Джон Гриббин – В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность (страница 19)

Теория вращающего электрона вскоре была доработана и полностью объяснила загадочное расщепление спектральных линий. К марту 1926 года оказался убежден и сам Паули. Но что это такое - «спин»? При попытке объяснения обычным языком это понятие, как и многие другие квантовые понятия, ускользает. Например, одно «объяснение» гласит (и до поры до времени это верно), что вращение электрона отличается от вращения детской юлы, поскольку электрон должен обернуться дважды , чтобы вновь вернуться в исходное положение. К тому же, как вообще может «вращаться» электрон, если он в то же время является волной? Паули больше всех обрадовался, когда в 1932 году Бор смог установить, что спин электрона не может быть измерен в классическом эксперименте, например посредством отклонения пучка электронов в магнитном поле. Это свойство возникает только в квантовых взаимодействиях, подобных тем, что расщепляют спектральные линии, и не имеет никакого классического значения. Паули и его коллегам, пытавшимся в 1920-х годах объяснить природу атома, было бы значительно проще, если бы они говорили о «круговом вращении», а не об обычном «вращении».

Увы, теперь в язык вошло слово «спин» и вряд ли будет возможно изменить эту

классическую терминологию в квантовой физике 24. Теперь, если вас еще раз застанет врасплох знакомое слово, употребленное в незнакомом контексте, попробуйте подставить вместо него слово «бармаглот» - возможно, так термин уже не будет столь пугающим.

В действительности еще в 1920 году Артур Комптон думал о том, что электрон может вращаться, но его идея лежала в другом контексте, и Крониг не знал о ней.

2п появляется, поскольку именно столько радиан содержит полный угол в 360°. Фундаментальная единица h/2n обычно записывается как h. Но об этом позже.

В русском языке такой проблемы не возникает, поскольку слово «спин», используемое для обозначения этого физического свойства, будучи калькой с английского, не имеет собственного значения «вращаться», как и вообще какого-либо значения, которое могло бы привести к недопониманию. - Примеч. пер.

Никто не понимает, что «действительно» происходит внутри атомов, но четыре квантовых числа Паули объясняют ряд важных свойств с позиции «шорьков», которые прекрасно чувствуют себя в «наве» разных типов.

Принцип исключения Паули

Вольфганг Паули был одним из самых выдающихся ученых из всех тех выдающихся ученых, которые стояли у истоков квантовой теории. Он родился в 1900 году в Вене и в 1918-м поступил в Мюнхенский университет. Там он сразу зарекомендовал себя в качестве одаренного математика и подготовил статью по общей теории относительности, которая заинтересовала Эйнштейна и была опубликована в январе 1919 года. Паули глотал физику на занятиях в университете и в Институте теоретической физики, а также занимался самообразованием. Он так хорошо понял теорию относительности, что в 1920 году ему дали задание написать подробный обзор этой темы для полной математической энциклопедии. Студент, которому исполнился всего двадцать один год, написал прекрасную статью, принесшую ему славу во всем научном сообществе, и его работа получила похвалу таких ученых, как Макс Борн. В 1921 году Паули стал ассистентом Борна, присоединившись к нему в Геттингене. Вскоре он переехал из Геттингена в Гамбург, а затем - в Институт Бора в Дании. Впрочем, Борн не ощутил всей тяжести потери, ведь его новый ассистент Вернер Гейзенберг был столь же одарен и тоже сыграл ключевую роль в развитии квантовой теории25.

Еще в 1925 году, когда четвертое квантовое число Паули еще не получило названия «спин», он смог использовать четыре квантовых числа, чтобы разрешить одну из великих загадок атома Бора. В случае с водородом единственный электрон действительно оседает на самом низком энергетическом уровне, у подножия квантовой лестницы. Если он возбужден - например, столкновением, - он может перепрыгнуть на ступень выше, а затем упасть назад на основной уровень, испустив при этом квант излучения. Но когда в системе появляется большее количество электронов - у более тяжелых атомов, - не все они падают на основной уровень, вместо этого распределяясь по ступеням лестницы. Бор утверждал, что электроны находятся в «оболочках» вокруг ядра, причем «новые» электроны оседают на оболочке с наименьшим количеством энергии, пока она не заполнится, а затем оседают на следующей оболочке и так далее. Таким образом он объяснил периодическую систему и раскрыл множество химических тайн. Однако он не объяснил, как или почему оболочка становится заполненной: почему первая оболочка может содержать всего два электрона, а следующая - восемь и так далее.

Каждая из оболочек Бора соответствует набору квантовых чисел, и в 1925 году Паули понял, что с добавлением четвертого квантового числа для электрона количество электронов в каждой заполненной оболочке точно соответствует количеству различных наборов квантовых чисел, относящихся к этой оболочке. Он сформулировал закон, который теперь известен как принцип исключения Паули, гласивший, что не существует двух электронов с одинаковым набором квантовых чисел, и тем самым объяснил, как именно заполняются оболочки более и более тяжелых атомов.

Принцип исключения и открытие спина электрона опередили свое время и полностью вошли в новую физику только в конце 1920-х годов - когда сама эта новая физика была изобретена. Из-за стремительного развития физики в 1925 и 1926 годах важность принципа исключения иногда недооценивают, но на самом деле эта идея столь же фундаментальна и

См., например, «Корреспонденцию Борна и Эйнштейна». В письме, датированном 12 февраля 1921 года, Борн пишет: «Похоже, статья Паули в Энциклопедию уже закончена, и весит она, как говорят, два с половиной килограмма. В этой цифре содержится намек на ее интеллектуальный вес. Этот паренек не только умен, но и трудолюбив». В 1921 году этот умный паренек получил докторскую степень и совсем вскоре на некоторое время стал ассистентом Борна.

масштабна, как и теория относительности, и имеет широкое применение в физике. Принцип исключения Паули, как выяснилось, применим ко всем частицам с полуцелым значением спина - (1/2)h, (3/2) h, (5/2)h и так далее. Частицы, не обладающие спином или обладающие целым значением спина (h, 2h, 3h и т. д.), ведут себя совершенно иначе, следуя другим законам. Законы, которым подчиняются частицы с полуцелым значением спина, называются статистикой Ферми - Дирака в честь Энрико Ферми и Поля Дирака, которые вывели их в 1925-1926 годах. Такие частицы называются «фермионами». Законы, которым подчиняются частицы с целым значением спина, называются статистикой Бозе - Эйнштейна в честь ученых, которые вывели их, а соответственные частицы называются «бозонами».

Статистика Бозе - Эйнштейна была разработана в 1924-1925 годах, в то же время, когда на слуху были волны де Бройля, эффект Комптона и спин электрона. Эти законы стали последним великим вкладом Эйнштейна в квантовую теорию (и по сути его последней великой научной работой) и также ознаменовали собой полный разрыв с классическими идеями.

Сатьендра Нат Бозе родился в 1894 году в Калькутте и в 1924 году читал лекции по физике в недавно основанном Даккском университете. Следя издалека за работой Планка, Эйнштейна, Бора и Зоммерфельда и будучи в курсе несовершенства основы для закона Планка, он решил вывести закон излучения абсолютно черного тела по-новому, начав с предположения, что свет распространяется в виде фотонов, как их теперь называют. Он вывел закон очень просто, задействовав в своих расчетах не обладающие массой частицы, которые подчиняются определенной статистике, и послал копию своей работы, переведенной на английский, Эйнштейну, попросив того передать ее для публикации в Zeitschrift fur Physik. Эйнштейна так впечатлила эта статья, что он сам перевел ее на немецкий и отправил со своей рекомендацией в журнал, настояв на публикации работы в августе 1924 года. Полностью отказавшись от идей классической теории и выведя закон Планка на основании комбинации световых квантов - фигурировавших в работе в качестве релятивистских частиц с нулевой массой - и статистических методов, Бозе наконец-то освободил квантовую теорию от классических корней. Излучение теперь можно было рассматривать как квантовый газ, а соответствующая статистика считала частицы, а не частоты волн.

Эйнштейн дальше развил эту статистику, применив ее к гипотетическому в то время скоплению атомов - газа или жидкости, - которые подчинялись тем же законам. Оказалось, что статистика эта неприменима к реальным газам при комнатной температуре, но точно описывает странные свойства сверхтекучего гелия - жидкости, охлажденной до температуры, близкой к абсолютному нолю, - 273 °C. В 1926 году появилась статистика Ферми - Дирака, и физикам понадобилось некоторое время, чтобы разобраться, какие законы были применимы в конкретном случае, и понять важность полуцелого значения спина.

Тонкости нас пока не интересуют, но различие между фермионами и бозонами относится к разряду важных, и понять его несложно. Несколько лет назад я пошел на спектакль с участием комика Спайка Миллигана. Занавес еще не поднялся, но вдруг этот великий актер вышел на сцену и печально посмотрел на несколько пустых мест в самых дорогих первых рядах зала. «Теперь им уже не продать эти билеты, - сказал он. - Пересаживайтесь вперед, чтобы я мог рассмотреть ваши лица». Зрители последовали его совету: все передвинулись вперед и заняли места перед сценой, оставив лишь несколько пустых кресел в дальней части зала. Мы повели себя, как прекрасные, хорошо воспитанные фермионы: каждый человек занял одно место (одно квантовое состояние), заполнив все ряды, начиная с самого желанного «основного уровня» возле сцены.