Развитие квантовых представлений о мире

Основы квантовой механики были заложены в начале XX века в связи с открытием двух универсальных постоянных – скорости света в вакууме и минимального действия – постоянной Планка.

Начало квантовым представлениям положил немецкий физик Макс Планк. В 1900г. он составил эмпирическую формулу распределения частотного спектра и сделал поразительное открытие: «на атомном уровне энергия увеличивается или уменьшается на дискретное значение – квант (измеренная Планком константа или h)». С этим открытием и введением постоянной Планка h «…в физику внедрилась мысль, о том, что энергию механических систем нельзя задать произвольно. Она может принимать вполне определённую последовательность значений».

В 1905 г. Альберт Эйнштейн представил свою работу по специальной теории относительности. Он распространил понятие квантов Планка на электромагнитное излучение, т.е. свет. Эти кванты света Эйнштейна, обладающие свойствами частиц, были названы фотонами. Квантовые идеи вскоре были перенесены с излучения на атомные объекты. После этих событий в 1907 г. Эйнштейн построил простую квантовую модель теплоемкости материальных тел.

В 1911 г. Эрнестом Резерфордом была предложена планетарная модель атома. Хотя модель обладала достаточной простотой, и на первый взгляд была вполне приемлемой с точки зрения классической механики, однако с точки зрения электродинамики модель приводила к непреодолимым трудностям. Электрон, вращаясь вокруг ядра и излучая электромагнитные волны, должен был, в конце концов, упасть на ядро, и атом должен был перестать существовать. Только в 1913 году Нильс Бор спас положение: он допустил, что законы классической механики неверны, или, по крайней мере, неверны на атомном уровне. Им была предложена модель атома, игнорирующая требования классической физики: «электроны перемещаются вокруг ядра по квантовым траекториям без какой либо потери энергии, получают или теряют энергию они только тогда, когда перескакивают с одной траектории на другую…».

Боровские квантовые условия стали применять ко многим атомным явлениям. Но был один недостаток: квантовые условия накладывались сверху на классическую картину без понимания того, откуда берутся эти правила.

Другим направлением, по которому развивались квантовые представления о микромире, было изучение корпускулярно-волновой природы света. Исаак Ньютон считал свет потоком частиц, и эта модель хорошо объясняла опыт. В 1799 г. английский физик Томас Юнг (1773-1829) обнаружил явление интерференции, подтверждавшее волновую теорию света. Его теория была осмеяна, но спустя десять лет Юнга поддержал француз Огюстен Френель. Он самостоятельно провел опыты, подтверждающие интерференцию света. Наконец, полученное Джеймсом Клерком Максвеллом уравнение распространения электромагнитных волн (включая свет), дало аргумент в пользу волновой модели.

В 1905 г. Эйнштейном была предложена квантовая теория излучения и поглощения света в газах, объяснявшая эксперименты по фотоэлектрическому эффекту. Согласно модели Эйнштейна, свет является потоком частиц, которые, падая на пластинку металла, выбивают электроны из кристаллической решётки, чем и вызывают электрический ток. Эти частицы, т.е. фотоны, Эйнштейн приравнял к квантам Планка (фотон есть квант света). Так впервые появилась неизбежная двойственная природа света: в одних случаях он ведёт себя как поток частиц, в других – как волна.

Затем французский физик Луи де Бройль распространил корпускулярно-волновой дуализм на все атомные объекты. Позже это подтвердилось на опыте интерференции электрона. Оказывается, что электрон ведёт себя и как частица, и как волна. Сложность такого описания поведения электрона заключается в парадоксе: корпускулярное и волновое описание атомных объектов взаимно исключают друг друга: «волна неограниченна и может распространяться на значительные расстояния; частица же дискретна, локализована, и ограничена небольшой областью». Волна легко разделяется на различное множество путей, одна часть идёт в одном направлении, другая – в другом; перемещение частицы ограничено одним направлением.

Теория, непротиворечиво описывающая на языке науки парадоксальные атомные явления, была разработана практически одновременно с двух направлений.

Одно из них принадлежит Вернеру Гейзенбергу. В 1925 г. он предложил отбросить использование определенных координат и импульсов на том основании, что они, по сравнению с энергией атомов, являются ненаблюдаемыми величинами на микроскопическом уровне. Гейзенберг установил новую механику, предназначенную для этих целей. В его модели все атомные объекты были описываемы через математические матрицы.

Другое направление принадлежит Луи де Бройлю. Согласно его модели, демонстрировать свои корпускулярные и волновые свойства может не только свет, но и частицы. Например, Бройль связывал с электроном «волны материи». Он назначал каждому перемещению электрона определённую длину волны: путь орбиты должен содержать целое количество длин волн. Эрвин Шрёдингер (1887-1961) в 1926 г. завершил волновую теорию Луи де Бройля. Он ввел понятие волновой функции, которая связана с любой системой материальных частиц и написал уравнение, которому эта волновая функция должна удовлетворять. С её помощью Шредингер нашел правильные энергетические уровни атома водорода. Однако при всей революционности открытий, совершенных с помощью волновой функции её физический смысл был совершенно неясен.

В противоположность матричной механике, волновая механика Шредингера была выражена знакомым математическим языком. Таким образом, атомные явления стали выразимы на языке алгебры. Эти средства выражения были настолько далеки от обыденного восприятия мира, что приходилось устанавливать правила соответствия между математической картиной реальности и наблюдаемыми величинами. Поэтому основной проблемой в квантовой теории стал не сложный математический аппарат вычислений, а понимание той картины реальности, которая открывалась благодаря этому аппарату.