Stanislav Daniš: Od Zeemanova jevu ke kvantovým číslům (MFF-PMF 11.11.2021)
Vložit
- čas přidán 17. 11. 2021
- Záznam první přednášky z podzimního cyklu Přednášek z moderní fyziky pro středoškoláky, v tomto semestru na téma Křižovatky fyziky 20. století, která proběhla 11. 11. 2021 pod názvem:
Od Zeemanova jevu ke kvantovým číslům.
Od objevu elektronu koncem 19. století až do poloviny století následujícího se fyzikové snažili odhalit, jak jsou tyto elementární částice v atomu uspořádány. Rozhodující pro objevení struktury atomu byla jejich spektra. Ta nám otevřela cestu k poznání kvantových vlastností elektronů - a jejich prostřednictvím k pochopení atomů, molekul i pevných látek. A to byl teprve začátek velkých objevů. Nejen jim je věnována tato přednáška.
Přednáší:
doc. RNDr. Stanislav Daniš, Ph.D. (Katedra fyziky kondenzovaných látek, MFF UK).
Tyto přednášky jsou pořádané Ústavem teoretické fyziky Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy, na obvyklém místě v budově Matematicko-fyzikální fakulty UK v Troji, V Holešovičkách 2, Praha 8, ve velké posluchárně číslo T2 v přízemí atriového objektu "T", vždy ve čtvrtek od 18:15, zpravidla jednou za čtrnáct dní.
Letošní téma bylo nazváno: Křižovatky fyziky 20. století a přednášky jsou volně inspirovány událostmi zachycenými v knize Einstein opět v Praze - fyzika v seriálu Génius, při jehož natáčení v letech 2016-17 se přednášející zúčastnili jako odborní poradci.
Plán přednášek visí na adrese:
utf.mff.cuni.cz/popularizace/PMF/ - Věda a technologie
Opě naprosto perfektní. Děkuji.
Konečně skutečná historie Fyziky. Popis toho JAK NA TO PŘIŠLI a KTERÉ EXPERIMENTY dali za vzniknout objevům, přináší pochopení toho co jsou ta kvanta vlastně zač. Nikoliv strašidelné vyprávění o "nepochopitelném chování elementárních částic" jako z Ybsenova dramatu, ale detektivka a postup luštění záhady. Díky! :-*
To záleží jestli chcete mít středoškolskou - hezkou verzi příběhu, která vyvolává ve zpětném zrcátku dojem Agathy Christie nebo tu podstatně složitější a paradoxnější, ale pravdivou. Standa Daniš je skvělý popularizátor fyziky i astronomie, mohu trošku posoudit, už od jeho středoškolských let. Nicméně ona popularizace je dvojsečná zbraň - jak zpřístupnit komplikované věci v jednoduchosti a přitom nezpůsobit v auditoriu dojem, že ta simplifikovaná verze je plnou pravdou - že to tak opravdu bylo. To je IMHO velká výzva. A navíc SD je celým svým založením především a hlavně experimentátor, takže pokud jde o popis provedených experimentů není naprosto co vytknout, naopak je skvělé, že se touhle opomíjenou kapitolou historie fyziky zabývá. Nicméně to stejné neplatí o vývoji a limitech teoretického bádání - staré kvantové teorie, jež je vlastně předmětem této přednášky, implicitně. Pokud Vám tedy stačí taková středoškolská verze - so far, so good, můžete být spokojen s tím, že to, co nezapadá do příběhu nebude taktně zmíněno nebo se řekně, že "bylo zapotřebí jen vybudovat střechovou teorii a pak už to bylo přece jasné". Pokud chce jít člověk hlouběji, jak to opravdu bylo, uvidí z mého pohledu podstatně zajímavější, složitější a paradoxnější příběh skutečně hodný pera velkého dramatika - vždyť vznik moderní kvantové teorie naprosto změnil náš pohled na svět (alespoň u těch jedinců, kteří se tak daleko dostanou, ostatní využívají jen jeho praktické důsledky) - který ale IMHO dosud nebyl napsán. A nevím, jestli je to příběh pro pero, dnes spíše klávesnici, dramatika Ybsenovského střihu. Ale k meritu věci. Především nějaké ty zdroje - shodou okolností nedávno vyšlo toto raritní video, v mizerné kvalitě ale naprosto unikátní, z archivu MIT - přednáška Hanse Bethe uvedená Victorem Weisskopfem, z roku 1977 o počátcích kvantové teorie, tedy té první skutečné (protože konzistetní a rozumně formulované, o Heisenbergovu maticovou teorii a Schrodingerovu vlnovou mechaniku opřené) czcams.com/video/E61UR4Lbifo/video.html kvantové teorie. Doporučuji se na to kouknout resp spíše si to poslechnout, protože je to unikátní pohled koryfeje oboru, který jak říká "nebyl u stvoření", ale byl od roku 1925/6 doktorandem u Arnolda Sommerfelda a podílel se na vysvětlení - spočtení v rámci nově vzniklé kvantové teorie toho, co je popsáno zde (od Zeemanova jevu ke kvantovým číslům) - ale tentokrát nejen ad hoc pro pár případů, pro něž byly semiempiricky dané formule spíše odhadnuty než odvozeny. Držme se spektroskopické tematiky. Samozřejmě pro vysvětlení/predikci spekter je zásadní umět řešit hladiny atomů - kvůli tomu nakonec potřebujeme zavést ta kvantová čísla. V 51. minutě konstatuje Bethe, že na rozdíl od Bohrova modelu atomu vodíku jehož popis byl úspěchem staré kvantové teorie (se všemi těmi korekcemi o kterých pojednává páně Danišova přednáška) již pro atom helia tato snaha založená na staré kvantové teorii selhala kompletně (což je jedna z věcí, která by "komplikovala" obraz středoškolské popularizační přednášky, jasně) a to se o to Bohr i Heisenberg snažili. Zajímavý detail od Betheho, který jsem nevěděl je, že když řešili, již se započtením spinu, pomocí schrodingerovy vlnové mechaniky stavy, které se ukázaly být tripletní tak tehdejší spektroskopické metody nebyly schopné to rozlišit, dokázaly detekovat jen dublety. Ukazuje to, jak skutečně správná teorie otevírá předpovědi, které musí pak experiment hledat a v zásadě jej "předbíhá" v kontrastu s dobou "staré kvantové teorie", která měla hromadu experimentálních výsledků - to také Bethe konstatuje - ale nebyla schopna vytvořit žádný aspoň trochu ucelený pohled. Jak cituje Bethe Eddingtona "v pondělí, ve středu a v pátek popisujeme svět částicově, v úterý čtvrtek a sobotu vlnově a v neděli se modlíme abychom našli řešení celé té záhady". Další věc, sice není přímo spektroskopická, ale má vazbu na tuto tematiku a Bethe ji explicitně zminuje - stará kvantová teorie mohla jakztakz i se vsemi dodatečně zavedenými kvantovými čísly, popsat strukturu spektrálních čar resp. steady state atomu vodíku a s jistými empirickými ad hoc vstupy atomy s jedním elektronem ve valenční vrstvě, ale není schopna předpovědět intenzitu emise. Jak říká Bethe na začátku, byl to hell of the mess, nikoliv "od úspěchu k úspěchu jdeme" jak by mohl nabýt nesprávného dojmu posluchač této přednášky. A už vůbec stará kvantová teorie i se všemi dodatky a korekcemi nebyla schopa posvítit na rozptylové jevy a to i v nejjednodušším provedení jak opět konstatuje Bethe když cituje "complete disappointment" Pauliho nad jeho disertaci, kde se o to pokusil už vybaven novou teorií ale s použitím perturbačních technik. Takhle bychom mohli pokračovat dál. Pointa příběhu je ta, že ačkoliv jednotlivá kvantová čísla byla zavedena s jasnou motivací vycházející ze zkušeností z klasické mechaniky a s přihlédnutím ke klasické elektrodynamice jak koneckonců přednáška dobře popisuje, tak snad až na to hlavní (a i to s výhradou) musela být kompletně redefinována s příchodem nové kvantové teorie a co nám zůstalo do dneška jsou hlavně ta “písmenka”, nikoliv to, jak byla zavedena. Je to taky paradox, který mě osobně fascinuje a asi proto se tu tolik rozepisuju. Stará kvantová teorie byla z našeho hlediska (ale i z pohledu znalých současníků, jak vidno třeba z jejich korespondence) hell of the mess, nová kvantovka, kterou dnes používáme od těch let 24/25 byla - opět cituji Hanse Bethe a můžete si to ověřit v jeho přednášce - kompletně nová teorie a žádná “střechová” teorie nad existujícími výsledky. Je to radikálně nový pohled a zcela souhlasím s Davidem Merminem (ano, TEN Mermin pro lidi, kteří znají kurz fyziky pevné fáze Aschcroft, Mermin en.wikipedia.org/wiki/Ashcroft_and_Mermin() z jeho Oppenheimerovské přednášky na téma základů QM, kterou přikládám jako druhý zdroj k mému komentáři - czcams.com/video/ta09WXiUqcQ/video.html na UCLA), že moderní kvantová teorie je největším intelektuálním výkonem XX. století i s ohledem na všechna úžasná díla a výsledky jako je Stravinského hudba, Picassovy tvorby nebo molekulární biologie (citace). Tím rozhodně nechci snižovat roli a význam toho obrovského úsilí a výsledků dosažených v rámci staré kvantové teorie o níž pojednává tato přednáška - právě naopak. A domnívám se, že je velmi dobře, že se o těchto často opomíjených výsledcích dtto části historie zde mluví. Ne proto, že by ty představy byly správně. Ale proto, že obsahovaly zárodky správného (zabalené do hromady balastu zataženého zejména z našeho vnímání "reality" spojené s klasickou mechanikou) a vedly skupinu lidí kolem Sommerfelda a Bohra ke konečnému odhození toho pro nás tak přirozeného balastu a revoluci v myšlení, která, jak o tom mluví Bethe, vedla k tomu, že během 5ti let s pomocí technik Schrodingera, Heisenberga a Diraca (predevším) dokázali pochopit, popsat a spočítat v zásadě všechny nahromaděné nerelativistické výsledky s výjimkou supravodivosti (odpovídající experimentální data) a vytvořit, především na Bornově a Bohrově práci nový pohled na to, jak - spis nepracovat - s pojmy jako realita etc. - na to je dobře si poslechnout Mermina alespoň v úvodu jeho přednášky "in his Borh-ish way". Rozhodně to není tak jednoduchý a přímočarý (a uspokojující ve středoškolském smyslu) příběh, ale troufnu si tvrdit, že úplnější a korektnější. Tož tak :)
U Thomsonova modelu atomu bylo třeba zmínit, že se mu říkalo "pudinkový", protože připomínal anglický vánoční dezert, tzv. "plum pudding" - tedy záporně nabíté rozinky rozhozené uvnitř kladně nabité hmoty:
en.wikipedia.org/wiki/Christmas_pudding
en.wikipedia.org/wiki/Plum_pudding_model
Skvělá přednáška, díky.
Ty widle, to je hotová pomsta Sithů :D
Zajímavé, že stejne jako současníci A.Lorenze si představovali že atom je kladný a záporný náboj na nějaké "pruzince" si dnes představujeme baryony (potažmo hadrony) které jsou slepený v jakýmsi gumovým silentbloku (gluony) a nejspíš v nějaké šílené vysoké frekvenci vibrují. Neměli by taky něco vyzarovat? Aspoň nějaký "fonony"
Naprosté perly...Pustím si to 5x.