ПЕРВЫЕ ШАГИ
История квантовой механики очень интересна, но коротко о ней не расскажешь. Ограничусь парой ключевых этапов. В 1913 году датский физик Нильс Бор использовал квантовую модель света для объяснения спектра водорода. К тому времени физики хорошо знали, что атомы этого газа при нагреве испускают свет только строго определенных частот. Для этих частот была подобрана формула, которая отлично согласовывалась с опытом. Бор показал, что эту формулу можно получить теоретически, если допустить, что единственный электрон в атоме водорода обращается вокруг ядра только по некоторым разрешенным орбитам — первой, второй, третьей и так далее до бесконечности. Чем больше номер орбиты, тем она дальше от ядра и тем больше энергия электрона. Находясь на орбите, электрон ничего не излучает и потому не теряет энергию. Однако он может перескочить с какой-то из верхних орбит на какую-то из нижних (например, с третьей на первую или с четвертой на вторую). В этом случае он испустит световой квант, чья энергия будет равняться разности между энергиями верхней и нижней орбиты. Частота кванта будет равна этой энергии, поделенной на постоянную Планка.
Теория Бора отдавала дань ньютоновской механике, ведь он вполне традиционно считал, что электрон имеет на орбите определенный радиус и определенную скорость. Однако гипотеза о возможности только пронумерованных разрешенных орбит уже выходила за ее рамки. Согласно механике Ньютона и его же закону всемирного тяготения, планета может обращаться вокруг своей звезды по любому замкнутому эллипсу, не встречаясь ни с какими запретами (точно так же искусственный спутник можно вывести на любую околоземную орбиту). В модели Бора эти запреты возникают, причем разрешенные орбиты он определяет с помощью постоянной Планка. В общем, он явно отступает от ньютоновской механики, хотя пока не очень понятно, в какую сторону. Он также решительно рвет с общепринятой теорией электричества и магнетизма, созданной еще в середине девятнадцатого века. Согласно этой теории, так называемой классической электродинамике, любой орбитальный электрон должен излучать электромагнитные волны и потому обречен на потерю энергии и падение на ядро. А вот для боровских электронов это правило не действует!
В 1910-20-е годы физики еще не думали, что квантовая теория света станет предшественницей неньютоновской механики. Однако новые открытия все сильнее подталкивали к такому повороту. В 1922 году американский физик Артур Комптон экспериментально показал, что рентгеновские лучи при отражении от электронов ведут себя так, как если бы они состояли из отдельных частиц именно той энергии, которая дается формулой Планка. Тем самым он впервые напрямую подтвердил гипотезу Эйнштейна о существовании световых квантов.
В том же году впервые были произнесены слова «квантовая механика». В 1911 году голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес обнаружил, что некоторые металлы (сначала ртуть, потом свинец и олово) при очень низких температурах перестают сопротивляться электрическому току. Это явление он назвал сверхпроводимостью. Его природа выглядела совершенно загадочной, объяснить ее тогдашняя физика была не в состоянии. В ходе обсуждения сверхпроводимости на научной конференции Эйнштейн отметил, что понять ее удастся только на основе квантовой механики. Так еще не существующая наука обрела имя, которое вскоре стало общепринятым.
ФИНИШ И НАЧАЛО
А потом события понеслись вскачь. Осенью 1923 года французский физик (тогда еще только аспирант) Луи де Бройль выдвинул совершенно сумасшедшую гипотезу, к которой он пришел, изучив эйнштейновскую теорию фотоэффекта и обдумав результаты Комптона. Он осознал, что если свет имеет свойства частиц, то «настоящие» частицы, и прежде всего электроны, должны обладать волновыми свойствами! Согласно де Бройлю, электрону можно приписать определенную длину волны, следовательно, и частоту, которая связана с его энергией формулой Планка. Отсюда следовало, что и волны, и частицы в равной мере подчиняются квантовым принципам.
Гипотеза де Бройля подтвердилась в эксперименте в 1927-28 годах. Физики из США и Англии независимо показали, что пучок электронов при прохождении через кристаллическое вещество ведет себя точно так же, как и пучок рентгеновских лучей. Оба пучка рисуют на фотопластинках концентрические окружности, чьи диаметры можно рассчитать по известным с начала девятнадцатого века правилам волновой оптики.
Из гипотезы де Бройля уже прямо вытекало, что ньютоновская механика не может описывать движение электронов. Требовались принципиально новые идеи, и они не замедлили появиться. В 1925-26 годах немецкий физик Вернер Гейзенберг и австриец Эрвин Шредингер независимо друг от друга и разными способами заложили фундамент квантовой механики. Их работы мгновенно продолжили и развили другие замечательные физики — Вольфганг Паули, Паскуаль Иордан, Макс Борн, Поль Дирак. Общими усилиями они изобрели математические средства, пригодные для описания тех физических величин, которые в принципе нельзя одновременно измерить (а это не только координаты и скорости!). Они также выяснили основное отличие квантовой механики от предшествующей доквантовой физики. Если прежняя физика в принципе позволяла однозначно предсказывать значения всех величин, которые можно наблюдать в эксперименте, то квантовая механика ограничивается только вероятностями. Например, она позволяет вычислить, с какой вероятностью можно обнаружить электрон в атоме водорода на том или ином расстоянии от ядра, но не дает возможность найти его траекторию (более того, с точки зрения квантовой механики ее просто не существует!).
К концу 1927 года математический аппарат квантовой механики был в основном создан. Правда, она возникла как "переработка" ньютоновской механики на основе квантовых принципов и потому не сочеталась с эйнштейновской теорией относительности. Однако уже в 1928 году Дирак построил квантовую теорию электрона, которая обобщала не ньютоновскую, а эйнштейновскую механику.
Работа Дирака стала важнейшей вехой в истории теоретической физики еще и по другой причине. До сих пор мы говорили только о том, что квантовая механика стала по-новому описывать физические величины, унаследованные у классической механики Ньютона. Именно это обстоятельство ставили во главу угла создатели этой науки, когда она только что возникла. Так, Поль Дирак в 1925 году отмечал, что квантовая механика «предполагает не то, что уравнения классической физики в каком-либо отношении ошибочны, а то, что необходимо изменить математические операции, посредством которых из этих уравнений выводятся физические результаты». Однако в том же году Сэмюэль Гаудсмит и Джордж Уленбек обнаружили у электрона совершенно новую, чисто квантовую характеристику, которая не имеет никаких классических аналогов — речь идет, конечно, о спине. Дираковская теория электрона показала, что существование спина есть необходимое следствие объединения квантовых принципов с принципами теории относительности. Позднее у объектов микромира было найдено много других неклассических свойств — например, четность, странность, очарование.
Квантовая механика быстро показала свое могущество. Уже к концу 1920-х годов с ее помощью физики в общих чертах выяснили, как устроены атомы различных химических элементов. Это позволило понять и таблицу Менделеева, поскольку химические свойства зависят от структуры электронного облака, окружающего атомное ядро. В 1930-е годы она позволила объяснить электрические свойства металлов и полупроводников, понять, почему железо, никель и еще некоторые металлы могут быть сильными постоянными магнитами, построить теорию атомного ядра и его распадов, и даже предсказать три новые частицы, позитрон, нейтрино и пи-мезон.
Фото превью: Wikimedia Commons
