Этот странный квантовый мир - Трейман С.
ISBN 5-93972-117-6
Скачать (прямая ссылка):
и которые он не мог подогнать; а именно - заряд и масса электрона, а
также постоянная Планка h. Согласие с экспериментом получилось очень
хорошее.
Энергичная и быстрорасширяющаяся эра квантовой теории после этого вышла
на путь, когда физики искали объяснение утверждений Бора, чтобы учесть
влияние внешнего электрического и магнитного полей
24
Глава 1
на энергетические уровни атома водорода, учесть релятивистские эффекты;
использовать атомные идеи для многоэлектронных атомов и т. д. Боровские
квантовые условия были обобщены на случай очень широкого круга вопросов.
Но как и исходные боровские правила, они имели тот же характер: квантовые
условия накладывались сверху на классическую картину без понимания того,
откуда берутся эти правила. В значительной мере развитие определялось
принципом соответствия, который был сформулирован и впервые использован
Бором, остальными взят на вооружение. Коротко говоря, оно означало, что
квантовое поведение при больших энергиях должно напоминать классическое.
Эта идея была использована, а затем гениально приспособлена для
обслуживания любых энергий. Было много ошибок, но были и большие
достижения. Это была сумасшедшая эра прогресса и ошибок, смесь
необъяснимых квантовых правил и классической динамики. Она цвела около
дюжины лет, в интервале между статьей Бора, в 1913 г., и рождением
современной квантовой теории. Физик Исидор Раби, оглядываясь назад,
назвал это время временем "артистизма и нахальства".
Современная теория началась с двух внешне не связанных между собой линий,
одна из которых восходит к Гейзенбергу, а другая - независимо, - к
Шредингеру. Скорость развития была захватывающей. Первый шаг был сделан
Гейзенбергом в весенние каникулы 1925 г. Будучи ограниченным и
руководимым в какой-то степени принципом соответствия, Гейзенберг резко
порвал с концепцией классической механики на атомном уровне. Он призывал
отбросить использование определенных координат и импульсов на том
основании, что они являются ненаблюдаемыми величинами на микроскопическом
уровне. Но атомные энергетические уровни являются наблюдаемыми, поскольку
через них определяются частоты атомных линий. Гейзенберг установил новую
механику, предназначенную для этих целей. То, что он постулировал,
кажется, пришло с небес; выраженное на математическом языке, это было
неизвестно многим, в том числе самому Гейзенбергу. Однако он упорствовал
в своих утверждениях. Наставник Гейзенберга по Геттингену Макс Бор,
получивший статью Гейзенберга в первую очередь, недоумевал по поводу
математики, когда осознал, для чего она нужна. Всего за несколько
коротких месяцев, в сентябре, он и другой его ассистент, Паскуаль Иордан,
завершили статью, расширяющую идеи Гейзенберга и идентифицирующую его
математические объекты как матрицы. Известна история - если, конечно, она
правдива, то она дает представление о том времени, - как неизвестный
тогда Иордан пришел работать к Борну. Молодой человек проявил себя во
время путешествия в одном купе с Борном и его коллегами. Борн обсуждал с
коллегами матрицы. Услышав об этом, Йордан представился и сказал, что
разбирается в матрицах и может помочь. И Борн подписал его имя в конце
статьи... да-да, именно так это и было! Их совместная статья вышла чуть
позднее.
Истоки
25
Вскоре после этого к Борну и Йордану присоединился Гейзенберг, чтобы
написать прославленную "трехместную" статью (Dreimanner Arbeit), в
которой установлены логические рамки квантовой теории Гейзенберга, сейчас
называемой матричной механикой. Тем временем, основываясь только на
первоначальной статье Гейзенберга и не подозревая о работе Борна и
Йордана, Поль Дирак в Кембридже аналогично расширил идеи Гейзенберга, на
другом, элегантном математическом языке. Он получил формальную аналогию
между квантовой и классической механикой и определил, в чем состоит
разница. За год до этого Дирак уже применял новую квантовую теорию к
атому водорода. В частности, он успешно учел влияние электрического поля
на энергетические уровни водорода - задача, с которой ничего не могла
сделать старая квантовая теория.
Все это произошло не дольше, чем за полгода! А после этого, в самый
первый месяц следующего, 1926 года, вышла первая статья Шредингера, из
которой возникла совершенно другая квантовая теория. Шредингер
использовал идею, высказанную несколькими годами раньше в докторской
диссертации Луи де Бройля, который в круге этих людей был старшим; ему
было тридцать лет. Луи де Бройль утверждал, что аналогично тому, как свет
может демонстрировать свои частицеподобные и волновые свойства, так и с
массивной материей, например, с электроном, можно связать <<волны
материи". Эйнштейн считал эту идею заманчивой и дал свое влиятельное
благословение. Шредингер развил ее в полнокровную теорию. Следуя аналогии
с классической механикой и оптикой, Шредингер ввел волновую функцию,
которая связана с любой системой материальных частиц, написал уравнение,
