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 установление природы света. Первоначально предполагалос

ь

Эрвин Шредингер

т

Э. Шредингер (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. Шрбдингера 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:

, РЛ

⁺ д?

а?

7? ⁺

=

Л

где у— волновая функция, описывающая состояние каждого электрона в атоме. Современники (и не только!) Э. Шрйдингера 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 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. Гпубина его знаний была столь же изуми- ^тельной, как острота и творческая сила его ума». ^

(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 (я&пения 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).

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. 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:

X = А/р.

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

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 быпо затем построено здание волновой механики, по­скольку он первым предпопожил, 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.

Луи де Бройль

Корггускулярно-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.

4

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.