Matematická stopa z 19. století, která vedla k kvantové mechanice

Irský matematik William Rowan Hamilton objevil v 19. století matematickou podobnost mezi světlem a částicemi, která se později ukázala jako klíčová pro rozvoj kvantové mechaniky.

Irský matematik a fyzik William Rowan Hamilton se narodil před 220 lety a je často vzpomínán pro své neobyčejné inspirační aktivity. V roce 1843 sepsal na Dublinském Broome Bridge klíčovou matematickou formuli. Hamiltonova reputace během svého života byla však založena na práci, kterou dokončil mnohem dříve. V 20. a 30. letech 19. století, když byl ještě ve dvacátých letech, vytvořil Hamilton silné nové matematické metody pro analýzu dráhy světla (geometrická optika) a pohybu fyzických objektů (mechanika).

Hamiltonova práce byla zajímavá zejména tím, jak spojoval tyto dvě oblasti. Rozvinul svou teorii mechaniky porovnáním dráhy světla s dráhou pohybu částice. Toto srovnání mělo smysl, pokud by světlo bylo tvořeno malými částicemi, jak věřil Isaac Newton. Pokud by však světlo chování vlnou, vztah by byl mnohem mysterióznější. Proč by matematika popisující vlny připomínala rovnice použité pro částice?

Signifikance Hamiltonovy myšlenky se stala zřejmá až o století později. Když zakladatelé kvantové mechaniky začali zkoumat divné chování hmoty a světla, zjistili, že Hamiltonovo rámec byl více než jednoduchá analogie. Naznačoval hlubší pravdu o fungování fyzického světa.

Dlouhý spor o povahu světla

Abychom pochopili, proč Hamiltonova myšlenka měla význam, pomůžeme se podívat zpět v historii fyziky. V roce 1687 publikoval Isaac Newton základní zákony, které ovládají pohyb objektů. Během následujících století a půl se vědci, včetně Leonarda Eulera, Joseph-Louise Lagrange a nakonec Hamilton, rozvinuli Newtonovo dílo, vyvinuli flexibilnější matematické popisy pohybu.

Hamiltonovo přístup se nazývalo 'Hamiltonova mechanika' a ukázalo se být velmi účinné. Vědci na něj spoléhali po desetiletí bez vážného pochybnosti o tom, jak Hamilton původně získal. To se změnilo až v roce 1925, téměř 100 let později, kdy výzkumníci začali zkoumat jeho původu blíže.

Hamiltonova argumentace spočívala v porovnání pohybu částic s dráhami světla. Zajímavé je, že tato matematická metoda fungovala bez ohledu na to, co světlo vlastně bylo. Kolem roku 1800 věřili mnozí vědci, že světlo chování vlnou. V roce 1801 britský fyzik Thomas Young ukázal to s jeho slavným dvojslitovým experimentem. Když světlo prošlo dvěma úzkými otvory, výsledná obrazovka připomínala překrývající se vlny, které vznikají, když dva kameny spadají do vody, vytvářejí 'interferenční' obrazovku.

Několik desetiletí později James Clerk Maxwell ukázal, že světlo lze chápat jako vlna pohybující se elektromagnetickým polem.

Historie se ale otočila v roce 1905. Albert Einstein ukázal, že jistá jev světla může být vysvětlěn pouze tehdy, pokud světlo někdy chování částicemi nazývanými 'fotonky' (jak se později nazývaly). Jeho práce byla založena na předchozí nabídce Maxe Plancka z roku 1900, že atomy emitují a absorbuji energii v diskrétních balíčcích namísto kontinuálních množství.