Формирование квантовой механики
Часть I. Основные положения квантовой теории, их возникновение и развитие
Квантовая теория сыграла важнейшую роль в формировании и утверждении во второй половине 20-го века «постклассической» науки, пришедшей на смену «классической» науке 19-го века. Квантовая механика создана усилиями целой плеяды физиков, включая таких крупнейших физиков и мыслителей 20-го века, как А. Эйнштейн и Н. Бор. Все создатели квантовой теории были отмечены Нобелевскими премиями.
К последней четверти 19-го века у физиков сложилось представление о том, что все принципиальные закономерности физики уже установлены. Несоответствия экспериментальных данных теоретическим представлениям казались устранимыми в рамках имеющихся теорий. Однако развитие физики разрушило это представление. На этом пути первый шаг в преодолении традиционного мышления был сделан немецким физиком Максом Планком, явившимся первым нобелевским лауреатом в ряду создателей квантовой механики. В 1918 г. он был отмечен премией «в знак признания его заслуг в деле развития физики благодаря открытию квантов энергии». Планк допустил смелое предположение: вопреки общефизическому представлению о непрерывности изменения всех физических (измеряемых) величин - энергия изменяется дискретно. Он ввел величину минимально возможного «кванта действия», от которого зависит минимально возможная энергия: энергия колебания с частотой n равна hn, где «квант действия» в новой, современной физике рассматривается как одна из фундаментальных констант Природы, имеет специальное обозначение (h) и название – «постоянная Планка».
Свою гипотезу Планк выдвинул в 1900 г. Большую роль в ее утверждении сыграл Альберт Эйнштейн, сделавший следующий шаг в становлении новой теории. В 1905 году Эйнштейн ввел понятие «фотон» при теоретическом истолковании закономерностей фотоэффекта (электронная эмиссия, возникающая при поглощении света некоторыми металлами) и название «квант». По Эйнштейну, фотон – это единичная «порция» (квант) электромагнитного излучения, своеобразная частица излучения, движущаяся со скоростью света. Эйнштейн ввел представление о двойственной природе электромагнитного излучения: оно обладает и волновыми свойствами, и свойствами частиц. В 1907 г. Эйнштейн успешно использовал представление о квантах и частицах света – фотонах при анализе теплоемкости кристаллов. Нобелевскую премию Эйнштейн получил в 1921 г. за «вклад в теоретическую физику, в частности открытие закона фотоэлектрического эффекта».
В следующем, 1922 г. Нобелевская премия по физике вновь была присуждена за открытия, связанные со становлением квантовой теории. Ее получил датский физик Нильс Бор «за заслуги в исследовании строения атомов и испускаемого ими излучения». В своей докторской диссертации Бор вскрыл неспособность классической теории объяснить магнитные явления в металлах, что привело его к пониманию ограниченных возможностей электродинамики в применении к описанию поведения электронов. Бор заинтересовался работами Резерфорда, предложившего в 1911 г. ядерную модель атома. Несколько лет они проработали совместно. В 1913 г. Бор опубликовал свои результаты по рассмотрению «планетарной модели атома» («атом Бора»). Используя представление о прерывных изменениях энергии, Бор ввел понятие «избранных, допустимых» движений электрона в атоме относительно ядра. Это позволило ему дать «ключ» к расшифровке известных в физике линейчатых спектров атомов. Бор сыграл совершенно выдающуюся роль в дальнейшем развитии квантовой теории («принцип дополнительности» и «копенгагенская» интерпретация квантовой механики).
В 1929 г. Нобелевская премия была присуждена французскому физику Луи де-Бройлю «за открытие волновой природы электрона». После того, как Эйнштейн допустил, что волны света могут вести себя как частицы, де-Бройль ввел представление о том, что частицы могут вести себя как волны. Он постулировал определенное соотношение между импульсом частицы и длиной волны, сопоставляемой с её движением. Согласно де-Бройлю, на разрешенных орбитах электрона в «атоме Бора» укладывается целое число этих волн. Электронные волны, введенные в физику де-Бройлем, получили экспериментальное подтверждение в опытах Дж. Дэвиссона и Дж. Томсона, установивших дифракцию электронов на кристаллах – Нобелевская премия по физике за 1937 г.
Вслед за гениальными догадками и теоретическими построениями Планка, Эйнштейна, Бора, де-Бройля, немецкий физик Вернер Гейзенберг и австрийский физик Эрвин Шрёдингер сформулировали математический аппарат квантовой теории, первый – в «матричной форме», а второй в виде «волновой механики», причем Шрёдингер доказал эквивалентность двух математических форм теории. В 1932 г. Гейзенберг получил Нобелевскую премию «за создание квантовой механики». В следующем, 1933 г. Нобелевскую премию по физике получили Шрёдингер и английский физик Поль Дирак «за открытие новых продуктивных форм атомной теории». Дирак усовершенствовал математический аппарат квантовой теории, включив («уравнение Дирака»). Уравнение Дирака «узаконило» спин электрона и предсказало его магнитные свойства. Дирак предсказал «античастицу» электрона – позитрон.
В 1945 г. Нобелевская премия по физике была присуждена Вольфгангу Паули «за открытие принципа запрета, который называют принципом запрета Паули».
Важный шаг в формировании квантовой теории, физическом понимании её математического аппарата был сделан немецким физиком Максом Борном, получившим Нобелевскую премию по физике в 1954 г. «за фундаментальные исследования по квантовой механике, особенно за статистическую интерпретацию волновой функции». (Именно Борн в 1925 г. впервые ввел термин «квантовая механика»).
Вероятностную интерпретацию описания движения в квантовой теории Борн сформулировал в 1926 г., в 1927 г. Гейзенберг опубликовал свой «принцип неопределенности». Планк, Эйнштейн, де-Бройль, Шрёдингер не смогли в полной мере принять выводы квантовой теории. В формулировании и отстаивании этих идей основную роль сыграл Нильс Бор. Идеи квантовой теории во второй половине 20-го века не только утвердились, но явились основой новых технологий и технологических изобретений.
Часть II. Драма идей и людей – создателей квантовой теории
«Погружаясь» в физику, Планк не предполагал, что, став экспериментатором, подарит миру выход на новый уровень сознания через ломку старых принципов. А. Эйнштейн «раздвоил» понятие света. Его гениальные изыскания уходили корнями в детские стремления объяснить природу. Нильс Бор, создав свою модель атома, прославился не только как физик с блестящей научной репутацией, но и как человек редкой самостоятельной мысли. Луи де-Бройль, тот, кем был очарован Эйнштейн, пришел к физике через литературу и историю благодаря работам брата Мориса. Когда возникла задача описать двойственность электрона математически, то вперед всех выдвинулось новое поколение физиков, не обремененное грузом традиций, - Гейзенберг, Паули и Дирак. Бор, как мудрый дедушка, вывел физиков из тьмы однобоких представлений к свету принципа дополнительности. Но одновременно со становлением новой науки разыгрывалась драма идей и ученых: авторы первоосновных положений Планк, Эйнштейн и де-Бройль не принимали необычную физическую картину мира.
Квантовая физика явилась родительницей авангардных отраслей науки: электроники, лазеров, электронного микроскопа и многого другого. Открылись новые технические возможности. Все это нашло военное применение против фашизма. В июле 1945 года в Аламогордо взорвалась первая атомная бомба, будто кто-то включил злое солнце. В августе 1945 года были разрушены японские города Хиросима и Нагасаки. Ученые мучились от горя и стыда, это была уже вторая драма их жизни.
Список литературы
Давид Бом, “Квантовая теория”, М, ГИФМЛ.1961г Нильс Бор, “Атомная физика и человеческое познание”, М, Изд. ин. литерат., 1961г. Энциклопедия «Лауреаты Нобелевской премии», тома 1 и 2, Прогресс, М., 1992 г.