Краткая история квантовой физики. Теория квантовой физики кратко
Краткая история квантовой физики. Квант. Эйнштейн, Бор и великий спор о природе реальности
Краткая история квантовой физики
1858 23 апреля. В Киле (Германия) родился Макс Планк.
1871 30 августа. В Брайтуотере (Новая Зеландия) родился Эрнест Резерфорд.
1879 14 марта. В Ульме (Германия) родился Альберт Эйнштейн.
1882 11 декабря. В Бреслау (Германия) родился Макс Борн.
1885 7 октября. В Копенгагене (Дания) родился Нильс Бор.
1887 12 августа. В Вене (Австрия) родился Эрвин Шредингер.
1892 15 августа. В Дьеппе (Франция) родился Луи де Бройль.
1893 Февраль. Вильгельм Вин открыл закон смещения для излучения абсолютно черного тела.
1895 Ноябрь. Вильгельм Рентген открыл X-лучи.
1896 Март. Анри Беккерель обнаружил, что урановые соединения испускают неизвестное излучение, названное им “урановыми лучами”.
Июнь. Вин публикует согласующуюся с доступными экспериментальными данными формулу для распределения энергии в спектре излучения абсолютно черного тела (закон Вина).
1897 Апрель. Джозеф Джон Томсон объявляет об открытии электрона.
1900 25 апреля. В Вене (Австрия) родился Вольфганг Паули.
Июль. Эйнштейн оканчивает Политехникум в Цюрихе.
Сентябрь. Достоверно подтверждено нарушение закона распределения Вина в далекой инфракрасной области спектра излучения абсолютно черного тела.
Октябрь. На заседании Немецкого физического общества в Берлине Планк сообщает, что им получен закон излучения абсолютно черного тела.
14 декабря. В докладе на заседании Немецкого физического общества Планк приводит вывод формулы для излучения абсолютно черного тела. Практически никто не обращает внимания на введенный квант энергии. В лучшем случае его воспринимают как трюк теоретика, от которого потом можно будет отказаться.
1901 5 декабря. В Вюрцбурге (Германия) родился Вернер Гейзенберг.
1902 Июнь. Эйнштейн поступает на работу в патентное бюро в Берне (Швейцария) и становится техническим экспертом III класса.
8 августа. В Бристоле (Великобритания) родился Поль Дирак.
1905 Июнь. В журнале “Аннален дер физик” опубликована статья Эйнштейна, где вводятся кванты света и дано объяснение фотоэффекта.
Июль. В журнале “Аннален дер физик” опубликована статья Эйнштейна с объяснением броуновского движения.
Сентябрь. В журнале “Аннален дер физик” опубликована статья Эйнштейна “Об основных электродинамических уравнениях для движущихся тел”, где изложены основные положения специальной теории относительности.
1906 Январь. Эйнштейн с третьей попытки защищает в университете Цюриха диссертацию на соискание степени доктора философии. Диссертация называется “Новое определение размера молекул”.
Апрель. Эйнштейн, работающий в патентном бюро, получает повышение и становится техническим экспертом II класса.
Сентябрь. Людвиг Больцман в Италии, вблизи Триеста, кончает жизнь самоубийством.
Декабрь. В журнале “Аннален дер физик" опубликована статья Эйнштейна о квантовой теории теплоемкости.
1907 Май. Резерфорд становится профессором физики в университете в Манчестере.
1908 Февраль. Эйнштейн становится приват-доцентом университета в Берне.
1909 Май. Эйнштейн назначен на должность экстраординарного профессора теоретической физики в университете Цюриха. Контракт действует до октября следующего года.
Сентябрь. Эйнштейн выступает как приглашенный докладчик на годичном собрании Общества немецких естествоиспытателей и врачей в Зальцбурге (Австрия). Он заявляет, что “следующей ступенью в развитии теоретической физики будет построение теории света, которую можно представить себе как некий синтез волновой теории и теории испускания света”.
Декабрь. Бор получает степень магистра в университете Копенгагена.
1911 Январь. Эйнштейн становится ординарным профессором Немецкого университета в Праге.
Март. Резерфорд на конференции в Манчестере сообщает об открытии атомного ядра.
Май. В университете Копенгагена Бор защищает диссертацию по электронной теории металлов.
Сентябрь. Бор приезжает в Кембриджский университет и поступает в аспирантуру к Джозефу Джону Томсону.
30 октября — 4 ноября. I Сольвеевский конгресс (Брюссель). Среди приглашенных: Эйнштейн, Планк, Мария Кюри и Резерфорд.
1912 Январь. Эйнштейн получает должность профессора теоретической физики Высшей технической школы в Цюрихе, где он прежде учился.
Март. Бор уезжает из Кембриджа и приступает к работе в лаборатории Резерфорда в университете Манчестера.
Сентябрь. Бор становится приват-доцентом и ассистентом профессора физики в Копенгагенском университете.
1913 Февраль. Бор впервые слышит о серии Бальмера — линиях излучения в спектре водорода, послуживших путеводной нитью при построении квантовой модели атома.
Июль. В журнале “Философикал мэгэзин” опубликована первая из трех статей Бора о квантовой теории атома водорода. Планк и Вальтер Нернст едут в Цюрих, чтобы пригласить Эйнштейна в Берлин. Он соглашается.
Сентябрь. В Бирмингеме Бор представляет новую теорию квантового атома.
1914 Апрель. Эксперимент Франка и Герца подтверждает постулаты Бора: наличие квантовых скачков и уровней энергии атомов. Бомбардируя пары ртути электронами и измеряя частоты испускаемого излучения, они показали, что эти частоты соответствуют переходам между разными энергетическими уровнями. Эйнштейн приезжает в Берлин и становится одновременно действительным членом Прусской академии наук и профессором Берлинского университета.
Август. Начало Первой мировой войны.
Октябрь. Бор возвращается к работе в университете Манчестера. Планк и Рентген подписывают “Манифест девяноста трех”.
1915 Ноябрь. Эйнштейн заканчивает общую теорию относительности.
1916 Январь. Арнольд Зоммерфельд предлагает теорию, объясняющую тонкую структуру спектральных линий водорода, и вводит второе квантовое число, заменив круговые орбиты Бора эллиптическими.
Май. Бор становится профессором теоретической физики в Копенгагенском университете.
Июль. Эйнштейн возвращается к работе над квантовой теорией и открывает явления спонтанной и вынужденной эмиссии фотона из атома. Зоммерфельд добавляет магнитное квантовое число в исходную модель атома Бора.
1918 Сентябрь. Паули оставляет Вену, чтобы учиться в Мюнхенском университете у Зоммерфельда.
Ноябрь. Окончание Первой мировой войны.
1919 Ноябрь. Планку присуждена Нобелевская премия по физике за 1918 год. На общем собрании Королевского общества и Королевского астрономического общества официально объявлено, что предсказанное Эйнштейном отклонение светового луча гравитационным полем подтверждено измерениями во время солнечного затмения, выполненными двумя английскими экспедициями в мае. В мгновение ока Эйнштейн становится мировой знаменитостью.
1920 Март. Зоммерфельд ввел третье квантовое число.
Апрель. Бор приезжает в Берлин и впервые встречается с Планком и Эйнштейном.
Август. В Берлине прошел митинг против теории относительности. Эйнштейн впервые приезжает к Бору в Копенгаген.
Октябрь. Гейзенберг становится студентом-физиком Мюнхенского университета и встречается со своим сокурсником Вольфгангом Паули.
1921 Март. Официальное открытие Института теоретической физики в Копенгагене, основателем и директором которого является Бор.
Апрель. Борн уезжает из Франкфурта и становится профессором и директором Института теоретической физики в Геттингене.
Октябрь. Получив степень доктора в Мюнхене, Паули становится ассистентом Борна в Геттингене.
1922 Апрель. Паули покидает Геттинген и занимает должность ассистента профессора в университете Гамбурга.
Июнь. В Геттингене Бор читает серию знаменитых лекций об атомной теории и периодической таблице. Первая встреча Гейзенберга и Паули с Бором.
Октябрь. Начинается шестимесячное пребывание Гейзенберга у Борна в Геттингене. Паули приезжает в Копенгаген и на год (до сентября 1923-го) становится ассистентом Бора.
Ноябрь. Эйнштейну присуждена Нобелевская премия за 1921 год, Бору — за 1922 год.
1923 Май. Опубликована работа Артура Комптона, касающаяся открытого им рассеяния рентгеновских фотонов электронами атомов. “Эффект Комптона”, как позднее стали называть это явление, воспринят как неопровержимое свидетельство справедливости гипотезы Эйнштейна о квантах света, выдвинутой в 1905 году.
Июль. Эйнштейн во второй раз приезжает в Копенгаген к Бору. В Мюнхенском университете Гейзенбергу после провала на устном экзамене по экспериментальной физике все-таки удается получить степень доктора.
Сентябрь. Де Бройль, распространив корпускулярно-волновой дуализм на материю, устанавливает связь между волнами и электронами.
Октябрь. В Геттингене Гейзенберг становится ассистентом Борна. Паули после годичного пребывания в Копенгагене возвращается в Гамбург.
1924 Февраль. Пытаясь противопоставить что-либо квантам света, Нильс Бор, Хендрик Крамерс и Джон Слейтер делают предположение, что в атомных процессах закон сохранения энергии выполняется только статистически. Идея БКС экспериментально опровергнута в апреле-мае 1925 года.
Март. Гейзенберг впервые приезжает к Бору в Копенгаген.
Сентябрь. Гейзенберг оставляет Геттинген, чтобы до мая 1925 года работать в институте Бора.
Ноябрь. Де Бройль успешно защищает докторскую диссертацию, тема которой — распространение корпускулярно-волнового дуализма на материю. Диссертация, посланная одним из экзаменаторов Эйнштейну, получила его одобрение.
1925 Январь. Паули открывает принцип запрета.
Июнь. Гейзенберг, страдающий от сенной лихорадки, уезжает на остров Гельголанд в Северном море и делает первые шаги к созданию матричной механики — его версии долгожданной квантовой механики.
Сентябрь. Первая большая статья Гейзенберга “О квантово-теоретическом истолковании кинематических и механических соотношений” опубликована в журнале “Цайтшрифт фюр физик”.
Октябрь. Сэмюэл Гаудсмит и Джордж Уленбек вводят понятие квантового спина.
Ноябрь. Паули применил матричную механику к атому водорода (работа опубликована в марте 1926 года).
Декабрь. На альпийском курорте Ароза Шредингер записывает ставшее позднее знаменитым волновое уравнение.
1926 Январь. Шредингер, вернувшись в Цюрих, убеждается, что его волновое уравнение воспроизводит энергетические уровни атома водорода Бора — Зоммерфельда.
Февраль. В журнале “Цайтшрифт фюр физик” опубликована “работа трех” (Гейзенберг, Борн и Йордан), в которой описан математический аппарат матричной механики.
Март. Выходит первая работа Шредингера, отправленная в январе в редакцию “Аннален дер физик”. Вслед за ней опубликованы еще пять. Шредингер и другие авторы доказывают, что волновая и матричная механики математически эквивалентны. Это две формы одной и той же теории — квантовой механики.
Апрель. Гейзенберг читает двухчасовую лекцию о матричной механике, на которой присутствуют Эйнштейн и Планк.
Май. Гейзенберг становится ассистентом Бора и лектором Копенгагенского университета. Пока Бор выздоравливает после гриппа, Гейзенберг приступает к расчету спектральных линий гелия в рамках волновой механики.
Июнь. Дирак защищает докторскую диссертацию в Кембриджском университете. Диссертация называется “Квантовая механика”.
Июль. Борн предлагает вероятностную интерпретацию волновой функции. Шредингер читает лекцию в Мюнхене. Гейзенберг во время, отведенное на вопросы, заявляет о недостатках волновой механики.
Сентябрь. Дирак едет в Копенгаген, где разрабатывает теорию преобразований, согласно которой волновая механика Шредингера и матричная механика Гейзенберга — это специальные случаи более общей формулировки квантовой механики.
Октябрь. Шредингер посещает Копенгаген. Ему, Бору и Гейзенбергу не удается прийти к согласию относительно физической интерпретации ни матричной, ни волновой механики.
1927 Январь. Клинтон Дэвиссон и Лестер Джермер, наблюдая дифракцию электронов, получают решающее свидетельство в пользу того, что принцип корпускулярно-волнового дуализма относится и к материи.
Февраль. За несколько месяцев Бору и Гейзенбергу не удается сформулировать вразумительную физическую интерпретацию квантовой механики. Нервы у них сдают, и Бор на месяц уезжает кататься на лыжах. За время его отсутствия Гейзенберг открывает принцип неопределенности.
Май. Принцип неопределенности опубликован после дискуссий с Бором об его интерпретации.
Сентябрь. Международный физический конгресс памяти Алессандро Вольта на озере Комо, в Италии. Бор представляет свой принцип дополнительности и основные положения того, что позднее стало известно как копенгагенская интерпретация квантовой механики. Присутствуют Борн, Гейзенберг и Паули. Нет ни Шредингера, ни Эйнштейна.
Октябрь. В Брюсселе на V Сольвеевском конгрессе начинается спор Эйнштейна с Бором об основах квантовой механики и природе реальности. Шредингер становится преемником Планка и занимает должность профессора теоретической физики в Берлинском университете. Комптон получает Нобелевскую премию за открытие “эффекта Комптона”. Гейзенберг, которому исполнилось двадцать пять лет, становится профессором Лейпцигского университета.
Ноябрь. Джордж Томсон сообщает, что ему удалось наблюдать дифракцию электронов в экспериментах, отличающихся от экспериментов Клинтона Дэвиссона и Лестера Джермера.
1928 Январь. Паули становится профессором теоретической физики Высшей технической школы в Цюрихе.
Февраль. Гейзенберг читает первую лекцию как профессор теоретической физики в университете Лейпцига.
1929 Октябрь. Де Бройль получает Нобелевскую премию за открытие волновой природы электрона.
1930 Октябрь. VI Сольвеевский конгресс (Брюссель): второй раунд дебатов Эйнштейна и Бора. Последний показывает несостоятельность мысленного эксперимента Эйнштейна “ящик с часами”, призванного продемонстрировать несамосогласованность квантовой механики.
1932. В Германии выходит книга Джона фон Неймана “Математические основы квантовой механики”. В ней содержится “доказательство невозможности”: ни одна теория со скрытыми параметрами не может воспроизвести предсказания квантовой механики. Дирак избран Лукасианским профессором Кембриджского университета — должность, которую когда-то занимал Исаак Ньютон.
1933 Январь. В Германии нацисты приходят к власти. Эйнштейн в это время находится в Америке как приглашенный профессор Калифорнийского технологического института.
Март. Эйнштейн публично заявляет, что не вернется в Германию. После прибытия в Бельгию он отказывается от членства в Прусской академии наук и разрывает все связи с государственными учреждениями Германии.
Апрель. Нацисты принимают закон “О восстановлении профессионального чиновничества”, направленный на борьбу со своими политическими оппонентами и евреями. К 1936 году уволено более 1600 ученых, треть из них — научные работники, в том числе двадцать человек, которые уже были лауреатами Нобелевской премии или стали ими позднее.
Май. В Берлине сожжено двадцать тысяч книг. Костры из “негерманских” сочинений пылают по всей стране. Хотя на Шредингера, в отличие от Борна и многих других, не распространяются положения нацистского закона о гражданских служащих, он покидает Германию и отправляется в Оксфорд. Гейзенберг остается. В Англии для оказания помощи бежавшим из Германии ученым, художникам, писателям создан Академический совет помощи, президентом которого становится Резерфорд.
Сентябрь. Эйнштейн покидает Бельгию и направляется в Англию. Самоубийство Пауля Эренфеста.
Октябрь. Эйнштейн приезжает в Принстон. Ученый, намеревавшийся провести в Институте перспективных исследований несколько месяцев, никогда больше не вернется в Европу.
Ноябрь. Гейзенберг получает Нобелевскую премию за 1932 год, вручение которой было отложено на год. Дирак и Шредингер разделили премию за 1933 год.
1935 Май. В журнале “Физикал ревю” опубликована статья Эйнштейна, Подольского и Розена (ЭПР) “Можно ли считать, что квантово-механическое описание физической реальности является полным?”
Октябрь. В “Физикал ревю” опубликован ответ Бора ЭПР.
1936 Март. Шредингер и Бор встречаются в Лондоне. Бор заявляет, что желание Шредингера и Эйнштейна нанести удар по квантовой механике “ужасно” и является “предательством”.
Октябрь. Борн занимает должность профессора естественных наук в университете Эдинбурга, проведя до того около трех лет в Кембридже и несколько месяцев в Бангалоре (Индия). Здесь он остается работать до выхода на пенсию в 1953 году.
1937 февраль. Во время кругосветного турне Бор на неделю приезжает в Принстон. Впервые после публикации статьи ЭПР Эйнштейн и Бор встречаются и обсуждают интерпретацию квантовой механики.
Июль. В одном из журналов СС Гейзенберг назван “белым евреем” за то, что преподает “жидовскую” физику, в частности теорию относительности Эйнштейна.
Октябрь. В Кембридже в возрасте шестидесяти шести лет умирает Резерфорд.
1939 Январь. Бор приезжает в Институт перспективных исследований на семестр как приглашенный профессор. Эйнштейн избегает дискуссий с Бором. За четыре месяца они встречаются только однажды — на официальном приеме.
Август. Эйнштейн пишет письмо президенту Рузвельту, где поднимает вопрос о возможности создания атомной бомбы и угрозе создания подобного оружия в Германии.
Сентябрь. Начинается Вторая мировая война.
Октябрь. Шредингер приезжает в Дублин после увольнения из университетов Граца и Гента. Он остается в Дублине. В 1956 году Шредингер возвращается в Вену.
1940 Март. Эйнштейн пишет Рузвельту второе письмо об атомной бомбе.
Август. Паули покидает охваченную войной Европу и, как и Эйнштейн, работает в Институте перспективных исследований. Здесь он остается до 1946 года, после чего возвращается в Цюрих.
1941 Октябрь. Гейзенберг приезжает к Бору в Копенгаген. Дания оккупирована немецкими войсками в апреле 1940 года.
1943 Сентябрь. Бор с семьей бежит в Швецию.
Декабрь. Бор приезжает в Принстон, где за обедом встречается с Эйнштейном и Паули. Затем он отправляется в Лос-Аламос для работы над атомной бомбой. Это первая встреча Эйнштейна и Бора после визита датчанина в Принстон в январе 1939 года.
1945 Май. Капитуляция Германии. Союзники арестовывают Гейзенберга.
Август. Бомбардировка Хиросимы и Нагасаки. Бор возвращается в Копенгаген.
Ноябрь. Паули присуждена Нобелевская премия за открытие принципа запрета.
1946 Июль. Гейзенберг назначен директором Института теоретической физики им. кайзера Вильгельма в Геттингене, в 1948 году переименованного в Институт им. Макса Планка.
1947 Октябрь. В Геттингене в возрасте восьмидесяти девяти лет умирает Планк.
1948 Февраль. Бор как приглашенный профессор приезжает в Институт перспективных исследований, где остается до июня. Отношения Бора с Эйнштейном более сердечные, чем во время его предыдущих визитов, но их взгляды на интерпретацию квантовой механики остаются разными. В Принстоне для сборника в честь семидесятилетия Эйнштейна (март 1949 года) Бор пишет статью, где рассказывает о спорах с Эйнштейном на Сольвеевских конгрессах 1927 и 1930 годов.
1950 Февраль. До мая Бор работает в Институте перспективных исследований.
1951 Февраль. Выходит книга Давида Бома “Квантовая механика”. В ней содержится новый, упрощенный вариант мысленного эксперимента ЭПР.
1952 Январь. Опубликованы две работы Бома, в которых он делает то, что, согласно фон Нейману, невозможно: предлагает интерпретацию квантовой механики, основанную на скрытых параметрах.
1954 Сентябрь. Бор до декабря остается в Институте перспективных исследований.
Октябрь. Борн, глубоко разочарованный тем, что его обошли при вручении Нобелевской премии за 1932 год (вручена Гейзенбергу), наконец удостоен этой награды “за фундаментальные исследования по квантовой механике, особенно за статистическую интерпретацию волновой функции”.
1955 Апрель. В Принстоне в возрасте семидесяти шести лет умирает Эйнштейн. Его прах развеян. Место, где это произошло, неизвестно.
1957 Июль. Хью Эверетт III предлагает формулировку квантовой механики, используя понятие относительного состояния. Позже она стала известна как многомировая интерпретация.
1958 Декабрь. В Цюрихе в возрасте пятидесяти восьми лет умирает Паули.
1961 Январь. В Вене в возрасте семидесяти трех лет умирает Шредингер.
1962 Ноябрь. В Копенгагене в возрасте семидесяти семи лет умирает Бор.
1964 Ноябрь. Джон Белл приходит к выводу, что любая теория со скрытыми параметрами, предсказания которой согласуются с предсказаниями квантовой механики, должна быть нелокальной. Работа опубликована в малочитаемом журнале. Неравенство Белла определяет возможные границы значений корреляций квантовых спинов пары перепутанных частиц для любой теории со скрытыми параметрами.
1966 Июль. Белл окончательно доказал ошибочность опубликованного в книге фон Неймана “Математические основы квантовой механики” доказательства невозможности существования теории со скрытыми параметрами. Свою статью Белл отправил в журнал “Ревю оф модерн физикс” еще в конце 1964 года, но из-за ряда недоразумений ее публикация задержалась.
1970 Январь. В Геттингене в возрасте восьмидесяти семи лет умирает Борн.
1972 Апрель. Джон Клаузер и Стюарт Фридман из Калифорнийского университета в Беркли экспериментально проверили неравенство Белла и сообщили о его нарушении: ни одна теория со скрытыми параметрами не может воспроизвести предсказания квантовой механики. Однако остаются сомнения в точности их результатов.
1976 Февраль. В Мюнхене в возрасте семидесяти пяти лет умирает Гейзенберг.
1982 После многих лет подготовительной работы Ален Аспект с коллегами проверяет неравенство Белла с максимально возможной точностью. Их результаты показывают, что это неравенство нарушается. Большинство физиков, включая самого Белла, соглашается с этими результатами.
1984 Октябрь. Во Флориде в возрасте восьмидесяти двух лет умирает Дирак.
1987 Март. Во Франции в возрасте девяноста четырех лет умирает де Бройль.
1997 Декабрь. Группа из Инсбрукского университета, возглавляемая Антоном Зейлингером, сообщает, что удалось осуществить передачу квантового состояния частицы из одного места в другое, что фактически означает ее телепортацию. Неотъемлемая часть этого процесса — явление квантового перепутывания. Группа из Римского университета под руководством Франческо де Мартини тоже успешно осуществляет эксперимент по квантовой телепортации.
2003 Октябрь. Энтони Леггетт публикует неравенство, аналогичное неравенству Белла, но полученное в предположении о нелокальной реальности.
2007 Апрель. Австрийско-польская группа под руководством Маркуса Аспельмейера и Антона Цайлингера сообщает об измерении ранее не проверявшихся корреляций для пар перепутанных фотонов, показывающее, что неравенство Леггетта нарушается. Эксперимент отметает возможность существования только некоторой группы возможных нелокальных теорий со скрытыми параметрами.
20... Квантовая теория гравитации? Теория всего? Теория по ту сторону кванта?
Поделитесь на страничкеСледующая глава >
fis.wikireading.ru
II. ИСТОРИЯ КВАНТОВОЙ ТЕОРИИ. Физика и философия
II. ИСТОРИЯ КВАНТОВОЙ ТЕОРИИ
Возникновение квантовой теории связано с известным явлением, которое вовсе не принадлежит к центральным разделам атомной физики. Любой кусок вещества, будучи нагрет, начинает светиться и при повышении температуры становится красным, а затем — белым. Цвет почти не зависит от вещества и для черного тела определяется исключительно температурой. Поэтому излучение, производимое таким черным телом при высокой температуре, является интересным объектом для физического исследования. Поскольку речь идет о простом явлении, то для него должно быть дано и простое объяснение на основе известных законов излучения и теплоты. Попытка такого объяснения, предпринятая Рэлеем и Джинсом в конце XIX века, столкнулась с весьма серьезными затруднениями. К сожалению, эти трудности нельзя объяснить с помощью простых понятий. Вполне достаточно сказать, что последовательное применение известных в то время законов природы не привело к удовлетворительным результатам.
Когда научные занятия привели Планка в 1895 году в эту область исследований, он попытался на первый план выдвинуть не проблему излучения, а проблему излучающего атома. Хотя поворот в сторону излучающего атома и не устранил серьезных трудностей, однако благодаря этому стали проще их интепретация и объяснение эмпирических результатов. Как раз в это время, летом 1900 года, Курльбаум и Рубенс произвели новые чрезвычайно точные измерения спектра теплового излучения. Когда Планк узнал об этих измерениях, он попытался выразить их с помощью несложных математических формул, которые на основании его исследований взаимосвязи теплоты и излучения представлялись ему правдоподобными. Однажды Планк и Рубенс встретились за чаем в доме Планка и сравнили эти результаты Рубенса с формулой, которую предложил Планк для объяснения результатов измерений Рубенса. Сравнение показало полное соответствие. Таким образом был открыт закон теплового излучения Планка.
Для Планка это открытие было только началом интенсивных теоретических исследований. Стоял вопрос: какова правильная физическая интерпретация новой формулы? Так как Планк на основании своих более ранних работ легко мог истолковать эту формулу как утверждение об излучающем атоме (так называемом осцилляторе), он вскоре понял, что его формула имеет такой вид, как если бы осциллятор изменял свою энергию не непрерывно, а лишь отдельными квантами и если бы он мог находиться только в определенных состояниях или, как говорят физики, в дискретных состояниях энергии. Этот результат так отличался от всего, что знали в классической физике, что вначале Планк, по-видимому, отказывался в него верить. Но в период наиболее интенсивной работы, осенью 1900 года, он наконец пришел к убеждению, что уйти от этого вывода невозможно. Как утверждает сын Планка, его отец рассказывал ему, тогда еще ребенку, о своих новых идеях во время долгих прогулок по Грюневальду. Он объяснял, что чувствует — либо он сделал открытие первого ранга, быть может, сравнимое только с открытиями Ньютона, либо он полностью ошибается. В это же время Планку стало ясно, что его формула затрагивает самые основы описания природы, что эти основы претерпят серьезное изменение и изменят свою традиционную форму на совершенно неизвестную. Планк, будучи консервативным по своим взглядам, вовсе не был обрадован этими выводами. Однако в декабре 1900 года он опубликовал свою квантовую гипотезу.
Мысль о том, что энергия может испускаться и поглощаться лишь дискретными квантами энергии, была столь новой, что она выходила за традиционные рамки физики. Оказалась напрасной в существенных чертах попытка Планка примирить новую гипотезу со старыми представлениями об излучении. Прошло около пяти лет, прежде чем в этом направлении был сделан следующий шаг.
На этот раз именно молодой Альберт Эйнштейн, революционный гений среди физиков, не побоялся отойти еще дальше от старых понятий. Эйнштейн нашел две новые проблемы, в которых он успешно применил представления Планка. Первой проблемой был проблема фотоэлектрического эффекта: выбивание из металла электронов под действием света. Опыты, особенно точно произведенные Ленардом, показали, что энергия испускаемых электронов зависит не от интенсивности света, а только от цвета или, точнее говоря, от частоты, или длины волны света. На базе прежней теории излучения это объяснить было нельзя. Однако Эйнштейн объяснил данные наблюдений, опираясь на гипотезу Планка, которую он интерпретировал с помощью предположения, что свет состоит из так называемых световых квантов, то есть из квантов энергии, которые движутся в пространстве подобно маленьким корпускулам. Энергия отдельного светового кванта, в согласии с гипотезой Планка, должна равняться частоте света, помноженной на постоянную Планка.
Другой проблемой была проблема удельной теплоемкости твердых тел. Существовавшая теория удельной теплоемкости приводила к величинам, которые хорошо согласовывались с экспериментом в области высоких температур, но при низких температурах были много выше наблюдаемых величин. Эйнштейн снова сумел показать, что подобное поведение твердых тел можно понять благодаря квантовой гипотезе Планка, применяя ее к упругим колебаниям атомов в твердом теле. Эти два результата были большим шагом вперед на пути дальнейшего развития новой теории, в силу того что они обнаружили планковскую постоянную действия в различных областях, непосредственно не связанных с проблемой теплового излучения. Эти результаты выявили и глубоко революционный характер новой гипотезы, ибо трактовка Эйнштейном квантовой теории привела к такому объяснению природы света, которое полностью отличалось от привычного со времени Гюйгенса объяснения на основе волнового представления. Следовательно, свет может быть объяснен или как распространение электромагнитных волн — факт, который принимали на основе работ Максвелла и опытов Герца, — или как нечто, состоящее из отдельных „световых квантов“, или „энергетических пакетов“, которые с большой скоростью движутся в пространстве. А может ли свет быть и тем и другим? Эйнштейн, конечно, знал, что известные опыты по дифракции и интерференции могут быть объяснены только на основе волновых представлений. Он также не мог оспаривать наличие полного противоречия между своей гипотезой световых квантов и волновыми представлениями. Эйнштейн даже не пытался устранить внутренние противоречия своей интерпретации. Он принял противоречия как нечто такое, что, вероятно, может быть понято много позднее благодаря совершенно новому методу мышления.
Тем временем эксперименты Беккереля, Кюри и Резерфорда привели к несколько большей ясности в отношении строения атома. В 1911 году Резерфорд на основании наблюдений прохождения б-лучей через вещество предложил свою знаменитую модель атома. Атом состоит из атомного ядра, положительно заряженного и содержащего почти всю массу атома, и электронов, которые движутся вокруг ядра, подобно тому как планеты движутся вокруг Солнца. Химическая связь между атомами различных элементов объясняется взаимодействием между внешними электронами соседних атомов. Химическая связь непосредственно не имеет отношения к ядру. Атомное ядро определяет химические свойства атома лишь косвенно через свой электрический заряд, так как последний определяет число электронов в нейтральном атоме. Эта модель, правда, не могла объяснить одну из самых характерных черт атома, а именно его удивительную устойчивость. Никакая планетная система, которая подчиняется законам механики Ньютона, никогда после столкновения с другой подобной системой не возвратится в свое исходное состояние. В то время как, например, атом углерода остается атомом углерода и после столкновения с другими атомами или после того, как он, вступив во взаимодействие с другими атомами, образовал химическое соединение.
Объяснение этой необычной устойчивости было дано в 1913 году Нильсом Бором путем применения квантовой гипотезы Планка к модели атома Резерфорда. Если атом может изменять свою энергию только прерывно, то это должно означать, что атом существует лишь в дискретных стационарных состояниях, низшее из которых есть нормальное состояние атома. Поэтому после любого взаимодействия атом в конечном счете всегда возвращается в это нормальное состояние.
Бор, применяя квантовую теорию к модели атома, сумел не только объяснить устойчивость атома, но в некоторых простых случаях сумел также дать теоретическое объяснение линейных спектров, образующихся при возбуждении атомов посредством электрического разряда или теплоты. Его теория при описании движения электронов покоилась на соединении классической механики и квантовых условий, которые налагаются на классические законы движения для выделения дискретных стационарных состояний среди других состояний. Позднее Зоммерфельд дал точную математическую формулировку этих условий1. Бору было ясно, что квантовые условия в известном смысле разрушают внутреннюю прочность ньютоновской механики. В простейшем случае атома водорода на основании теории Бора можно рассчитать частоту излучаемого света, и согласие теоретических расчетов с наблюдениями оказывалось полным. В действительности эти частоты отличались от орбитальных частот электронов и высших гармоник этих частот, и это обстоятельство сразу показало, что теория еще полна противоречий. Несмотря на это, она, по всей вероятности, содержала большую долю истины. Она качественно объяснила химические свойства атомов и их линейные спектры. Существование дискретных стационарных состояний было непосредственно подтверждено и опытами: в экспериментах Франка и Герца, Штерна и Герлаха.
Таким образом, теория Бора открыла новую область исследований. Большое количество экспериментального материала, полученного спектроскопией в течение нескольких десятилетий, теперь при изучении квантовых законов движения электронов стало источником информации. Для той же самой цели могли быть использованы многие эксперименты химиков. Имея дело с этим экспериментальным материалом, физики постепенно научились ставить правильные вопросы. А ведь часть правильно поставленный вопрос означает больше чем наполовину решение проблемы. Каковы эти вопросы? Практически почти все они имели дело с явными и удивительными противоречиями в результатах различных опытов. Как может быть, что одно и то же излучение, которое образует интерференционную картину и доказывает тем самым существование лежащего в основе волнового движения, производит одновременно и фотоэлектрический эффект и потому должно состоять из движущихся световых квантов? Как может быть, что частота орбитального движения электронов в атоме не является также и частотой испускаемого излучения? Разве не означает это, что нет никакого орбитального движения? Но если представление об орбитальном движении неверно, то что в таком случае происходит с электроном внутри атома? Можно видеть те электроны, которые движутся в камере Вильсона; некоторые из них до этого являлись составной частью атома и были выбиты из атома. Почему, следовательно, внутри атома они не двигаются таким же образом? Можно было бы, пожалуй, представить себе, что в нормальном состоянии атома электроны покоятся. Но ведь имеются состояния с более высоким энергиями, в которых электроны обладают вращательным моментом, и поэтому в этих состояниях абсолютно исключено состояние покоя электронов. Можно перечислить много подобных примеров. Все отчетливее стали понимать, что попытка описать атомные процессы в понятиях обычной физики приводит к противоречиям. К началу 20-х годов физики постепенно освоились с этими трудностями. У них выработалась своего рода интуиция, правда не очень ясная, в отношении того, где, по всей вероятности, будут иметь место затруднения, и они научились избегать эти затруднения. Наконец, они узнали, какое в данном опыте описание атомных процессов приведет к правильному результату. Этого знания было недостаточно для того, чтобы дать общую непротиворечивую картину квантовых процессов, но оно так изменило мышление физиков, что они в некоторой степени прониклись духом квантовой теории.
Уже в течение некоторого времени до того, как была дана строгая формулировка квантовой теории, знали более или менее точно, каков будет результат того или иного эксперимента.
Часто обсуждали так называемые „мысленные эксперименты“. Такие эксперименты изобретали для того, чтобы выяснить какой-либо особенно важный вопрос, вне зависимости от того, может ли быть проведен фактически этот эксперимент или нет. Конечно, важно было, чтобы эксперимент мог быть осуществим в принципе — при этом экспериментальная техника могла быть любой сложности. Эти мысленные эксперименты оказались чрезвычайно полезными при выяснении некоторых проблем. Там, где в отношении вероятного результата такого эксперимента невозможно было добиться согласия между физиками, часто удавалось придумать подобный, но более простой эксперимент, который фактически можно было выполнить; экспериментальный результат значительно содействовал разъяснению квантовой теории.
Удивительнейшим событием тех лет был тот факт, что по мере этого разъяснения парадоксы квантовой теории не исчезали, а, наоборот, выступали во все более явной форме и приобретали все большую остроту. Например, в то время был произведен опыт Комптона по рассеянию рентгеновских лучей. На основании прежних опытов по интерференции рассеянного света было совершенно очевидным, что рассеяние происходит в основном следующим образом: падающая световая волна выбивает из пучка электрон, колеблющийся с той же самой частотой; затем колеблющийся электрон испускает сферическую волну с частотой падающей волны и вызывает тем самым рассеянный свет. Однако в 1923 году Комптон обнаружил, что частота рассеянных рентгеновских лучей отличается от частоты падающих лучей 2. Это изменение частоты можно объяснить, предполагая, что рассеяние представляет собой столкновение кванта света с электроном. При ударе энергия светового кванта изменяется, а так как произведение частоты на постоянную Планка равняется энергии кванта света, частота также должна измениться. Но как в этом случае объяснить световые волны? Оба эксперимента — один по интерференции рассеянного света, другой по изменению частоты рассеянного света настолько противоречат друг другу, что, по-видимому, выход найти невозможно.
В это время многие физики были уже убеждены в том, что эти явные противоречия принадлежат к внутренней природе атомной физики. Поэтому де Бройль во Франции в 1924 году попытался распространить дуализм волнового и корпускулярного описания и на элементарные частицы материи, в частности на электроны. Он показал, что движению электрона может соответствовать некоторая волна материи, так же как движению светового кванта соответствует световая волна. Конечно, в то время не было ясно, что означает в этой связи слово „соответствовать“. Де Бройль предложил объяснить условия квантовой теории Бора с помощью представления о волнах материи. Волна, движущаяся вокруг ядра атома, по геометрическим соображениям может быть только стационарной волной; длина орбиты должна быть кратной целому числу длин волн. Тем самым де Бройль предложил перекинуть мост от квантовых условий, которые оставались чуждым элементом в механике электронов, к дуализму волн и частиц.
Таким образом, в теории Бора различие между вычисленной орбитальной частотой электрона и частотой излучения показывало ограниченность понятия „электронная орбита“. Ведь с самого начала это понятие вызывало большие сомнения. С другой стороны, в случае сильно возбужденных состояний, в которых электроны двигаются на большом расстоянии от ядра, нужно согласиться с тем, что электроны двигаются так же, как они двигаются, когда их видят в камере Вильсона. Следовательно, в этом случае можно употреблять понятие „электронная орбита“. В силу этого представляется весьма удовлетворительным тот факт, что именно для сильно возбужденных состояний частота излучения приближается к орбитальной частоте (точнее говоря, к орбитальной частоте и высшим гармоническим составляющим этой частоты). Бор уже в одной из своих первых работ утверждал, что интенсивность спектральных линий излучения приблизительно должна согласовываться с интенсивностью соответствующих гармонических составляющих. Этот так называемый принцип соответствия оказался весьма полезным для приближенного расчета интенсивности спектральных линий. Таким образом, создалось впечатление, что теория Бора дает качественную, а не количественную картину того, что происходит внутри атома, и что по меньшей мере некоторые новые черты в поведении материи качественно могут быть выражены с помощью квантовых условий, которые со своей стороны как-то связаны с дуализмом волн и частиц.
Точная математическая формулировка квантовой теории сложилась в конечном счете в процессе развития двух различных направлений. Одно направление было связано с принципом соответствия Бора. На этом направлении нужно было прежде всего отказаться от понятия „электронная орбита“ и использовать его лишь приближенно в предельном случае больших квантовых чисел, то есть больших орбит. В этом последнем случае частота и интенсивность излучения некоторым образом соответствуют электронной орбите. Излучение соответствует тому, что математики называют „Фурье-представлением“ орбиты электрона. Таким образом, вполне логична мысль, что механические законы следует записывать не как уравнения для координат и скоростей электронов, а как уравнения для частот и амплитуд их разложения Фурье. Исходя из таких представлений, возникает возможность перейти к математически представляемым отношениям для величин, которые соответствуют частоте и интенсивности излучения. Эта программа действительно могла быть осуществлена. Летом 1925 года она привела к математическому формализму, который был назван „матричной механикой“, или, вообще говоря, квантовой механикой. Уравнения движения механики Ньютона были заменены подобными уравнениями для линейных алгебраических форм, которые в математике называются матрицами. Весьма удивительно, что многие из старых результатов механики Ньютона, как, например, сохранение энергии, остались и в новом формализме. Позднее исследования Борна, Иордана и Дирака показали, что матрицы, представляющие координаты и импульс электрона, не коммутируют друг с другом. На языке математики этот факт указывал на самое сильное из существенных различий между квантовой механикой и классической механикой.
Другое направление исходило из идей де Бройля о волнах материи. Шредингер попытался записать волновое уравнение для стационарных волн де Бройля, окружающих атомное ядро. В начале 1926 года ему удалось вывести значения энергии для стационарных состояний атома водорода в качестве собственных значений своего волнового уравнения, и он сумел дать общее правило преобразования данных классических уравнений в соответствующие волновые уравнения, которые, правда, относятся к некоторому абстрактному математическому пространству, именно многомерному конфигурационному пространству. Позднее он показал, что его волновая механика математически эквивалентна более раннему формализму квантовой или матричной механики. Таким образом, мы получили наконец непротиворечивый математический формализм, который можно выразить двумя равноправными способами: или с помощью матричных соотношений, или с помощью волновых уравнений. Этот математический формализм дал верные значения энергии для атома водорода. Понадобилось меньше года, чтобы обнаружить, что верные результаты получаются и для атома гелия и в более сложном случае для тяжелых атомов. Однако собственно в каком смысле новый формализм описывает атомные явления? Ведь парадоксы корпускулярной и волновой картины еще не были решены, они только содержались в скрытом виде в математической схеме.
В направлении действительного понимания квантовой теории первый и очень интересный шаг уже в 1924 году был сделан Бором, Крамерсом и Слэтером3. Они попытались устранить кажущееся противоречие между волновой и корпускулярной картинами с помощью понятия волны вероятности. Электромагнитные световые волны толковались не как реальные волны, а как волны вероятности, интенсивность которых в каждой точке определяет, с какой вероятностью в данном месте может излучаться и поглощаться атомом квант света. Это представление вело к заключению, что, по-видимому, законы сохранения энергии и динамических переменных в каждом отдельном случае могут не выполняться и речь идет, следовательно, о статистических законах; так что энергия сохраняется только в статистическом среднем. В действительности этот вывод был неверен, а взаимосвязь волновой и корпускулярной картин излучения позднее оказалась еще более сложной.
Однако работа Бора, Крамера и Слэтера содержала уже существенную черту верной интерпретации квантовой теории. С введением волны вероятности в теоретическую физику было введено совершенно новое понятие, В математике или статистической механике волна вероятности означает суждение о степени нашего знания фактической ситуации. Бросая кость, мы не можем проследить детали движения руки, определяющие выпадение кости, и поэтому говорим, что вероятность выпадения отдельного номера равно одной шестой, поскольку кость имеет шесть граней. Но волна вероятности, по Бору, Крамерсу и Слэтеру, была чем-то гораздо большим. Она означала нечто подобное стремлению к определенному протеканию событий. Она означала количественное выражение старого понятия „потенция“ аристотелевской философии. Она ввела странный вид физической реальности, который находится приблизительно посредине между возможностью и действительностью.
Позднее, когда было закончено математическое оформление квантовой теории, Борн использовал эту идею волны вероятности и дал на языке формализма ясное определение математической величины, которую можно интерпретировать как волну вероятности. Волна вероятности являлась не трехмерной волной типа радиоволн или упругих волн, а волной в многомерном конфигурационном пространстве. Эта абстрактная математическая величина стала известной благодаря исследованиям Шредингера.
Даже в это время, летом 1926 года, еще не в каждом случае было ясно, как следует использовать математический формализм, чтобы дать описание данной экспериментальной ситуации. Правда, тогда уже знали, как описывать стационарные состояния, но не было еще известно, как объяснить гораздо более простые явления, например движение электрона в камере Вильсона.
Когда летом 1926 года Шредингер показал, что формализм его волновой механики математически эквивалентен квантовой механике, он в течение некоторого времени совсем отказывался от представления о квантах и квантовых скачках и пытался заменить электроны в атоме трехмерными волнами материи. Поводом к такой попытке было то, что, по его теории, уровни энергии атома водорода являются собственными частотами некоторых стационарных волн. Поэтому Шредингер полагал, что будет ошибкой считать их значениями энергии; они являются частотами, а вовсе не энергией; однако во время дискуссии, которая происходила в Копенгагене осенью 1926 года между Бором и Шредингером и копенгагенской группой физиков, стало очевидным, что такая интерпретация недостаточна даже для объяснения планковского закона теплового излучения 4.
В течение нескольких месяцев, последовавших за этой дискуссией, интенсивное изучение в Копенгагене всех вопросов, связанных с интерпретацией квантовой теории, привело наконец к законченному и, как считают многие физики, удовлетворительному объяснению всей ситуации. Однако оно не было тем объяснением, которое можно было легко принять. Я вспоминаю многие дискуссии с Бором, длившиеся до ночи и приводившие нас почти в отчаяние. И когда я после таких обсуждений предпринимал прогулку в соседний парк, передо мною снова и снова возникал вопрос, действительно ли природа может быть такой абсурдной, какой она предстает перед нами в этих атомных экспериментах.
Окончательное решение пришло с двух сторон. Один из путей сводился к переформулировке вопроса. Вместо того чтобы спрашивать, как можно данную экспериментальную ситуацию описывать с помощью известной математической схемы, ставится другой вопрос: верно ли, что в природе встречается только такая экспериментальная ситуация, которая выражается в математическом формализме квантовой теории? Предположение, что это верная постановка вопроса, вело к ограничению применения понятий, со времени Ньютона составлявших основу классической физики. Правда, можно было говорить, как в механике Ньютона, о координате и скорости электрона. Эти величины можно и наблюдать и измерять. Но нельзя обе эти величины одновременно измерять с любой точностью. Оказалось, что произведение этих обеих неопределенностей не может быть меньше постоянной Планка (деленной на массу частицы, о которой в данном случае шла речь).
Подобные соотношения могут быть сформулированы для других экспериментальных ситуаций. Они называются соотношением неточностей или принципом неопределенности. Тем самым было установлено, что старые понятия не совсем точно удовлетворяют природе.
Другой путь был связан с понятием дополнительности Бора. Шредингер описывал атом как систему, которая состоит не из ядра и электронов, а из атомного ядра и материальных волн.
Несомненно, эта картина волн материи также содержит долю истины. Бор рассматривал обе картины корпускулярную и волновую — как два дополнительных описания одной и той же реальности. Каждое из этих описаний может быть верным только отчасти. Нужно указать границы применения корпускулярной картины, так же как и применения волновой картины, ибо иначе нельзя избежать противоречий. Но если принять во внимание границы, обусловленные соотношением неопределенностей, то противоречия исчезают.
Таким образом, в начале 1927 года пришли наконец к непротиворечивой интерпретации квантовой теории, которую часто называют копенгагенской интерпретацией. Эта интерпретация выдержала испытание на Сольвеевском конгрессе в Брюсселе осенью 1927 года. Те эксперименты, которые вели к досадным парадоксам, вновь дискутировались во всех подробностях, особенно Эйнштейном. Были найдены новые мысленные эксперименты с целью обнаружить оставшиеся внутренние противоречия теории, однако теория оказалась свободной от них и, по-видимому, удовлетворяла всем экспериментам, которые были известны к тому времени.
Детали этой копенгагенской интерпретации составляют предмет следующей главы. Быть может, следует указать на тот факт, что потребовалось более четверти века на то, чтобы продвинуться от гипотезы Планка о существовании кванта действия до действительного понимания законов квантовой теории. Отсюда понятно, как велики должны быть изменения в наших основных представлениях о реальности, для того чтобы можно было окончательно понять новую ситуацию.
Поделитесь на страничкеСледующая глава >
fil.wikireading.ru
Квантовая теория поля. Новый ум короля [О компьютерах, мышлении и законах физики]
Квантовая теория поля
Предмет, известный под названием «квантовая теория поля», возник из объединения идей специальной теории относительности и квантовой механики. От стандартной (т. е. нерелятивистской) квантовой механики квантовая теория поля отличается тем, что число частиц (любого рода) в ней не обязательно постоянно. Для каждого рода частицы существует ее античастица (иногда, как в случае фотонов, античастица и частица совпадают). Массивная частица и ее античастица могут аннигилировать с выделением энергии. С другой стороны, пара частица-античастица может рождаться из энергии. Действительно, число частиц не обязательно должно быть даже определенным, ибо допускаются линейные суперпозиции состояний с различным числом частиц. «Верховной» квантовой теорией поля по праву считается «квантовая электродинамика» — по сути, теория электронов и протонов. Квантовая теория поля замечательна точностью своих предсказаний (например, она предсказала точное значение магнитного момента электрона, упоминавшееся в предыдущей главе). Однако она является весьма неупорядоченной (и не вполне непротиворечивой), так как изначально дает не имеющие физического смысла «бесконечные» ответы. Такие бесконечные значения, или расходимости, подлежат устранению с помощью так называемой процедуры «перенормировки». Не все квантовые теории поля поддаются перенормировке, и даже те, которые допускают перенормировку, наталкиваются на значительные вычислительные трудности.
Весьма популярен подход к квантовой теории поля через использование «интегралов по траекториям», включающих в себя образование квантовых линейных суперпозиций не только состояний различных частиц (как с помощью обычных волновых функций), но учитывающих все пространственно-временны?е истории физического поведения (доступный обзор см. в книге Фейнмана [1985]). Однако этот подход сам по себе приводит к дополнительным расходимостям, и придать смысл методу «интегралов по траекториям» можно только с помощью различных «математических трюков». Несмотря на несомненную силу и впечатляющую точность квантовой теории поля (в тех немногих случаях, когда теория может быть полностью применена), у физиков остается впечатление, что необходимо более глубокое понимание, прежде чем можно будет с уверенностью принять «картину физической реальности», к которой может привести квантовая теория поля[167].
Я хотел бы подчеркнуть, что согласие между квантовой теорией и специальной теорией относительности, достигающееся в квантовой теории поля, является лишь частичным — касается только U-части — и носит весьма формальный математический характер. Трудности непротиворечивой релятивистской интерпретации «квантовых скачков», связанных с R-частью, к которым приводят эксперименты типа ЭПР, даже не затрагиваются квантовой теорией поля. Кроме того, пока еще не существует непротиворечивой квантовой теории гравитационного поля, которой можно было бы верить. В главе 8 я выскажу некоторые догадки относительно того, что эти проблемы не могут быть никак не связанными между собой.
Поделитесь на страничкеСледующая глава >
fil.wikireading.ru
История физики: квантовая теория
Горяев М.А.
К концу 19 века физика разделилась на две большие части: физику материи и физику излучения. Одна из важных термодинамических проблем состояла в описании взаимоотношений материи и энергии. В 1859 г. Кирхгоф показал, что, когда все тела внутри замкнутой системы достигают одинаковой температуры, устанавливается точное равновесие между поглощенной и отданной энергиями. Он ввел понятие абсолютно черного тела и сформулировал свой закон о том, что излучательная способность тела пропорциональна его поглощательной способности. Позднее венский профессор Иозеф Стефан (1835-1893) экспериментально открыл, а Больцман, исходя из термодинамики, подвел теоретическую основу под интегральный закон излучения черного тела о пропорциональности энергии излучения четвертой степени абсолютной температуры. В 1884 г. немецкий физик Вильгельм Вин (1864-1928), развивая идеи Больцмана, сформулировал свой закон смещения, что удельная интенсивность излучения пропорциональна пятой степени температуры и некоторой функции от произведения длины волны на температуру. Эту функцию пытались найти сам Вин, а также английские физики лорд Рэлей (Джон Уильям Стретт, 1942-1919) и Джеймс Хопвуд Джинс (1877-1946), но единого закона, описывающего и коротковолновую, и длинноволновую область излучения найти не удалось. Эту задачу объединения двух законов в 1900 г. решил Планк, предложив эмпирическую формулу для распределения излучения по длинам волн.
Планк Макс Карл Эрнст Людвиг (23.04.1858 - 04.10.1947) - немецкий физик, член Берлинской АН (1894, непременный секретарь в 1912-38), Лондонского королевского общества (1926), иностранный член АН СССР (1926). Его именем названо научное общество Германии, учреждена медаль М.Планка. Родился в Киле в семье профессора гражданского права. Окончил Мюнхенский университет (1878), где в 1879 получил степень доктора философии и работал в 1880-85. В 1885-88 - профессор Кильского университета, 1889-28 - профессор Берлинского университета и директор Института теоретической физики.
Работы относятся к термодинамике, теории теплового излучения, теории относительности, квантовой теории, истории и методологии физики, философии науки. В 1900 выдвинул гипотезу квантов, предположив, что атомные осцилляторы излучают энергию дискретно и последняя пропорциональна частоте колебаний, и вывел закон распределения энергии в спектре излучения абсолютно черного тела. Ввел фундаментальную постоянную (постоянная Планка) с размерностью действия. Гипотеза квантов стала основой квантовой теории и положила начало развитию практически всех областей современной физики.
Планк одним из первых принял теорию относительности, вывел уравнения релятивистской динамики, получив выражения для энергии и импульса электрона. В 1907 провел обобщение термодинамики в рамках специальной теории относительности. Дал вывод законов химического равновесия в газах и разбавленных растворах (1887).
Планк ввел в рассмотрение новую величину - квант действия, означающую, что энергия колеблющимся осциллятором излучается только дискретно - квантами. По решению дополнительно возникающей проблемы распространения излучения Планк, не склонный к революционным шагам, занимает половинчатую позицию: испускание и поглощение излучения дискретно, а само излучение - непрерывно в соответствии с волновым характером распространения света и тепла. Только Эйнштейн в 1905 г. предложил порвать с классической оптикой и постулировать дискретность излучения в целом.
В течение долгого времени ведущие физики рассматривали гипотезу квантов лишь как форму объяснения, а не как физическую реальность. И только постепенно квантовая теория добивалась признания физической реальности квантов вследствие способности предсказывать новые явления и объяснять с их помощью другие закономерности. Планк получил Нобелевскую премию лишь в 1918 г., когда теория уже имела широкое признание. Кроме того, сама теория достаточно легко уживается с классической физикой в обычных границах в силу чрезвычайной малой величины постоянной Планка.
Подтверждения квантовой теории были разнообразны: квантовая теория позволяла рассчитать число Авагадро, которое хорошо совпадало со значениями, полученными другими методами, объяснить отклонения от закона Дюлонга и Пти об удельной теплоемкости при низких температурах. Основное же подтверждение и признание квантовая теория получила после введения в 1905 г. Эйнштейном квантов света и объяснения с их помощью фотоэлектрического эффекта, а также открытия в 1922 г. эффекта Комптона и в 1923 г. комбинационного рассеяния индийским физиком Чандрасекхара Раманом (1888-1970).
Комптон Артур Холли (10.09.1892–15.03.1962) – американский физик, член Национальной (1927) и многих академий наук, медали Румфорда (1927), Маттеучи (1933), Франклина (1940), Хьюза (1940) и др. Родился в Вустере в семье пресвитерианского священника, профессора философии. Окончил Вустерский колледж (1913) и Принстонский университет: магистр (1914) и доктор (1916). С 1916 проработал год преподавателем физики в Миннесотском университете, затем инженером-исследователем в "Вестингаус лэмп компани" (Питсбург). С 1919 провел год в Кавендишской лаборатории. В 1920-23 и 1953-61 – профессор университета Дж.Вашингтона (Сент-Луис) (1945-53 – ректор), в 1923-45 – Чикагского университета, в 1942-45 возглавлял Металлургическую лабораторию.
Работы в области атомной и ядерной физики, физики космических лучей. Открыл явление изменения длины волны рентгеновского излучения при рассеянии его электронами вещества (эффект Комптона) и независимо от П.Дебая построил его теорию (Нобелевская премия, 1927). Наблюдал явление полного внутреннего отражения рентгеновских лучей и разработал метод измерения их длины волны. В 1932 открыл (независимо от Я.Клея) широтный эффект космических лучей и наличие в них заряженных частиц, в 1921 пришел к идее спина.
Одновременно с получением подтверждения своей правомочности продолжалось и развитие самой квантовой теории. Предложенный Бором механизм испускания и поглощения излучения создал предпосылки для переосмысления взаимодействия материи и излучения.
Бор Нильс Хенрик Давид (07.10.1885–18.11.1962) – датский физик, член Датского королевского общества (1917, с 1939 – президент), более 20 академий наук, иностранный член АН СССР (1929), медали Планка, Копли и др., в его честь назван 105 химический элемент - нильсборий. Родился в Копенгагене в семье профессора физиологии. Окончил Копенгагенский университет (1907), там же получил степень магистра (1909) и доктора (1911). В 1911-12 работал в Кембридже у Дж.Дж.Томсона, в 1912-13 – в Манчестере у Э.Резерфорда. С 1916 – профессор Копенгагенского университета и с 1920 – директор созданного им Института теоретической физики (Институт Нильса Бора).
Важная заслуга Бора состояла в том, что он нашел принципиально новый подход для создания физической картины атомных процессов. Он ориентировал физиков на исследование противоречивых сторон физической реальности микромира, сформулировал идею о дискретности энергетических состояний атомов, в свете новых идей построил атомную модель, открыв условия устойчивости атомов, и объяснил большой круг явлений.
В 1913, исходя из идеи М.Планка о квантовании энергии с использованием модели атома Резерфорда, Бор создал теорию водородоподобного атома, основанную на двух постулатах, которые прямо противоречили классическим представлениям и законам. Он постулировал наличие в атоме стационарных разрешенных орбит, двигаясь по которым электрон не излучает энергию, но может перейти на другую разрешенную орбиту, испустив или поглотив при этом квант энергии, равный разности энергий атома в этих стационарных состояниях. Бор разработал некоторые правила квантования, нашел основные законы спектральных линий и электронных оболочек атомов. В 1923 объяснил особенности периодической системы химических элементов, предложив свой вариант ее изображения, и пришел к представлению об оболочечной структуре атома, основанной на классификации электронных орбит по главному и азимутальному квантовым числам. За создание квантовой теории планетарного атома в 1922 награжден Нобелевской премией.
В 1918 Бор сформулировал важный для новой атомной теории принцип соответствия, показывающий, когда именно существенны квантовые ограничения, а когда можно пользоваться и классической физикой. В 1927 сформулировал важный для понимания квантовой механики принцип дополнительности.
Бор много сделал и для развития ядерной физики. В 1936 предложил теорию составного ядра, он является одним из создателей капельной модели ядра и теории деления атомного ядра, предсказал спонтанное деление ядра.
Бор создал большую интернациональную школу физиков: Ф.Блох, О.Бор, В.Вайскопф, О.Клейн, Х.Крамерс, Л.Д.Ландау, А.Пайс, Л.Розенфельд, Дж.Уилер и др.
В 1917 г. Эйнштейн внес крупный вклад в квантовую теорию, предложив статистические законы электронных переходов в атоме, в соответствии с которыми вероятность переходов пропорциональна интенсивности излучения и числу возбужденных атомов. Используя такие представления, ему удается получить формулу Планка, не прибегая к использованию аналогий с линейными осцилляторами. Одновременно обостряется проблема волна-частица, т.к. при элементарном акте излучения происходит испускание импульса в совершенно случайном направлении, что исключало описание излучения с использованием представлений сферических волн. Причем это уже было не расхождение между различными учеными 18 века, которые для объяснения одних и тех же явлений привлекали либо волновую, либо корпускулярную теорию. В 20 веке противоречие содержалось в самой физике: одни явления (дифракция) интерпретировались с волновых позиций, а другие (фотоэффект) - с корпускулярных.
Разрешение этого противоречия было предложено в 1923 г. де Бройлем, приписавшим волновые свойства частице - волны де Бройля.
Бройль Луи де (15.07.1892-19.03.1987) – французский физик, член Парижской АН (1933, 1942-75 – непременный секретарь), Лондонского королевского общества, иностранный член АН СССР (1927), медаль Пуанкаре (1929). Родился в Дьеппе в семье герцога. Окончил Парижский университет: бакалавр по истории (1910), ученая степень по физике (1913). Там же в 1928-62 был профессором.
mirznanii.com
7. История физики. Краткие очерки
fizportal.ru
