Под знаком кванта. - Леонид Иванович Пономарёв
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
Де Бройлю было 30 лет, когда он нашел свою формулу. Но искать ее он начал за двенадцать лет до этого — с тех самых пор, как его брат Морис приехал из Брюсселя, где он был секретарем I Сольвеевского конгресса. Того самого конгресса 1911 г., на котором Планк рассказал о развитии «гипотезы квант». Значительность открытий, живые впечатления старшего брата от общения с великими физиками настолько поразили воображение младшего, что он не смог забыть их даже на войне. Постоянное напряжение мысли разрешилось, наконец, в 1923 г. гипотезой о волнах материи. Теперь де Бройль смог дать новое определение понятию «стационарная орбита»: это такая орбита, на которой укладывается целое число «волн электрона» λ=h/mυ.
Если это действительно так, то проблемы устойчивости атома не существует, ибо в стационарном состоянии он подобен струне, колеблющейся в вакууме без трения. Такие колебания не затухают, а потому без внешнего воздействия электрон останется в стационарном состоянии навсегда.
Самое трудное — высказать гипотезу. Это всегда процесс нелогический. Но как только она высказана, законы логики позволяют извлечь из нее все следствия. Главное из них очевидно: если «волны материи» существуют, то их можно обнаружить и измерить. Через четыре года их действительно нашли и доказали их реальность с той степенью строгости, какая принята в физике.
Свои формулы де Бройль написал за два года до работ Гейзенберга и Шрёдингера. Их простота и прозрачность основной идеи очень напоминали постулаты Бора. И точно так же, как постулаты Бора, идеи де Бройля еще не давали теории атома — для этого их необходимо было записать на языке уравнений. Когда Вернер Гейзенберг создал матричную механику, он тем самым превратил идеи Бора в точные формулы и строгие уравнения. Идеи де Бройля стали началом волновой механики, которую создал Эрвин Шрёдингер.
ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКАЯ АНАЛОГИЯ
Говорим ли мы об атомах или о квантах — мы вновь и вновь обращаемся к свойствам света. Это не случайно: по существу, в них надо искать истоки почти всей нынешней физики. Сейчас мы еще раз — и более пристально — взглянем на его свойства. Для этого нам нужно возвратиться к Исааку Ньютону и вспомнить смысл его спора с Христианом Гюйгенсом о природе света.
Всегда, во все времена, все знали, что луч света в пустоте распространяется прямолинейно. В учебниках этот факт изображают обычно прямой линией, соединяющей источник света и глаз наблюдателя, то есть рисуют воображаемую траекторию светового луча.
И по смыслу и по возникающим образам эта траектория ничем не отличается от траектории движения частицы. На этом основании во времена Ньютона луч света представляли себе как поток очень маленьких частиц. Конечно, путь этих «световых частиц», как и путь обычных частиц, может искривляться, скажем, при переходе из воздуха в воду, но понятие траектории при этом все равно сохраняется. В повседневной жизни представление о траектории светового луча очень полезно и не приводит к недоразумениям: оно помогает избегать автомобилей на улицах, конструировать фотоаппараты и определять положение звезд на небе.
С развитием экспериментальной физики люди раздвинули узкие границы повседневного опыта и обнаружили новые свойства светового луча: оказывается, он полностью теряет свои привычные свойства, если им осветить «очень маленькое препятствие». Физика — наука количественная, и в ней такое неопределенное утверждение не имеет смысла. «Маленькое» — по сравнению с чем?
Христиан Гюйгенс представлял себе распространение света как колебания некоего «светоносного эфира». Образ, возникающий при этом в сознании, напоминает круги от брошенного в пруд камня либо же бесконечные ряды морских волн. В правомерности этих образов окончательно перестали сомневаться после трудов Максвелла и Герца, которые доказали, что свет — это просто частный случай электромагнитных волн.
Вспомним (мы об этом говорили в первой главе): главная характеристика всякого волнового процесса — это его частота или длина волны. Теперь наше утверждение приобретает строгий смысл: «луч света теряет свои привычные свойства, если размеры препятствия соизмеримы с длиной его волны». В этом случае луч света уже не распространяется прямолинейно — происходит явление дифракции. Кроме того, отдельные волны начинают взаимодействовать между собой — усиливать и гасить друг друга, или, как принято говорить в физике, начинают интерферировать. Оба явления — дифракция и интерференция — в конечном итоге дают на экране интерференционную картину, которую с точки зрения Ньютона понять довольно трудно. Волновая теория света объясняет ее вполне естественно, и это в конечном счете определило ее победу.
Со временем к волновым свойствам света настолько привыкли, что они превратились в некий эталон для всех волновых процессов в физике. Теперь, если в каком-либо процессе замечали вдруг явления интерференции и дифракции,
то уже не сомневались в его волновой природе. Потому, собственно, все сразу и признали гипотезу де Бройля о волнах материи, увидев первые снимки дифракции электронов.
Для нынешнего поколения физиков волновые свойства электрона уже не вопрос веры, а факт точного знания и даже средство для технических приложений.
В стройной теории волновой оптики оставалась одна неувязка: луч света мы воспринимаем все-таки как луч, а не как волну. Как объяснить такой факт с точки зрения волновой оптики? Эту задачу решил Огюстен Жан Френель (1788—1827), и его объяснение можно найти теперь в любом учебнике физики. Оказывается, интерференция приводит к тому, что все волны от источника света гасят друг друга, кроме тех, которые находятся внутри узкого канала, соединяющего источник света и глаз наблюдателя. Толщина этого канала равна половине длины волны света, то есть равна λ/2≈2·10-5 см. Если мы пренебрежем толщиной этого «светового канала», то получим ту самую траекторию светового луча, к которой все мы привыкли в обычной жизни.
Известен даже способ ее построения: сначала нужно провести линии через все гребни волн — как говорят в физике, отметить фронт волны, а затем от источника света провести линию, которая перпендикулярна к фронту волны. Это и будет траектория светового луча. Если вблизи препятствия фронт волны искажается, то одновременно с этим искривляется и траектория луча — луч света огибает препятствие, происходит дифракция.
В 1834 г. Уильям Роуан Гамильтон (1805—1865), знаменитый на весь мир профессор астрономии в Дублинском университете, занимался непонятной для современников задачей. Он хотел доказать, что формальная аналогия между траекторией движения частицы и траекторией светового луча имеет строгий математический смысл. Мы уже знаем: в физике понятию закона движения соответствуют формулы —
