Розділ «3.5 Квантова механіка»

Ці роботи Бора дали вирішальний поштовх усьому подальшому розвитку фізики, але тоді він ще не виявив себе як філософ, яким став пізніше. "Він виступив як фізик-теоретик із глибокою інтуїцією, схильний до оцінок і якісного розуміння явищ більшою мірою, ніж до їхнього математичного описування", — відзначає академік А. Б. Мігдал. Гейзенберг у статті "Квантова теорія і її інтерпретація" пише:

"Математична ясність сама по собі не мала для Бора якоїсь особливої цінності. Він побоювався, що формальна математична структура сховає фізичну сутність проблеми, і був переконаний, що закінчений фізичний опис повинен, безумовно, передувати математичному формулюванню".

Хоча теорія Бора й описувала всі найголовніші властивості атомів, зміст правил квантування залишався загадковим. Бор так і назвав ці правила постулатами, тобто недоведеними припущеннями.

Тільки геніальним осяянням можна пояснити те, що Бор осмислив свою теорію до того, як з'ясувалися хвильові властивості частинок.

Гейзенберг так писав про постулати Бора: "Мова образів Бора — це мова поезії, що лише почасти має стосунок до зображуваної ним дійсності і яку ніколи не можна розуміти буквально.... Постулати Бора подібні до пензля й фарб, які самі по собі ще не є картиною, але з їх допомогою можна її створити".

А в 1949 році Альберт Ейнштейн так згадував про епоху створення квантової механіки: "Усі мої спроби пристосувати теоретичні основи фізики до нових результатів зазнали невдачі. Це було так, неначе з-під ніг пішла земля й ніде не було видно твердого грунту, на якому можна було б будувати. Мені завжди здавалося чудом, що цієї хиткої основи, повної протиріч, виявилося досить, щоб дозволити Бору — людині з геніальною інтуїцією і тонким чуттям — встановити найголовніші закони спектральних ліній та електронних оболонок атомів, включаючи їх значення для хімії. Це мені здається дивом і тепер. Це — найвища музикальність в області думки".

У наш час ідеї Бора перетворилися з предмета науки на елемент культури — найвище, чого може досягти будь-як теорія.

З березня 1972 року космічна станція "Піонер-10" стартувала до Юпітера. На її борту знаходилася пластинка, на якій було вигравірувано інформацію, яку люди Землі вирішили повідомити іншим цивілізаціям: розміщення Землі в Сонячній системі, силуети чоловіка й жінки та схему атома водню.

У 30-і роки Нільс Бор відвідав Радянський Союз.Приїхавши до Грузії, в один із днів він із групою друзів відпочивав в Алазанській долині; неподалік від них розташувалися селяни, які пили вино Й співали пісні. Нільс Бор підійшов до них. "Це знаменитий фізик Нільс Бор", — почали пояснювати селянам грузинські фізики. Але тамада різким жестом зупинив їх пояснення, і, звертаючись до співтрапезників, проголосив тост: "Друзі! Наш гість — найбільший учений світу, професор з Данії Нільс Бор. Він створив атомну фізику. Його праці вивчають школярі всіх країн. Побажаємо йому і його супутникам довгих років життя, здоров'я і щастя!". Слова тамади тихо перекладали Бору, і коли тамада закінчив, із землі піднявся старий, підійшов до Бора, взяв обома руками руку Бора й поцілував її. Слідом піднявся інший горець, наповнив вином чашу і, вклонившись Бору, випив її. Бора вразила нереальність того, що відбувалося: він заплакав від подиву й подяки.

3.5.4 Гіпотеза де Бройля. "Хвилі матерії"

Нагромадження суперечливих фактів про властивості світла (в одних випадках — типовий хвильовий процес, в інших — типова частинка-фотон), з одного боку, і постулати Бора, що пояснюють стійкість атома, — з іншого боку, вимагали однозначних пояснень.

їх запропонував Луї де Бройль у 1923 році. Де Бройль по-справжньому вірив у єдність природи і не міг навіть припустити, що світло - щось особливе, ні на що інше в природі не схоже. Він висунув гіпотезу, що не тільки світло, але і всі тіла в природі повинні володіти як корпускулярними, так і хвильовими властивостями одночасно. Але зрозуміти, що таке "хвиля матерії", звичайній людині важко; хвиля й частинка здаються нам зовсім несумісними поняттями. При слові "частинка" ми можемо уявити собі піщинку, камінь або навіть земну кулю; коли ми говоримо про хвилю, то уявляємо бурхливе море або струну, що бринить. І об'єднати ці уявлення в одному образі неможливо.

Дуже довго фізики не могли зрозуміти зміст гіпотези де Бройля. Сам автор уявляв хвилю - пілота, що на своєму горбу несе електрон; пройшло багато часу, поки звикли до думки, що хвиля де Бройля і є сам електрон.

Історія гіпотези, яку висунув де Бройль, більше ніж повчальна. Бувши за фахом істориком, він захопився фізикою під впливом старшого брата, визнаного вченого в галузі рентгенівських променів. У 1963 Луї де Бройль згадував: "Мій брат вважав > рентгенівські промені певною комбінацією хвилі й частинки, але, не будучи теоретиком, він не мав особливо чітких уявлень про цей предмет.... Він наполегливо звертав мою увагу на важливість і безсумнівну реальність дуальних аспектів хвилі й частинки. Ці довгі бесіди допомогли мені глибоко осмислити необхідність обов'язкового зв'язку хвильової і корпускулярної точки зору".

Свої ідеї де Бройль виклав у дисертації, що називалася "Дослідження з теорії квантів". Керівником роботи був Поль Ланжевен, фізик класичної школи. Він поставився до ідей свого учня доброзичливо, але дуже стримано. Дисертація потрапила на рецензування до А. Ейнштейна й справила на нього велике враження. Він написав М. Борну: "Прочитай її! Хоч і здається, що її написав божевільний, написана вона солідно". Творець хвильової механіки Е. Шредінгер згодом подякував Ейнштейнові за те, що той "дав йому щигля в носа, вказавши на важливість ідеї де Бройля".

Прямий доказ існування хвильових властивостей електронів було отримано через три роки завдяки експериментам американських фізиків К. Девіссона і Л. Джермера. Вивчаючи відбивання електронів від поверхні кристалів, вони виявили, що електрони добре відбиваються тільки в тому випадку, якщо бомбардують кристал під певним кутом до його поверхні. Подібний ефект спостерігається і при взаємодії рентгенівських променів із кристалом — це було добре відомо. Підставивши у відомі формули, що описують дифракцію хвиль на кристалі, довжину хвилі де Бройля замість довжини хвилі рентгенівських променів, одержали повний збіг теорії й експерименту.

Пізніше явище дифракції частинок знайшло широке застосування для вивчення структури твердого тіла і його поверхні. Створено й широко використовуються для цих цілей електронні мікроскопи й електронографи.

3.5.5 Співвідношення невизначеностей

На початку 1927 року практично одночасно відбулися дві важливі події. Гейзен-берг здогадався, що поняття "хвиля" и "частинка" стосовно квантових об'єктів можна застосовувати строго тільки порізно й виразив цей здогад кількісно у вигляді співвідношення невизначеностей. Бор запропонував загальний принцип додатковості, окремим випадком якого було співвідношення невизначеностей Гейзенберга.

Аналізуючи можливості вимірювання координати й імпульсу квантового об'єкта (наприклад, електрона), Гейзенберг стверджував: неможливо одночасно і до того ж точно виміряти координату й імпульс. Беручи до уваги формулу де Бройля