Джон Гриббин – В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность (страница 18)

Де Бройль знал, какой должна быть правильная длина волны, поскольку, используя два уравнения Эйнштейна, получил очень простое выражение р = hv/c, с которым мы уже сталкивались ранее. Поскольку длина волны связана с частотой выражением X = c/v, то рХ = h, или - простыми словами - импульс, умноженный на длину волны, дает постоянную Планка. Чем меньше длина волны, тем больше импульс соответствующей частицы, что делает электроны с их маленькой массой и, соответственно, маленьким импульсом наиболее «волноподобными» частицами из известных в то время. Как и в случае со светом или волнами на поверхности моря, дифракционные эффекты проявляют себя только тогда, когда волна проходит через отверстие, гораздо меньшее, чем длина волны, а для волн электронов это означает действительно очень маленькое отверстие - порядка расстояния между атомами в кристалле.

Де Бройль не знал лишь того, что эффекты, которые можно объяснить дифракцией электронов, наблюдали еще в 1914 году, когда пучки электронов использовались для исследования кристаллов. Два американских физика Клинтон Дэвиссон и его коллега Чарльз Кунсман действительно изучали это необычное поведение электронов, рассеивающихся на кристалле, в 1922 и 1923 годах, пока де Бройль формулировал свои идеи. Не зная об этом, де Бройль пытался убедить экспериментаторов провести опыт согласно гипотезе о волне электрона. Тем временем научный руководитель де Бройля Поль Ланжевен отправил копию его диссертации Эйнштейну, который едва ли удивился, усмотрев в ней гораздо большее, чем математическую уловку или аналогию, и понял, что волны материи должны существовать. В свою очередь он рассказал об этом Максу

Борну в Геттингене, где заведующий кафедрой экспериментальной физики Джеймс Франк сообщил, что эксперименты Дэвиссона «уже установили существование описываемого эффекта»! 20

Дэвиссон и Кунсман, как и другие физики, считали, что эффект рассеяния может быть вызван атомной структурой, которую бомбардируют электроны, но не природой самих электронов. В 1925 году студент Борна Уолтер Эльзассер опубликовал краткую заметку, в которой результаты этих экспериментов объяснялись с позиции волн электрона, но экспериментаторов не впечатлила эта интерпретация их данных, сделанная теоретиком, - особенно никому не известным двадцатиоднолетним студентом. Даже в 1925 году, несмотря на существование экспериментальных свидетельств, идея волн материи оставалась не более чем расплывчатой концепцией. Лишь когда Эрвин Шрёдингер выдвинул новую теорию атомной структуры, включающую в себя идею де Бройля, однако заходящую гораздо дальше нее, экспериментаторы ощутили острую необходимость проверить гипотезу о волне электрона, проведя опыты по дифракции. В 1927 году, по завершении работы, была доказана полная правота де Бройля: электроны дифрагируют на кристаллических решетках так, будто бы они являются волной. В 1927 году это открытие было сделано независимо двумя группами: Дэвиссоном с его новым коллегой Лестером Джермером в Соединенных Штатах и Джорджем Томсоном (сыном Дж. Дж.) с аспирантом Александром Рейдом в Англии (с использованием другой техники). Не приняв расчеты Эльзассера за чистую монету, Дэвиссон упустил свой шанс на единоличную славу и разделил врученную в 1937 году за независимые исследования 1927 года Нобелевскую премию с Томсоном. Но это, скорее, любопытная историческая справка, которую должен ценить даже Дэвиссон и которая прекрасно подытоживает основы развития квантовой теории.

В 1906 году Дж. Дж. Томсон получил Нобелевскую премию за доказательство того, что электроны являются частицами. В 1937 году он увидел, как его сын получил Нобелевскую премию за доказательство того, что электроны являются волнами. И отец, и сын были правы, и каждая из наград оказалась полностью заслуженна. Электроны - это частицы. Электроны - это волны. Начиная с 1928 года экспериментальных свидетельств в пользу корпускулярно-волнового дуализма де Бройля стало предостаточно. Последовательно было

См.: Джеммер. Op. cit.

обнаружено, что другие частицы, в том числе протон и нейтрон 21 , также обладают волновыми свойствами, включая дифракцию. В серии красивых экспериментов 1970-1980-х годов Тони Кляйн с коллегами из университета Мельбурна повторил ряд классических опытов, которые в XIX веке заложили основы волновой теории света, однако при этом использовал вместо пучка света пучок нейтронов.

Разрыв с прошлым

Полный разрыв с классической физикой приходит с осознанием того, что не только фотоны и электроны, но и все «частицы» и все «волны» являются в действительности смешением волн и частиц. Так сложилось, что в нашем повседневном мире в этой смеси почти полностью доминирует компонента частицы - в контексте, например, шара для боулинга или жилого дома. Волновой аспект все равно остается, согласно уравнению рХ = h, хотя и является совершенно несущественным. В микроскопическом мире, где волновые и корпускулярные аспекты реальности являются одинаково значимыми, процессы протекают не так, как мы привыкли в обычной жизни. Дело не только в том, что атом Бора с его электронными «орбитами» является ложным. Любые представления ложны, и нельзя подобрать физическую аналогию, чтобы понять происходящее внутри атомов. Атомы ведут себя, как атомы, и никак иначе.

Сэр Артур Эддингтон блестяще подытожил ситуацию в своей книге «Природа физического мира», опубликованной в 1929 году. «К электрону нельзя привязать знакомые нам концепции», - сказал он, а лучшее описание атома сводится к фразе: «Что-то неизвестное делает нечто, чего мы не знаем». Он замечает, что это «не кажется особо ясной теорией. Я уже читал кое-что подобное:

Хливкие шорьки Пырялись по наве».

Суть в том, что, хотя мы не знаем, что именно электроны делают внутри атомов, мы знаем, что важным является их число. Добавление нескольких чисел добавляет к «Бармаглоту» науку: «Восемь хливких шорьков пырялось по кислородной наве; семь - по азотной. если один из шорьков вылетит, кислород скроется под маской азота».

Это не шутливая ремарка. Если не менять числа, то, как более восьмидесяти лет назад указал Эддингтон, все фундаментальные основы физики можно перевести на язык «Бармаглота». Смысл не будет утрачен. Возможно, будет даже полезно разрушить инстинктивную ассоциацию с атомами, имеющими твердые сферы, и электронами в виде крошечных частиц. Особенно важным это кажется, когда приходишь в смятение, узнавая о свойстве электрона под названием «спин» (англ, вращение. - Примеч. пер .), которое не имеет ничего общего с вращением детской юлы или вращением Земли вокруг своей оси по мере ее продвижения вокруг Солнца.

Одна из загадок атомной спектроскопии, которую не смогла объяснить простая модель атома Бора, заключается в разделении спектральных линий, которые «должны» быть едиными, на близко расположенные мультиплеты. Поскольку каждая спектральная линия связана с переходом из одного энергетического состояния в другое, число линий в спектре показывает количество энергетических состояний в атоме - сколько «ступеней» существует на квантовой лестнице и насколько высока каждая. В начале 1920-х годов, исходя из данных изучения спектров, физики выдвинули несколько возможных объяснений мультиплетов. Лучшим стало объяснение Вольфганга Паули, которое требовало, чтобы у электрона было

Который был впервые открыт только в 1932 году Джеймсом Чедвиком, в результате получившим Нобелевскую премию в 1935 году, за два года до аналогичного признания работы Дэвиссона и Томсона.

четыре различных квантовых числа. Оно появилось в 1924 году, когда физики еще считали электрон частицей и пытались объяснить его квантовые свойства методами, применяемыми в обычном мире. Три из этих чисел уже присутствовали в модели Бора, и считалось, что они описывают момент импульса электрона (скорость, с которой он движется по орбите), форму орбиты и ее ориентацию. Четвертое число должно было быть связано с каким-то другим свойством электрона, и, чтобы соответствовать наблюдаемому расщеплению спектральных линий, оно могло иметь только два значения.

Ученым потребовалось совсем немного времени, чтобы сообразить, что четвертое квантовое число Паули описывает «спин» электрона, который можно представить направленным либо вверх, либо вниз, что дает полноценное квантовое число с двумя возможными значениями. Первым об этом заявил Ральф Крониг - молодой физик,

посетивший Европу, только закончив аспирантуру в Колумбийском университете 22. Он выдвинул предположение, что электрон имеет собственный спин, равный 1/2 в естественных единицах (h/2n ), и этот спин может быть либо параллельным, либо анти-параллельным

магнитному полю атома23. Паули, к собственному удивлению, противился этой идее во многом потому, что она не вязалась с представлением об электроне как о частице в рамках релятивистской теории. Как электрон на орбите вокруг ядра «не должен» быть стабильным согласно классической теории электромагнетизма, так и вращающийся электрон «не должен» быть стабильным согласно теории относительности. Возможно, Паули стоило быть более восприимчивым, но в итоге случилось так, что Крониг забросил идею, так и не опубликовав работу. Спустя почти год та же самая идея пришла в голову Джорджу Уленбеку и Сэмюэлу Гаудсмиту из Института теоретической физики в Лейдене. В конце 1925 года они опубликовали свое предположение в немецком журнале Die Naturwissenschaften, а в начале 1926-го - в журнале Nature.