Глава 7. Кентавры микромира

При этом следует полагать, что каждая корпускула сопровождается определенной волной и каждая волна связана с движением одной или многих корпускул…

Электрон не может более рассматриваться как простая крупинка электричества; с ним следует связывать волну…

Л. де Бройль.

Свет и материя

В 1924 году Бор с соавторами опубликовал статью «Квантовая теория излучения», в которой рассматривалось два основных способа энергетического переноса: с помощью волн и частиц. Со свойственными ему философскими рассуждениями глава копенгагенской школы писал, что в обыденной жизни между двумя механизмами передачи энергии не наблюдается видимых противоречий. Однако в микромире на сверхмалых масштабах строения вещества картина существенно меняется. Даже из простейших опытов с микроскопическими объектами становится ясно, что на этом уровне организации материи привычные нам принципы и законы макромира не действуют. Свет, который мы привыкли считать волной, порой ведет себя так, будто состоит из потока частиц фотонов, проявляют свойства волны. Это называется «корпускулярно-волновым дуализмом».

Между тем именно принцип корпускулярно-волнового дуализма позволил наконец-то понять сущность квантования атомных орбит. И здесь решающее значение принадлежит удивительной концепции французского физика, нобелевского лауреата Луи де Бройля, выдвинувшего предположение, что все без исключения микроскопические объекты – частицы, атомы и даже молекулы – обладают такими же корпускулярно-волновыми свойствами, что и фотоны. Эта удивительная гипотеза была подтверждена уже через несколько лет в опытах по волновой дифракции электронов. Электрон действительно проявил свою волновую природу и вел себя как некая «волна материи»!

В 1923 году Луи де Бройль представил три доклада в Парижскую академию наук: «Волны и кванты», «Кванты, кинетическая теория газов и принцип ферма», «Кванты света, дифракция и интерференция», в которых излагалась совершенно парадоксальная идея, переносящая дуализм в теории света на сами материальные частицы. Поначалу эти статьи не вызвали особого интереса, содержащиеся в них указания на возможность наблюдения дифракции электронов не заинтересовали экспериментаторов. Дифракция электронов была открыта лишь через пять лет после выхода статей де Бройля вне всякой связи с ними и до известной степени случайно. Тем не менее на идеи де Бройля обратили внимание выдающиеся теоретики – Эйнштейн и Эрвин Шредингер, с успехом развившие их в своих исследованиях.

В своих работах французский физик приступил к рассмотрению неких волновых процессов, связанных с материальными телами. Вначале де Бройль назвал свое теоретическое построение очень осторожно: «Мы будем рассматривать ее лишь как фиктивную волну, связанную с перемещением движущегося тела». Однако затем он высказал смелое утверждение, что для орбитального электрона, движущегося в атомарной структуре по замкнутой траектории с постоянной скоростью, не превышающей скорость света, орбита будет устойчивой, только если на ней укладывается целочисленное количество подобных «фиктивных волн». Это условие в основном совпадает с боровским квантованием орбит, причем скорость частицы-волны представлялась скоростью целой группы волн с очень мало отличающимися частотами.

Эту «фиктивную волну» де Бройль назвал «волной фазы», сопоставляя ее с неким волновым процессом, как бы пилотирующим движение частицы, так возник знаменитый образ «волны-пилота», вызвавший много споров среди физиков и философов. По словам Бора, гипотеза де Бройля позволяет «осуществить синтез волнового движения и квантов». Несколько позже французский ученый решил расширить понятие волновых процессов и для частиц вещества, мотивируя это тем, что дифракционные явления обнаруживаются в потоке электронов, проходящих сквозь достаточно малые отверстия. Быть может, экспериментальное подтверждение наших идей следует искать в этом направлении.

Следует признать, что фактически 25 ноября 1924 года, в день защиты де Бройлем своей докторской диссертации «Исследования по теории квантов», на основе квантовых представлений возник новый раздел физики – «волновая механика». Сам автор «корпускулярно-волновой картины мироздания», по словам Эйнштейна, неоднократно указывал, что его новая механика соотносится с классической и релятивистской так же, как волновая оптика относится к геометрической». Он писал, что предложенный синтез «представляется логическим венцом совместного развития динамики и оптики со времени XVII века».

За открытие волновой природы электронов (волновые свойства других частиц были доказаны гораздо позже) де Бройль был удостоен в 1929 года Нобелевской премии.

В своей статье «Кванты, кинетическая теория газов и принцип Ферма» де Бройль разработал статистику газов и световых квантов, используя свои новые представления о волнах материи, вывел закон распределения Максвелла для газов и формулу Планка для квантов света. Эти идеи де Бройля опять же первым поддержал великий Эйнштейн, широко использовав их в своих исследованиях по квантовой статистике идеального одноатомного газа.

Совершенно иначе отнеслись к теории «волн материи» и концепции «волны-пилота» де Бройля Бор и его коллеги по копенгагенской школе. Сторонники копенгагенской интерпретации квантовой механики искали объяснения квантово-механических парадоксов на пути создания неких математических схем, полностью лишенных наглядности, однако вполне адекватно описывающих наблюдаемые явления. Одна из таких теоретических схем была найдена в 1925 году Вернером Гейзенбергом. В своей статье «О квантовотеоретическом истолковании кинематических и механических соотношений» этот немецкий теоретик предлагал: «…отказаться от всякой надежды на наблюдение до сих пор ненаблюдаемых величин (таких как положения, период обращения электрона) и пытаться построить квантово-теоретическую механику, более или менее аналогичную классической механике, в которой встречались бы только соотношения между наблюдаемыми величинами».

Нельзя не заметить, что эта позиция Гейзенберга, заключающаяся в отказе от «до сих пор ненаблюдаемых величин» очень напоминала призывы некоторых философов-метафизиков начала прошлого века «отказаться от ненаблюдаемых» атомов и электронов. Сам Гейзенберг первоначально не сознавал, что необходимо не отказываться от понятия «ненаблюдаемые положения и скорости электронов», а просто уточнить само понятие «наблюдение» в микромире. Вскоре после появления этой работы Гейзенберга его учитель Макс Борн и молодой геттингенский математик Пауль Иордан представили статью о матричной теории гармонического осциллятора. В ней они указали, что предложенная Гейзенбергом математическая схема описания квантово-теоретических величин по своей сути представляет матричную алгебру.

Луи Виктор Пьер Раймон (Луи де Бройль) (1892–1987)

Математические матрицы были известны задолго до начала квантовой эры в естествознании. Тем не менее для физиков-теоретиков было большой неожиданностью, что подобные весьма странные математические конструкции с необычными свойствами управляют квантовыми объектами.

Тут надо обратить внимание на то, что в начале прошлого века теория матриц еще не входила в университетские курсы для математических факультетов и совершенно не была известна физикам-теоретикам. Поэтому даже Гейзенберг, получивший фундаментальное университетское образование в Мюнхене у Арнольда Зоммерфельда, не представлял, что это такое, и фактически самостоятельно создал этот раздел математики, исходя из постановки физических задач процессов измерения состояний микрочастиц. Последняя проверка правильности основных принципов новой матричной механики была проведена 17 января 1926 года Вольфгангом Паули в статье «О спектре водорода с точки зрения новой квантовой механики».

Однако вопреки впечатляющим результатам матричной квантовой механики при объяснении самых различных явлений микромира эта новая форма квантовой теории была встречена с большим недоверием многими видными физиками того времени. Основной причиной тут, конечно же, была трудность в понимании совершенно непривычного матаппарата и сложность универсального алгоритма нахождения энергетических спектров квантовых систем. Следующей причиной были неясности физического смысла новой теории, содержавшей кроме далеко не всеми понятых квантовых скачков и дискретности излучения еще и невозможность приписать определенной микрочастице траекторию движения. Понадобилось еще около десяти лет, чтобы достаточно прояснить статус квантовых скачков и траекторий микрочастиц в созданной Бором и Гейзенбергом копенгагенской интерпретации квантовой механики.

Не последнюю роль в прохладном отношении к новой механике немецкой физической школы сыграло и неприязненное отношение одного из признанных физиков-экспериментаторов Вильгельма Вина лично к Вернеру Гейзенбергу. Дело в том, что за несколько лет до начала собственной научной деятельности Гейзенберг не смог сдать экзамен Вину, показав недостаточное знание основных экспериментальных физических методов. Только личная просьба Зоммерфельда спасла Гейзенберга от судьбы вечного студента без университетского диплома. Однако, уступив рекомендациям своего друга, Вин до самого конца жизни считал Гейзенберга молодым выскочкой-неучем.