5.2. Необходимость введения квантовой механики
Какие же противоречия в объяснении природы микромира привели к рождению
квантовой механики? В первую очередь, сюда относятся вопросы, касающиеся
физической природы излучения и вещества, их сходства и различия. Конечно, мы не
будем касаться всей истории создания квантовой механики и ее физического, в том числе
и экспериментального, обоснования. Отметим лишь основное в понимании идей
квантовой механики.
Характерным примером определенного противоречия является понимание природы
света. Первоначально предполагалось
109
Эрвин Шрёдингер
Э. Шрёдингер (1887—1961) — австрийский физик, лауреат Нобелевской премии 1933
г. за разработку новых, перспективных форм атомной теории (совместно с П. Дираком). С
1924 г. возглавлял кафедру теоретической физики Цюрихского университета. Его
предшественниками на этом посту были А. Эйнштейн и М. Лауэ (1879—1960). Работы Э.
Шрёдингера лежали в русле самых актуальных научных проблем своего времени —
электродинамика, общая теория относительности, поиски единой теории поля. Он считал,
что все процессы в микромире являются исключительно волновыми процессами, т.е. что
только волны обладают физической реальностью. По его мнению, частица — не что иное,
как группа волн, занимающая определенную часть пространства и движущаяся как
единое целое. Э. Шрёдингер изложил свою концепцию в четырех статьях «Квантование
как задача о собственных значениях», опубликованных в 1926 г., в которых заложены
основы волновой механики, описывающие движение квантово-механической частицы:
где ψ — волновая функция, описывающая состояние каждого электрона в атоме.
Современники (и не только!) Э. Шрёдингера говорили, что его постулаты можно было
оспаривать, но нельзя игнорировать, а по поводу его уравнения — что в нем как бы
обрели единое звучание бездонная глубина симфоний Моцарта и непринужденное
изящество вальсов Штрауса. Обладая высокоразвитым абстрактным мышлением, он в то
же время был чрезвычайно утонченной натурой, интересовался философией и историей
естествознания, обладал даром предвидения: об этом свидетельствуют приложения его
Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21
век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.
Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
71
представлений квантовой физики к биологии. Большой резонанс вызвала его работа «Что
такое жизнь? С точки зрения физики» (1945). Он любил поэзию, переводил Гомера на
английский язык и сам писал стихи. Как говорил о нем М. Борн (1882—1970), «...он сказал
свое слово во многих сферах человеческой деятельности. Глубина его знаний была
столь же изумительной, как острота и творческая сила его ума».
110 (Ньютон), что свет представляет собой поток мельчайших частиц, корпускул, как их
тогда назвали, и все оптические явления таким представлением описывались. Однако в
дальнейшем, особенно в связи с осознанием того, что свет — это электромагнитные
волны, выяснилось, что свет ведет себя, действительно, как волны (явления
интерференции и дифракции). Затем для объяснения, например, спектра излучения
абсолютно черного тела или фотоэффекта опять пришлось прибегать к представлению
света как потока частиц (теперь их называют фотонами).
абсолютно черное тело
Заметим, что абсолютно черное тело — физическая модель излучения твердого тела,
где предполагается, что в идеальном случае все излучение выходит через маленькое
отверстие во внешнее пространство (подобно открытой дверке топки печки). И так же,
как в случае печки, мы видим только топку и не видим всю печку, такое тело будет
невидимым, в идеале — абсолютно черным телом. В то же время опыты с электронной
дифракцией показывают, что электроны ведут себя как волны. Таким образом свет
проявляет себя и как волны, и как частицы-фотоны.
корпускулярно-волновой дуализм
Возник так называемый корпускулярно-волновой дуализм. Это противоречие
(«путаница», по Р. Фейнману) было разрешено введением уравнений квантовой
механики к 1926— 1927 гг., в частности постулированного уравнения Шрёдингера,
которое является аналогом уравнения движения в квантовой механике, каким для
классической частицы является уравнение Ньютона.
Как выяснилось, электроны ведут себя так же необычно, как и фотоны, т.е.
проявляют дуализм. В 1924 г. де Бройль предложил идею о том, что любой частице,
обладающей импульсом р, можно сопоставить определенную длину волны:
λ = h/p.
Эта волна была названа волной де Бройля.
Было установлено, что квантовомеханические частицы (электроны, протоны,
нейтроны и даже целые атомы) могут участвовать в таких волновых процессах, как
дифракция и интерференция. Это находит свое широкое применение в технических
методах экспериментальной физики при исследовании структуры вещества
(электронография, протонография, нейтронография
111
Луи де Бройль
Луи де Бройль (1892—1987) — французский физик, лауреат Нобелевская премии
1929 г. за открытие волновой природы электрона, первоначально получил гуманитарное
образование в Сорбонне, но затем увлекся квантовой теорией, тем более что, по его
мнению, «глубокий смысл таинственных квантов мало кто понимал». В 1923 г. в
возрасте 30 лет он опубликовал работу «Исследования по квантовой теории»,
ознакомившись с которой Эйнштейн рекомендовал ее М. Борну: «Ты должен ее
прочитать, даже если она выглядит безумной, она все же совершенно самобытна».
Идеи де Бройля заложили первые камни фундамента, на котором было затем
построено здание волновой механики, поскольку он первым предположил, что электрон
может проявлять себя и как частица, и как волна. И волновые свойства электрона не
менее существенны для познания странного квантового мира, чем материальные.
Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21
век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.
Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
72
Корпускулярно-волновой дуализм требовал от физиков отступления от привычных
канонов мышления. Сам де Бройль значительно позже своего открытия отмечал, что
открытие двойственности «волна — частица» было наиболее драматическим событием в
микрофизике. Прекрасное гуманитарное образование де Бройля проявлялось в том, что в
его работах на простом и понятном языке излагались трудные вопросы различных
физических проблем. Современники де Бройля говорили, что он олицетворяет тип
естествоиспытателя-теоретика, в одиночестве размышляющего над стоящими перед ним
проблемами, но одновременно и одного из самых блестящих академических
преподавателей среди физиков того времени.
и рентгенография). Связано это с тем, что в зависимости от энергии излучения длина
такой волны де Бройля для соответствующей частицы сравнима с межатомным
расстоянием в кристалле и поэтому кристаллическая решетка действует как
обычная дифракционная решетка и пучок частиц рассеивается на атомах
кристаллической решетки.
112