Этот странный квантовый мир - Трейман С.
ISBN 5-93972-117-6
Скачать (прямая ссылка):
место на научной сцене; а именно, они находились в физике излучения
черного тела. Проблема излучения черного тела связана с частотным
спектром электромагнитного излучения, которое заполняет любой объем,
окруженный материальными стенками и находится с ними в термодинамическом
равновесии. Этот вопрос кажется ужасно частным. Однако десятилетием
раньше, на основе элегантных термодинамических рассуждений, было
показано, что интенсивность излучения как функция частоты, должна иметь
фундаментальный характер. Она может зависеть от частоты и температуры, но
не от формы сосуда или, более строго, типа материала, из которого
изготовлены стенки. Отсюда следует глубокий вывод. Экспериментальные
измерения различных частей частотного спектра были проведены в конце
столетия. Вызовом теоретикам было описание формы кривой. Этого успеха
добился Макс Планк, немецкий физик, в 1900 г. Более подробно научную
сторону этого дела мы рассмотрим позднее, сейчас же коротко остановимся
на этом событии. Однажды Планк, познакомившись с последними
экспериментальными результатами по спектру черного тела, уселся за
работу, и, как нам известно, не более чем за один вечер получил
эмпирическую формулу, которая очень хорошо соответствовала спектральным
данным. Это не был просто случай грубой подгонки, он руководствовался
некоторыми идеями, которые были высказаны в его же более ранней работе с
соавторами. Тем не менее, эта формула была исключительно эмпирической.
Несколько последующих месяцев он пытался получить эту формулу в рамках
классической теории того времени. Для этого требовались статмеханические
сообра-
Истоки
21
жения. Но классическая статистическая механика еще только развивалась, и
Планк не захотел, или не смог следовать по наиболее простому пути,
доступному для него. Если бы он использовал этот путь (отмеченный чуть
раньше лордом Рэлеем), он пришел бы к катастрофическому разногласию с
экспериментальными данными. Действительно, он следовал более сложному
подходу, который в основе был классическим, за исключением нескольких
пустяков, которые мы опишем позднее. Получилась эмпирическая формула
Планка для излучения черного тела! Из малого получилась квантовая
революция. По этому поводу не возникло никаких волнений на улицах. Только
очень малая часть физиков обратила свое внимание на это достижение. Среди
них лишь немногие поняли, что произошло что-то новое, но и они были
далеки от понимания того, что означает это новое. Решающий шаг в 1905 г.
сделал Альберт Эйнштейн. Это был для него удивительный год, в котором он
представил свою работу по специальной теории относительности. Эйнштейн
понял из открытия Планка изумительную гипотезу: электромагнитное
излучение частоты / может существовать только в виде дискретных порций
энергии, квантов, и что энергия каждой такой порции пропорциональна
частоте; энергия равна hf, где постоянная пропорциональности h является
новым параметром природы, который возник из формулы Планка для излучения
черного тела. Эти кванты Эйнштейна обладают свойствами частиц,
называемыми фотонами. Однако свет - не что иное, как форма
электромагнитного излучения; одним из достижений науки девятнадцатого
столетия является открытие того факта, что свет обладает волновыми
свойствами. Именно кванты Эйнштейна породили знаменитую загадку,
связанную с дуализмом волна-частица, которая присутствовала в физике в
течение двух следующих десятилетий.
Квантовые идеи вскоре были перенесены с излучения на массивную материю.
Фактически для этого случая работа Планка подсказала некоторый вид
квантования энергии, но в первоначальном виде это были не очень ясные
подсказки. После этих событий в 1907 г. Эйнштейн построил простую
квантовую модель теплоемкости материальных тел. Теплоемкость является
параметром, характеризующим изменение температуры данного материального
тела, когда оно поглощает определенное количество тепла. Эйнштейн
рассуждал следующим образом. В материальных телах, конечно, могут
существовать звуковые волны в некотором интервале частот /. Для них можно
использовать ту же гипотезу квантования, что и для электромагнтного
излучения; а именно, предположим, что энергия звуковых волн частоты /
может существовать только в виде порций энергии hf. Эйнштейн хотел
удовлетвориться одной характерной частотой. Но в других работах вскоре
было сделано обобщение для целого интервала частот. Модель обеспечивала
качественно успешное понимание определенных аномалий, отклонений от
предсказаний клас-
22
Глава 1
сической теории, которые к этому времени уже были известны из опыта.
Интерес исследователей к квантовому развитию стал расти.
В 1913 году молодой датский физик Нильс Бор обратился к исследованию
устройства атома. Как можно развивать квантовые идеи применительно к
этому объекту? В качестве исходной структуры атома он взял модель,
предложенную парой лет ранее великим экспериментатором Эрнестом
Резерфордом. В этой модели атом представлял уменьшенную копию солнечной
