Planck objevil kvantovou podstatu přírodních jevů a zahájil vznik nových teorií a technických vymožeností na základě kvantové teorie. Kromě toho objevil ještě Einsteina, jehož stať Zur Elektrodynamik bewegter Körper z roku 1905 [2] (O elektrodynamice pohybujících se těles) natolik ocenil, že jejímu autorovi pomohl ke kariernímu růstu. Einstein se stal z drobného úředníka švýcarského patentového úřadu v Berně řádným členem akademie a řádným profesorem univerzity v Berlíně.

Ve své stati Einstein odhaluje revoluční změny v chápání přírody. Mělo se za to, že plynutí času je invariantní, to znamená, že nezávisí na rychlosti zdroje světla ani na rychlosti jeho příjemce. K vysvětlení záporného výsledku přelomového Michelson–Morley experimentu z r. 1887 Einstein usoudil, že plynutí času není invariantní, ale rychlost světla je invariantní. Je to jeden z postulátu speciální teorie relativity. O tři měsíce později uveřejněný Einsteinův článek obsahuje odvození slavné rovnice E = mc², která vyjadřuje ekvivalenci hmotnosti a energie.

Do třetice ještě v roce 1905, při studiu vnitřního fotoefektu látek, Einstein objevil foton. Byla to nová mikročástice, která má energii

E_f = hf,

kde h je Planckova konstanta a f je kmitočet světla (záření). Foton vykazuje také hmotnost a jako korpuskuli Einstein mu dal konkrétní fyzikální obsah (pojem korpuskule zavedl Newton ještě na konci sedmnáctého století, když světlo považoval za proudění korpuskulí, ale neřekl co korpuskule je). Foton spojuje vlnovou teorii s korpuskulární.

Po těchto úspěších není se čemu divit, že Planck Einsteina vysoce cenil a protěžoval ho v kariéře.

Začátkem dvacátého století si fyzikové stěžovali na vtipně řečené dilema, v pondělí a uterý vysvětlujeme záření podle vlnové teorie a zbývající dny podle korpuskulární. Toto dilema v roce 1924 vyřešil Luis de Broglie (vyslovuje se „de Broj“) , když přišel s nápadem, že veškerá hmotná tělesa, o kterých uvažujeme jako o korpuskulích (elektrony, fotbalové míče atd.), vykazují zároveň vlnové chování o vlnové délce

λ = h/p
vlnová délka = Planckova konstanta vydělena hybností.

Byla to natolik fantastická představa, že když ji de Broglie předložil ve své disertační práci, zkušební komise byla na rozpacích udělit mu akademický titul. Naštěstí komise byla tak rozvážná, že jednu kopii disertace poslala Einsteinovi na posouzení. A ten dal kladný doporučující posudek. Svoji disertaci de Broglie obhájil. V roce 1927 fyzici Davisson a Garmer z USA a Thomson ze Skotska prokázali vlnové chování elektronu. Všichni jmenovaní fyzici spolu s de Brogliem získali v roce 1927 Nobelovu cenu [3].

Tak se zrodila kvantová mechanika.

Na základě de Broglievovy teorie dualismu částice-vlna Schrödinger odvodil rovnici:

kde E je celková energie elektronu hmotnosti m, jež se pohybuje ve směru x, kde působí potenciál V, h („přeškrtnuté h“) je Planckova konstanta h vydělena 2π, a nakonec řecké písmeno psi ψ označující pravděpodobnost výskytu částice.Schrödinger odvodil svou rovnici ve snaze chápat elektron jako vlnu ψ podle de Broglieho dualizmu. Podobně jako struna houslí může kmitat jen na určitých vlnových délkách, také vlna elektronu ψ může nabýt jen určité vlnové délky, a teda určité kvantované energie. M. Born usoudil, že vlnu ψ je třeba interpretovat jako pravděpodobnost výskytu elektronu v bodě x, a tím pádem z vlny se znovu stala korpuskule, jak to umožňuje de Broglieho dualismus.

Tak se zrodila vlnová mechanika.

Schrödingerova rovnice sehrála rozhodující úlohu v teorii tranzistoru [5], který v letech 1947–1948 vynalezli John Bardeen, Walter H. Brattain a Wiliam Shockley – Nobelovu cenu obdrželi v roce 1947. V roce 1959 J. S. Kilby patentoval první integrovaný obvod, který obsahoval sice všeho všudy jen tři součástky, ale od té doby počet součástek na čipu obvodu ročně exponenciálně narůstá. Kilby Nobelovu cenu obdržel v roce 2000. Dnes již každé dítě ovládá mobil a netuší, že v ruce drží integrovaný obvod s nespočetným množstvím tranzistorů.

Další krok v rozvoji teorie mechaniky učinil P. A. M. Dirac, když v roce 1928 uveřejnil svou relativistickou vlnovou rovnici [4].

Odpustíme si vysvětlení jednotlivých veličin v rovnici a omezíme se jen na konstatování, že v ní je zúročena Einsteinova relativita a Schrödingerova rovnice. Z Diracovy rovnice vyplynulo, že kromě elektronu existuje ještě částice se stejnou hmotností jakou má elektron, ale má kladný elektrický náboj. Předpovězenou částici v kosmickém záření objevil C. D. Anderon a nazval ji pozitron. Nobelovu cenu obdržel v roce 1936. Dirac za předpověď neznámé částice Nobelovu cenu dostal již v roce 1933.

Tak se zrodila relativistická kvantová mechanika,

neboli QED – kvantová elektrodynamika.

*** Vidím-li dál, tak proto, že stojím na ramenou mých předchůdců (Newton). ***

Odkazy

[1] Z. Horák: Úvod do molekulové a atomové fyziky, SNTL, Praha 11, 1957
[2] A. Einstein, v Google take: On the electrodynamics of moving bodies.
[3] T. Hey a P. Walters: Nový kvantový vesmír. Nakladatelství Argo, Praha 3, 2005.
[4] J. Kvasnica: Priekopníci modernej fyziky, SÚV SZM, Bratislava, 1987.
[5] L. Szántó: Integrované obvody od pohyblivosti elektronu k mikro- a nanoelektronice, Google.