Маргарита Рютова-Кемоклидзе - Квантовый возраст

Так в историю физики авторами спина вошли Уленбек и Гаудсмит. Но ирония судьбы такова, что сейчас, когда все это ушло в историю, понятие спина неразрывно связано с именем Паули. К концу 1925 г. Нильс Бор поверил в спин. Отметим, что это произошло не без помощи Эйнштейна. Под влиянием Бора поверил в спин и Гейзенберг. А Паули оставался при своем. Он грозно предостерегал Бора и высказывал крайнее недовольство по поводу отступничества Бора и его попустительства ко всякой ереси в физике. Но скоро горячность Паули утихла — реальность спина нельзя было не признать. Как все было непросто, видно из письма Паули Кронигу (май 1925 г., в июне появится матричная механика): «Физика теперь снова зашла в тупик, во всяком случае для меня — она слишком трудна, и я предпочел бы быть комиком в кино или кем-нибудь вроде этого и не слышать ничего о физике!» [Там же, с. 34].

А ведь к этому времени было уже так много сделано! К этому времени уже были опубликованы работы де Бройля.

В начале 20-х годов одной из самых острых была проблема дуализма волна-частица. Эта проблема стояла давно. Еще в 1905 г. Эйнштейн, обращаясь, по мнению Планка, слишком вольно с гипотезой квантов, приписал свету корпускулярные свойства и объяснил таким образом явление фотоэффекта. И хотя эта работа имела заслуженный успех, физики и не думали отказываться от волновой природы света. Если бы свет не был волной, ни дифракция света, ни явление интерференции не могли бы иметь места. Ну, а объяснение фотоэффекта и связанное с этим предположение о корпускулярной природе света каждый физик понимал по-своему. Одни считали, например, что эйнштейновские кванты света не частицы, а какая-то мера энергии электромагнитного поля.

В 1922 г. американский физик Артур Комптон открыл эффект, названный его именем. При исследовании рассеяния рентгеновских лучей в парафине Комптон обнаружил, что, кроме ожидаемого эффекта, т. е. наличия рассеяния с той же длиной волны, что и падающее, имеется рассеяние с большей длиной волны. При этом оказалось, что, чем меньше длина волны падающего излучения, тем меньше доля рассеяния с неизменной длиной волны. Это явление никак нельзя было объяснить с точки зрения волновой природы излучения, согласно которой длина волны рассеянного излучения должна оставаться такой же, как длина волны падающего. Иными словами, свет при рассеянии не должен менять цвета. Так оно и есть на самом деле, пока мы имеем дело с длинами волн, сравнимыми с длинами волн видимого света. Комптон же исследовал рассеяние рентгеновских и гамма-лучей, длина волн которых в десятки и сотни тысяч раз меньше длин волн видимого света. Оказалось, при рассеянии жестких гамма-лучей (самые короткие длины волн, порядка 10 –12 см) вообще не обнаруживается компонента с начальной длиной волны. Через год сам же Комптон и независимо от него Дебай развили теорию этого явления, исходя из чисто корпускулярной природы света. При этом все законы сохранения, справедливые для классической теории рассеяния двух частиц друг на друге, строго выполняются, прямо как при рассеянии двух бильярдных шаров. Необычным было лишь то, что один из «шаров» — электрон — был нормальной частицей, (так во всяком случае считалось тогда), а другой — частицей света, энергия которой определялась не массой и квадратом скорости, а постоянной Планка, умноженной на частоту. Так с открытием эффекта Комптона вопрос о двоякой природе света встал очень остро. Наступило время, когда, по выражению Брэгга, физики были вынуждены по понедельникам, средам и пятницам считать свет состоящим из частиц, а в остальные дни недели — из волн.

В том же 1923 г., когда ни эксперимент Комптона, ни его теория не вызывали сомнений у недоумевающих физиков, появилась еще более обескураживающая работа, да еще чисто теоретическая. Луи де Бройль, увлекающийся экспериментальным исследованием излучения и имеющий возможность заниматься этим в частной лаборатории своего брата, опубликовал три теоретические работы подряд. В этих работах он утверждал, что не только свет обладает двоякой природой, но и само вещество, оставаясь веществом, должно иметь волновую природу! Т. е. каждой материальной частице наряду с ее физическими свойствами — массой, размерами и т. д. — должна соответствовать своя собственная волна. Так что и электроны, и атомы, и даже молекулы могут рассматриваться как волны. Длину волны для любой частицы де Бройль определял как постоянную Планка, деленную на ее импульс. Так, если бильярдный шар считать волной, то в его длине волны, скажем, при скорости шара 1 м/с значимое число появляется через 25 нулей после запятой, т. е. длина волны бильярдного шара порядка 10 –25 см.

С необычайной простотой де Бройль объяснял, почему, скажем, электрону необходимо приписать волновые свойства: «Определение стационарных движений электронов в атоме заставляет вводить целые числа, но до сих пор единственными явлениями в физике, при описании которых вводили целые числа, были явления интерференции и собственных колебаний» [15, с. 398].

Статьи де Бройля никто не принимал всерьез, а если ему случалось выступать со своими идеями на семинаре, то его доклад вызывал всеобщее веселье аудитории. Первым на них обратил серьезное внимание Эйнштейн. В 1925 г. он писал Борну: «Прочтите ее! Хотя и кажется, что ее писал сумасшедший, написана она солидно» [Там же, с. 399]. Но Борн и разбираться не стал, а его молодые сотрудники устроили на тему дебройлевских идей потешный семинар. В том же году Эйнштейн обратил внимание Эрвина Шредингера на работы де Бройля.

Шредингеру было в ту пору 38 лет, но не только возраст отличал его от молодых создателей основ современной физики, воспитанников сильных «квантовых» школ. Шредингер был «сам по себе» и ни к одной из этих школ не принадлежал. Он родился и вырос в Вене. В 1910 г. окончил Венский университет, где, кроме философских и исторических курсов, выбрал физико-математические курсы и под сильным влиянием Хазенорля, занявшего после смерти великого Больцмана его кафедру, увлекся ими. Главным увлечением и любовью Шредингера в физике были статистические методы, восходящие к фундаментальным работам Больцмана. Именно увлечением, потому что он в равной мере увлекался биологией (ему принадлежат работы по эволюции человеческого глаза), языками, поэзией (имеется томик его стихов), скульптурой (его кабинет больше походил на мастерскую скульптора, чем на кабинет академического ученого) и более всего философией. «К современной теории атома я приближался очень медленно, — писал Шредингер. — Ее внутренние противоречия звучат как пронзительные диссонансы по сравнению с чистой, неумолимо ясной последовательностью мысли Больцмана. Было время, когда я прямо-таки готов был обратиться в бегство, однако, побуждаемый Экснером и Кольраушем, нашел спасение в учении о цвете» [16, с. 39]. Именно занятия цветометрией с глубоким знанием теории колебаний в сочетании с другими «внешними» факторами привели Шредингера к волновой механике.