Teoria atomica si descrierea naturii. Patru eseuri si un studiu introductiv - Niels Bohr

Nici o rasturnare de perspectiva in stiinta nu e comparabila cu cea produsa, in primele decenii ale secolului XX, de aparitia mecanicii cuantice. Intreaga lume a conceptiilor clasice despre natura se prabusea, pentru a face loc unor idei stranii, in raspar cu intuitia comuna dupa care, de secole, se calauzise cunoasterea. In avangarda fizicienilor care au savarsit aceasta schimbare radicala s-a aflat danezul Niels Bohr - nu numai ca a creat primul model coerent al atomului, dar a dat acea interpretare a teoriei cuanitice care ramane si azi in vigoare.

Teoria atomica si descrierea naturii contine patru articole scrise de Bohr in anii '20, marturii ale dezbaterii intelectuale aprinse din jurul noilor idei cuantice. Dincolo de importanta lor istorica, aceste texte ne confrunta cu probleme stiintifice si filozofice care nu si-au pierdut nimic din actualitate. Surprinzatoare si seducatoare e, poate, mai ales analogia pe care o face Bohr intre teoria cuantica si psihologie.


TEORIA ATOMICA SI DESCRIEREA NATURII

Niels Bohr s-a nascut in 1885 la Copenhaga. Dupa studii de fizica si sustinerea doctoratului in Danemarca, in 1911 Bohr ajunge in Anglia, unde face cunostinta cu Eruest Rutherford si modelul atomic empiric al acestuia. Intors la Copenhaga, elaboreaza propriul sau model atomic, in care rezultatele lui Rutherford sunt combinate cu notiunea de cuanta de energie, introdusa de Max Planck - contributie care reprezinta actul de nastere al asa-numitei teorii cuantice vechi si care ii va aduce, in 1922, Premiul Nobel pentru fizica. Dupa eforturi indelungate, in 1921 reuseste sa infiinteze la Copenhaga Institutul de Fizica Teoretica, institut care a devenit imediat principalul centru de atractie al fizicienilor din intreaga lume si unde a fost elaborata o interpretare a mecanicii cuantice in vigoare si azi. In 1943, dupa ce Germania nazista ocupase Danemarca, Bohr s-a refugiat in Suedia, iar apoi a participat, in America, la Proiectul Manhattan de construire a bombei atomice. A murit la Copenhaga in 1962.

Redactor: Vlad Zografi

Coperta: Ioana Nedelcu Tehnoredactor: Manuela Maxineanu

DTP: Iuliana Constantinescu, Dan Dulgheru

Tipari t la Accent Print Suceava

Niels Bohr

Atomic Theory and the Description ofNature. Four Essays with an Introductory Survey

© Cambridge University Press 1934

© HUMANITAS, 2013, pentru prezenta versiune romaneasca

Descrierea CIP a Bibliotecii Nationale a Romaniei BOHR, NIELS

Teoria atomica si descrierea naturii: patru eseuri si un studiu introductiv / Niels Bohr; trad.: Maria Titeica. - Bucuresti: Humanitas, 2013

ISBN 978-973-50-4215-8

1. Titeica, Maria (trad.)

53

EDITURA HUMANITAS

Piata Presei Libere 1, 013701 Bucuresti, Romania tel. 0211408 83 50, fax 02114088351 www. humanitas. ro

Comenzi online: www. libhumanitas. ro

Comenzi prin e-mail: vanzari@libhumanitas. ro Comenzi telefonice: 0372 743 382; 0723 684 194

[Prefata lui Niels Bohr la prima editie}

Primele doua articole din cele patru continute in acest volum au aparut mai intai in limba engleza in revista Nature, in 1925 si 1927, al treilea a aparut in germana, in 1929, inDie Naturwissenschaflen, iar al patrulea in daneza, in 1929, in Fysisk Tidsskrifl. Studiul introductiva aparut initial in varianta daneza in anuarul Universitatii din Copenhaga din 1929, impreuna cu o traducere daneza a primelor trei arti cole, addenda fiind introdusa pentru prima data in editia germana a celor patru articole, publicata de Jul. Springer, la Berlin, in 1931. Le sunt recunoscator profesorului Rud Nielsen si domnului dr. Urquhart pentru ajutorul pretios pe care mi l-au dat la pre gatirea traducerii in engleza, precum si conducerii editurii Cambridge University Press pentru interesul manifestat fata de aceasta carte si pentru amabilitatea de a accepta ca prezentul volum sa fie urmat de un altul, continand cateva eseuri ulterioare pe aceeasi tema, in care perspectiva generala e adancita.

N. Bohr Copenhaga, februarie 1934

Prefata la editia din 1961

Sunt recunoscator editurii Cambridge University Press pentru propunerea de a reedita aceasta colectie de eseuri, care de ceva vreme nu se mai gaseste in librarii.

Articolele au fost scrise intr-un moment in care pro gramul de elaborare a unei tratari cuprinzatoare a pro blemelor atomice, pe baza descoperirii de catre Planck a cuantei universale de actiune, capatase un fundament solid prin stabilirea unui formalism matematic adecvat.

Dupa cum se stie, discutiile privind aspectele epis temologice ale fizicii cuantice au continuat in anii ur matori, si inca nu s-a ajuns la un consens. In cursul acestor discutii, pozitia pentru care pledeaza aceste articole a fost dezvoltata in continuare, si a fost intro dusa o terminologie mai adecvata, care sa exprime deosebirea radicala fata de descrierea imagistica obis nuita si fata de conditiile traditionale pe care trebuie sa le satisfaca explicatiile din fizica. O serie de articole din acea faza a discutiilor a fost recent publicata sub titlul Atomic Physics and Human Knowledge [Fizica atomica si cunoasterea umana] (John Wiley and Sons, New York, 1958).

8 TEORIA ATOMICA SI DESCRIEREA NATURII

Chiar daca articolele mai vechi republicate aici con tin exprimari ce pot fi formulate acum intr-o maniera mai precisa, cunoasterea discutiilor din acea perioada ar putea fi de folos pentru a intelege pe deplin noua situatie aparuta in filozofia naturii ca urmare a dez voltarii moderne a fizicii.

Niels Bohr Copenhaga, ianuarie 1961

Studiu introductiv (1929)

Sarcina stiintei este de a extinde domeniul expe rientelor noastre si de a le ordona, iar aceasta sarcina prezinta mai multe aspecte, indisolubil legate intre ele. Numai prin experienta putem ajunge sa cunoastem acele legi care ne dau o perspectiva cuprinzatoare asupra diversitatii fenomenelor. De aceea, pe masura ce cunoasterea noastra se extinde, trebuie sa ne as teptam mereu la modificari ale celor mai potrivite puncte de vedere pentru a ordona experientele noastre. In acest context trebuie in primul rand sa amintim ca toate experientele noastre noi apar, desigur, in cadrul perspectivelor si formelor de perceptie cu care suntem deja obisnuiti. Importanta relativa acordata diferitelor aspecte ale cercetarii stiintifice depinde de natura problemei studiate. In fizica, unde problema consta in coordonarea experientelor noastre privind lumea ex terioara, intrebarile legate de natura formelor noastre de perceptie vor fi in general mai putin acute decat e cazul in psihologie, unde obiectul de studiu este pro pria noastra activitate mentala. Uneori insa, toc mai aceasta"obiectivitate" a observatiilor din fizica

10 TEORIA ATOMICA SI DESCRIEREA NATURII

subliniaza cat se poate de pregnant caracterul subiec tiv al oricarei experiente. Istoria stiintei ne ofera in acest sens numeroase exemple. E suficient sa mentio nez marea importanta pe care a avut-o mereu cerceta rea fenomenelor acustice si optice - intermediarele fizice ale simturilor noastre - in dezvoltarea analizei psihologice. Putem de asemenea mentiona ca exem plu rolul pe care descoperirea legilor mecanicii l-a jucat in dezvoltarea teoriei generale a cunoasterii. Aceasta trasatura fundamentala a stiintei a fost extrem de pregnanta in cele mai recente progrese ale fizicii. Marea extindere a experientelor noastre din ultimii ani a scos la iveala insuficienta conceptiilor noastre meca nice simple, si, prin urmare, a zguduit temeliile inter pretarii obisnuite a observatiilor, punand astfel intr-o lumina noua vechi probleme filozofice. Acest lucru e adevarat nu numai in legatura cu revizuirea fundamen telor modului de descriere spatio-temporal, adusa de teoria relativitatii, ci si in legatura cu noua perspectiva asupra principiului cauzalitatii, generata de teoria cuantica.

Originea teoriei relativitatii e strans legata de dez voltarea conceptelor electromagnetismului, dezvoltare care, prin extinderea notiunii de forta, a condus la o profunda transformare a ideilor pe care se bazeaza mecanica. Recunoasterea caracterului relativ al feno menelor miscarii, a faptului ca acestea depind de ob servator, jucase deja un rol esential in dezvoltarea mecanicii clasice, unde fusese de mare ajutor la for mularea legilor generale ale mecanicii. Acum, proble-

STUDIU INTRODUCTIV

11

mele in discutie erau tratate aparent satisfacator, atat din perspectiva fizicii, cat si din cea a filozofiei. Primul semn al crizei a fost adus de teoria electromagnetica, din care rezulta ca viteza de propagare a tuturor ac tiunilor fortelor e finita. Este adevarat ca, pe baza teo riei electromagnetice, se putea adopta un mod de descriere cauzal, care mentine a legile mecanice funda mentale de conservare a energiei si a impulsului, cu conditia de a atribui energie si impuls insesi cam purilor de forte. Totusi, eterul universal, atat de util in dezvoltarea teoriei electromagnetice, aparea ca un sistem de referinta absolut pentru descrierea spatiu lui-timp. Caracterul nesatisfacator, din perspectiva filo zofica, al acestei idei a fost puternic subliniat de esecul tuturor incercarilor de a demonstra miscarea Pamantului in raport cu acest ipotetic eter universal, iar situatia nu s-a imbunatatit prin recunoasterea fap tului ca esecul tuturor acestor incercari era in perfect acord cu teoria electromagnetica. Einstein a fost acela care a descoperit limitarile impuse de viteza finita de propagare a tuturor fortelor, inclusiv a celor radiative, asupra posibilitatilor de observare, si deci asupra folosirii notiunilor spatio-temporale, ceea ce ne-a condus pentru prima data la o atitudine lipsita de pre judecati fata de aceste notiuni, atitudine ce si-a gasit expresia cea mai frapanta in recunoasterea relativitatii notiunii de simultaneitate. Dupa cum stim, adoptand aceasta atitudine, Einstein a reusit sa obtina noi relatii semnificative si in afara domeniului strict de aplicare

12 TEORIA ATOMICA SI DESCRIEREA NATURII

a teoriei electromagnetice, iar prin teoria relativitatii ge nerale, unde efectele gravitationale nu mai ocupa o po zitie aparte in cadrul fenomenelor fizice, el a reusit sa se apropie intr-o masura surprinzatoare de unitatea de scrierii naturii, ceea ce reprezinta idealul fizicii clasice.

Teoria cuantica isi are originea in dezvoltarea con ceptiilor atomice care, de-a lungul secolului trecut, au oferit un camp de aplicatii fertil pentru teoriile me canicii si electromagnetismului. La inceputul secolului XX insa, aplicarea acestor teorii la problemele atomice a scos la iveala o limitare neobservata pana atunci, care si-a gasit expresia in descoperirea de catre Planck a asa-numitei cuante de actiune*, care aduce in proce sele atomice individuale un element de discontinuitate strain principiilor fundamentale ale fizicii clasice, con form carora toate actiunile pot varia in mod continuu. Cuanta de actiune a devenit in masura tot mai mare indispensabila in ordonarea cunoasterii experimentale privind proprietatile atomilor. In acelasi timp insa, am

* Actiunea este o marime ce depinde de evolutia unui sistem fizic, dimensiunea ei fiind produsul dintre dimensiunea energiei si cea a timpului. Cuanta de actiune, la care se refera Bohr, este constanta lui Planck, notata cu h, a carei valoare este 6, 63 x 1 0-34 joulixsecunda, Valorile pe care le poate lua actiunea nu pot fi decat multipli intregi ale acestei cuante, prin urmare actiunea nu poate varia continuu - ceea ce Bohr numeste"indivizibi litatea cuantei de actiune". Datorita valorii extrem de mici a constantei lui Planck, la scara macroscopica nu se observa dis continuitatea valorilor pe care le ia actiunea. La scara atomica insa, efectele constantei lui Planck sunt cruciale. (N ed.)

STUDIU INTRODUCTIV

13

fost pas cu pas obligati sa depasim descrierea cauzala a comportamentului atomilor individuali in spatiu si timp, si sa luam in considerare faptul ca natura alege liber intre diferite posibilitati, carora nu li se pot aplica decat consideratii probabilistice. Incercarile de a formula legi generale pentru aceste posibilitati si probabilitati, prin tr-o limitare adecvata a conceptelor din teoriile clasice, au condus recent, dupa o serie de etape de dezvoltare, la crearea unei mecanici cuantice rationale, cu ajutorul careia putem descrie o gama foarte larga de experiente si care poate fi privita din toate punctele de vedere ca o generalizare a teoriilor fizicii clasice. Mai mult, am ajuns treptat la o intelegere completa a legaturii intime dintre renuntarea la cauzalitate in descrierea cuantica si limitarea in privinta posibilitatii de a distinge intre fenomene si observarea lor, determinata de indivizi bilitatea cuantei de actiune. Recunoasterea acestei si tuatii implica o modificare esentiala in atitudinea noastra fata de principiul cauzalitatii si fata de notiunea de observatie.

In ciuda numeroaselor diferente, exista o profunda asemanare de ordin intern intre problemele cu care ne confrunta teoria relativitatii si cele intalnite in teo ria cuantica. In ambele cazuri avem de-a face cu legi fizice aflate in afara domeniului experientei noastre cotidiene si care pun probleme formelor noastre obis nuite de perceptie. Astfel, descoperim ca aceste forme de perceptie sunt idealizari a caror adecvare la pro cesul de ordonare a impresiilor noastre senzoriale

Cuprins

[Prefata lui Niels Bohr la prima editie]... 5

Prefata la editia din 1961... 7

Studiu introductiv... 9

1. Teoria atomica si mecanica... 35
II. Postulatul cuantic si dezvoltarea recenta a teoriei atomice... 70
III. Cuanta de actiune si descrierea naturii... 116
IV. Teoria atomica si principiile care stau la baza descrierii naturii 128




Titlu: Teoria atomica si descrierea naturii
Subtitlu: Patru eseuri si un studiu introductiv
Traducere: Maria Titeica
Format: 13x20 cm
An aparitie: 2013
Pagini: 152