Теория магнетизма - Маттис Д.
Скачать (прямая ссылка):
развитии квантовой теории тогда не была принята во внимание. Подробно об
этом говорится в гл. 2 и 4 этой книги. Здесь же достаточно дать лишь
общий ход развития. В 1927 г. Паули изобрел матрицы для спинов, в
следующем году Гейзенберг
*) В большинстве рассуждений в тексте мы следовали поистине блестящему
изложению, данному в книге Уиттекера [37].
КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ
45
и (почти одновременно) Дирак ввели обменные силы - таинственную
комбинацию принципа запрета Паули и перекрытия электронных волновых
функций. Это позволило Гейзенбергу объяснить ферромагнетизм *). Следующим
шагом в развитии науки было рассмотрение самих волновых функций как
операторов поля, т. е. вторичное квантование. Значение этого шага было
понято не сразу. Но планковское квантование электромагнитного поля,
приводящее к статистике Бозе - Эйнштейна, в данном случае имеет точный
аналог: квантование электронного поля Иорданом и Вигнером [38] в 1928 г.
Эта теория включала принцип запрета Паули и приводила к статистике Ферми
- Дирака, а также к современному развитию теории поля и статистической
механики. В 1928 г. Дирак [39] объединил теорию относительности с
волновой механикой, и первым непосредственным успехом его теории было
предсказание спина электрона точно в той же форме, какая была
постулирована теорией Паули с помощью матриц 2 х 2, и объяснение
аномального множителя g = 2 для спина. В результате аномальный эффект
Зеемана лишился своей таинственности. Теория поля Иордана - Вигнера
позволила исключить еще одно белое пятно из теории - существование
состояний с отрицательной энергией. Было просто постулировано, что
отрицательные состояния заполнены [40-44], а в 1932 г. Андерсон открыл
позитрон, что было поразительным подтверждением существования загадочных
дырок в дираковском море отрицательных энергий.
Наряду с этими фундаментальными исследованиями, Хартри, Фок, Гайтлер,
Лондон и многие другие выполнили расчеты для электронов, атомов и
молекул, которые были прямым применением новой квантовой теории
электрона. В 1929 г. Слэтер [45] показал, что детерминант, составленный
из отдельных электронных волновых функций, зависящих от пространственных
и спиновых переменных, можно использовать как многоэлектронную волновую
функцию, удобную для вариационных расчетов в задачах по электронной
структуре атомов и молекул.
Гейзенберг, Дирак, Ван-Флек, Френкель, Слэтер и многие другие внесли свой
вклад в понятие обмена и создали формализм для работы с операторами.
Таким образом, не пытаясь более перечислять отдельных исследователей, мы
можем заметить, что к 1930 г., после четырех лет наиболее волнующих и
ярких открытий в истории теоретической физики, была заложена основа
современной электронной теории вещества, после чего началась эпоха
консолидации и вычислений, которая продолжается и до сего времени.
Заметим, что 1930 год был годом знаменитого (шестого)
9 Квантовомеханическое объяснение ферромагнетизма независимо и несколько
раньше было дано Я. И. Френкелем.- Прим. ред.
46
1. ТЕОРИЯ МАГНЕТИЗМА И ЕЕ ИСТОРИЯ
сольвеевского конгресса, посвященного магнетизму; ибо уже пришла пора
остановиться и обозреть достигнутые успехи, время посмотреть, "может ли
кто-нибудь рассказать все о магните...".
Нельзя не упомянуть молодость создателей научной революции, большинству
не было и 30 лет. Ни один из них не успел узнать мир без электрона или
без периодической системы элементов. Старшему поколению довелось быть
свидетелями краха механического детерминизма и причинности. "Не играет же
Бог в кости!", - жаловался Эйнштейн [46]. Но механический детерминизм
Лапласа как раз и был научной заменой божественного предвидениях), и
старшее поколение уже забыло, что задолго до этого, при самом основании
статистическоей механики и термодинамики, в таком виде, как оно было дано
Гиббсом и самим Эйнштейном, механический детерминизм уиш был выброшен за
борт. Шумиха вокруг причинности была уже совсем недопустима, ибо в
квантовой теории сохранилось то же положение, что и в классической
теории, несмотря на все нападки на нее. Но, с другой стороны, лишь
молодые силы видели в новой теории шанс наконец-то понять, почему
справедлива теория Бора и где границы ее применимости. Они видели в
квантовой теории только более удобное средство, с помощью которого можно
строить модель Вселенной, не менее удобное, чем теория относительности.
Будучи лишены суровых метафизических предубеждений, они не истолковывали
это как упадок философской мысли. В этом имеется некая психологическая
правда, которая не ускользнула от внимания проницательного Генри Адамса:
"Воистину животное, которое должно быть приучено к коллективу, должно
быть поймано молодым. Единство видения, оно должно быть частью процесса
обучения видеть" [20] 2).
ЕЩЕ О .МАГНЕТИЗМЕ
В то время как теоретические основы становились более прочными,
экспериментальные факты и загадки становились более многочисленными.
Попытаемся их изложить с предельной краткостью. Прежде всего возник
