კვანტური თეორიის სათავე უკავშირდება ცნობილ მოვლენას, რომელიც ატომური ფიზიკის ცენტრალურ ნაწილსაც კი არ ეკუთვნის. ნებისმიერი სხეული გათბობისას იწყებს ნათებას, ვარვარების ტემპერატურის გაზრდისას - წითლად და შემდეგ თეთრად. ფერი დიდად დამოკიდებული არაა სხეულის ზედაპირის თვისებებზე და შავი სხეულისთვის მას მხოლოდ ტემპერატურა განსაზღვრავს. ამდენად, მაღალ ტემპერატურაზე ასეთი შავი სხეულის გამოსხივება ფიზიკური კვლევის სასურველი საგანია; ეს მარტივი მოვლენაა და მარტივადაც უნდა იხსნებოდეს გამოსხივებისა და სითბოს აღმწერი ცნობილი კანონების საშუალებით. მიუხედავად ამისა, მეცხრამეტე საუკუნის ბოლოს ლორდ რელეის და ჯინსის ასეთი მცდელობა ჩაფლავდა და სერიოზული სიძნელეებიც გამოააშკარავა. აქ ამ სიძნელეთა მარტივი ენით აღწერა შეუძლებელია. საკმარისი იქნება, თუ ვიტყვით, რომ ცნობილი კანონების გამოყენებამ აზრიანი შედეგი ვერ გამოიღო. 1895 წელს კვლევის ამ მიმართულებას პლანკი შეუერთდა და შეეცადა, გამოსხივების პრობლება გამომსხივებელ ატომზე გადაეტანა. ამ გადატანას პრობლემისათვის არცერთი თანდაყოლილი სირთულე არ მოუცილებია, თუმცა გააიოლა ცდისეული ფაქტების ინტერპრეტაცია. სწორედ ამ დროს, 1900 წლის ზაფხულში, ბერლინში, კურლბაუმმა და რუბენსმა სითბური გამოსხივების სპექტრის ძალიან ზუსტი გაზომვები ჩაატარეს. როდესაც პლანკმა ამ შედეგების შესახებ შეიტყო, სცადა მათი მარტივი მათემატიკური ფორმულებით ახსნა, რომლებიც დამაჯერებლად გამოიყურებოდნენ მის მიერ გამოკვლეული სითბოსა და გამოსხივებას შორის არსებული ზოგადი კაშირის თვალსაზრისით. ერთ მშვენიერ დღეს პლანკი და რუბენსი პლანკის სახლში ჩაიზე შეიყარნენ და რუბენსის უკანასკნელი მონაცემები პლანკის მიერ შემოთავაზებულ ახალ ფორმულას შეადარეს. შედარებამ სრული თანხვედრა გამოავლინა. ასე მოხდა სითბური გამოსხივების პლანკის კანონის აღმოჩენა.
ამავე დროს ემთხვევა პლანკის მიერ ინტენსიური თეორიული მუშაობის დაწყება. როგორია ფორმულის სწორი ფიზიკური ინტერპრეტაცია? ვინაიდან პლანკს, ადრეული შრომის წყალობით, შეეძლო იოლად გადაეთარგმნა თავისი ფორმულა მტკიცებად გამომსხივებელი ატომის (ე.წ. ოსცილატორის) შესახებ, მან სულ მალე აღმოაჩინა, რომ ფორმულა ისე გამოიყურებოდა, თითქოს ოსცილატორი შეიძლება შეიცავდეს ენერგიის მხოლოდ დისკრეტულ კვანტებს (წყვეტილ ულუფებს, მთ.შენ.) - შედეგი იმდენად განსხვავდებოდა ყველაფერ იმისგან, რაც კლასიკური ფიზიკისთვის იყო ცნობილი, რომ თავიდან პლანკს ნამდვილად უნდა გასჭირვებოდა ამის დაჯერება. თუმცა ყველაზე ინტენსიური მუშაობის პერიოდში, 1900 წლის ზაფხულში მან საბოლოოდ დაარწმუნა საკუთარი თავი, რომ ამ დასკვნისაგან თავის დაღწევა შეუძლებელია. პლანკის შვილს აქვს ნათქვამი, რომ მამამისი მას ელაპარაკა ახალ იდეებზე ბერლინის გარეუბანში მდებარე გრიუნვალდის ტყეში ხანგრძლივი სეირნობისას. ის უხსნიდა, რომ შესაძლოა პირველი რანგის აღმოჩენა გააკეთა, რომელიც მხოლოდ ნიუტონის აღმოჩენებს თუ შეედრება. ამ დროისთვის პლანკს უკვე უნდა გაეაზრებინა, რომ მისი ფორმულა ბუნების ჩვენეული აღწერის საფუძვლებს ეხება, და რომ ეს საფუძვლები ერთ მშვენიერ დღეს ამოძრავდება ახლანდელი, ტრადიციული მდებარეობიდან ახალი და ჯერ კიდევ უცნობი, სტაბილური მდგომარეობისაკენ. პლანკს, რომელიც კონსერვატორი იყო მთელი თავისი შეხედულებებით, სულაც არ მოსწონდა ეს შედეგი, მაგრამ მან მაინც გამოაქვეყნა საკუთარი კვანტური ჰიპოთეზა 1900 წლის დეკემბერში.
ეს იდეა, რომ ენერგიის გამოსხივება ან შთანთქმა მხოლოდ დისკრეტული ენერგეტიკული კვანტებითაა შესაძლებელი, იმდენად ახალი იყო, რომ შეუძლებელი გახდა ფიზიკის ტრადიციულ ჩარჩოში მისი მოქცევა. პლანკის მცდელობა ამ ახალი ჰიპოთეზის გამოსხივების ძველ კანონებთან შესაბამისობაში მოყვანისა გადამწყვეტ საკითხებში დამარცხდა. ახალი მიმართულებით შემდეგი ნაბიჯის გადადგმას ხუთი წელი დასჭირდა.
ამჯერად ეს გააკეთა ახალგაზრდა ალბერტ აინშტაინმა, რევოლუციურმა გენიოსმა ფიზიკოსებს შორის, ვინც არ შეუშინდა ძველი იდეებისაგან შემდგომ დაშორებას. არსებობდა ორი პრობლემა, სადაც მას შეეძლო ახალი იდეების გამოყენება. ერთი ე.წ. ფოტოელექტრული ეფექტია, ელექტრონების ამოფრქვევა ლითონიდან სინათლის ზეგავლენით. ცდებმა, მათ შორის ლენარდისამ განსაკუთრებით, აჩვენა, რომ ამოფრქვეული ელექტრონების ენერგია დამოკიდებულია არა სინათლის ინტენსივობაზე, არამედ მხოლოდ მის ფერზე, ან უფრო ზუსტად, მის სიხშირეზე. ამის გაგება შეუძლებელი იყო გამოსხივების ტრადიციულ თეორიაზე დაყრდნობით. აინშტაინმა შეძლო დაკვირვების შედეგების ახსნა პლანკის ჰიპოთეზის ისეთი ინტერპრეტირებით, რომლის მიხედვით სინათლე სივრცეში მოძრავი ენერგიის კვანტებისგან შედგება. სინათლის ცალკეული კვანტის ენერგია, პლანკის ვარაუდის თანახმად, სინათლის სიხშირისა და პლანკის მუდმივას ნამრავლის ტოლია.
მეორე პრობლემა მყარი სხეულის კუთრი სითბოტევადობის პრობლემა იყო. ტრადიციული თეორია იძლეოდა კუთრი სითბოტევადობის მნიშვნელობებს, რომლებიც ახლოს იყო დამზერილთან მაღალ ტემპერატურებზე, მაგრამ არ ემთხვეოდა მათ დაბალ ტემპერატურებზე. აინშტაინმა კვლავ მოახერხა იმის ჩვენება, რომ შესაძლებელია ამის ახსნა მყარ სხეულში ატომების დრეკადი რხევების აღსაწერად კვანტური ჰიპოთეზის გამოყენებით. ეს ორი შედეგი ძალიან მნიშვნელოვანი წინსვლის მაჩვენებელი იყო, რადგან პლანკის ქმედების კვანტის – როგორც მის მუდმივას უწოდებენ ფიზიკოსები - არსებობა დაადასტურა რამდენიმე მოვლენაში, რომლებსაც უშუალოდ არაფერი აკავშირებს სითბურ გამოსხივებასთან. ამავე დროს მათ გამოააშკარავეს ახალი ჰიპოთეზის ღრმად რევოლუციური ხასიათი, რადგან პირველმა გამოიწვია სინათლის აღწერა, რომელიც სრულიად განსხვავდებოდა ტრადიციული ტალღური სურათისგან. სინათლე აღიწერებოდა ან როგორც ელექტრომაგნიტური ტალღა მაქსველის თეორიის შესაბამისად, ან როგორც სინათლის კვანტების, ანუ ენერგეტიკული პაკეტების ნაკადი, რომელიც სივრცეში მაღალი სიჩქარით მოძრაობს. მაგრამ განა შესაძლებელია ორივე ერთდროულად? აინშტაინმა რა თქმა უნდა იცოდა, რომ დიფრაქციის და ინტერფერენციის ცნობილი მოვლენების ახსნა მხოლოდ ტალღური სურათის საფუძველზეა შესაძლებელი. ის ვერ უარყოფდა ტალღურ სურათსა და სინათლის კვანტების იდეას შორის სრული შეუთავსებლობის არსებობას; მას არც უცდია ამ ინტერპრეტაციის წინააღმდეგობრიობის გადალახვა. მან უბრალოდ მიიღო ეს წინააღმდეგობა, როგორც ისეთი რამ, რისი გააზრებაც სავარაუდოდ მხოლოდ მოგვიანებით მოხერხდებოდა.
ამასობაში ბეკერელის, კიურის და რეზერფორდის ცდებმა გარკვეულად ნათელი მოჰფინა ატომის აგებულებას. 1911 წელს რეზერფორდის დაკვირვება ნივთიერების ურთიერთქმედებაზე მის გამჭოლავ ალფა-ნაწილაკების ნაკადთან ატომის მისეულ ცნობილ მოდელში აისახა. ამ მოდელის მიხედვით ატომი შედგება დადებითად დამუხტული ბირთვისგან, რომელშიც თითქმის მთელი მისი მასაა თავმოყრილი, და ელექტრონებისგან, რომლებიც ბირთვის ირგვლივ ბრუნავენ, მსგავსად პლანეტებისა მზის ირგვლივ. სხვადასხვა ელემენტების ატომებს შორის ქიმიური კავშირი აიხსნება მომიჯნავე ატომების გარე ელექტრონებს შორის ურთიერთქმედებით; ამას უშუალო კავშირი არ აქვს ატომის ბირთვთან. ატომის ბირთვი განსაზღვრავს ატომის ქიმიურ თვისებებს მუხტის მეშვეობით, რომელიც თავის მხრივ განსაზღვრავს ნეიტრალური ატომის ელექტრონების რაოდენობას. თავდაპირველად ატომის ეს მოდელი ვერ ხსნიდა ატომის ყველაზე უფრო დამახასიათებელ თვისებას – მის გასაოცარ მდგრადობას. ვერცერთი პლანეტარული სისტემა, რომელიც ნიუტონის კანონებს მისდევს, ვერასდროს ვერ აღიდგენდა საწყის კონფიგურაციას სხვა ასეთ სისტემასთან დაჯახების შემდეგ. ელემენტ ნახშირბადის ატომი კი, მაგალითად, ისევ ნახშირბადის ატომად რჩება ნებისმიერი დაჯახების ან ქიმიური კავშირის წარმოქმნის შემდეგაც.
ამ უჩვეულო მდგრადობის ახსნა მოახერხა ბორმა 1913 წელს, პლანკის კვანტური ჰიპოთეზის გამოყენებით. თუ ატომს შეუძლია ენერგია შეიცვალოს მხოლოდ დისკრეტული ენერგეტიკული კვანტებით, ეს იმას ნიშნავს, რომ ატომს შეუძლია არსებობა მხოლოდ დისკრეტულ სტაციონარულ მდგომარეობებში, რომელთაგან უმდაბლესი ატომის ნორმალური მდგომარეობაა.
ატომის მოდელისთვის კვანტური თეორიის ამ მისადაგებით ბორმა შეძლო არა მარტო ატომის მდგრადობის ახსნა, არამედ ზოგიერთ მარტივ შემთხვევაში ელექტრული განმუხტვით ან სითბურად აღგზნებული ატომების მიერ გამოსხივებული ხაზოვანი სპექტრების თეორიული ინტერპრეტაციაც. მისი თეორია ეყრდნობოდა ელექტრონების მოძრაობის კლასიკური მექანიკისა და კვანტური შეზღუდვების ერთობლიობას, რომლებიც კლასიკურ მოძრაობას დაემატა სისტემის დისკრეტული სტაციონარული მდგომარეობების განსაზღვრის მიზნით. ამ შეზღუდვათა თანმიმდევრული მათემატიკური ფორმულირება მოგვიანებით ზომერფელდმა მოახდინა. ბორს კარგად ესმოდა, რომ კვანტური შეზღუდვები გარკვეული თვალსაზრისით აფუჭებდა ნიუტონის მექანიკის თანმიმდევრულობას. წყალბადის ატომის მარტივ შემთხვევაში ბორის თეორია ატომის მიერ გამოსხივებული სინათლის სიხშირეთა გამოთვლის საშუალებას იძლეოდა და დამზერილთან დამთხვევა უზადო იყო. თუმცა ეს სიხშირეები განსხვავდებოდა ბირთვის ირგვლივ მბრუნავი ელექტრონების ორბიტალური სიხშირეებისა და მათი ჰარმონიკებისთვის, და ამ ფაქტმა წამსვე აჩვენა, რომ თეორია ჯერ კიდევ წინააღმდეგობებით იყო სავსე. თუმცა ის ჭეშმარიტების არსებით ნაწილს შეიცავდა. ის თვისობრივად ხსნიდა ატომების ქიმიურ თვისებებს და ხაზოვან სპექტრებს; დისკრეტული სტაციონარული მდგომარეობების არსებობა დადასტურდა ფრანკის და ჰერცის, შტერნის და გერლახის ცდებით.
ბორის თეორიამ გზა გაუხსნა კვლევის ახალ მიმართულებას. სპექტროსკოპიაში რამდენიმე ათწლეულის განმავლობაში დაგროვილი დიდი მოცულობის ექსპერიმენტული მასალა ხელმისაწვდომი გახდა იმ უცნაური კვანტური კანონების შესახებ ინფორმაციის მისაღებად, რომლებიც ატომში ელექტრონების მოძრაობას განაგებს. იგივე მიზნით შეიძლებოდა მრავალი ქიმიური ცდის გამოყენებაც. ამ დროიდან მოყოლებული ფიზიკამ ისწავლა სწორი კითხვების დასმა; სწორი კითხვების დასმა კი ხშირად ამოცანის ამოხსნისკენ გასავლელი გზის ნახევარზე მეტია.
როგორი იყო ეს კითხვები? პრაქტიკულად ყველა მათგანი ეხებოდა უცნაურ, თვალშისაცემ წინააღმდეგობას სხვადასხსვა ცდისეულ შედეგს შორის. როგორ ხდება, რომ ერთი და იგივე გამოსხივება, რომელიც ინტერფერენციულ სურათს იძლევა და შესაბამისად, ტალღებისგან უნდა შედგებოდეს, ფოტოელექტრულ ეფექტსაც გვაძლევს, და ამდენად, მოძრავ ნაწილაკებს უნდა შეიცავდეს? როგორაა შესაძლებელი, რომ ელექტრონის ორბიტალური მოძრაობის სიხშირე თავს არ იჩენს გამოსხივებული სინათლის სიხშირეში? ნიშნავს თუ არა ეს, რომ ორბიტალური მოძრაობა არ არსებობს? თუ ორბიტალური მოძრაობის იდეა არასწორია, რა მოსდის ელექტრონს ატომში? შესაძლებელია ელექტრონის მოძრაობის დანახვა ვილსონის (ნისლოვან) კამერაში და დროდადრო მათი ატომიდან ამოგლეჯაც ხდება; რატომ არ უნდა მოძრაობდნენ ისინი ატომში? მართალია არის შესაძლებლობა, რომ ისინი უძრავად იყვნენ ატომის ნორმალურ, ანუ მინიმალური ენერგიის მდგომარეობაში. მაგრამ არსებობს უფრო მაღალი ენერგიის მქონე მრავალი მდგომარეობა, რომელშიც ელექტრონულ გარსს ორბიტალური მომენტი აქვს. ამ მდგომარეობაში ელექტრონების უძრაობა ალბათ შეუძლებელია. მსგავსი მაგალითების მოყვანა მრავლადაა შესაძლებელი. ისევ და ისევ აღმოჩნდება, რომ ატომური მოვლენების აღწერას ტრადიციული ფიზიკის ფარგლებში წინააღმდეგობამდე მივყავართ.
20-იანების დასაწყისში ფიზიკოსები თანდათან შეეგუენ ამ სიძნელეებს, მათ შეიძინეს გარკვეული ბუნდოვანი გამოცდილება, თუ სად უნდა ელოდო სიძნელეებს და ისწავლეს წინააღმდეგობათა თავიდან აცილება. მათ იცოდნენ, ატომური მოვლენის რომელი ახსნა იქნებოდა სწორი ამა თუ იმ მოცემული ექსპერიმენტისთვის. მართალია, ეს არ იყო საკმარისი თანმიმდევრული ზოგადი სურათის შესაქმნელად იმის შესახებ, თუ რა ხდება კვანტურ პროცესში, სამაგიეროდ ამან შეცვალა ფიზიკოსთა განწყობა იმგვარად, რომ ისინი ეზიარნენ კვანტური თეორიის არსს. შესაბამისად, კვატური თეორიის მწყობრ ფორმულირებამდე კარგა ხნით ადრე ასე თუ ისე გასაგები გახდა, რა შედეგებს უნდა ელოდო ამა თუ იმ ექსპერიმენტისგან.
ხშირი მსჯელობა იმართებოდა ე.წ. იდეალური ექსპერიმენტების ირგვლივ. ასეთ ექსპერიმენტებს იგონებდნენ უკიდურესად კრიტიკული კითხვების საპასუხოდ მათი ჩატარების შესაძლებლობისა თუ შეუძლებლობის მიუხედავად. რა თქმა უნდა მნიშვნელოვანი იყო ასეთი ცდის ჩატარების პრინციპული შესაძლებლობის არსებობა, თუმცა ტექნიკურად ეს შესაძლოა უკიდურესად რთული ყოფილიყო. ეს წარმოსახვითი ექსპერიმენტები ძალიან სასარგებლო იყო გარკვეული პრობლემების გასარკვევად. როდესაც ფიზიკოსები ვერ თანხმდებოდნენ ასეთი წარმოსახვითი ექსპერიმენტის შედეგებზე, ხშირად ხერხდებოდა მსგავსი, მაგრამ უფრო მარტივი ცდის მოფიქრება , რომლის ჩატარებაც შესაძლებელი იყო, ისე რომ ცდის შედეგებს არსებითი სიცხადე შეჰქონდა კვანტურ თეორიაში.
იმ წლების ყველაზე უცნაური გამოცდილება ისაა, რომ კვანტური თეორიის პარადოქსები არ გაქრა სიცხადის შეტანის პროცესში. მეტიც, ისინი უფრო გამოიკვეთა და უფრო საინტერესოც გახდა. არსებობს, მაგალითად, კომპტონის ექსპერიმენტი რენტგენის სხივების გაბნევაზე. გაბნეული სინათლის ინტერფერენციაზე ადრეული ცდებიდან უდაო იყო, რომ გაბნევა არსებითად შემდეგნაირად ხდება: დაცემული სინათლე აიძულებს ელექტრონს სხივში ტალღის სიხშირით რხევას: მერხევი ელექტრონი შემდეგ გამოასხივებს იგივე სიხშირის სფერულ ტალღას, და ასეთნაირად წარმოქმნის გაბნეულ ტალღას. მაგრამ კომპტონმა 1923 წელს იპოვა, რომ გაბნეული რენტგენის სხივების სიხშირე განსხვავებულია დაცემული რენტგენის სხივის სიხშირისაგან. სიხშირის ეს ცვლილება ფორმალურად შეიძლება აიხსნას სინათლის კვანტის ელექტრონთან შეჯახებით; კვანტის ენერგია შეჯახებისას იცვლება, და რადგან სიხშირე გამრავლებული პლანკის მუდმივაზე, სინათლის კვანტის ენერგია უნდა იყოს, სიხშირეც უნდა შეიცვალოს. მაგრამ რა ემართება ამ ინტერპრეტაციაში სინათლის ტალღას? ორი ექსპერიმენტი, ერთი - გაბნეული სინათლის ინტერფერენციაზე და მეორე – გაბნეული სინათლის სიხშირის ცვლილებაზე ერთმანეთს ეწინააღმდეგება ისე, რომ შესაძლო კომპრომისი არც კი ჩანს.
ამ დროისთვის ბევრი ფიზიკოსი დარწმუნდა, რომ ეს აშკარა წინააღმდეგობაანი ატომური ფიზიკის სტრუქტურის შინაგანი თვისებაა. შესაბამისად, 1924 წელს საფრანგეთში დე ბროილმა სცადა ტალღურ აღწერას და ნაწილაკურ (კორპუსკულურ) აღწერას შორის არსებული დუალიზმი ნივთიერების ელემენტარულ ნაწილაკებზე, პირველ რიგში ელექტრონებზეც გაევრცელებინა. მან აჩვენა, რომ მოძრავ ელექტრონს შეიძლება “შევუსაბამოთ” გარკვეული ნივთიერი ტალღა, ზუსტად ისევე, როგორც მოძრავ სინათლის კვანტს “შეესაბამება” სინათლის ტალღა. იმ დროისთვის არ იყო ცხადი, რას ნიშნავს ეს “შესაბამისობა.” თუმცა დე ბროილმა ივარაუდა, რომ ბორის თეორიის კვანტური პირობა (შეზღუდვა) უნდა განიმარტოს, როგორც ნივთიერი ტალღების არსებობის მტკიცება. ბირთვის გარსშემომვლელი ტალღა გეომეტრიული მოსაზრებებით მხოლოდ მდგარი ტალღა შეიძლება იყოს; ამიტომ ორბიტის პერიმეტრი ტალღის სიგრძის ჯერადი უნდა იყოს. ამგვარად დე ბროილის იდეა დაუკავშირდა კვანტურ პირობას, რომელიც უცხო ელემენტი იყო ელექტრონების მექანიკაში, ნაწილაკებსა და ტალღებს შორის დუალიზმით.
ბორის თეორიაში შეუსაბამობა ელექტრონის გამოთვლილ ორბიტალურ სიხშირესა და გამოსხივების სიხშირეს შორის აიხსნებოდა ელექტრონული ორბიტის იდეის შეზღუდულობით. ეს იდეა თავიდანვე გარკვეულწილად საეჭვოდ ჩანდა. თუმცა უფრო მაღალ ორბიტებზე ელექტრონებს ბირთვისგან დაშორებით უნდა ემოძრავათ ზუსტად ისევე, როგორც ვილსონის კამერაში. ამდენად სრულიად დამაკმაყოფილებელი იყო, რომ ამ მაღალი ორბიტებისთვის გამოსხივების სიხშირე უახლოვდებოდა ორბიტალურ სიხშირეს და მის ჰარმონიკებს. ბორმა თავის ადრეულ ნაშრომებში აგრეთვე ივარაუდა, რომ სპექტრალური ხაზების ინტენსივობა უახლოვდება შესაბამისი ჰარმონიკების ინტენსივობას. შესაბამისობის ეს პრინციპი ერთობ სასარგებლო აღმოჩნდა სპექტრალური ხაზების ინტენსივობათა მიახლოებითი გამოთვლებისთვის. ამდენად, იქმნებოდა შთაბეჭდილება, რომ ბორის თეორია იძლევა თვისობრივ, მაგრამ არა რაოდენობრივ აღწერას იმისა, თუ რა ხდება ატომის შიგნით; რომ კვანტური პირობები თვისობრივად გამოხატავს ნივთიერების ახალ თვისებას და თავის მხრივ ტალღებსა და ნაწილაკებს შორის დუალიზმს უკავშირდება.
საბოლოოდ კვანტური თეორიის ზუსტ მათემატიკურ ფორმულირებამდე ორი განსხვავებული გზით მივიდნენ. ერთი ბორის შესაბამისობის პრინციპით დაიწყო. აუცილებელი იყო ელექტრონული ორბიტის იდეის დათმობა, თუმცა მისი შენარჩუნება შესაძლებელი იყო დიდ კვანტური რიცხვებისთვის, ანუ დიდი ორბიტებისთვის.
ამ უკანასკნელ შემთხვევაში გამოსხივებული რადიაცია სიხშირეების და ინტენსივობების საშუალებით იძლევა ელექტრონული ორბიტის სურათს; ის წარმოადგენს ორბიტის ფურიე გაშლას, როგორც მათემატიკოსები ამბობენ. თავისთავად აღმოცენდა იდეა, რომ მექანიკის კანონები უნდა ჩაიწეროს განტოლებების სახით არა ელექტრონების მდებარეობებისა და სიჩქარეებისთვის, არამედ მათი ფურიე გაშლის სიხშირეებისა და ამპლიტუდების მიმართ. ამ განტოლებების შედგენით და მათი მცირეოდენი შეცვლით შესაძლებლად ჩანდა იმ თანაფარდობათა მიღწევა, რომლებიც გამოსხივების სიხშირეებისა და ინტენსივობების სიდიდეებს შეესაბამება, თვით მცირე ორბიტებისა და ატომის ძირითადი მდგომარეობისათვისაც კი. ამ გეგმის განხორციელება შესაძლებელი გახდა; 1925 წლის ზაფხულში ამან მიგვიყვანა მათემატიკურ ფორმალიზმამდე, რომელსაც მატრიცული მექანიკა, ან უფრო ზოგადად, კვანტური მექანიკა ჰქვია. ნიუტონის მექანიკის მოძრაობის განტოლებები ჩანაცვლდა მსგავსი განტოლებებით მატრიცებისთვის; უცნაურ შეგრძნებას იწვევდა იმის ნახვა, რომ ნიუტონის მექანიკის ბევრი ძველი შედეგის გამოყვანა, როგორიცაა, მაგალითად, ენერგიის მუდმივობის კანონი და ა.შ. ახალ სქემაშიც შესაძლებელი იყო. მოგვიანებით ბორნის, იორდანის და დირაკის კვლევებმა აჩვენა, რომ ელექტრონის მდებარეობისა და იმპულსის წარმომადგენელი მატრიცები არ კომუტირებს. ეს უკანასკნელი ფაქტი ცხადად ამტკიცებდა არსებით განსხვავებას კვანტურ და კლასიკურ მექანიკებს შორის.
მეორე გზა ნივთიერი ტალღების დე ბროილისეულ იდეას გაჰყვა. შრედინგერმა სცადა ტალღური განტოლებით აღეწერა ბირთვის ირგვლივ მდგარი დე ბროილის ტალღები. 1926 წლის დასაწყისში მან წარმატებით გამოიყვანა წყალბადის ატომის სტაციონარულ მდგომარეობათა ენერგიის მნიშვნელობები, როგორც მისი ტალღური განტოლების “საკუთარი მნიშვნელობები” (Eigenvalues) და შეძლო მოეცა ზოგადი მითითება მოძრაობის კლასიკურ განტოლებათა მოცემული ჯგუფის გარდასაქმნელად შესაბამის ტალღურ განტოლებებში მრავალგანზომილებიანი სივრცისთვის. მოგვიანებით მან აჩვენა, რომ ტალღური მექანიკის ეს ფორმალიზმი მათემატიკური თვალსაზრისით კვანტური მექანიკის წინმსწრები მექანიზმის ეკვივალენტურია.
ამრიგად, ბოლოსდაბოლოს შეიქმნა მათემატიკური ფორმალიზმი, რომლის განსაზღვრა ორი ეკვივალენტური გზით იყო შესაძლებელი, დაწყებული ან მატრიცებს შორის დამოკიდებულებით ან ტალღური განტოლებებით. ეს ფორმალიზმი იძლეოდა ენერგიის სწორ მნიშვნელობებს წყალბადის ატომისთვის; ერთ წელიწადზე უფრო მოკლე დროში მოხერხდა იმის ჩვენება, რომ ის წარმატებულია ჰელიუმის ატომისთვისაც და უფრო მძიმე ატომების უფრო ძნელი შემთხვევებისთვისაც. თუმცა რა თვალსაზრისით აღწერდა ახალი ფორმალიზმი ატომს? ტალღურ და ნაწილაკურ სურათებს შორის პარადოქსი არ ამოხსნილა; ის რამდენადმე მიიჩქმალა მათემატიკური სქემის უკან.
კვანტური თეორიის ნამდვილი გააზრებისკენ პირველი და ერთობ საინტერესო ნაბიჯი გადადგეს ბორმა, კრამერსმა და სლატერმა 1924 წელს. ამ ავტორებმა სცადეს ტალღურ და ნაწილაკურ სურათებს შორის ცხადი წინააღმდეგობის გადალახვა ალბათობის ტალღის შემოღებით. ელექტრომაგნიტური ტალღა განიმარტა არა როგორც “რეალური,” არამედ ალბათობის ტალღა, რომლის ინტენსივობაც ნებისმიერ წერტილში ატომის მიერ სინათლის კვანტის შთანთქმის (ან ინდუცირებული გამოსხივების) ალბათობას განსაზღვრავს. ამ იდეამ წარმოშვა დასკვნა თითქოს ენერგიისა და იმპულსის მუდმივობის კანონები არაა აუცილებლობით ჭეშმარიტი ნებისმიერი ცალკეული შემთხვევისათვის, რომ ეს სტატისტიკური კანონებია და ჭეშმარიტია მხოლოდ სტატისტიკური საშუალოსათვის. ეს დასკვნა მცდარი გამოდგა, და კავშირი გამოსხივების ტალღურ და ნაწილაკურ ასპექტებს შორის კიდევ უფრო გართულდა.
თუმცა ბორის, კრამერსის და სლატერის სტატიამ კვანტური თეორიის სწორი ინტერპრეტაციის ერთი არსებითი ნიშანი გამოაჩინა. ალბათობის ტალღის ეს იდეა თეორიული ფიზიკისათვის ნიუტონის დროიდან მოყოლებული სრულიად ახალი რამ აღმოჩნდა. მათემატიკასა და სტატისტიკურ მექანიკაში ალბათობა ნიშნავს განაცხადს ჩვენ მიერ არსებული მდგომარეობის ცოდნის ხარისხის შესახებ. კამათლის გაგორებისას ჩვენ არ ვიცით ჩვენი ხელის მოძრაობის მცირე დეტალები, რომლებიც განსაზღვრავენ კამათლის დაცემას და შესაბამისად, ვამბობთ, რომ ამა თუ იმ რიცხვის დასმის ალბათობა ექვსიდან ერთია. თუმცა ბორის, კრამერსის და სლატერის ალბათობის ტალღა ამაზე უფრო მეტს რასმე ნიშნავდა; ის აღნიშნავდა რაღაცის ტენდენციას. ეს იყო არისტოტელეს ფილოსოფიის ძველი, ‘potentia’ იდეის რაოდენობრივი ვერსია. ამან შემოიტანა რაღაც, რაც ხდომილების იდეასა და თვით ნამდვილ ხდომილებას შორისაა, ფიზიკური რეალობის უცნაური სახეობა, რომელიც შესაძლებლობასა და რეალობას შორის შუაში დგას.
მოგვიანებით, როდესაც კვანტური მექანიკის მათემატიკური ჩარჩო გაიმართა, ბორნმა აიღო ალბათობის ტალღის ეს იდეა და ნათლად განსაზრვრა ფორმალიზმის ის მათემატიკური სიდიდე, რომელიც ალბათობის ტალღად უნდა განხილულიყო. ეს არ იყო დრეკადი ან რადიო ტალღის მსგავსი სამგანზომილებიანი ტალღა, არამედ ტალღა მრავალგანზომილებიან კონფიგურაციულ სივრცეში და ამდენად, საკმაოდ აბსტრაქტული მათემატიკური სიდიდე.
ამ დროსაც კი, 1926 წლის ზაფხულში, ყველა შემთხვევისათვის არ იყო ცხადი, თუ როგორ უნდა გამოეყენებინათ მათემატიკური ფორმალიზმი მოცემული ექსპერიმენტული სიტუაციის აღსაწერად. ცნობილი იყო, მაგალითად, როგორ უნდა აღეწერათ ატომის სტაციონარული მდგომარეობები, მაგრამ უცნობი იყო, თუ როგორ უნდა აღეწერათ, მაგალითად, ელექტრონის ვილსონის კამერაში მოძრაობის ბევრად უფრო მარტივი შემთხვევა.
როდესაც შრედინგერმა იმ ზაფხულს აჩვენა, რომ ტალღური მექანიკის მისეული ფორმალიზმი მათემატიკურად კვანტური მექანიკის ეკვივალენტურია, ის გარკვეული დროის განმავლობაში ცდილობდა საერთოდ მიეტოვებინა კვანტები და “კვანტური ნახტომები” და უბრალოდ ჩაენაცვლებინა ატომში ელექტრონები თავისი სამგანზომილებიანი ნივთიერი ტალღებით. ეს მცდელობა მას საკუთარმა შედეგმა შთააგონა, რომლითაც წყალბადის ატომის ენერგიის დონეები მის თეორიაში მდგარი ნივთიერი ტალღების საკუთარი სიხშირეები აღმოჩნდა, ამდენად მან ჩათვალა, რომ შეცდომა იყო მათთვის ენერგიების დარქმევა: რომ ეს უბრალოდ სიხშირეები იყო. თუმცა 1926 წელს კოპენჰაგენში ბორს, შრედინგერსა და ფიზიკოსების კოპენჰაგენის ჯგუფს შორის გამართულ დისკუსიებში ცხადი გახდა, რომ ასეთი ინტერპრეტაცია სითბური გამოსხივების პლანკის ფორმულის ასახსნელადაც კი არასაკმარისი იქნებოდა.
ამ დისკუსიის მომდევნო თვეებში, კოპენჰაგენში, კვანტური თეორიის ინტერპრეტაციასთან დაკავშირებული ყველა საკითხის ინტენსიურმა შესწავლამ საბოლოოდ სრული და ბევრი ფიზიკოსის თვალსაზრისით, დამაკმაყოფილებელი სიცხადე შეიტანა სიტუაციაში. თუმცა ეს არ იყო ამოხსნა რომელიც ადვილად მისაღებია. მახსოვს ბორთან დისკუსია, რომელმაც გვიან ღამემდე, მრავალ საათს გასტანა და თითქმის უიმედოდ დასრულდა; და როცა დისკუსიის დასრულებისას მარტო გამოვედი მეზობლად მდებარე პარკში გასასეირნებლად, საკუთარ თავს გაუთავებლად ვუმეორებდი კითხვას: ნუთუ შეიძლება, რომ ბუნება ისეთი აბსურდული იყოს, როგორც ამ ატომურ ექსპერიმენტებში გვეჩვენება?
საბოლოო გადაწყვეტილებასთან მიახლოება ორი განსხვავებული გზით მოხდა: ერთი კითხვის შებრუნებაშია. ნაცვლად იმისა რომ ვიკითხოთ: როგორ შეიძლება ცნობილ მათემატიკურ სქემაში აისახოს მოცემული ექსპერიმენტული სიტუაცია? სხვა კითხვა უნდა დაისვას: იქნებ მართალია, რომ ბუნებაში მხოლოდ ისეთი ექსპერიმენტული სიტუაციებია დაშვებული, რომელთა ასახვაც შესაძლებელია მათემატიკურ ფორმალიზმში? ვარაუდმა, რომ ეს მართლაც ასეა, მიგვიყვანა იმ იდეების შეზღუდვამდე, რომლებიც ნიუტონიდან მოყოლებული, კლასიკური ფიზიკის საფუძველს შეადგენდნენ. ისევე, როგორც ნიუტონისეულ მექანიკაში, შესაძლებელია ილაპარაკო ელექტრონის მდებარეობასა და სიჩქარეზე და შესაძლებელია ამ სიდიდეთა გაზომვაც, თუმცა შეუძლებელია ორივე სიდიდის ერთდროულად და ნებისმიერი სიზუსტით დაფიქსირება. სინამდვილეში აღმოჩნდა, რომ ამ ორი უზუსტობის ნამრავლი არ შეიძლება პლანკის მუდმივასა და ნაწილაკის მასის შეფარდებაზე ნაკლები იყოს. მსგავსი დამოკიდებულებების ჩამოყალიბება შესაძლებელია სხვა ცდისეული პირობებისათვისაც. მათ ჩვეულებრივად განუზღვრელობის პრინციპის თანაფარდობებს უწოდებენ. გაირკვა, რომ ძველი იდეები ბუნებას მთლად ზუსტად არ ერგება.
მეორე მიდგომა ბორის კომპლემენტარულობის (დამატებითობის) პრინციპში მდგომარეობს. შრედინგერმა აღწერა ატომი, როგორც სიტემა არა ბირთვისა და ელექტრონებისა, არამედ ბირთვისა და ნივთიერი ტალღებისა. ნივთიერი ტალღების ეს სურათი ნამდვილად შეიცავდა ჭეშმარიტების ელემენტს. ბორი განიხილავდა ორ სურათს - ტალღურს და ნაწილაკურს (კორპუსკულურს) – ერთი რეალობის ორ კომპლემენტარულ აღწერად. რომელიმე ამ აღწერათაგანი მხოლოდ ნაწილობრივადაა ჭეშმარიტი. ნაწილაკურ აღწერაში უნდა არსებობდეს შეზღუდვები, ისევე, როგორც ტალღურში. სხვანაირად შეუძლებელია წინააღმდეგობებისთვის გვერდის ავლა. თუ ამ შეზღუდვებს გავითვალისწინებთ, რომელთა გამოხატვაც განუზღვრელობის თანაფარდობებითაა შესაძლებელი, წინააღმდეგობები ქრება.
ამრიგად, 1927 წლის გაზაფხულიდან მოყოლებული, არსებობს კვანტური თეორიის არაწინააღმდეგობრივი ინტერპრეტაცია,რომელსაც ხშირად “კოპენჰაგენურ იტერპრეტაციას” უწოდებენ. ამ ინტერპრეტაციამ კრიტიკული გამოცდა გაიარა სოლვეს კონფერენციაზე ბრიუსელში, 1927 წლის გაზაფხულზე. ის ექსპერიმენტები, რომლებიც ყოველთვის ყველაზე უფრო ცუდ პარადოქსებს წარმოშობდა, მრავალმხრივ დეტალურად იქნა განხილული, განსაკუთრებით აინშტაინის მიერ. მოფიქრებულ იქნა ახალი წარმოსახვითი ექსპერიმენტები თეორიაში შესაძლო შეუსაბამობების გამოსავლენად, თუმცა თეორია არაწინააღმდეგობრივი გამოდგა და სრულად ეთანადებოდა ცდისეულ შედეგებს, რამდენადაც ამის საშუალებას ხედვის სიღრმე იძლეოდა.
კოპენჰაგენურ ინტერპრეტაციას შემდეგ თავში განვიხილავთ. აქ კი ხაზი უნდა გაესვას, რომ ენერგიის კვანტის არსებობის საწყისი იდეიდან კვანტური თეორიის კანონების ნამდვილ გაგებამდე მისვლას მეოთხედ საუკუნეზე მეტი დრო დასჭირდა. ეს იმის მაჩვენებელია, თუ რაოდენ დიდი ცვლილებები უნდა განხორციელებულიყო რეალობასთან დაკავშირებულ ძირეულ ცნებებში, ვიდრე ახალ მდგომარეობაში გარკვევა მოხერხდებოდა.
No comments:
Post a Comment