se ovo pokaže bili su u proturječnosti sa klasičnom fizikom i shvatanjem da je elektromagnetno zračenje talasne prirode. Fizika je bila u ćorsokaku. Sve što su naučnici prije tako lijepo posložili, odjednom je palo u vodu.

Tu na scenu dolazi naš voljeni Max Planck: napornim radom nad matematičkim modelima dolazi do formule koja je obuhvatila i objasnila sve do tada izvršene eksperimente koji se nisu slagali u zaključcima. Do rješenje i raspleta situacije za fizičare dolazi pod pretpostavkom da apsolutno crno tijelo ne emituje i ne apsorbuje energiju neprekidno (kontinuirano) što bi bilo logično ako kažemo da je elektromagnetno zračenje talas, nego u određenim “paketićima”, diskontinuirano, u “obrocima” energije. Te “paketiće” Planck će nazvati “kvanti”…poslije će se pokazati kako su ti kvanti zapravo fotoni, pa će sve to dovesti do razvoja fizike čestica…a i ovaj blog svoj naziv “Quantum of Science” duguje Maxu Plancku i kvantima. Sam termin “foton” nije izmislio Planck, nego ga je izmislio Einstien.

Pojednostavljena centralna pretpostavka Maxa Plancka ima ovaj matematički izraz: E=hv, gdje ovo “v” nije naše slovo V, nego grčko slovi “ni” i predstavlja frekvenciju, dok je h ono što danas zovemo Planckova konstanta, a iznosi 6.626070040(81)×10−34Js ili 4.135667662(25)×10−15eVS. Ova konstanta ima i svoju reduciranu formu, koja se zove Diracova konstanta, a dobijemo je kada Planckovu konstantu podijelimo sa 2π.
Oznaka za ovu vrijednost Planckove tj. za Diracovu konstantu je ћ.

Max Planck, Jelena Kalinić

Max Planck, own work by Jelena Kalinić, sva prava pridržana/all rights reserved

Planck je mnogo utjecao na Alberta Einsteina. Ipak, u doba prije pada Weinmarske republike (što je neformalni naziv za Njemačku između 1919. i 1933.) počinju problemi za Maxa Plancka: 1933. kada je Plancku već bilo 74. godine, počinju progoni Jevreja, a uspostavlja se koncept “Deutsche Physik” – arijevske, njemačke fizike u kojoj nema mjesta za ne-Nijemce. Pod vođstvom Maxa Plancka, Društvo Kaiser Wilhelm ne stupa u otvorene sukobe sa nacistima, a kada nacisti preuzmu Prusku akademiju odstupa sa mjesta predsjednika. Sukob odgoja u porodici Planck i duha vremena, humanističkog opredjeljenje, anti-nacističke obojenosti i politike kuliminira pred sam kraj Drugog svjetskog rata, kada Gestapo naredi smaknuće Maxovog sina Erwina zbog učešća u planiranju atentata na Hitlera.

Werner Heisenberg (5. decembar 1901. Würzburg, Kraljevina Bavarska, Njemačko Carstvo – 1. februar 1976. Minhen, Bavarska, Zapadna Njemačka), njemački je teoretski fizičar, jedan od pionira kvantne mehanike. Upravo je za oblast kvantne mehanika 1932. godine dobio Nobelovu nagradu za fiziku. Heisenbergov princip neodređenosti jedan je od osnovnih postulata moderne kvantne teorije. Ovaj princip nas vodi u svijet čestica manjih od atoma, za koje, kako je Heisenberg zaključio, ne vrijede pravila koja su nama poznata. Upravo je zbog toga svijet kvantne mehanike čudan i “otkačen”. Naime, prema ovom pravilu, što bolje i preciznije izmjerimo jedno svojstve elementarne čestice, to nam je neko drugo njeno svojstvo manje poznato. U slučaju elektrona, te nama tako dobro poznate čestice manje od atoma (dakle, subatomske čestice) – što više znamo o poziciji tijela, to manje znamo od momentu njenog kretanja i suprotno: što više znamo o brzini kojom se ta čestica kreće, to manje precizno možemo odrediti gdje je ta čestica oko atoma. Zamislimo to ovako: ako možemo vrlo precizno izmjeriti brzinu kretanja nekog automobila na autoputu i, recimo, ta brzina iznosi 160km/h, mi manje znamo gdje je taj atuomobil: jednostavno, kada utvrdimo da je on na nekom mjestu, on zapravo već nije na tom mjestu, nego je još dalje. Zamislite šta je tek sa elektronima, koji osciliraju oko atomskog nukleusa brzinama tek nešto manjim od brzine svjetlosti! Heisenbergov princip je stvorilo novu sliku atoma: atoma oko kojeg se nalazi “oblak” elektrona”

Heisenberg je predstavio ovo tumačenje 1927. Za vrijeme nacističkog režima, Heisenberg je bio protivnik Deutsche Physik te je pokazao zavidan nivo građanske hrabrosti u tom periodu. Sigurno je upravo on primjer profesionalizma i pobjede humanizma. SS ga je čak proglasio “bijelim Jevrejem”, što je bio naziv za Nijemce koji se “ponašaju kao Jevreji”. Kako bi ga zaštitila, Heisenbergova majka je jednom urgirala kod Himlera, preko Himlerove majke (njih dvije su se poznavale) da SS ostavi na miru Wernera. Međutim, Heisenberg će ipak biti subjekt bar jedne SS istrage i ispitivanja: ispitivala su ga trojica SS-ovaca, koji su studirali fiziku. Ova istraga je završila tako da su ovi SS-ovci postali pristaše Heisenberga i njegovih stavova te njegove pozicije protiv ideoloških stavova pokreta “Deutsche Physik”. Ipak, u toku Drugog svjetskog rada, nacistički režim angažuje Heisenberga na projektu izrade atomske bombe. U to vrijeme (1941.) Heisenberg uspijeva doći do Copenhagena da bi o nuklearnim istraživanjima raspravljao sa Nielsom Bohrom. Američka Office of Strategic Services, preteča CIA je znala da je ključna osoba sa njemačke strane za izradu atomske bombe upravo Heisenberg te su angažovali svog agenta da Heisenberga ubije u Švicarskoj kada je on 1944. držao predavanje tamo. Agent Moe Berg je poznavao fiziku i imao je instrukcije da Heisenberga ubije na najmanji znak da je Njemačka blizu stvaranja bombe. Heisenberg nije dao takve indikacije, a Berg će poslije reći kako je odluka da ne ubije Heisenberga bio njegov lični “princip neodređenosti”. Postoje pak indicije da je Heisenberg u toku rata namjerno usporavao proces stvaranja atomske bombe, krio padatke i zapravo radio na tome da nacistima bomba nikada ne dođe u ruke.

Max Born (11. decembar, Breslau, Njemačko Carstvo 1882 – 5. januar 1970. Göttingen, Zapadna Njemačka) je treći veliki kvantni fizičar u ovoj njemačkoj trojci. Dakle: Planck-Heisenberg-Born. Born je, kao i Planck i Heisenberg, dobitnik Nobelove nagrade za fiziku. Nagradu je dobio 1954. za statističku interpretaciju valne funkcije.