Текст книги "Под знаком кванта"

Автор книги: Леонид Пономарев

сообщить о нарушении

Текущая страница: 12 (всего у книги 31 страниц)

Жизнь...

ВОКРУГ КВАНТА

Руджер Иосип Бошкович (1711 —1787) сейчас известен только узкому кругу специалистов, но в начале прошлого века он был знаменит, а его теория атома оказала влияние даже на мировоззрение таких людей, как Фарадей и Максвелл.

Бошкович родился и провел детские годы в Далмации, в Дубровнике (в то время Рагуса). Он был восьмым ребенком из девяти и самым младшим из шести сыновей в семье крупного торговца. То было время, когда любая деятельность людей получала смысл и признание лишь в том случае, если она была освящена церковью или связана с нею. Уже с 8 лет Бошкович учился в местном иезуитском колледже, а в 14 лет отправился на родину матери, в Рим, и после двух лет искуса был принят в Collegium Romanum. Там он отличился в математике, физике и астрономии и в 1736 г. опубликовал первую научную работу о солнечном экваторе и периоде вращения Солнца. В 29 лет он стал преподавателем, а в 33 – священником и членом общества Иисуса. В продолжение четырнадцати лет он преподает физику и математику, изучает аберрацию света и форму Земли, создает карту Ватикана. В 1760 г. Петербургская академия наук избрала его своим иностранным членом.

Бошкович был не только ученый, но и поэт: в 1779 г. он посвятил поэму Людовику XVI, в которой предсказывал ему царствование без солнечных затмений. Яркие качества его богатой натуры в сочетании с блестящим интеллектом открыли ему доступ в высшие духовные, академические и дипломатические круги Европы.

В 1757 г. он едет в Вену в составе посольства и там за 11 месяцев пишет книгу «Теория натуральной философии, приведенная к единому закону сил, существующих в природе», которую он обдумывал в течение двенадцати лет. После возвращения из Вены он отправился в четырехлетнее путешествие в Париж, Лондон, Константинополь, затем читал лекции, работал в обсерватории в Милане, снискал ненависть коллег независимостью взглядов и в 1772 г. оказался в Венеции без средств к жизни. Друзья выхлопотали ему место в Париже, где он прожил десять лет и лишь в 1783 г. возвратился в Италию – умирать. В конце 1786 г. он почувство-

вал признаки умственного расстройства, которое перешло в патологическую меланхолию. После попытки самоубийства он сошел с ума и 13 февраля 1787 г. закончил свою полную страстей жизнь.

...и атом Бошковича

Из тех немногих, кто в XVIII веке верил в атомы,– Бошко-вич – единственный, кто не верил в атомы – твердые шарики. Поэтому его воззрения ближе к нам, чем все атомные теории XIX века.

Свое недоверие к несжимаемым атомам-шарикам Бошко-вич обосновывал тем, что с помощью таких атомов нельзя объяснить кристаллическую структуру тел и их упругость, плавление твердых веществ, испарение жидкостей, а тем более химические реакции между веществами, построенными из этих круглых, твердых и непроницаемых атомов.

Бошкович представлял себе атом как центр сил, которые меняются в зависимости от расстояния до этого центра. Близко к центру – силы отталкивающие, что соответствует отталкиванию атомов при тесном сближении или при их столкновении. При удалении от центра отталкивающая сила сначала уменьшается, затем обращается в нуль и, наконец, становится притягивающей – как раз в этот момент, по мысли Бошковича, образуются все жидкие и твердые тела. Но если мы еще удалимся от центра сил, то силы вновь станут отталкивающими – в этот момент тела начнут испаряться. Наконец, совсем далеко от атома силы всегда притягивающие, как того и требует закон всемирного тяготения Ньютона.

Таким образом, каждый атом Бошковича «простирается вплоть до границ Солнечной системы», а поскольку центры сил нельзя ни уничтожить, ни создать, то его атомы вечны – так же, как и атомы Демокрита. Именно эта часть учения Бошковича была особенно близка Фарадею: нетрудно усмотреть его аналогию с представлениями Фарадея о силовых линиях электромагнитного поля. И даже на рубеже XX века лорд Кельвин еще раз обратился к атому Бошковича в попытке объяснить на этом языке природу радиоактивности.

Атом Бошковича значительно ближе к современному атому, чем атом Демокрита. Например, как и современный атом, он не имеет определенных геометрических размеров. Зато с его помощью можно понять разнообразие форм кристаллов и всевозможные химические превращения, в которых эти атомы участвуют. Конечно, атом Бошковича – это умозрительная схема, которая не опирается ни на опыт, ни на 132

математику, а лишь на здравый смысл и внимательные наблюдения над природой. Сам Бошкович писал: «Существуют, однако, определенные вещи, связанные с законом сил, относительно которых все мы невежды... Только Он один, кто создал Вселенную, имел перед своими глазами целое».

Квантовая механика позволяет вычислить закон изменения сил между двумя атомами без всякого произвола и ссылок на божественное провидение. С помощью этого закона сил можно предсказать спектр молекулы водорода, предвидеть, что произойдет, если смешать водород, например, с хлором, и что изменится, если облучать эту смесь ультрафиолетовыми лучами.

Мы в состоянии рассчитать форму кристаллов и даже предсказать цвет химических соединений. Конечно, все это доступно только тем, кто владеет довольно сложной математикой квантовой физики. Однако понять многие особенности строения и свойства веществ может каждый, кто хоть немного знаком с ее образами.

Пауль Эренфест (1880—1933)

Кроме пророков, науке нужны апостолы. Кроме одиноких гениев, которые меняют ее русло, науке необходимы люди, хранящие ее огонь и способные зажечь его в душах неофитов. Такие люди создают вокруг себя атмосферу интеллектуальной красоты и духовного подъема, в которой стремительно расцветают таланты и крепнут дарования. Учеными такого редкого типа были Арнольд Зоммерфельд в Германии, Поль Ланжевен во Франции, Леонид Исаакович Мандельштам в России.

Таким человеком был Пауль Эренфест. Он родился и вырос в Вене, учился в Венском университете у Людвига Больцмана и в Гёттингенском – у Феликса Клейна. Завершив образование, пять лет жил в России и в 1912 г., по предложению Лоренца сменил его на кафедре теоретической физики в Лейденском университете. Здесь в течение двадцати лет он каждый вторник открывал семинар, на котором рассказывали о своих работах все великие и знаменитые ученые, за четверть века перестроившие заново основы физики. На этом семинаре родилась и окрепла гипотеза о спйне электрона, и Эренфест был ее повивальной бабкой и крестным отцом. Он был инициатором и организатором знаменитой полемики между Бором и Эйнштейном. Он жил в центре «физических событий» того времени и много способствовал их успешному завершению.

П. Эренфест

Эренфест был человеком редких душевных качеств. Бор, Планк, Гейзенберг, Паули, Шрёдингер были его частыми гостями. Эйнштейн писал ему: «Мы созданы природой друг для друга. Я нуждаюсь в твоей дружбе еще больше, чем ты в моей». Но что-то надломилось в душе Эренфеста, и 25 сентября 1933 г. он покончил с собой.

Пауль Эренфест оставил после себя физические идеи, пережившие память его учеников и друзей. Он построил мост через пропасть, которая в сознании его современников отделяла квантовые явления от классических. Суть теоремы, им доказанной, состоит в следующем.

Мы многократно повторяли, что уравнения квантовой механики отличны от уравнений классической механики. Поэтому движения квантовых объектов ни описать, ни представить в классических понятиях и образах нельзя. Примерно так же, как нельзя отметить на глобусе все движения пассажира, пересекающего на пароходе Атлантику. Однако как бы волны ни качали корабль и чем бы ни занимался при этом пассажир, в среднем он все-таки перемещается в соответствии с заданным курсом.

Нечто похожее справедливо и в квантовом'мире. Пусть мы не можем представить себе квантовых движений. Пусть неясно, как понимать координату и импульс электрона. Но точно известно, что средние значения квантовых величин подчиняются уравнениям классической механики. В этом суть принципа соответствия, который в 1918 г. сформулировал Нильс Бор и в 1927 г. доказал Пауль Эренфест.

Несколько позднее физики поняли, что Эренфест доказал нечто большее, чем предельное соответствие квантовой и классической механик. В самом деле, всегда молчаливо принимали предположение (а многие и до сих пор отстаивают его вслух), что динамические законы классической механики – это первичные, настоящие законы, а статистические закономерности квантовой механики – это законы второго сорта, которыми мы вынуждены пользоваться по причине особой сложности атомных объектов. Из работ Эренфеста следует, что такое убеждение (или, лучше сказать, предубеждение) – не более чем предрассудок, ибо уравнения движения классической механики суть предельный случай более общих уравнений квантовой механики.

ГЛАВА 8

Сфинкс

«Может быть, естествоиспытателя, покидающего область непосредственных чувственных восприятий с целью открытия более общих взаимосвязей, можно сравнить с альпинистом, который хочет подняться на вершину самой высокой горы для того, чтобы обозреть лежащую перед ним местность во всем ее многообразии. Альпинисту тоже необходимо покинуть плодородные населенные долины. По мере того как он поднимается, перед ним все шире и шире раскрывается окрестность, но вместе с тем все реже он видит вокруг себя признаки жизни. Наконец, он попадает в ослепительно яркую область льда и снега, где уже нет никакой жизни и дышать становится почти невозможно. Только пройдя эту область, он может достигнуть вершины. Но когда он взойдет на вершину, наступит момент, что вся расстилающаяся перед ним местность станет ему видна совершенно отчетливо, и, может быть, тогда область жизни не будет слишком далека от него...»

Эти слова Гейзенберга хорошо поясняют тот качественный скачок, который произошел в сознании людей, когда они перешли от наблюдения явлений, непосредственно воздействующих на их органы чувств, к изучению квантовых объектов. Этот перелом произошел в начале века, и он настолько важен, что мы еще раз поясним его на конкретном примере.

Представьте, что перед вами звучит натянутая струна. Вы слышите звук, видите вибрирующую струну, можете прикоснуться к ней рукой, и на основании этих данных в сознании у вас формируется образ физического явления, происходящего перед вами. Понятие «волновой процесс» возникает позднее, при наблюдении других, похожих явлений. Чтобы сделать это понятие однозначным, его закрепляют формулой, уравнением, позволяющим заранее предсказать весь процесс колебания струны. Это предсказание мы можем проверить на опыте, запечатлев, например, колебания струны на кинопленке...

Мы сознательно еще раз проследили цепочку

явление —образ понятие формула -*• опыт

которая лежит в основе первоначального физического знания. Последнее звено в этой цепи – опыт – проверяет, насколько правильно мы представляем себе явление в целом на основе частичных знаний о нем.

Но эта простая схема не поможет нам ответить на вопрос «Что такое атом?» просто потому, что явление «атом» не воздействует непосредственно на наши органы чувств, и они не могут дать нам никакого, даже приблизительного «образа атома». Поэтому вначале понятие «атом» возникло чисто умозрительно, без ссылок на органы чувств, и в течение двадцати веков оставалось не более чем любопытной гипотезой, которая ничем не лучше других гипотез о строении материи.

Настоящая история атома началась с приходом науки, когда люди научились полагаться не только на свои органы чувств, но также доверять показаниям приборов. С их помощью они наблюдали, что происходит при растворении веществ, при пропускании через раствор электрического тока, при нагревании, при освещении и при многих других воздействиях. Ученые не просто наблюдали эти явления, но изучали их, то есть измеряли температуру тел, длину волны излучаемого ими света, его интенсивность и многое другое, о чем мы уже знаем. Результаты этих измерений они записывали в виде чисел. Вот эти-то числа и заменили физикам непосредственные ощущения, которые доставляли им ранее органы чувств. Числа – единственное, чему они стали доверять, начав изучать явления, недоступные непосредственному чувственному восприятию. Имея в руках эти числа, они стали находить между ними связи и записывать их в виде формул.

Но люди общаются с помощью слов, а не формул, и, чтобы рассказать о новых связях в природе, придумывают понятия, которые соответствуют этим формулам. Иногда эти понятия очень необычны, но люди к ним быстро привыкают, учатся правильно пользоваться ими и даже создают для себя какие-то образы, связывая их с новыми понятиями. Привычная схема познания переворачивается и приобретает вид

явление образ*-понятие*– формула *– опыт

I_________________________________,________________________________f

В истории атома эту цепочку можно легко проследить. Фраунгофер, Кирхгоф и Бунзен обнаружили, что каждый атом испускает строго определенный набор спектральных линий (явление) и каждой спектральной линии соответствует число – длина волны X (опыт). Бальмер, Ридберг и Ритц нашли между этими числами простые связи (формула), а Бор показал, что их формулы следуют из единого принципа, который назвали квантованием (понятие). Наконец, на основе этих опытов, формул и понятий возник образ – атом Бора.

Но опыты продолжались, они приносили новые числа и факты, которые уже не вмещались в рамки прежних формул, понятий и образов. И тогда возникла квантовая механика – единый принцип, из которого следовали все прежние эмпирические формулы и удачные догадки.

До сих пор мы довольно много узнали об опытах атомной физики и о понятиях, которые необходимо использовать, чтобы их объяснить. Но мы хотим большего: на этом новом, более высоком уровне знаний создать зрительный образ атома. Для этого нам нужно несколько подробнее познакомиться с формулами квантовой механики. Это необходимо – в конце концов красота логических построений в науке много важнее, чем эффекты неожиданных ассоциаций, обусловленные ее простыми следствиями.

УРАВНЕНИЕ ШРЕДИНГЕРА

Все предыдущее должно было убедить нас в том, что электрон – не точка, он не занимает определенного положения в атоме и не может двигаться там по какой-либо траектории. Взамен этого мы пока что усвоили довольно туманную идею о том, что при движении в атоме электрон «расплывается». Эту расплывчатую идею Шрёдингеру удалось выразить весьма точно на однозначном языке формул. Уравнение Шрёдингера, как и всякий глубокий закон природы, нельзя вывести строго из более простых. Его можно только угадать. (Шрёдингер впоследствии признавался, что сам не вполне понимает, как ему это удалось.) Но после того как уравнение угадано, надо еще научиться им пользоваться: надо знать, что означают все символы в уравнении и какие явления в атоме они отображают.

Уравнение Шрёдингера мы однажды уже выписывали: -^+^[f-V(x)W = 0,

и объясняли входящие в него символы: h — постоянная Планка А, деленная на 2л, m — масса электрона, Е — полная энергия электрона в атоме, a V(x) — потенциальная энергия взаимодействия электрона и ядра, удаленных друг от друга на расстояние х. Но нам по-прежнему не ясен смысл волновой функции ф. Чтобы понять его, обратимся снова к аналогии с колеблющейся струной.

Уравнение ее колебаний, хорошо известное в классической физике,

очень похоже на уравнение Шрёдингера. Несколько решений этого уравнения – функции Uk(x) — изображены на рисунке. Это обычные, знакомые всем синусоиды, и смысл их очевиден: они изображают форму струны в какой-то момент времени, то есть моментальную фотографию процесса ее колебания. Форма колебаний струны зависит от числа узлов k, то есть числа точек, остающихся неподвижными в процессе колебания. Им соответствует бесконечный набор решений мл(х), которые различаются между собой числом узлов k. Очень важно то, что никаких других, промежуточных, типов колебаний, кроме пронумерованных индексом k, не существует.

По форме уравнение Шрёдингера лишь несущественно отличается от уравнения струны. Чтобы последнее утверждение не выглядело голословным, введем обозначение

^2т[Е- И(х)] ’

после чего уравнение Шрёдингера примет вид, неотличимый от уравнения колебаний струны:

Если потенциал взаимодействия V(x) = 0, то есть электрон движется свободно вдали от ядра, то энергия Е равна его кинетической энергии, E = mv²/2, и, следовательно, длина его волны постоянна: и равна длине волны де Бройля. В этом случае уравнение Шрёдингера в точности совпадает с уравнением струны. При движении в атоме электрон взаимодействует с протоном по закону Кулона, поэтому V(х) = –е²/х, где е — заряд

электрона и протона. Теперь уже «длина волны электрона» __h_______

V2m[£-V(x)]

не имеет определенного значения и меняется от точки к точке. Однако и в теории колебаний струны такой случай – не новость: если вместо однородной струны колеблется неоднородная, то есть со всевозможными грузами и утолщениями на ней, то ее колебания будут описываться именно таким уравнением. Решения его лишь отдаленно напоминают правильные синусоиды, но они сохраняют главное свойство прежних решений: для них характерно наличие узлов, неподвижных в процессе колебаний, по числу которых эти решения можно пронумеровать.

Таким образом, формально уравнение Шрёдингера ничем не отличается от уравнения нагруженной струны, но смысл их решений, конечно, различен. Вся его сложность – в понятиях, которые мы связываем с величинами, удовлетворяющими этому уравнению.

Взгляните на рисунок, где рядом с синусоидами струны Uk(x) изображены решения ф_л(х) уравнения Шрёдингера для атома водорода. Они очень похожи. И если даже никаких реальных колебаний, подобных движениям струны, в атоме не происходит, то аналогия не становится от этого менее полезной.

Отмеченная аналогия позволяет пронумеровать решения ф_я(х) целым числом п точно так же, как решения Uk(x) нумеруются целым числом k, причем никаких других решений, кроме этих, собственных решений в уравнении Шрёдингера не содержится. Более того, целое число п — это и есть то самое непонятное квантовое число, которым Бор нумеровал орбиты электрона в атоме. Теперь оно потеряло свой мистический оттенок: п — это не что иное, как число узлов волновой функции, увеличенное на единицу: п = k + 1.

Первый постулат Бор

а неким «усилием воли» предписывал электронам двигаться только по тем орбитам в атоме, которые удовлетворяют квантовому условию: mvr = nh. Это был плодотворный, но неестественный для физики принцип, и потому он вызвал у современников сложную смесь восхищения и

недовольства. Требование Шрёдингера значительно понятнее: как бы хитро ни двигался электрон в а‘томе, он должен все-таки находиться внутри атома. Поэтому ф-функция, которая это движение «представляет», независимо от своей природы должна быть сосредоточена вблизи ядра. Вот из этого единственного и естественного граничного условия однозначно следует, что уравнение Шрёдингера имеет решение не всегда, а только при определенных значениях энергии Е_п, которым соответствуют собственные функции ф_л(х). Возможные значения энергии электрона в атоме водорода можно найти, решив уравнение Шрёдингера с потенциалом е²

V(x)=–.

Эти дискретные значения энергии

4 1

me 1

2Й² п²

стационарных состояний нумеруются целым числом п. Легко видеть, что эти значения в точности совпадают с энергией электрона на стационарных орбитах в атоме Бора, и поэтому надобность в постулатах Бора отпадает – при сохранении всех положительных результатов его модели.

В свое время эти следствия теории Шрёдингера покорили многих своей простотой и естественностью, в уравнение Шрёдингера поверили и стали выяснять последнее: что представляет собой сама функция ф_л(х). И если функция Uk(x) изображает форму колеблющейся струны, то форму чего изображает ф-функция?

СМЫСЛ -ФУНКЦИИ

Это один из самых сложных вопросов квантовой механики, на который даже сам Шрёдингер вначале ответил неправильно. Но его ответ так удобен и так близок к истине, что мы им на первых порах воспользуемся.

Электрон в атоме не существует как частица. Он расплывается там в некое облако. Форма и плотность этого облака определяются волновой функцией ф(х), причем на расстоянии х от ядра плотность р(х) электронного облака равна квадрату этой функции:

p(x)=|i|)(x)|².

Чтобы пояснить эту мысль, попытаемся представить себе, например, арбуз и изобразить на рисунке его плотность р(х) 140

в зависимости от расстояния х до центра арбуза. Очевидно, что функция р(х) для арбуза везде примерно постоянна, она лишь несколько падает к краям (кожура легче мякоти) и, наконец, резко обрывается на границе арбуза. Взглянув на рисунок, человек, даже ни разу не видавший арбуза, может схематически представить себе, как он устроен внутри. Правда, при этом он не будет иметь ни малейшего представления о его вкусе, цвете и аромате, а также о тысяче мелких признаков, которые отличают один арбуз от другого.

Пытаясь проникнуть внутрь атома, все мы оказываемся в положении человека, который никогда в жизни арбуза не видел, но хочет представить его себе по функции р(х). Для атома функцию р(х) можно вычислить из уравнения Шрёдингера и затем с ее помощью нарисовать распределение электронного облака в атоме. Именно эти картины заменяют тот зрительный образ атома, к которому все бессознательно стремятся.

На следующей странице представлены объемные изображения атома водорода в различных состояниях возбуждения с квантовыми числами и, /, /и, построенные по функциям р(х), вычисленным из уравнения Шрёдингера. Это и есть тот новый образ атома, к которому мы так долго шли и к которому теперь надо привыкать. В дальнейшем этот образ изменится лишь немного – точнее не сам он, а наше отношение к нему.

Теперь все самое сложное позади, и мы можем, не торопясь, подвести итоги. Прежде всего – и на новом уровне знаний – мы вновь обратимся к вопросу: «Что такое атом?»