<<
>>

«Старая» квантовая теория первой четверти XX в.

 
В ходе создания и осмысления современной квантовой механики в 1925—1927 гг. возникло несколько конкурирующих парадигм (и соответствующих им сообществ)1, которые физики, а за ними и философы назвали «интерпретациями».
Спор между ними и сформулированные в ходе этого спора «парадоксы», обсуждающиеся до сего дня [Клышко, 1988, 1994; DeWitt, 1970, 1971; Ballentine, 1970, 1987; Stapp, 1972; Менский, 2000], и составляют ядро «философских проблем квантовой механики».
Этому спору предшествовала так называемая «старая» квантовая теория периода 1900—1925 гг., которая представляла собой совокупность теорий различных явлений, полученных путем введения в соответствующие формулы постоянной Планка. Это было особым искусством. Сами эти явления были выбраны из накопленных физикой в конце XIX в. «аномалий». Наибольшее значение имели три проблемы[CLXVIII] [CLXIX]: спектра теплового излучения черного тела, фотоэффекта, спектра и строения атома. Решение

дервой из них привело к появлению в 1900 г. постоянной Планка /г, как раз и ознаменовавшей рождение «старой» квантовой теории. Создание Эйнштейном в 1905 г. теории фотоэффекта ввело в физику модель волны-частицы (фотона), подхваченную позже Де Бройлем и ставшую затем базовой для новой квантовой механики. Проблема спектра и строения атома водорода стала основным; полигоном, на котором отрабатывались элементы как старой (в виде теории атома Бора (1913), так и новой квантовой механики.
Парадокс теплового излучения абсолютно черного тела был четко сформулирован Лоренцем на IV Международном математическом конгрессе в Риме в апреле 1908 г. в докладе «Распределение энергии между весомой материей и эфиром». «В докладе подчеркивалось, что при использовании статистической механики, верной для любых систем, подчиняющихся уравнениям движения Гамильтона, получается формула Рэлея—Джинса... Полученная для длинных волн (или низких частот v. — АЛ.) [эта] формула всеобща... А поскольку эта формула противоречит фактам (согласно этому закону с ростом частоты v энергия излучения должна неограниченно расти (этот эффект получил название «ультрафиолетовой катастрофы», что не подтверждается опытом, который на высоких частотах описывается формулой Вина. — АЛ), существует некоторое противоречие» [Франкфорт, 1975, с. 60]. Тем самым Лоренц констатировал, что эта проблема в принципе не может быть решена в рамках существовавших в то время разделов физики (т. е. речь идет об «аномалии», вызывающей «кризис» в смысле Куна). Решение, предложенное в 1900 г. немецким физиком Максом Планком, Лоренц рассматривал лишь как один из возможных путей преодоления этого парадокса. Тем не менее именно от формулы Планка и появившейся в ней постоянной Планка h квантовая механика отсчитывает свою историю[CLXX]. К ней стали относить все теории, использовавшие h.
Еще один парадокс — парадокс устойчивости атома — состоял в том, что результаты опытов Резерфорда о столкновении а-частиц с атомами указывали на то, что атомы содержат маленькое положительное ядро, в поле которого движутся электроны. Отсюда вытекала планетарная модель атома Резерфорда (1911). Но согласно законам электродинамики подобное движение электрона являлось ускоренным, а следовательно, электрон должен был излучать электромагнитные волны, терять энергию и очень быстро (за 10_|° с.) упасть на ядро.
Гипотеза квантов позволила Бору объяснить этот парадокс, создав свою знаменитую квантовую модель атома водорода (1913), в которой к планетарной модели Резерфорда были добавлены идея дискретности стационарных орбит и правила перехода между ними: разница между энергиями у'-й и г-й орбитами (EJr) приравнивалась величине hvjn где уjr — частота отвечающей этому переходу излученной или поглощенной электромагнитной волны. Эта модель позволяла объяснить также ряд обнаруженных к тому времени эмпирических выражений, описывающих дискретные спектры излучения различных атомов, — проблему, которая тоже находилась в центре внимания физиков того времени, хотя, возможно, и не воспринималась как серьезная «аномалия».
Важным нововведением стала корпускулярно-волновая модель света, предложенная Эйнштейном в его квантовой теории фотоэффекта в 1905 г. Основные эмпирические закономерности фотоэффекта были установлены к началу XX в.: «В тех случаях, когда слабые ультрафиолетовые лучи оказывают действие, красные лучи огромной интенсивности никакого действия не оказывают... С увеличением энергии лучей данной длины волны увеличивается число электронов, вылетающих в единицу времени с единицы поверхности освещенного тела, но не меняется их скорость... С точки зрения волновой теории главным фактором фотоэффекта должна была бы быть энергия света, тогда как частота была второстепенным фактором» [Там же, с. 47—48]. Это звучало как парадокс и было осознано физическим сообществом как «аномалия», хотя и не такая важная, как первая. Впрочем, Эйнштейн констатировал, что эта проблема не может быть решена в рамках существующих разделов физики. Строя теорию фотоэф' фекта, он в статье «Об одной эвристической точке зрения, касающейся возникновения и превращения света» (1905) ввел представление о свете, состоящем из квантов с энергией Е-№-

Согласно этой модели один квант света выбивает один электрон, для чего требуется энергия кванта E=hv больше энергии связи электрона в атоме. Обсуждение гипотезы квантов как способа решения этих парадоксов и особенно дискуссия Эйнштейна и Лоренца по поводу гипотезы квантов света — фотонов привели к формулировке парадокса «волна-частица» для света: квант света распространялся согласно волновой теории (это проявлялось в явлениях интерференции и дифракции), а поглощался как частица1.
«Дальнейшее доказательство корпускулярного характера света было получено в 1922 г. американским физиком А. Комптоном, показавшим экспериментально, что рассеяние света свободными электронами происходит по законам упругого столкновения двух частиц — фотона и электрона (эффект Комптона)... Таким образом, было доказано экспериментально, что наряду с известными волновыми свойствами (проявляющимися, например, в дифракции света) свет обладает и корпускулярными свойствами: он состоит как бы из частиц — фотонов... Возникло формальное логическое противоречие: для объяснения одних явлений необходимо было считать, что свет имеет волновую природу, а для объяснения других — корпускулярную[CLXXI] [CLXXII]. По существу, разрешение этого противоречия и привело к созданию физических основ квантовой механики («новой». — АЛ.)», — пишет В.Б. Берестецкий [Берестецкий, 1983, с. 253]. В начале 1920-х гг. французский физик Луи де Бройль предположил, что и частицы материи тоже распространяются как волны[CLXXIII], и в 1927 г. Дэвиссон и Джеммер получили от рассеяния пучка электронов на кристалле картину, аналогичную рентгенограмме Лауэ, свидетельствующую, что электроны, как и рентгеновские лучи, испытывают характерную для волн дифракцию.


Эту двойственность поведения квантовых частиц, часто называемую «корпускулярно-волновым дуализмом», хорошо иллюстри-


Схема 13.1


рует мысленный эксперимент по прохождению квантовой частицы (электрона, фотона и др.) сквозь экран с двумя щелями («двущелевой эксперимент»), изображенный на схеме 13.1, где Р], Р2, Рп изображают интенсивности поглощаемых потоков, проходящих через 1-ю, 2-ю и обе щели соответственно.
Двойственность состоит в следующем. Если за экраном поставить фотопластинку, то при однократном наблюдении мы увидим локальную точку, как в случае частицы, но при многократном повторении эксперимента с одной частицей мы увидим на фотопластинке дифракционно-интерференционную картину, характерную для волны, проходящей через обе щели одновременно. При этом если мы каким-либо способом захотим подсмотреть, через какую щель проходит каждый раз частица, то интерференционная картина пропадет (подробнее см.: [Фейнман, 1965, т. 8, гл. 1]). 
<< | >>
Источник: Под ред. д-ра филос. наук А.И. Липкина. Философия науки: учеб, пособие. 2007

Еще по теме «Старая» квантовая теория первой четверти XX в.:

  1. РЕФОРМЫ ПЕРВОЙ ЧЕТВЕРТИ XVIII ВЕКА
  2. Реформы первой четверти XVIII ст.
  3. Тема 12. РОССИЯ В ПЕРВОЙ ЧЕТВЕРТИ XIX в.
  4. Минаков А. Ю.. Русский консерватизм в первой четверти XIX века, 2011
  5. Государственные реформы первой четверти XVIII в.
  6. ГЛАВА IV ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АППАРАТ АБСОЛЮТНОЙ МОНАРХИИ В РОССИИ ПЕРВОЙ ЧЕТВЕРТИ XVIII в.
  7. Г л а в а 7 ОБЩЕСТВЕННО-ПОЛИТИЧЕСКИЕ ВЗГЛЯДЫ РУССКИХ КОНСЕРВАТОРОВ ПЕРВОЙ ЧЕТВЕРТИ XIX ВЕКА
  8. РАЗДЕЛ ЧЕТВЕРТЫЙ. ТЕОРИЯ ПРАВА
  9. РАЗДЕЛ ЧЕТВЕРТЫЙ ТЕОРИЯ ПРАВА
  10.    Архитектура Москвы конца XVIII – первой четверти XIX века
  11.    Новые ткани и одежда первой четверти XIX века    Марля
  12. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ВЕНГЕРСКОГО ФЕОДАЛЬНОГО ГОСУДАРСТВА XI - ПЕРВОЙ ЧЕТВЕРТИ XVI в.