Тридцать лет, которые потрясли физику. Один, два, три… бесконечность [Георгий Антонович Гамов] (pdf) читать постранично, страница - 2

форме отдельных скоплений, можно разрешить парадоксы, которыми изобилует классическая теория излучения и поглощения света материальными телами. Планк назвал эти скопления
энергии световыми квантами. Пять лет спустя Альберт Эйнштейн
успешно применил теорию световых квантов, объяснив с ее помощью эмпирические законы фотоэффекта (выбивание электронов
из металлических поверхностей под воздействием фиолетового
и ультрафиолетового света). Еще позже Артур Комптон провел
свой знаменитый эксперимент, который показал, что рассеяние
рентгеновских лучей свободными электронами подчиняется тем
же законам, что и абсолютно упругое соударение. Так, в течение
последующих пяти лет инновационная идея квантования энергии
излучения прочно закрепилась в теоретической и экспериментальной физике.
В 1913 году датчанин Нильс Бор развил идею Планка о квантовании энергии излучения, описав механическую энергию электронов в пределах атома. Разработав четкие «правила квантования» для механических систем размеров атома, он вывел логическое объяснение планетарной модели атома Эрнеста Резерфорда.
Эта модель была доказана экспериментально, однако вступала
в серьезные противоречия с другими фундаментальными положениями классической физики. Бор рассчитал энергию отдельных

10

ГЕОРГИЙ ГАМОВ. ТРИДЦАТЬ ЛЕТ, КОТОРЫЕ ПОТРЯСЛИ ФИЗИКУ

квантовых состояний электрона и определил световое излучение
как испускание светового кванта с энергией, количественно равной разнице энергий начального и конечного квантового состояния атомного электрона. Благодаря этим расчетам он смог дать
детальное объяснение проблеме, десятилетиями мучившей спектроскопистов: спектральным линиям водорода и более тяжелых
элементов. Первая работа Бора по квантовой теории атома стала
поворотным моментом.
В течение десяти лет совместными усилиями физиков-теоретиков и специалистов в различных областях экспериментальной
физики были более детально описаны оптические, магнитные
и химические свойства некоторых атомов. Но с годами становился все более очевидным тот факт, что теория Бора, несмотря на
свой успех, не была окончательной, так как не могла объяснить
некоторые вещи, уже известные об атомах. Например, она никак
не описывала процесс перехода электрона из одного квантового
состояния в другое, равно как не существовало способа рассчитать
интенсивность различных линий оптических спектров.
В 1925 году французский физик Луи де Бройль опубликовал
исследование, в котором предложил довольно неожиданную
трактовку квантовых орбит Бора. По мнению де Бройля, движение каждого электрона происходит под действием неких загадочных волн-пилотов, чья скорость распространения и длина зависят
от скорости этого электрона. Полагая, что длина волн-пилотов
обратно пропорциональна скорости электрона, де Бройлю удалось показать, что различные квантовые орбиты в гидрогенной
модели атома Бора могут вмещать целое количество волн-пилотов. Таким образом, модель атома стала похожа на музыкальный
инструмент с основным тоном (самая близкая к центру орбита
с наименьшим количеством энергии) и обертонами (внешние
орбиты с большим энергетическим потенциалом). Спустя год
после публикации исследования Бройля австрийский физик Эрвин Шредингер развил его идеи и облек их в математически точную форму — так появилась его волновая механика. Волновая
механика объясняла и те процессы, которые удалось объяснить
Бору, и ряд других, с которыми теория Бора не справлялась (например, интенсивность спектральных линий). Кроме того, Шредингер предсказал некоторые новые явления (дифракция электронного пучка), о которых классическая физика и теория Планка—Бора не могли и предполагать. Фактически волновая механи-

ВВЕДЕНИЕ ИСТОРИЯ КВАНТОВОЙ ТЕОРИИ

11

ка представляла собой абсолютно полную и самодостаточную
теорию всех атомных явлений и, как выяснилось в двадцатые
годы, могла объяснить явления радиоактивного распада и искусственных ядерных превращений.
Одновременно с работой Шредингера по волновой механике
появилось исследование молодого немецкого физика Вернера
Гейзенберга, чей подход к проблемам квантовой физики использовал так называемую некоммутативную алгебру (математическая
дисциплина, которая предполагает, что a × b не обязательно тождественно b × a). Одновременное появление работ Шредингера
и Гейзенберга в двух немецких журналах («Annalen der Physik»
и «Physikalische Zeitschrift») потрясло мир теоретической физики.
Два исследования были настолько не похожи друг на друга, насколько это вообще возможно, но приходили к одним и тем же
выводам касательно атомной структуры и атомных спектров. Ученым потребовалось больше года для того, чтобы понять, что с точки зрения физики эти теории были абсолютно идентичны, несмотря на то что математически были представлены по-разному. Это
как если бы Колумб открыл