Как появилась квантовая механика

Сегодня словосочетание «квантовая механика» стало довольно широко распространено и часто встречается в научно-популярных материалах. Но так было далеко не всегда. Давайте выясним, как появилась квантовая механика и что вообще означает эта фраза.

В 1923 г. были опубликованы статьи французского ученого Луи де Бройля (1892–1987), в которых он впервые высказал идею, что существует дуализм света. Он предположил, что поток материальных частиц должен иметь и волновые свойства, одновременно связанные с массой и энергией.

Выдвинутые им предсказания были развиты в его диссертации, где он обосновал идею о волновых свойствах материи, которая и стала фундаментом квантовой механики.

25 ноября 1924 г. — день защиты им диссертации — принято называть днем возникновения волновой механики.
За открытие волновой природы электронов ученый получил Нобелевскую премию. Луи де Бройль впервые показал, что всякой движущейся частице соответствует волна определенной длины. На основе представлений о волнах материи де Бройль вывел формулу Планка для световых квантов.

Экспериментальное подтверждении теории де Бройля

Разработанная теория не получила сразу широкое признание, а предсказанная ею дифракция электронов прошла мимо внимания экспериментаторов. Однако в 1927 г. американские физики Клинтон Джозеф Дэвисон (1881–1958) и Л. Джермер
экспериментально открыли явление дифракции электронов при отражении их от монокристалла никеля.

Тогда же английский физик Джордж Паджет Томсон (1892–1975), сын Дж. Томсона, и независимо от него советский физик П. С. Тартаковский наблюдали также дифракцию электронов при прохождении электронного пучка сквозь тонкую металлическую фольгу. Этими опытами экспериментально подтверждалась теория де Бройля.

Статистика Бозе-Эйнштейна и Ферми-Дирака

Продолжая исследования в этой области, индийский физик Шетьендранат Бозе (1894–1974) в июле 1924 г. напечатал статью «Закон Планка и гипотеза световых квантов«, в которой впервые высказал предсказание, что в статистике световых квантов два состояния системы частиц следует считать тождественными, если они отличаются только перестановкой, и показал, что этим способом легко можно вывести формулу Планка.

Развивая эти идеи Бозе, А. Эйнштейн в течение 1924–1925 гг. опубликовал ряд статей, в которых применил эти идеи к одноатомному идеальному газу и этим положил начало развитию статистики Бозе–Эйнштейна.

Вторая квантовая статистика — статистика Ферми–Дирака — возникла после того, как в начале 1925 г. выдающийся швейцарский ученый Вольфганг Паули (1900–1958) сформулировал один из важнейших принципов современной теоретической физики — принцип исключения (принцип Паули). Открытие этого принципа дало ключ к объяснению периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева.

Этот принцип способствовал выдвижению гипотезы спина, сформулированной летом 1925 г. американскими физиками-теоретиками Джорджем-Юджином Уленбеком и Самюэлем-Абрахамом Гаудсмитом.

Принцип Паули вместе с открытием спина стал фундаментом новой квантовой статистики для частиц, имеющих полуцелый спин, которую сформулировал в 1926 г. итальянский ученый Энрико Ферми (1901–1954) и выдающийся английский физик Поль-Андриен-Морис Дирак (1902–1986).

Гейзенберг и Борн

Большой вклад в развитие квантовой механики внес немецкий физик-теоретик Вернер Гейзенберг (1901–1976).
Он предложил отказаться при построении теории от всех ненаблюдаемых величин (координата электрона, его скорость, траектория движения в атоме, радиус орбиты, частота вращения вокруг ядра и др.), исключить их из рассмотрения, а опираться только на наблюдаемые величины, которые можно измерить экспериментально, — частоту и др.

В 1925 г. появилась статья В. Гейзенберга, где он изложил основы матричной квантовой механики. Он получил поддержку своего учителя Макса Борна (1882–1970) и немецкого физика Паскуаля Йордана (1902–1980), которые в том же году опубликовали статью о матричной теории гармонического осциллятора. За статистическую интерпретацию волновой функции М. Борн был удостоен Нобелевской премии в 1954 г.

За создание матричной механики, которая была первым вариантом квантовой механики, Нобелевскую премию в 1932 г. получил и В. Гейзенберг. В 1927 г. он сформулировал важный принцип современной физики — принцип неопределенности, который ограничивал применение к микрообъектам классических понятий и представлений.

Шредингер

Параллельно с матричной механикой начала создаваться другая теория атомных процессов, которая базировалась на абсолютно новой основе. В течение 1926 г. выдающийся австрийский физик-теоретик Эрвин Шредингер (1887–1961) опубликовал ряд статей, а в 1927 г. издал их отдельной книгой под названием «Статьи по волновой механике».

В этих статьях Шредингер развил идеи де Бройля и придал волновой механике стройную форму. Он написал волновое уравнение, которое позволяло вычислить для каждой точки пространства в каждый момент времени значение
волновой функции, связанной с вероятностью нахождения в этой точке микрочастицы.

Из уравнения Шредингера следовало, что обладая волновыми свойствами, связанная микрочастица, например, электрон в атоме, может иметь только дискретные значения энергии. Работа Э. Шредингера вызвала настоящую бурю в среде физиков-теоретиков. После длительных и тяжелых дискуссий Шредингер показал, что его волновая механика приводит к тем же результатам, что и теория Гейзенберга, хотя получается из других предположений и используется другой математический аппарат.

Таким образом, Э. Шредингер сформулировал новую теорию, которая получила название нерелятивистской волновой механики, предложил уравнение для волн и построил на его основе последовательный метод рассмотрения задач квантования.

Поль Дирак

Впервые уравнение, которое относится к релятивистским частицам и описывает электронно-позитронное поле, предложил в 1928 г. П. Дирак. Релятивистская теория Дирака была изложена в работе «Основы квантовой механики». В ней гармонично применяются соотношения теории относительности, кванты и спин, объясняется магнитный момент электрона для вывода формулы тонкой структуры и впервые предсказано существование позитрона, который открыл в 1932 г. американский физик Карл Дэвид Андерсон.

Квантовая механика решила ряд фундаментальных проблем теории атомов и молекул, физики твердого тела.
При ознакомлении с создателями квантовой механики бросается в глаза их молодость, когда они делали великие открытия: де Бройлю было 29 лет, Гейзенбергу — только 24, Дираку — всего лишь 23; несколько больше — Шредингеру — 39 лет. Вспоминая эти годы, Н. Бор писал, что решающий успех в построении квантовой теории был достигнут самыми молодыми.

Поделиться: