/ Posle 5 / Trnovit put do Higsovog bozona: Eksperimentalni ciklusi u istoriji kvantne mehanike
BiF Analize Čitajte B&F online

Trnovit put do Higsovog bozona: Eksperimentalni ciklusi u istoriji kvantne mehanike

This post has already been read 1045 times!

Eksperimentalna osnova kvantne mehanike sastoji se od niza eksperimentalnih ciklusa koji počinju krajem 19. veka i traju do kasnih 20-ih i ranih 30-ih godina 20. veka. Ciklusi slede više ili manje jedinstven obrazac razvoja strukture aparata, detektora i tehnike detekcije.

Tipično, ciklus je počinjao s nekoliko nezavisno osmišljenih eksperimenata koji se bave prilično ograničenim skupom pojava, gde se svaki oslanjao na relativno jednostavan i neposredan aparat, detektor i tehnike detekcije, a završavao se složenim svestranim aparatom, kombinovanjem izvora, detektora i tehnika detekcije ranije izvedenih u jednostavnijim nezavisnim eksperimentalnim ciklusima. Konačno, po završetku ciklusa dolazilo je do proliferacije takvog svestranog aparata po drugim eksperimentalnim centrima. Mi ćemo se dotaći nekoliko ilustrativnih primera takvih ciklusa koji su realizovali eksperimentalnu raznovrsnost na više nivoa, pa ćemo ih zatim preciznije odrediti.

Čak i pre 1901. godine, kada je započeo razvoj kvantne teorije, nekoliko eksperimentalnih ciklusa izdvaja se po značaju za taj razvoj. Na primer, debata iz 90-ih godina 19. veka o prirodi zračenja vodila se u dva eksperimentalna centra i odigrala je presudnu ulogu u otkrivanju novih zakona zračenja – to je bila početna faza razvoja kvantne mehanike. Herc je u svojoj laboratoriji istraživao toplotno i električno zračenje. Posle ovih eksperimenata, Pringshajm, Pašen, Helmholc i Julijus zapitali su se da li novootkrivene linije spektra potiču od razlika u hemijskim osobinama ili u fizičkim. U međuvremenu, istraživački tim u Berlinu, na čelu s Hajnrihom Rubensom i Ernestom Foks Nikolsom, polazi od drugačije postavke teorije i potpuno različite tehnike od onih koje su praktikovali Pašen i njegovi saradnici. Rubens i Nikols sa saradnicima proučavali su zračenje tako što su ga merili u jedinicama svetlosti, dok su Pašen i saradnici merili normalan spektar bolometrijski. Rasprava koja je kulminirala 1899. odnosila se na pitanje da li su odgovarajući predmet istraživanja kraće ili duže talasne dužine (Kangro 1976, poglavlje 7, 147–152). Neslaganje u vezi s odgovarajućim energetskim opsegom koji bi trebalo proučavati bilo je suštinski značajno za pristup problemu, jer je rezultiralo izradom dva veoma različita aparata i razvitkom dva različita pristupa: fotometrijom svetlosnog izvora, čija temperatura je trebalo da se fotometrijski određuje na osnovu analize koja uključuje zagrevanje različitih materijala; i bolometrijskim merenjima koja su se oslanjala na merenje elektromagnetnog zračenja, zato što ono zavisi od promena električnog otpora. Ovo razilaženje dovelo je i do razvoja dve tehnike, koje su na kraju postale deo svestranog aparata konstruisanog pri kraju ovog eksperimentalnog ciklusa.

Ciklus nakon 1901, koji se bavio razumevanjem β raspada, dodatno ilustruje supstancijalnu raznovrsnost eksperimentisanja. Na kraju tog perioda, pošto je kvantna teorija sazrela, β zračenje se pokazalo kao puka manifestacija slabe sile, jedne od četiri osnovne fizičke sile.8 To je ujedno potvrda da se do njenog otkrića nije moglo doći direktnim putem; analogije s poznatim pojavama kao i smele pretpostavke nisu vodile nikuda. Ipak, adekvatno razumevanje ovog fenomena bilo je ključno za razvoj kvantne teorije. Ono je pokazalo prirodu radijacije koja je objašnjena tek u okvirima kvantne teorije. Eksperimentalno, otkriće te sile iziskivalo je razvoj nuklearne spektroskopije i fotografskih tehnika detekcije, koje su kasnije korišćene u istraživanju brojnih pojava značajnih za napredak kvantne teorije.

Do otkrića da je β raspad manifestacija jedne nove sile došlo se, dakle, uz primenjivanje različitih tehnika. Istraživači su, na primer, otkrili da β spektar izgleda kontinuirano samo kada postoji „navođenje“ od strane drugih fenomena (Pais 1986, 144), što u stvari znači da nije sam po sebi kontinuiran. Pored toga, na pitanje koliko elek- trona se emituje prilikom raspada odgovoreno je tek posle primene Vilsonove komore (ibid. 145). Ali početno pitanje kojim su se eksperimentalno bavili Oto Han i Lisa Majtner glasilo je: kako se elektroni apsorbuju kada zrak prolazi kroz materiju prilikom β raspada. Pošto se elektroni rasejavaju u svim pravcima (što se detektuje kad upadni zraci udare u metalne folije), istraživači nisu razumeli prirodu β zraka. Ipak, ingeniozno koristeći prethodno razvijene tehnike apsorpcije, Vilson je 1908. otkrio da monoenergetski zrak ne sledi eksponencijalni zakon apsorpcije, koji je u to vreme prihvaćen kao opšti zakon; na osnovu toga, Vilson je zaključio da zraci pri prelasku materijalne prepreke gube energiju postepeno. Naime, ti zraci su eksponencijalno apsorbovani samo u prelasku kroz materijale različitih debljina, što znači da moraju biti heterogeni jer se homogeni zraci ne apsorbuju eksponencijalno.

lise_meitner_3_455

Oto Han i Lisa Majtner

Vilson je konstruisao aparat za koji je korišćena tehnika magnetne separacije, u kojoj, posle prolaska kroz prorez, zraci padaju u homogeno magnetno polje pod pravim uglom u odnosu na vektore brzine koji su ih doveli u kružno kretanje. Zraci zatim prave polukrug te ulaze u još jedan prorez i na kraju pogađaju metalnu foliju (čija je debljina neujednačena). Oni snopovi koji prolaze kroz prorez (tj. koje apsorbuje metalna folija) imaju homogene brzine, dok se struja snopova koja foliju prelazi poprečno meri elektroskopom. Na osnovu posmatranih struja, i za svaku testiranu brzinu, izvodi se zaključak da se β zraci postepeno povlače, odnosno da se ne apsorbuju eksponencijalno.

Vilsonov višestrani eksperimentalni aparat postao je klasični aparat u eksperimentima s apsorpcijom. Ipak, pošto je Vilson do teorijskih uvida u svojim eksperimentima došao polazeći od vrlo konkret- nog pitanja,9 nije pokušao da dokaže kontinuiranu prirodu spektra (ibid. 153). Drugim rečima, on je pretpostavljao da elektroni imaju diskretnu formu, a ne kontinuiranu. Za osporavanje ovakve pretpostavke potrebne su dve veoma različite tehnike pomoću kojih bi se istraživala dva aspekta ispitivanog fenomena.

Izgledalo je da eksperimenti s fotografskim pločama koje beleže β raspad ukazuju na odvajanje spektralnih linija. Han i Fon Bajer su primenili Vilsonovu magnetsku separaciju elektrona različitih brzina koristeći fotografsku tehniku detekcije, iako je ova tehnika bila tek u početnoj fazi razvoja pa njena primena nije bila potpuno jasna. Pošto elektroni različitih brzina prođu kroz polukružne orbite, oni udaraju u fotografsku ploču; potamneli delovi ploče trebalo je da odgovaraju spektru inicijalne brzine. Posle daljih eksperimenata i detaljnih promišljanja njihovog početnog položaja, zaključeno je da je snimana disperzija β zrakova, a ne njihova apsorpcija (u kom slučaju bi trebalo da postoji posebna hemijska supstanca za svaku β liniju jer su se supstance razlikovale u apsorpcionim svojstvima). Razlike u zatamnjenju nastaju zato što β zraci gube intenzitet krećući se do fotografske ploče. To je bio suptilan korak na putu ka tumačenju nuklearnog spektra pomoću fotografske detekcije.

U narednim pokušajima da razotkrije prirodu spektra β zračenja, Vilson sjedinjuje tehniku separacije s detekcijom putem brojača, veoma različitom od postupka otkrivanja pomoću fotografske ploče. Vrlo brzo su naučnici pojmili koliko je značajna ta nova tehnika. Čedvik se požalio: „Dobijam fotografije [navodnih linija β spektra] lako, ali pomoću brojača ne mogu naći ni privid te linije. Verovatno je reč o glupoj grešci“ (J. Chadvik u Pais 1986, 159). Ali, kako je Čedvik ubrzo shvatio, uopšte nije bila u pitanju glupa greška. Brojači beleže samo linije β raspada tek pošto su elektroni različitih brzina (proizvedeni promenom jačine magnetnog polja uz primenjivanje Vilsonove tehnike) prošli kroz polukrug i razelektrisani između fine igle i metalne ploče, što dovodi do promene električnog potencijala (koju, u stvari, registruje brojač). Očigledan je bio zaključak da je spektar β zračenja kontinuiran. Kao što je Han ubrzo uočio, fotografska ploča je zabeležila disperziju koja stvara lažne linije ako se ploča razvije na određeni način.

Slično tome, brojni eksperimenti, počev od onih koje su 1912. izveli Hjuz, Ričardson i Kompton, kao i onih kojima se Milikan bavio 1916, fokusirali su se na fotoelektrični efekat. Pritom je svaki od njih uvodio nove tehnike za otkrivanje i/ili nove eksperimentalne uređaje koji su uključivali nove vrste izvora i kontrolisanja zračenja. Naknadni eksperimenti, koji su doveli do čuvenog otkrića Komptonovog rasejanja, izvršeni su pomoću svestranih aparata u kojima su se kombinovale tehnike iz pomenutih ranijih eksperimenata.

Arthur-Compton

Artur Kompton

I Bor–Kremer–Slejterova teorija (BKS), koja je bila prihvaćena samo nakratko ali je predstavljala važnu stepenicu u razvoju kvantne teorije, nije se mogla adekvatno testirati bez primene dve različite tehnike – Gajgerovih brojača i nedavno konstruisane maglene komore korišćene u sklopu dva nezavisna eksperimenta u Vilsonovoj i Gajgerovoj Prema BKS teoriji, izvedena je hipoteza o virtuelnom polju preko kog atomi emituju energiju u interakciji. Eksperimentatori su pomoću Gajgerovih brojača pratili istovremene pojave fotona i elektrona i pružili dokaze da se energija odbijenih elektrona u pojedinačnim interakcijama, za razliku od zraka energije u interakciji s materijom, distribuira u skladu sa zakonom očuvanja impulsa. Ali to nije bilo dovoljno da se zaključi kako je BKS teorija netačna, jer postoji mogućnost da igla na Gajgerovom brojaču meri pojedinačne uglove rasejanja. Teorija je konačno odbačena tek kada su izmereni uglovi odbijanja na tragovima u maglenoj komori – ta merenja ukazivala su na raspodelu energije u skladu sa zakonom o održanju impulsa nalik onoj u čestičnim interakcijama, za razliku od kontinuirane raspodele. Ovo je bila prva prilika da se maglena komora pokaže u važ- nom eksperimentu, i ubrzo nakon toga je postala glavni eksperimen- talni instrument fizike čestica, korišćen u brojnim eksperimentima istraživanja pojava različitih čestica na inovativne načine.

Na sličan način je i Štern–Gerlahov aparat postao zastupljen kao izuzetno prilagodljivo eksperimentalno sredstvo koje omogućava fleksibilno kombinovanje ranijih tehnika kako bi se proizvelo više eksperimentalnih situacija.

stern gerlach

Štern–Gerlahov eksperiment

Na osnovu ovih i sličnih slučajeva, jasno je da eksperimentalni ciklus počinje različitim, usko fokusiranim eksperimentima; svaki od njih oslanja se na određenu vrstu fizičke interakcije, tj.vrstu zračenja koju interakcija proizvodi, a koja podstiče razvoj specifičnih tehnika i konstrukciju odgovarajućeg aparata, tj. mernog uređaja. Tokom eksperimentalnog ciklusa ove tehnike postepeno se kombinuju da bi se pomoću njih došlo do složenijeg i preciznijeg uvida, tako da su one na kraju ciklusa obično objedinjene u svestranim aparatima koji mogu uspešno da upravljaju prethodno nezavisno istraživanim fizičkim procesima i prate ih.

Eksperimentalni aparati i razlike među njima mogu se jednostavno odrediti na osnovu njihove složenosti, pre svega na osnovu broja elemenata i njihovog uzajamnog odnosa. Ovi elementi uključuju izvore zračenja, razne filtere, regulativne mehanizme, instrumente i detektore. Detektori čine centralni deo aparata u kojem se odvijaju interakcije u eksperimentima; dizajn ostalih elemenata aparata u velikoj meri zavisi od njih. Shodno tome, struktura i korišćenje detektora biće u žiži našeg interesovanja prilikom definisanja raznolikosti eksperimenata. Karakteristike detektora variraju od jedne do druge eksperimentalne aparature u sledećim aspektima: vrste domena interakcija; tehnike detekcije – vrsta mete i vrsta interakcije s njom; uslovi detekcije i selekcije podataka, uključujući teorijske ciljeve eksperimenta i pozadinske teorije (tj. teorije na osnovu koje se određuje trenutak snimanja, tzv. okidač).

Adekvatan skup kriterijuma eksperimentalne raznolikosti trebalo bi takođe da sadrži fizičke vrednosti koje određuju manifestovane vrednosti u eksperimentalnom radu, kao različite aspekte eksperimentalnog aparata koji proizvodi te veličine. Direktno ili indirektno merene vrednosti u kvantnoj fizici (kao i u fizici čestica) uključuju energije, frekvencije i uglove raznih vrsta. Domen interakcija je specifičan fizički fenomen (talasni front, snopovi zračenja, polje itd.), korišćen u interakcijama čije se karakteristike izučavaju. On se obično odnosi na ono što aparat proizvodi kad koristi određeni radijacioni izvor i na ono čime se manipuliše u detektoru. Svaka tehnika detekcije obrađuje fizičke pojave nastale na poseban način (npr. u sudaru snopova, rasejanjem na prepreci, udaranjem u ekran ili apsorpcijom itd.) da bi se registrovale određene vrednosti. Svaka detekcija sprovodi se za specifičnu svrhu koja se obično donekle određuje na osnovu teorijskih očekivanja. (Često formulacija cilja zavisi od laboratorije u kojoj se izvodi eksperiment; svaki pojedinačni tim će pokušati da istraži određene interakcije i njihov energetski opseg.)

Tako, uz razlike u kompleksnosti aparata, postoji i očigledna razlika u fizičkim pojavama i procesima koje ti aparati proizvode. Kada se sve to ima u vidu, prilično je jasno u kojoj meri se eksperimenti razlikuju i da li se može govoriti o povećanju raznovrsnosti eksperimentisanja, jer fizički fenomen koji se proučava može lako da se identifikuje u eksperimentalnoj istoriji (je li ranije bio predmet proučavanja?) i u trenutnom teorijskom znanju o tom fenomenu (tj.u kojoj meri se tada prihvaćene teorije odnose na njega?). Eksperimenti se tokom jednog ciklusa ili usredsređuju na određen domen interakcija koje variraju (npr. testiranje BKS) ili se drže jedne vrste interakcija a vari- raju domene (npr. eksperimenti s foto-električnim efektom). Ovakav postupak može se izvesti ukoliko se ili aparat ili oprema za detekciju poboljšaju u svakom eksperimentu. Retko se dešava da tokom ciklusa variraju i interakcije i domen istovremeno (npr. Ramsauerovi eksperimenti), pri čemu se u sledećem ciklusu uvodi novi eksperimentalni kontekst i to u pogledu svakog navedenog kriterijuma (domena, tehnike, aparata, radne hipoteze i teorije).

Raznolikost u energiji i frekvenciji još jedan je kriterijum, ali je neophodno da ga tumačimo s više opreza. Apsolutna raznolikost energija odnosi se na energetski spektar koji aparat pokriva bar u teoriji. Međutim, ova mera može da bude irelevantna, što zavisi od toga da li je raspon energija koji se koristi u eksperimentima na aparatu uzan. Sve u svemu, više je kao mera pogodna relativna raznolikost energija.

Visok nivo relativne raznovrsnosti pruža širok spektar energija na kojima se eksperimenti obavljaju. Uprkos potencijalno širokom spektru energija u datom aparatu, eksperimenti koji imaju mali domen i koji ne donose uvide relevantne rezultatima drugih eksperimenata na drugim uskim energetskim domenima, odlikuju se lošom relativnom raznolikošću, iako je, u odnosu na ranije eksperimente, njihova apsolutna raznolikost mnogo veća. Nasuprot tome, u eksperimentima čiji su rezultati postavili osnovu za razvoj kvantne mehanike uspešno su kombinovani uvidi dobijeni proučavanjem pojedinih uskih domena energija i teorije strukture atoma.

U stvari, može se reći da su i pojedini ciklusi i nizovi ciklusa u kvantnoj mehanici, uključujući i tehnike detekcije, domene i ciljeve i vrste aparata (kao i izvore zračenja ) te variranje različitih energija i frekvencija, idealan obrazac za robusnu eksperimentalnu raznolikost. Različite nezavisne eksperimentalne grupe osmislile su, dizajnirale i koristile aparate, analizirale podatke, proizvele pozadinsku teoriju i formulisale egzaktna pitanja (tj. izabrale precizan skup fenomena) na koja je trebalo naći odgovore. Gotovo po pravilu, svakim novim teorijskim pitanjem bavila se nezavisna eksperimentalna grupa u autonomnom eksperimentalnom kontekstu (što je uključivalo niz novih tehnika detekcije, domene interakcija, radne hipoteze i poza- dinske teorije). Zato što je raznolikost u okviru ciklusa išla ruku pod ruku s brojem različitih eksperimentalnih ciklusa, moguće je tvrditi da je dostignut prag eksperimentalne raznolikosti, ukoliko on uopšte postoji.

Kao što iznose Kolins (1984) i Frenklin i Haui (1984), razlike među eksperimentima bi trebalo da se odnose i na pozadinske teorije. U tom smislu, važno je da se uvede robusna nezavisnost eksperimentalnih centara kao potkategorija, mada je to društveno posredovana kategorija raznolikosti, a ne kategorija koja se direktno tiče fizičkih fenomena. U slučaju kvantne mehanike, eksperimentalni centri obično postavljaju sopstvena pitanja i teorijsku istraživačku osnovu za testiranje, umesto da se oslanjaju na dominantne teorije (primer za to je eksperimentalni rad A. H. Komptona). Često i sama formulacija cilja zavisi od laboratorije u kojoj se realizuje eksperiment pomoću kog tim pokušava da istraži određene interakcije i utvrdi relevantan energetski opseg.

—————————————————————————–

8  Ovo je ustanovljeno tek 40-ih.

9 Polazeći od vrlo specifične pozadinske teorije koja je upućivala na to da je β raspad iste vrste kao i α raspad, Vilson je bio zainteresovan za apsorpciju i za eksperimentalnu tehniku koja se njome bavila putem interakcija (apsorpcije) elektronskih snopova i metalnih folija.

higs_korice  Izvod iz knjige Trnovit put do Higsovog bozona Slobodana Perovića u izdanju Heliksa.

Send Us A Message Here

Your email address will not be published. Required fields are marked *

Close