История лазера. Научное издание
Шрифт:
РќР° следующий РіРѕРґ идея квантования углового момента атома СЃРЅРѕРІР° была исследована голландским С…РёРјРёРєРѕРј Нильсом Бёррумом (18791958) Рё Полем Рренфестом (18801933), которые вывели правильные выражения, РІ которых появилась константа Планка h.
Все эти частные результаты, однако, появились с целью попытаться устранить общее видение всей проблемы и смешивались с совершенно ошибочными рассмотрениями. Бор построил свою модель, стараясь дать объяснение многих существующих изысканий и последующих, даже если он и не мог обосновать свои гипотезы.
Признание гипотезы Бора
РњС‹ можем спросить, как же появилась теория Бора. Резерфорд, которому Бор послал СЃРІРѕСЋ СЂСѓРєРѕРїРёСЃСЊ для публикации, представил ее РІ престижный английский журнал Philosophical Magazine. Рто предполагало, что РѕРЅ поддерживает ее, даже несмотря РЅР° то, что РєРѕРіРґР° Бор прислал СЂСѓРєРѕРїРёСЃСЊ РёР· Дании, РѕРЅ возражал СЃРѕ СЃРІРѕРёРј обычным практицизмом: откуда электрон знает, РЅР° какую орбиту ему перепрыгивать? Его аргументом был тот факт, что если электрон РїСЂРё переходе испускает фотон, который имеет энергию, равную разности между первоначальным Рё конечным энергетическим состоянием, РѕРЅ должен знать СЃРІРѕРµ прибытие (конечное состояние), прежде чем фотон будет испущен. РќР° этот РІРѕРїСЂРѕСЃ только Рйнштейн СЃРјРѕРі дать ответ РІ 1916 Рі. путем введения законов вероятности. Р’Рѕ РІСЃСЏРєРѕРј случае Резерфорд предложил Бору сократить СЂСѓРєРѕРїРёСЃСЊ, РЅРѕ Бор, хотя РѕРЅ был моложе Рё менее авторитетнее, чем его учитель, энергично отказался. Другие европейские физики выразили возражения; однако РѕРЅ РїСЂРѕСЏРІРёР» настойчивость.
Представляя СЃРІРѕСЋ модель, Бор РЅРµ собирался дать окончательное описание атомных систем. Разрыв СЃ классической физикой, который предопределил Бор своей теорией, был так радикален, что для некоторых людей его работа представлялась простым вычислительным фокусом, РЅРѕ ее способность предсказательных соотношений, подтверждаемых экспериментом, делала ее очень привлекательной. Поэтому, хотя РѕРЅР° Рё РЅРµ вызвала сенсации, РѕРЅР° мало-помалу признавалась. РўСЂРё работы были опубликованы РІ Philosophical Magazine между летом Рё осенью 1913 Рі. Бор прочел информационный РєСѓСЂСЃ лекций РІ Копенгагенском университете, что позволяло ему получить профессорский фант. Р’ течение этого РіРѕРґР° РѕРЅ совершил несколько поездок РІ Англию Рё, РІ сентябре, обсуждал СЃРІРѕСЋ теорию РЅР° ежегодном собрании Британской Ассоциации развития науки РІ Бирмингеме. Рто сообщество было организовано РІ 1831 Рі. РІ Йорке как некоторый противовес Королевскому обществу. Тем РЅРµ менее собрания были интересными, как, например, РІ 1899 Рі. РІ Дувре, РіРґРµ Дж. Дж. РўРѕРјСЃРѕРЅ сообщил РѕР± открытии электрона.
На собрании в Бирмингеме объявление о новых экспериментальных фактах в поддержку теории Бора улучшило ее прием среди первоначально довольно скептической британской аудитории. Однако немецкие математики в Гёттингене холодно встретили его идеи, поскольку они критиковали употребление Бором математики классической физики в модели, которая бросала вызов классическим взглядам. В июле поездка в Германию помогла Бору получить поддержку и с этой стороны, включая беседу с физиком Максом Борном (18821970), который позднее дал ключевое звено в развитии этой теории, путем улучшения матричной механики своим вкладом в интерпретацию квантово механических функций. Борн был награжден Нобелевской премией по физике в 1954 г. (вместе с Вальтером Боте, исследователем космических лучей) за фундаментальные исследования в квантовой механике, особенно за статистическую интерпретацию волновой функции. На его могиле в Гёттингене выгравировано фундаментальное уравнение матричной механики pq qp = ih/2.
Весной 1914 Рі. Резерфорд предложил Бору должность доцента РІ Манчестере РЅР° 19141915 РіРі., позднее продолженной РґРѕ 1916 Рі. Р’ мае 1916 Рі. РѕРЅ, наконец, был назначен профессором теоретической физики РІ Копенгагене. Осенью 1916 Рі. его первый ассистент, голландский физик X.Рђ. Крамерс (18941952), который оставался РІ Копенгагене РґРѕ 1926 Рі., присоединился Рє нему. Р’ 1918 Рі. Оскар Кляйн (18941977) стал его вторым ассистентом. Р’ 1917 Рі. Бор занялся постройкой РЅРѕРІРѕРіРѕ Рнститута теоретической физики, РЅРѕ потребовалось четыре РіРѕРґР°, прежде чем открылись его двери (8 марта 1921 Рі.). Через эти двери прошел СЂСЏРґ блестящих ученых как студентов, так Рё профессоров, учителей Рё гостей.
Работы Бора РїРѕ строению атома дали старт активности РІРѕ РјРЅРѕРіРёС… научных центрах, Рё сам Бор участвовал РІ дальнейшем процессе. Очень важной концепцией, которую РѕРЅ разработал для понимания квантовых проблем Рё которую никто лучше, чем РѕРЅ, РЅРµ знал, как использовать, была копенгагенская интерпретация, которая связывала предсказания классической теории СЃ квантовой теорией. Так как квантовая формула Планка для длинных длин волн хорошо аппроксимировалась классической формулой Рэлея, то Бор утверждал, что частота обращения электрона РїРѕ орбите, вычисленная СЃ учетом квантовой механики, будет РїСЂРё очень больших орбитах приближаться Рє формулам, даваемых классическими законами. Рто позволило ему найти правила, названные правилами отбора, которые устанавливали, что РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґСЏС‚ РЅРµ РІСЃРµ переходы. Рти правила устанавливают, между какими орбитами разрешены переходы. Тем самым устанавливается первый критерий, позволяющий предсказать, какие частоты РјРѕРіСѓС‚ быть излучены (среди РјРЅРѕРіРёС…, соответствующих различным скачкам энергии). Рти правила также способствовали предсказаниям того, какова интенсивность света, соответствующая каждому возможному переходу.
В июне 1922 г. он дал серию лекций в Гёттингене, где он встретился с Вольфангом Паули (19001958) и Вернером Гейзенбергом (19011976). Они были с ним в Копенгагене в течение несколько лет и участвовали в новой революции в квантовой механике.
В декабре 1922 г. Бор получил Нобелевскую премию по физике за его заслуги в исследованиях строения атомов и излучения, испускаемого ими.
Р’ течение последующих десяти лет РѕРЅ был очень занят руководством своего Рнститута, который становился РІСЃРµ больше Рё больше центром всего развития атомной физики.
Р’ СЃРІРѕРёС… воспоминаниях физики, которые работали РІ Рнституте Бора, подчеркивают уникальный копенгагенский РґСѓС… научных исследований. РћРЅРё вспоминают этот период, РІРѕ-первых, как неограниченную СЃРІРѕР±РѕРґСѓ заниматься какой Р±С‹ то РЅРё было проблемой РІ теоретической физике, которую РѕРЅРё считали наиболее важной. Вторым аспектом копенгагенского РґСѓС…Р° было то, что это занятие проходило РІ форме интенсивных РґРёСЃРєСѓСЃСЃРёР№ между Бором, РІ чем РѕРЅ был признанным мастером, Рё наиболее обещающими, хотя Рё молодыми Рё еще непризнанными РІ физике студентами, приезжающими РІ Рнститут РёР· разных стран. Нуждающийся РІ обсуждениях для разработки СЃРІРѕРёС… идей, Бор поощрял визитеров стать его помощниками, С‚.Рµ. принять участие РІ его собственных размышлениях. Таким образом, копенгагенский РґСѓС… заключался РІ полной СЃРІРѕР±РѕРґРµ исследований, достигаемой разделением научного труда между самим Бором Рё сливками студентов международной теоретической физики.
Надо сказать, что когда появилась новая квантовая механика, Бор приветствовал замечательный прогресс, связанный с нею, но он также указал на несовместимость между классической и квантовой теориями.
В сотрудничестве с Крамерсом и Дж. Слетером (19001976) он опубликовал в 1924 г. то, что было последней попыткой описать атомную систему в духе квазиклассических представлений, которые он развивал ранее. В этой работе авторы предположили, что при индивидуальных атомных взаимодействиях энергия не сохраняется. Хотя это предположение было быстро опровергнуто экспериментом, революционный характер предположения показывает насколько безвыходной представлялась Бору ситуация в то время.
В тот же год Крамерс предложил формулировку математической теории, объясняющую дисперсию света атомами. Работая на этой основе, Гейзенберг разработал чисто абстрактное математическое представление квантово-механических систем.
Р’ продолжение 19251926 РіРі. Гейзенберг уточнил Рё расширил СЃРІРѕСЋ теорию СЃ помощью Макса Борна Рё Паскуаля Йордана (19021980) создав то, что сегодня известно как матричная механика. РўРѕР№ же весной австрийский физик РСЂРІРёРЅ Шрёдингер (18871961), работающий совершенно независимо, выдвинул волновую механику, представляющую квантовые системы, как было позднее показано, математически эквивалентно матричной механике Гейзенберга. Рти РґРІР° разных РїРѕРґС…РѕРґР° убедили Бора, что математически эти теории были РЅР° правильном пути, РЅРѕ РІ то же время еще более увеличили его беспокойство относительно физической интерпретации математического формализма. Бора больше, чем РєРѕРіРѕ Р±С‹ то РЅРё было, волновал РІРѕРїСЂРѕСЃ несовместимостей квантовой теории.
Р’ 19261927 РіРі. Гейзенберг возвратился РІ Копенгаген, чтобы обсудить проблемы, которые так волновали Бора. Также Рё Шрёдингер посетил Рнститут той осенью, Рё РІ обсуждениях СЃ Бором убедился принять концепцию дуализма волна-частица для световых явлений, которая, как РјС‹ СѓРІРёРґРёРј, уже укрепилась Рйнштейном РїСЂРё интерпретации атомных систем. Работая РІ Копенгагене РІ феврале 1927 Рі., Гейзенберг сформулировал принцип неопределенности, согласно которому невозможно измерить СЃ высокой желаемой точностью одновременно скорость Рё координату частицы. Р’ то же время Бор, который катался РЅР° лыжах РІ Норвегии, стал продвигать РѕСЃРЅРѕРІС‹ принципа дополнительности.