Бесплатная техническая библиотека

Квантовая механика. История и суть научного открытия

Справочник / Важнейшие научные открытия

 Комментарии к статье

Когда прошел восторг первых успехов теории Бора, все вдруг осознали простую истину: схема Бора противоречива. От такого факта некуда было укрыться, и им объясняется тогдашний пессимизм Эйнштейна, равно как и отчаяние Паули.

Физики вновь и вновь убеждались, что электрон при движении в атоме не подчиняется законам электродинамики: он не падает на ядро и даже не излучает, если атом не возбужден. Все это было настолько необычно, что не укладывалось в голове: электрон, который "произошел" от электродинамики, вдруг вышел из-под контроля ее законов. При любой попытке найти логический выход из подобного порочного круга ученые всегда приходили к выводу: атом Бора существовать не может.

Выходило, что движение электрона в атоме подчиняется каким-то другим законам - законам квантовой механики. Квантовая механика - это наука о движении электронов в атоме. Она первоначально так и называлась: атомная механика. Гейзенберг - первый из тех, кому выпало счастье эту науку создавать.

Вернер Карл Гейзенберг (1901–1976) родился в немецком городе Вюрцбурге. В сентябре 1911 года Вернера отдали в престижную гимназию. В 1920 году Гейзенберг поступил в Мюнхенский университет. Окончив его, Вернер был назначен ассистентом профессора Макса Борна в Геттингенском университете. Борн был уверен, что атомный микромир настолько отличается от макромира, описанного классической физикой, что ученым нечего и думать пользоваться при изучении строения атома привычными понятиями о движении и времени, скорости, пространстве и определенном положении частиц. Основа микромира - кванты, которые не следовало пытаться понять или объяснить с наглядных позиций устаревшей классики. Эта радикальная философия нашла горячий отклик в душе его нового ассистента.

Действительно, состояние атомной физики напоминало в это время какое-то нагромождение гипотез. Вот если бы кому-нибудь удалось на опыте доказать, что электрон действительно волна, вернее, и частица и волна. Но таких опытов пока не было. А раз так, то и исходить из одних только предположений, что представляет собой электрон, по мнению педантичного Гейзенберга, было некорректно. А нельзя ли создать теорию, в которой будут только известные экспериментальные данные об атоме, полученные при изучении излучаемого им света? Что можно сказать об этом свете наверняка? Что он имеет такую-то частоту и такую-то интенсивность, не больше...

В июне 1925 года заболевший Гейзенберг уехал отдохнуть на остров Гельголанд в Балтийском море. Отдохнуть ему не удалось - там он вдруг понял неожиданную истину: нельзя представлять себе движение электрона в атоме как движение маленького шарика по траектории. Нельзя, потому что электрон не шарик, а нечто более сложное, и проследить движение этого "нечто" столь же просто, как движение бильярдного шара, нельзя.

Л.Пономарев в своей книге пишет: "Гейзенберг утверждал: уравнения, с помощью которых мы хотим описать движение в атоме, не должны содержать никаких величин, кроме тех, которые можно измерить на опыте. А из опытов следовало, что атом устойчив, состоит из ядра и электронов и может испускать лучи, если его вывести из состояния равновесия. Эти лучи имеют строго определенную длину волны и, если верить Бору, возникают при перескоке электрона с одной стационарной орбиты на другую. При этом схема Бора ничего не говорила о том, что происходит с электроном в момент скачка, так сказать "в полете" между двумя стационарными состояниями. А все, и Гейзенберг в том числе, по привычке добивались ответа именно на этот вопрос. Но в какой-то момент ему стало ясно: электрон не бывает "между" стационарными состояниями, такого свойства у него просто нет!

А что есть? Есть нечто, чему он не знал пока даже названия, но был убежден: оно должно зависеть только от того, куда перешел электрон и откуда".

До того времени физики пытались найти гипотетическую траекторию электрона в атоме, которая непрерывно зависит от времени и которую можно задать рядом чисел, отмечающих положение электрона в определенные моменты времени. Гейзенберг утверждал: такой траектории в атоме нет, а вместо непрерывной кривой есть набор дискретных чисел, значения которых зависят от номеров начального и конечного состояний электрона.

Он представил состояние атома в виде бесконечной шахматной доски, в каждом квадрате которой написаны числа. Естественно, что значения этих чисел зависят от положения квадрата на "атомной доске", то есть от номера строки (начальное состояние) и номера столбца (конечное состояние), на пересечении которых стоит число.

Если известны числа X своеобразной записи "атомной игры", то об атоме известно все необходимое, чтобы предсказать его наблюдаемые свойства: спектр атома, интенсивность его спектральных линий, число и скорость электронов, выбитых из атома ультрафиолетовыми лучами, а также многое другое.

Числа X нельзя назвать координатами электрона в атоме. Они заменяют их, или, как стали говорить позже, представляют их. Но что означают эти слова - на первых порах не понимал и сам Гейзенберг. Однако тут же с помощью Макса Борна (1882–1970) и Паскуаля Иордана удалось понять, что таблица чисел - не просто таблица, а матрица.

"Матрицы, - замечает Л.И.Пономарев, - это таблицы величин, для которых существуют свои строго определенные операции сложения и умножения. В частности, результат перемножения двух матриц зависит от порядка, в котором они перемножаются. Это правило может показаться странным и подозрительным, но никакого произвола в себе не содержит. По существу, именно это правило отличает матрицы от других величин. Менять его по своей прихоти мы не вправе - в математике тоже есть свои незыблемые законы. Законы эти, независимые от физики и всех других наук, закрепляют на языке символов все мыслимые логические связи в природе. Причем заранее неизвестно, реализуются ли все эти связи в действительности.

Конечно, математики о матрицах знали задолго до Гейзенберга и умели с ними работать. Однако для всех было полной неожиданностью, что эти странные объекты с непривычными свойствами соответствуют чему-то реальному в мире атомных явлений. Заслуга Гейзенберга и Борна в том и состоит, что они преодолели психологический барьер, нашли соответствие между свойствами матриц и особенностями движения электронов в атоме и тем самым основали новую, атомную, квантовую, матричную механику.

Атомную - потому, что она описывает движение электронов в атоме. Квантовую - ибо главную роль в этом описании играет понятие кванта действия. Матричную - поскольку математический аппарат, необходимый для этого, - матрицы".

В новой механике каждой характеристике электрона: координате, импульсу, энергии - соответствовали соответствующие матрицы. Потом уже для них записывали уравнения движения, известные из классической механики.

Гейзенберг установил даже нечто большее: он выяснил, что квантово-механические матрицы координаты и импульса - это не вообще матрицы, а только те из них, которые подчиняются коммутационному (или перестановочному) соотношению.

В новой механике это перестановочное соотношение играло точно такую же роль, как условие квантования Бора в старой механике. И точно так же, как условия Бора выделяли стационарные орбиты из набора всех возможных, коммутационное соотношение Гейзенберга выбирает из множества всех матриц только квантово-механические.

Не случайно, что в обоих случаях - и в условиях квантования Бора, и в уравнениях Гейзенберга - необходимо присутствует постоянная Планка. Постоянная Планка непременно входит во все уравнения квантовой механики, и по этому признаку их можно безошибочно отличить от всех других уравнений.

Новые уравнения, которые нашел Гейзенберг, были непохожи ни на уравнения механики, ни на уравнения электродинамики. С точки зрения этих уравнений состояние атома полностью задано, если известны матрицы координаты или импульса. Причем структура этих матриц такова, что в невозбужденном состоянии атом не излучает. Согласно Гейзенбергу, движение - это не перемещение электрона-шарика по какой-либо траектории вокруг ядра.

Движение - это изменение состояния системы во времени, которое описывает матрицы координаты и импульса.

Вместе с вопросами о характере движения электрона в атоме сам собой отпал и вопрос об устойчивости атома. С новой точки зрения в невозбужденном атоме электрон покоится, а потому и не должен излучать.

Теория Гейзенберга была внутренне непротиворечива, чего схеме Бора так недоставало. Вместе с тем она приводила к таким же результатам, что и правила квантования Бора. Кроме того, с ее помощью удалось, наконец, показать, что гипотеза Планка о квантах излучения - это простое и естественное следствие новой механики.

Надо сказать, что матричная механика появилась весьма кстати. Идеи Гейзенберга подхватили другие физики и скоро, по выражению Бора, она приобрела "вид, который по своей логической завершенности и общности мог конкурировать с классической механикой".

Впрочем, было в работе Гейзенберга и одно удручающее обстоятельство. По его словам, ему никак не удавалось вывести из новой теории простой спектр водорода. И каково было его удивление, когда некоторое время спустя после опубликования его работы, как он написал, "Паули преподнес мне сюрприз: законченную квантовую механику атома водорода. Мой ответ от 3 ноября начинался словами: "Едва ли нужно писать, как сильно я радуюсь новой теории атома водорода и насколько велико мое удивление, что Вы так быстро смогли ее разработать"".

Появление матричной механики Гейзенберга физики встретили с огромным облегчением: "Механика Гейзенберга снова вернула мне радость жизни и надежду. Хотя она и не дает решения загадки, но я верю, что теперь снова можно продвигаться вперед", - писал Паули 9 октября 1925 года.

Свою веру он вскоре сам же и оправдал. Применив новую механику к атому водорода, он получил те же формулы, что и Нильс Бор на основе своих постулатов. Конечно, при этом возникли новые трудности, однако это уже были трудности роста, а не безнадежность тупика.

Автор: Самин Д.К.

 Рекомендуем интересные статьи раздела Важнейшие научные открытия:

▪ Радиоактивность

▪ Закон Хаббла

▪ Сравнительная анатомия

Смотрите другие статьи раздела Важнейшие научные открытия.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Экраны влияют на детей неравномерно в разном возрасте 01.08.2026

Планшеты и смартфоны давно стали привычной частью повседневной жизни даже самых маленьких детей. Родители часто используют гаджеты, чтобы успокоить малыша или занять его на время, однако ученые все чаще задаются вопросом, как экранное время сказывается на развитии мозга и будущей способности к обучению. Новое исследование показывает, что значение имеет не только продолжительность просмотра, но и возраст, в котором ребенок проводит время перед экраном. Ученые наблюдали детей от рождения до 8 лет. Оказалось, что больше всего экраны влияют на мозг в два периода - в раннем младенческом возрасте и перед поступлением в школу. У детей, много времени проводивших перед экранами в эти возрастные точки, в 9 лет были несколько хуже успехи в обучении, а в 10,5 лет хуже работала рабочая память - способность удерживать и обрабатывать информацию здесь и сейчас. Исследователи из Франции и Сингапура проанализировали данные 502 детей и выделили два ключевых этапа. У младенцев мозг развивается очень ...>>

Умные жилеты, спасающие от жары 01.08.2026

Летняя жара в больших городах все чаще становится серьезным испытанием для людей, работающих на открытом воздухе. Мусорщики, строители и другие специалисты вынуждены проводить часы под палящим солнцем, рискуя перегревом. Китайские инженеры предложили практичное решение - специальные охлаждающие жилеты, которые помогают снизить ощущаемую температуру примерно на 10 градусов. Пока мир страдает от сильной жары, китайские инженеры разработали "умные" жилеты с климат-контролем. Жилеты с кондиционированием почти не отличаются от обычной рабочей одежды. Главное отличие - в системе охлаждения. В городе Нанкин в жилет вмонтированы два вентилятора, работающих от портативных аккумуляторов. Одного заряда хватает на 3-4 часа непрерывной работы. В Чанчжоу решили разместить в карманах охлаждающие элементы с материалом, который при нагревании переходит из твердого состояния в жидкое, активно поглощая тепло. Это поддерживает комфортную температуру в течение 2,5-4 часов. Такие жилеты выглядят почти ...>>

Летающие ветротурбины 3 МВт вышли в серию 31.07.2026

Традиционные ветряные электростанции зависят от силы и стабильности ветра у поверхности земли, где воздушные потоки часто бывают слабыми и порывистыми. На больших высотах ветер обычно сильнее и постояннее, поэтому инженеры уже давно рассматривают возможность подъема турбин в воздух. Китайская компания сделала важный шаг в этом направлении, перейдя от испытаний к мелкосерийному производству. Компания Beijing Linyi Yunchuan Energy Technology запустила мелкосерийное производство летающей ветротурбины S2000, а в провинции Чжэцзян возводят отдельный завод по производству материалов для оболочки аппарата. У компании уже есть предварительные договоренности с прибрежными городами и горными регионами, которые рассматривают возможность использования этой технологии для удовлетворения собственных энергетических потребностей. Прототип, который полгода назад только что поднялся в небо над Сычуанем, теперь превращается в целую отрасль. Идея S2000 проста: вместо того чтобы устанавливать ветряну ...>>

Случайная новость из Архива Гибрид атомных часов и сверхточных весов 18.01.2013 Физики создали новый вид атомных часов на основе атома цезия, которые можно использовать не только в качестве хронометра и эталона времени, но и как сверхточные весы, что позволит в ближайшем будущем связать эталоны массы и времени, говорится в статье, опубликованной в журнале Science. "Точность наших часов превышает семь частей на миллиард. Такая погрешность соответствует сдвигу на одну секунду за восемь лет, что примерно соответствует точности первых атомных часов на базе цезия, созданных 60 лет назад. (С другой стороны), эти часы, в комбинации с лучшими сферами Авогадро, помогут нам дать новое определение килограмма. Частота "тиков" в наших часах эквивалентна массе одного атома, а зная ее, мы можем вычислить массу всего образца", - заявил руководитель группы ученых Хольгер Мюллер (Holger Mueller) из университета Калифорнии в Беркли (США). Как объясняют физики, атомы и электроны представляют собой не только микрочастицы, но и волны. Благодаря этому они обладают теми же свойствами, что и электромагнитные волны, в том числе частотой и амплитудой. Собственная частота колебаний атомов получила название комптоновской, в честь американского физика Артура Комптона, одного из ионеров квантовой механики. По словам авторов статьи, трудности в измерении и наблюдении за подобными колебаниями делали их практическое использование в качестве "метронома" или часов невозможным. Группа Мюллера смогла преодолеть эти трудности, использовав широко известный "парадокс близнецов". Согласно этому парадоксу, время будет течь медленнее для объектов, путешествующих с достаточно высокой скоростью. Благодаря этому человек, совершивший путешествие к далекой звезде и вернувшийся обратно, будет моложе, чем его брат-близнец на Земле. Авторы статьи приспособили этот феномен для измерения частоты колебаний атомов цезия. В их экспериментальных часах присутствует два атома-"близнеца". Один из них покоится, а второй - перемещается по емкости с высокой скоростью. Благодаря этому число колебаний, которые будут совершать оба атома за единицу времени, будет заметно различаться. За их поведением следит специальный прибор - атомный интерферометр, показания которого обрабатываются при помощи специального компьютерного алгоритма. Эта программа сравнивает картинки, которые возникают после столкновений лазерного луча и атомов цезия на датчиках интерферометра, и вычисляет комптоновскую частоту одного из них. Так как эта частота постоянна и зависит лишь от массы частицы, то ее можно использовать в качестве основы для сверхточных часов. Первый прототип атомных часов Мюллера и его коллег не является рекордсменом по точности - он примерно в 100 миллионов раз уступает лучшим аналогам на основе других технологий. С другой стороны, подобные часы можно использовать и для совершенно иных целей, наиболее привлекательной и перспективной из которых выступает создание нового стандарта массы. Как объясняет Мюллер, измерив точное значение комптоновской частоты, можно измерить массу частицы, что позволит точно определить значение килограмма и связать его с секундой.

Другие интересные новости:

▪ Озон снижает урожайность

▪ Размышления на отвлеченные темы ведут к вдохновению

▪ NOKIA создала телефон для спортсменов

▪ В каменноугольном периоде дышалось легче

▪ Генератор, работающий на воздухе

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Акустические системы. Подборка статей

▪ статья Неведомому богу. Крылатое выражение

▪ статья Какую протяженность имеет самый длинный троллейбусный маршрут в мире и где он проходит? Подробный ответ

▪ статья Фиалка трехцветная. Легенды, выращивание, способы применения

▪ статья Ультразвуковая стиральная машина. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Копирка-отгадчица. Секрет фокуса

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026