Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://www.abitu.ru/en2002/closed/viewwork.html?work=68
Дата изменения: Fri May 5 15:26:05 2006
Дата индексирования: Tue Oct 2 02:23:43 2012
Кодировка: koi8-r

Поисковые слова: вторая космическая скорость

Формирование квантовой механики

Парамонова Юлия Андреевна, Мартынова Юлия Павловна, 11 класс

Руководитель: канд. физ.-мат. наук Медвинский Аркадий Арнольдович,

зам. директора лицея по НМР
Муниципальный лицей при Политехническом университете, г. Томск




Часть I. Основные положения квантовой теории, их возникновение и развитие

Перешагнув в новое тысячелетие, мы отметили два почти совпавших юбилея
- столетие присуждения Нобелевских премий и провозглашения первых
предположений Макса Планка, приведших в конечном итоге к созданию квантовой
теории. Квантовая механика была создана усилиями целой плеяды физиков,
включая таких крупнейших мыслителей 20-го века, как Альберт Эйнштейн и
Нильс Бор. Все создатели квантовой теории были отмечены Нобелевскими
премиями - более 10 человек, беспрецедентный случай в истории создания
научной теории! В минувшем веке произошли столь радикальные изменения в
основах научного мировоззрения и самого стиля научного мышления, что новую
науку называют «постклассической», в отличие от «классической» науки 19-го
века. Важнейшую роль в формировании и утверждении постклассической науки
сыграла квантовая теория, установившая закономерности «микродвижения» -
движения частиц малой массы в малых пространственных областях. Вследствие
общности и широты своих законов физика всегда оказывала большое воздействие
на развитие философии. Квантовая теория не только позволила, осуществить
более точный анализ механического движения, но привела к более глубокому
пониманию принципов познания и структуры научного знания.
В классической механике утвердились постулаты Ньютона, описывающие
пространственное перемещение частиц вещества. Корпускулярное движение -
пространственное перемещение малой частицы по непрерывной траектории -
находится во взаимно однозначном соответствии с определением состояния
совместным заданием местоположения (координат) и скорости частицы. Это один
образ механического движения. Другим является образ волны как процесса
распространения колебаний вещественной среды. Два эти образа являются
наглядными, поскольку такие движения непосредственно наблюдаемы.
Корпускулярное и волновое движения взаимно противоположны (в одном случае -
локализация в каждый момент, в другом - делокализация, поскольку волна
всегда охватывает целую пространственную область). Нашим непосредственным
наблюдениям соответствует представление о взаимном исключении этих двух
типов движения (или одно - или другое). Это кажется очевидным, но
фактически является постулатом. Фактически постулатом является и
фундаментальное представление классической физики об абсолютизации свойств,
т.е. что свойства системы и свойства движения присущи наблюдаемым объектам
«как таковым», не зависят от окружения, которое может быть отделено и
рассматриваться как «внешнее», включая допущение о пренебрежимости влияния
процедуры измерения на систему и ее движение.
Помимо механики, важным разделом классической физики является
электродинамика- теория электромагнетизма, где изучаются, прежде всего,
электромагнитные колебания и волны (ими описывается, в частности, свет). В
физике уяснили что колебания и волны электромагнетизма не являются
колебаниями вещественной среды. Они непосредственно, без специальных
приборов, не наблюдаемы и эти абстракции представимы лишь по аналогии, с
колебаниями и волнами вещественной среды. Вещественная и полевая формы
материи взаимосвязаны: вещество может излучать и поглощать волны
электромагнетизма.
Казалось, что физика близка к пониманию взаимосвязи вещества и
электромагнетизма. Однако именно здесь возникли трудности, преодоление
которых привело к первым открытиям на пути создания новой физики. Первый
шаг был сделан Максом Планком, первым Нобелевским лауреатом в ряду
создателей квантовой механики (в 1918г. он был отмечен премией «в знак
признания его заслуг в деле развития физики благодаря открытию квантов
энергии»). Планку удалось устранить несоответствие между теоретическим
описанием и экспериментальными данными по закономерностям электромагнитного
излучения нагретых тел, при следующих смелых допущениях: энергия излучается
и поглощается не непрерывно, но дискретно, прерывно, отдельными порциями
(«квантами», англ.); энергия этих квантов Е =hv, где v - частота
электромагнитной волны, h-универсальная постоянная (с размерностью
«действия», т.е. энергия на время). В классической физике полагалось, что
все физические (измеряемые) величины изменяются непрерывно.
Постоянная h получила название «постоянной Планка»,

h=6.6(10-34 Дж(с. Потрясающая воображение малость этой константы
свидетельствует о высокой точности осуществляемого анализа. Сам Планк был
сдержан, осторожен в отношении возможных физических выводов, связанных с
«квантованием» (дискретностью) и наличием минимального кванта действия.
Решительный шаг для утверждения этих предположений сделал Альберт Эйнштейн.
В 1905 году сотрудник швейцарского бюро патентов Эйнштейн публикует в
немецком журнале «Физическое обозрение» свою теорию фотоэлектрического
эффекта в металлах.
К тому времени, когда им занялся Эйнштейн, этот эффект имел солидный с
научной точки зрения «возраст». Называемое коротко фотоэффектом явление
было открыто в 1872 году профессором Московского университета
А.Г.Столетовым.
В колбе, из которой был выкачан воздух, Столетов поместил две
металлические пластинки и присоединил их к полюсам электрической батареи.
Разумеется, ток через безвоздушный промежуток не шел. Но стоило только
бросить на одну из пластинок свет ртутной лампы, как в электрической цепи
моментально возникал ток. Выключалось освещение - тут же прекращался и ток.
Столетов сделал правильное заключение, что в колбе появились
переносчики тока, и что они возникали только при освещении пластинки. Было
совершенно очевидно, что эти переносчики тока вылетали из освещаемого
металла наподобие того, как молекулы выпрыгивают в воздух из нагреваемой
жидкости.
В самом деле, свет - это электромагнитная волна. Трудно представить
себе, как волна может выбить электроны из металла. Это ведь не удар одной
энергичной молекулы по другой, в результате чего одна из них может вылететь
на поверхность жидкости.
Было установлено ещё одно интересное обстоятельство. Для каждого из
исследовавшихся металлов, оказалось, существует некоторая граничная длина
волны освещающего света. Стоило свету приобрести ещё большую длину волны,
как ток в цепи прекращался, сколько бы при этом ни увеличивалась яркость
освещения.
Эйнштейн подошел к явлению фотоэффекта иначе. Он попытался представить
себе сам процесс выбивания электрона из металла светом.
В обычных условиях над металлом не витают облака электронов. Значит,
электроны связаны в металле какими-то силами. Чтобы освободить их из плена
металла, им надо подбросить некоторую энергию. В опытах Столетова эта
энергия подводилась световыми волнами.
Но световая волна имеет заметную длину, порядка долей микрона, а
энергия её словно концентрируется в ничтожном объеме, занимаемом
электроном. Выходит, световая волна в фотоэффекте ведет себя как некое
подобие маленькой «частицы», которая, ударяя по электрону, выбивает его из
металла.
И Эйнштейн делает предположение: свет - это не что иное, как поток
частиц, причем для данной длины волны света все его кванты совершенно
одинаковы, то есть несут одинаковые порции энергии. Кванты световой энергии
впоследствии были названы фотонами. Фотон несет с собой очень небольшую
энергию. Но при «ударе» фотона по электрону ее вполне достаточно, чтобы
разорвать связи электрона в металле и выбросить его наружу.
С другой стороны, очевидно, если энергия фотона недостаточна, чтобы
разорвать эти связи, электроны из металла не вылетят, тока не будет.
Согласно формуле Планка, энергия кванта определяется его частотой, а она
тем меньше, чем больше длина волны света. Отсюда сразу понятно
существование границы фотоэффекта. Просто, если длина волны света слишком
велика, фотоны оказываются чересчур неэнергичными, чтобы вырвать электроны
из металла.
При этом неважно, какую яркость имеет освещение, тысяча или один такой
фотон влетают в металл и бомбардируют его электроны; эти электроны равно
глухи ко всем ним. Другое дело, если фотоны достаточно энергичны. Здесь,
чем ярче освещение, чем больше фотонов входит в металл за секунду, тем
больше электронов выбивается из него за то же время, тем сильнее ток.
В 1922 г. Эйнштейну была вручена Нобелевская премия по физике 1921 г.
«за заслуги перед теоретической физикой, и особенно за открытие закона
фотоэлектрического эффекта». «Закон Эйнштейна стал основой фотохимии так
же, как закон Фарадея - основой электрохимии»,- заявил на представлении
нового лауреата Сванте Аррениус из Шведской королевской академии.
Условившись заранее о выступлении в Японии, Эйнштейн не смог присутствовать
на церемонии и свою Нобелевскую лекцию прочитал лишь через год после
присуждения ему премии.
В 1911 году Бор (1885-1962 гг.) в своей докторской диссертации вскрыл
неспособность классической теории объяснить магнитные явления в металлах,
что привело его к пониманию ограниченных возможностей электродинамики в
применении к описанию поведения электронов.
Получив докторскую степень, Бор отправился в Кембриджский университет,
в Англию, чтобы работать с Дж. Дж. Томсоном, который открыл электрон в 1897
году. Но Бор тем временем заинтересовался работой Эрнеста Резерфорда в
Манчестерском университете, изучавшего строение атома. Бор переехал в
Манчестер на несколько месяцев в начале 1912 года и энергично окунулся в
эти исследования, Он вывел много следствий из ядерной модели, предложенной
в 1911 году Резерфордом, которая не получила еще широкого признания. Бор
продолжал работать над проблемами, возникающими в связи с моделью атома
Резерфорда. Несколько лет они проработали совместно, обсуждая проблемы
возможного строения атома. В 1913 г. Бор опубликовал свои результаты по
рассмотрению «планетарной модели атома».
Применяя новую квантовую теорию к проблеме строения атома, Бор
предположил, что электроны обладают некоторыми разрешенными устойчивыми
орбитами, на которых они не излучают энергию. Только в случае, когда
электрон переходит: с одной орбиты на другую, он приобретает или теряет
энергию, причем величина, на которую изменяется энергия, точно равна
энергетической разности между двумя орбитами. Идея, что частицы могут
обладать лишь определенными орбитами, была революционной, поскольку,
согласно классической теории, их орбиты могли располагаться на любом
расстоянии от ядра, подобно тому, как планеты могли бы в принципе вращаться
по любым орбитам вокруг Солнца.
Хотя модель Бора казалась странной и немного мистической, она
позволяла решить проблемы, давно озадачивавшие физиков. В частности, она
давала ключ к разгадке спектров элементов. Когда свет от светящегося
элемента (например, нагретого газа, состоящего из атомов водорода) проходит
через призму, он даст не непрерывный включающий все цвета спектр, а
последовательность дискретных ярких линий, разделенных более широкими
темными областями. Согласно теории Бора, каждая яркая цветная линия (т. е.
каждая отдельная длина волны) соответствует свету, излучаемому электронами,
когда они переходят с одной разрешенной орбиты на другую орбиту с более
низкой энергией. Бор вывел формулу для частот линий в спектре водорода, в
которой содержалась постоянная Планка. Частота, умноженная на постоянную
Планка, равна разности энергий между начальной и конечной орбитами, между
которыми совершают переход электроны. Теория Бора, опубликованная в 1913
году, принесла ему известность; его модель атома стала известна как атом
Бора.
Бор был награжден в 1922 г. Нобелевской премией по физике «за заслуги
в исследовании строения атомов и испускаемого ими излучения». При
презентации лауреата Сванте Аррениус, член Шведской королевской академии
наук, отметил, что открытия Бора «подвели его к теоретическим идеям,
которые существенно отличаются от тех, какие лежали в основе классических
постулатов Джеймса Клерка Максвелла». Аррениус добавил, что заложенные
Бором принципы «обещают обильные плоды в будущих исследованиях».
В 1924 году Луи де Бройль (1892-1987 гг.) сделал еще один шаг в
преобразовании физики, предположив, что волновыми свойствами обладает не
только свет, но и объекты вещества, например электроны.
Бройль первым понял, что если волны могут вести себя как частицы, то и
частицы могут вести себя как волны. Он применил теорию Эйнштейна - Бора о
дуализме волна-частица к веществам. Электромагнетизм и вещество считались
совершенно различными. Вещество обладает массой покоя. Оно может покоиться
или двигаться с какой-либо скоростью. Свет же не имеет массы покоя: он либо
движется с определенной скоростью (которая может изменяться в зависимости
от среды), либо не существует. По аналогии с соотношением между длиной
волны света и энергией фотона Бройль высказал гипотезу о существовании
соотношения между длиной волны и импульсом частицы (массы, умноженной на
скорость частицы). Импульс непосредственно связан с кинетической энергией.
Таким образом, быстрый электрон соответствует волне с более высокой
частотой (более короткой длиной волны), чем медленный электрон. В каком
обличье (волны или частицы) проявляет себя материальный объект - зависит от
условий наблюдения.
Cоотношение де-Бройля выглядит так:
[pic],
где ( обозначает длину дебройлевской волны,

m и v - масса и скорость тела,
h - постоянная Планка.[pic]
С необычайной смелостью Бройль применил свою идею к модели атома Бора.
Отрицательный электрон притягивается к положительно заряженному ядру. Для
того чтобы обращаться вокруг ядра на определенном расстоянии, электрон
должен двигаться с определенной скоростью. Если скорость электрона
изменяется, то изменяется и положение орбиты. В таком случае центробежная
сила уравновешивается центростремительной. Скорость электрона на
определенной орбите, находящейся на определенном расстоянии от ядра,
соответствует определенному импульсу (скорости, умноженной на массу
электрона) и, следовательно, по гипотезе Бройля, определенной длине волны
электрона. По утверждению Бройля, «разрешенные» орбиты отличаются тем, что
на них укладывается целое число длин волн электрона. Только на таких
орбитах волны электронов находятся в фазе (в определенной точке частотного
цикла) с самими собой и не разрушаются собственной интерференцией.
В 1924 году Бройль представил свою работу «Исследования по квантовой
теории» ("Reseаrсhеs оn thе Quаntum Тhеоrу") в качестве докторской
диссертации факультету естественных паук Парижского университета. Его
оппоненты и члены ученого совета были поражены и настроены весьма
скептически.
На Эйнштейна работа Бройля произвела большое впечатление, и он
советовал многим физикам тщательно изучить ее. В 1927 г. волновое поведение
вещества получило экспериментальное подтверждение в исследованиях Клинтона
Дж. Дэвиссона и Лестера X. Джермера, работавших с низкоэнергетическими
электронами в Соединенных Штатах, и Джорджа П. Томсона, использовавшего
электроны большой энергии в Англии.
Волны, связанные с материальными частицами, теперь принято называть
волнами де Бройля.
В 1929 году «за открытие волновой природы электронов» Бройль был
удостоен Нобелевской премии по физике. Представляя лауреата на церемонии
награждения, член Шведской королевской академии наук К. В. Озеей заметил:
«Исходя из предположения о том, что свет есть одновременно и волновое
движение, и поток корпускул [частиц], Бройль открыл совершенно новый аспект
природы материи, о котором ранее никто не подозревал... Блестящая догадка
Бройля разрешила давний спор, установив, что не существует двух миров, один
- света и волн, другой - материи и корпускул. Есть только одни общий мир».
Под впечатлением от комментариев Эйнштейна по поводу идей де Бройля
Эрвин Шрёдингер (1887-1961 гг.) предпринял попытку применить волновое
описание электронов к построению последовательной квантовой теории, не
связанной с неадекватной моделью атома Бора. В известном смысле он
намеревался сблизить квантовую теорию с классической физикой, которая
накопила немало примеров математического описания волн, например стоячие
волны. Первая попытка, предпринятая Шрёдингером в 1925 г., закончилась
неудачей. Скорости электронов в теории Шрёдингера были близки к скорости
света, что требовало включения в нее специальной теории относительности
Эйнштейна и учета предсказываемого ею значительного увеличения массы
электрона при очень больших скоростях. Одной из причин постигшей Шрёдингера
неудачи было то, что он не учел наличия специфического свойства электрона,
известного ныне под названием спина (вращение электрона вокруг собственной
оси наподобие волчка), о котором в то время было мало известно. Следующую
попытку Шрёдингер предпринял в 1926 г. Скорости электронов на этот раз были
выбраны им настолько малыми, что необходимость в привлечении теории
относительности отпадала сама собой. Вторая попытка увенчалась выводом
волнового уравнения Шрёдингера, дающего математическое описание вещества в
терминах волновой функции. Шрёдингер назвал свою теорию волновой механикой.
Решения волнового уравнения находились в согласии с экспериментальными
наблюдениями и оказали глубокое влияние на последующее развитие квантовой
теории.
Незадолго до того Вернер Гейзенберг (1901-1976 гг.), Макс Борн и
Паскуаль Иордан опубликовали другой вариант квантовой теории, получивший
название матричной механики, которая описывала квантовые явления с помощью
таблиц наблюдаемых величин.
Блестящая идея, пришедшая в голову Гейзенбергу, состояла в том, чтобы
рассматривать квантовые события как явления на совершенно ином уровне, чем
в классической физике. Он подошел к ним как к явлениям, не допускающим
точного наглядного представления, например с помощью картины обращающихся
по орбитам электронов. Вместо наглядных образов Гейзенберг предложил
абстрактное, чисто математическое представление, основанное на
использовании «принципиально наблюдаемых» величин, таких, как частоты
спектральных линий. В выведенные Гейзенбергом уравнения входили таблицы
наблюдаемых величин: частот, пространственных координат и импульсов. Он
указал правила, позволяющие производить над этими таблицами различные
математические операции. Борн распознал в таблицах Гейзенберга давно
известные математикам матрицы и показал, что операции над ними можно
производить по правилам матричной алгебры - хорошо разработанной области
математики, но малоизвестной в то время физикам. Борн, его студент Паскуаль
Джордан и Гейзенберг развили эту концепцию в матричную механику и создали
метод, позволяющий применять квантовую теорию в исследованиях структуры
атома.
Матричная механика также позволяла достичь согласия с наблюдаемыми
экспериментальными данными, но в отличие от волновой механики не содержала
никаких конкретных ссылок на пространственные координаты или время.
Гейзенберг особенно настаивал на отказе от каких-либо простых наглядных
представлений или моделей в пользу только таких свойств, которые могли быть
определены из эксперимента.
Гейзенберг установил свой знаменитый принцип неопределенности, который
утверждает, что нельзя одновременно определить точное положение и импульс
частицы. Здесь возможно лишь статистическое предсказание.
«Соотношение неопределенности» выглядит так:
[pic][pic][pic]
(На самом деле вместо h должна быть величина h/2().
В данной формуле (x - неопределенность измерения положения
(координаты) частицы x,

(vx - неопределенность измерения ее скорости vx.

m - масса частицы.
Шрёдингер показал, что волновая механика и матричная механика
математически эквивалентны. Известные ныне под общим названием квантовой
механики, эти две теории дали долгожданную общую основу описания квантовых
явлений. Многие физики отдавали предпочтение волновой механике, поскольку
ее математический аппарат был им более знаком, а ее понятия казались более
«физическими»: операции же над матрицами - более громоздкими.
Вскоре после того, как Гейзенберг и Шрёдингер разработали квантовую
механику, П.А.М. Дирак (1902-1984 гг.) предложил более общую теорию, в
которой элементы специальной теории относительности Эйнштейна сочетались с
волновым уравнением.
Выведенное им и опубликованное в 1928 г. уравнение, применимое к
частицам, движущимся с произвольными скоростями, называется теперь
уравнением Дирака. Оно позволило достичь согласия с экспериментальными
данными. В частности, спин, бывший ранее гипотезой, подтверждался
уравнением Дирака. Это было триумфом его теории. Кроме того, уравнение
Дирака позволило предсказать магнитные свойства электрона (магнитный
момент).
Но этим сюрпризы, которые таила в себе теория Дирака, не
исчерпывались. Теория указывала на возможность существования отрицательных
энергий, не поддающихся интерпретации с точки зрения науки того времени.
Преодолев искушение отбросить отрицательные энергии как «математическую
аберрацию», лишенную физического смысла, Дирак пришел к заключению, что
состояния с отрицательной энергией реально существуют. Рассматривая
действие электромагнитного поля на электрон в состоянии с отрицательной
энергией, он обнаружил, что движение электрона в этом случае эквивалентно
движению электрона с противоположным, т.е. положительным, электрическим
зарядом. Дирак предположил, что положительно заряженной частицей может быть
протон. Применяя принцип запрета Вольфганга Паули (1890-1958 гг.), согласно
которому в каждом динамическом состоянии может находиться только один
электрон, Дирак высказал предположение о том, что почти все состояния с
отрицательной энергией уже заняты, поэтому однородный фон ненаблюдаем. Но
вакантное (незанятое) энергетическое состояние, подобно дырке в однородной
«безликой» среде, может наблюдаться. Дырка ведет себя как положительно
заряженный электрон. Кроме того, поскольку она соответствует недостатку
отрицательной энергии, ее энергия положительна, как и энергия всех
известных частиц. Таким образом, Дирак предсказал существование
античастицы, близнеца электрона. Он показал также, что электрон может
занять вакантную дырку, а это эквивалентно столкновению электрона с
антиэлектроном, в результате чего обе частицы аннигилируют с высвобождением
энергии в виде фотона излучения. Дираку же принадлежит теоретическое
предсказание возможности рождения электрон-антиэлектронной пары из фотона
достаточно большой энергии.
В 1933 г. Шрёдингер и Дирак были удостоены Нобелевской премии по
физике «за открытие новых продуктивных форм атомной теории». В том же году
Гейзенбергу была присуждена Нобелевская премия по физике 1932 г. «за
создание квантовой механики, применение которой привело помимо прочего к
открытию аллотропных форм водорода». На церемонии презентации Ганс Плейель,
член Шведской королевской академии наук воздал должное Шрёдингеру за
«создание новой системы механики, которая справедлива для движения внутри
атомов и молекул». По словам Плейеля, волновая механика дает не только
«решение ряда проблем в атомной физике, но и простой и удобный метод
исследования свойств атомов и молекул и стала мощным стимулом развития
физики».
В начале 1925 г. Вольфганг Паули занимался теоретическими
исследованиями строения атомов и их поведения в магнитных полях,
разрабатывая теорию эффекта Зеемана и других видов спектрального
расщепления. Он выдвинул предположение, что электроны обладают неким
свойством, которое позже Сэмюэл Гаудсмит и Джордж Уленбек назвали спином,
или собственным угловым моментом. В магнитном поле у спина электрона
имеются две возможные ориентации: ось спина может быть направлена в ту же
сторону, что и поле, или в противоположную сторону. Орбитальное движение
электрона в атоме определяет еще одну ось, которая может быть ориентирована
по-разному в зависимости от приложенного внешнего поля. Различные возможные
комбинации спиновой и орбитальной ориентации слегка отличаются
энергетически, что приводит к увеличению числа атомных энергетических
состояний. Переходы электрона с каждого из этих подуровней на некоторую
другую орбиту соответствуют слегка отличающимся длинам световых волн, чем и
объясняется тонкое расщепление спектральных линий.
Вскоре после того, как Паули ввел такое свойство «двузначности»
электрона, он аналитически объяснил, почему все электроны в атоме не
занимают наинизший энергетический уровень. В усовершенствованной им модели
Бора допустимые энергетические состояния, или орбиты, электронов в атоме
описываются четырьмя квантовыми числами для каждого электрона. Эти числа
определяют основной энергетический уровень электрона, его орбитальный
угловой момент, его магнитный момент и (в этом состоял вклад Паули)
ориентацию его спина. Каждое из этих квантовых чисел может принимать только
определенные значения, более того, допустимы лишь некоторые комбинации
данных значений. Он сформулировал закон, который стал известен как принцип
запрета Паули и согласно которому никакие два электрона в системе не могут
иметь одинаковые наборы квантовых чисел. Так, каждая оболочка в атоме может
содержать лишь ограниченное число электронных орбит, определяемых
допустимыми значениями квантовых чисел.
Принцип запрета Паули играет фундаментальную роль для понимания
строения и поведения атомов, атомных ядер, свойств металлов и других
физических явлений. Он объясняет химическое взаимодействие элементов и их
прежде непонятное расположение в периодической системе. Сам Паули
использовал принцип запрета для того, чтобы понять магнитные свойства
простых металлов и некоторых газов.
В 1945 г. Паули был награжден Нобелевской премией по физике «за
открытие принципа запрета, который называют также принципом запрета Паули».
Он не присутствовал на церемонии вручения премии, и ее от его имени получил
сотрудник американского посольства в Стокгольме. В Нобелевской лекции,
посланной в Стокгольм в следующем году, Паули подвел итоги своих работ,
касавшихся принципа запрета и квантовой механики.
Макс Борн (1882-1970 гг.) формализовал подход Гейзенберга и
опубликовал результаты в 1925 году в статье, озаглавленной «О квантовой
механике». Термин «квантовая механика», введенный Борном, должен был
обозначать новую высокоматематизированную квантовую теорию, развитую в
конце 20-х годов.
Применяя принципы волновой механики и матричной механики в теории
атомного рассеяния (отклонения одной частицы под воздействием другой при
столкновении или прохождении ее на близком расстоянии), Борн сделал вывод,
что квадрат волновой функции, вычисленный в некоторой точке пространства,
выражает вероятность того, что соответствующая частица находится именно в
этом месте. По этой причине, утверждал он, квантовая механика дает лишь
вероятностное описание положение частицы. Борновское описание рассеяния
частиц, которое стало известным как борновское приближение, оказалось
крайне важным для вычислений в физике высоких энергий.
В 1954 году Макс Борн был награжден Нобелевской премией по физике «за
фундаментальные исследования по квантовой механике, особенно за его
статистическую интерпретацию волновой функции». Он разделил премию с
Вальтером Боте, который был награжден за экспериментальную работу по
элементарным частицам.
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 (например, квантовая электроника).

Часть II. Драма идей и людей - создателей квантовой теории

К концу 19 века сформировалась стройная система закономерностей
классической физики, основывавшаяся на экспериментальных данных и
обладающая всеобщей применимостью. Сложилось представление, что физика
близка к своему завершению. Ученые радостно и самодовольно восклицали: "Мы
познали весь мир, открыли все тайны природы, решили труднейшие ее загадки;
теперь можно отдыхать и наслаждаться своим величием, тонкостью работы". Они
уже наивно почивали на лаврах.
Но нет ничего менее прочного, чем застывшие догмы. С абсолютной
неизбежностью появлялись факты, которые не втискивались в предназначенные
им рамки. Подойдя к атому, главной единице вещества, физики оказались не в
состоянии его описать, как не бились. Их грандиозные законы не смогли
объяснить микроскопическую долю Вселенной. Что же это такое: на глазах
рушился храм науки, так тщательно возводимый. Физики жалели, что вообще
связались с этой наукой. Полный крах научного детерминизма. Чтобы выйти из
глубокого кризиса потребовалась исключительная независимость и смелость
мысли.
Макс Планк перед поступлением в университет был талантливым юношей с
разнообразными интересами: увлекался классической филологией, пробовал силы
в музыке, но потом отдал предпочтение физике. Уже в годы учебы он услышал
совет от экспериментатора Филиппа фон Жолли избрать другую профессию, т.к.
по его словам, в физике не осталось ничего принципиально нового, что можно
было бы открыть.
Подарив миру кванты, Планк говорил потом, что это был "акт отчаяния",
ведь он неоднократно пытался достичь согласия в стиле научных традиций. И
все-таки Планк делает выбор в пользу фактов и с удовольствием отмечает
первые успехи своей работы.
Альберт Эйнштейн в годы возобновившегося спора о природе света был
клерком в швейцарском патентном бюро, недавно окончившим Федеральный
технологический университет в Цюрихе. После выдвижения своих революционных
теорий Эйнштейн не встретил понимания среди ученых, поскольку внес раскол в
их убеждения о постоянстве массы и времени, а в нацистской Германии его
идеи и вовсе были запрещены. С детских лет Эйнштейн воспринимал мир как
гармоничное познаваемое целое. Это "космическое религиозное чувство"
побуждало его к поиску объяснения природы с помощью системы изящных
уравнений.
В начале 20 века, во время жарких споров о строении атома, наибольшую
популярность завоевала модель под названием "атом Бора", которая устраняла
много вопросов, но не объясняла себя изнутри. Ее автор Нильс Бор был
молодым физиком с блестящей научной репутацией, разносторонне образованным
и работавшим в Манчестере у Резерфорда. Редкая самостоятельность мысли
соседствовала в нем с доброжелательным интересом к людям.
Луи де Бройль, чьи новые идеи произвели большое впечатление на
Эйнштейна, увлекся физикой, оказывается, благодаря работам своего брата
Мориса, хотя до этого имел за собой звание прекрасного литературоведа и
историка.
Когда возникла задача описать двойственность электрона математически,
то вперед всех выдвинулось новое поколение физиков, не обремененное грузом
традиций - Гейзенберг, Паули и Дирак. Они были очень молоды. Паули
отличался редкой самонадеянностью, к счастью, прямо пропорциональной его
необычным способностям. Паули побаивались физики из-за острого критического
языка. И то обольстило его, что Гейзенберг отважился на полный разрыв с
классическими понятиями (и сейчас вклады Гейзенберга в современную физику
не уступают по значению тому, что сделал Эйнштейн). Дирак, словно
гениальный врач, ввел в тело "умирающего уравнения" необходимое количество
теории относительности. Они горели желанием победить и дьявольски работали.
Однако, люди часто не видят роль Бора в создании вероятностной
интерпретации квантовой теории, но ведь он, как мудрый дедушка, вывел
физиков из тьмы однобоких представлений к свету принципа дополнительности.
Конечно, скорейшему формированию новой физики способствовали бурные
дискуссии Бора с Эйнштейном, которые часто переносились из залов и
аудиторий в домашнюю обстановку и продолжались далеко за полночь, после
чего стачивались неровности квантовой теории, и победа Бора шла все выше.
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. Планк и думать не мог, что
кванты, в которых он признавал лишь математическую подсобную ценность,
"выпрыгнут" из рук и разовьются в огромный фундамент новой физики. Эйнштейн
отрицал события в микромире, что происходят по воле случая. Физика
переросла своих создателей!
ХХ век - время научно-технических революций. Классическая физика
выносила на своих плечах электротехнику, металлургию, авиацию и другое. Но
так было и раньше. А квантовая физика явилась родительницей авангардных
отраслей науки: электроники, лазеров, электронного микроскопа и многого
другого.
Резерфорд как-то сказал, что огромную энергию, находящуюся в атоме,
никогда человеку не получить; однако он ошибся. Открылись новые технические
возможности: вместо 93 вагонов угля для обогрева города можно использовать
1 кг урана. Без квантовой теории не было бы и ядерной энергии.
Но сперва все это нашло военное применение против фашизма. Когда
многие страны объединили свои усилия, вперед выдвинулись США. В штате Нью-
Мексико велись испытания огромного масштаба, по сравнению с которым
"немецкий атомный проект" - просто детская забава.
Эйнштейн приняв американское гражданство, использовал свой авторитет в
научном мире, чтобы президент Рузвельт выделил невероятные деньги на
исследования по расщеплению урана. Он говорил в письме, что силу может
остановить только сила.
На место руководителя - теоретика потом был привлечен Нильс Бор. Он
спасался от лап нацистов, летя в бомбовом отсеке военного самолета.
Возглавив американские разработки атомной бомбы, он утешал себя и других
физиков мыслью: беспредельное по мощи оружие позволяет, как ни когда
раньше, установить новую, лучшую цивилизацию и прочный мир - то, чего
лишено человечество.
В июле 1945 года в Аламогордо взорвалась первая атомная бомба, будто
кто-то включил злое солнце. "Это означает быстрый конец второй мировой
войны" - сказал в последствии Черчилль. А в августе 1945 года были
разрушены японские города Хиросима и Нагасаки. От них остались лишь
выжженные пустыни, погибло несчетное количество людей.
Ученые мучались от горя и стыда, это была уже вторая драма их жизни:
Они помогли тому, чего ни за что на свете не захотели бы увидеть. Все, кто
имел совесть и сострадание, сразу же включились в борьбу за мир и борьбу
против гонки атомного оружия.
В ходе краткого экскурса в историю квантовой физики хочется сказать,
что за поразительными успехами науки стояли люди с их чувствами,
переживаниями и убеждениями. И нужно верить, что в будущем послужит
сплочению всего человечества и его мирной счастливой жизни.


Список литературы

1. ВДавид Бом, "Квантовая теория", М,ГИФМЛ.1961г.
2. Д.Данин, «Вероятностный мир», Изд. «Знание». М., 1981.
3. Нильс Бор, "Атомная физика и Человеческое познание", М., Изд-во
иностранной литературы, 1961г.
4. В.Рыдник, «Что такое квантовая механика», Изд. «Советская Россия», М.,
1963 г.
5. Энциклопедия «Лауреаты Нобелевской премии», тома 1 и 2, Прогресс, М.,
1992 г.