Текст книги "История лазера. Научное издание"

Автор книги: Марио Бертолотти

сообщить о нарушении

Текущая страница: 14 (всего у книги 52 страниц)

Модели, разработанные до Бора

Как мы уже видели, когда возникают совершенно новые идеи, их формулировка часто предопределяется некоторыми новыми концепциями, появляющимися как неполные теории, или теории, в которых такие концепции смешиваются с ошибочными представлениями. В некоторых отношениях модель Бора также предопределялась.

Р’ 1910 Рі. венский физик Р¤.Р. Хаас (1884-1941), аспирант Венского университета, обсуждал модель атома РІРѕРґРѕСЂРѕРґР°, согласно которой электрон движется РїРѕ положительно заряженной поверхности сферы радиуса Рі (поэтому это РЅРµ модель Резерфорда) Рё обладает квантованной энергией (это интересная идея).

Р’ РЅРѕСЏР±СЂРµ 1911 Рі. Джон Вильям Николсон (1881 1955) РІ Тринити колледже Кембриджа использовал недавно введенную модель Резерфорда Рё обнаружил, что спектры атомов являются, существенно, квантовыми явлениями. РћРЅ писал: Фундаментальные физические законы должны быть найдены РІ квантовой теории излучения, недавно разработанной Планком Рё РґСЂСѓРіРёРјРё, согласно которой, изменения энергии РІ системе периодического РІРёРґР° РјРѕРіСѓС‚ получаться только РёР· некоторых определенных величин, определяемыми частотами системы. Также РѕРЅ установил, что следует предположить применение квантового принципа Рє атому Резерфорда, С‚.Рµ. что угловой момент атома может увеличиваться или уменьшаться лишь дискретными квантами. Николсон, однако, РЅРµ следовал идеи Конвея, что только РѕРґРёРЅ электрон может РІ определенный момент времени испускать излучение, Рё исследовал колебания большого числа электронов, вращающихся РІРѕРєСЂСѓРі СЏРґСЂР°. РћРЅ предполагал, что атом СЃ РѕРґРЅРёРј электроном РЅРµ может существовать Рё, что простейшие Рё легчайшие атомы должны быть РІ СЂСЏРґСѓ РєРѕСЂРѕРЅРёСЏ (гипотетический элемент, который был открыт РІ солнечной РєРѕСЂРѕРЅРµ) СЃ атомным весом около половины РІРѕРґРѕСЂРѕРґР°, затем РІРѕРґРѕСЂРѕРґР° Рё небулия (гипотетический элемент, который предполагался РІ некоторых туманностях; сегодня РјС‹ знаем, что спектральные линии, приписываемые РєРѕСЂРѕРЅРёСЋ Рё небулию, РЅР° самом деле принадлежат атомам кислорода Рё азота РІ высоких возбужденных состояниях) СЃ 2, 3 Рё 4 электронами соответственно. Более того, РѕРЅ полагал, что гелий был соединением. Рто была нелепость ошибочных идей: гелий элемент, Р° РєРѕСЂРѕРЅРёР№ Рё нибулий РЅРµ существуют (спектральные линии, приписываемые РєРѕСЂРѕРЅРёСѓРјСѓ, РЅР° самом деле принадлежат обычным металлам, таким как железо Рё никель, РІ крайне высоких условиях возбуждения), Рё нет никаких элементов легче, чем РІРѕРґРѕСЂРѕРґ.

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.

РќР° собрании РІ Бирмингеме объявление Рѕ новых экспериментальных фактах РІ поддержку теории Бора улучшило ее прием среди первоначально довольно скептической британской аудитории. Однако немецкие математики РІ Гёттингене холодно встретили его идеи, поскольку РѕРЅРё критиковали употребление Бором математики классической физики РІ модели, которая бросала вызов классическим взглядам. Р’ июле поездка РІ Германию помогла Бору получить поддержку Рё СЃ этой стороны, включая беседу СЃ физиком Максом Борном (18821970), который позднее дал ключевое звено РІ развитии этой теории, путем улучшения матричной механики СЃРІРѕРёРј вкладом РІ интерпретацию квантово механических функций. Борн был награжден Нобелевской премией РїРѕ физике РІ 1954 Рі. (вместе СЃ Вальтером Боте, исследователем космических лучей) Р·Р° фундаментальные исследования РІ квантовой механике, особенно Р·Р° статистическую интерпретацию волновой функции. РќР° его могиле РІ Гёттингене выгравировано фундаментальное уравнение матричной механики pq qp = ih/2π.

Весной 1914 г. Резерфорд предложил Бору должность доцента в Манчестере на 19141915 гг., позднее продолженной до 1916 г. В мае 1916 г. он, наконец, был назначен профессором теоретической физики в Копенгагене. Осенью 1916 г. его первый ассистент, голландский физик X.А. Крамерс (18941952), который оставался в Копенгагене до 1926 г., присоединился к нему. В 1918 г. Оскар Кляйн (18941977) стал его вторым ассистентом. В 1917 г. Бор занялся постройкой нового �нститута теоретической физики, но потребовалось четыре года, прежде чем открылись его двери (8 марта 1921 г.). Через эти двери прошел ряд блестящих ученых как студентов, так и профессоров, учителей и 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.

В течение последующих десяти лет он был очень занят руководством своего �нститута, который становился все больше и больше центром всего развития атомной физики.

В своих воспоминаниях физики, которые работали в �нституте Бора, подчеркивают уникальный копенгагенский дух научных исследований. Они вспоминают этот период, во-первых, как неограниченную свободу заниматься какой бы то ни было проблемой в теоретической физике, которую они считали наиболее важной. Вторым аспектом копенгагенского духа было то, что это занятие проходило в форме интенсивных дискуссий между Бором, в чем он был признанным мастером, и наиболее обещающими, хотя и молодыми и еще непризнанными в физике студентами, приезжающими в �нститут из разных стран. Нуждающийся в обсуждениях для разработки своих идей, Бор поощрял визитеров стать его помощниками, т.е. принять участие в его собственных размышлениях. Таким образом, копенгагенский дух заключался в полной свободе исследований, достигаемой разделением научного труда между самим Бором и 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 Р�нститут 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.

Основа этой концепции очень проста, если даже и очень странная. Она говорит, что мы можем задавать природе вопросы, например, какова позиция электрона, или дополнительный вопрос, какой его импульс (по существу скорость), но природа устроена таким образом, что, задавая один вопрос, автоматически исключается возможность задать одновременно дополняющий вопрос. Квантовая механика основана на разных теориях Гейзенберга и Шрёдингера и устанавливает существование дуализма волначастица, света и вещества (материи). Бор осознал, что наши модели вещества и света основаны на их поведении в различных экспериментах, проводимых в наших лабораториях. В некоторых экспериментах, таких как фотоэлектрический эффект, который мы коротко обсудим в дальнейшем, свет ведет себя так, как если бы он состоял из частиц. В других экспериментах, таких как явления интерференции, свет ведет себя так, как, если бы он состоял из волн. Подобным же образом в экспериментах, таких как исследования Дж. Дж. Томсона катодных лучей, электроны ведут себя как частицы; в других экспериментах, таких как исследования дифракции, электроны ведут себя так, как если бы они были волнами. Но ни электроны, ни свет никогда не ведут себя одновременно так, как если бы они были и частицами и волнами. В каждом конкретном эксперименте они ведут себя либо как частицы, либо как волны.

Рто убедило Бора, что описания света Рё вещества РІ РІРёРґРµ частиц Рё РІ РІРёРґРµ волн РѕР±Р° необходимы, даже хотя РѕРЅРё логически несовместимы РґСЂСѓРі СЃ РґСЂСѓРіРѕРј. Р�С… следует рассматривать как дополняющими РґСЂСѓРі РґСЂСѓРіР°. Каждый эксперимент выбирает то или РґСЂСѓРіРѕРµ описание РёР· соображений удобства.

Дополнительность была практически во всех дискуссиях Бора. Когда он был пожалован кавалером Ордена Слона, ему требовалось выбрать геральдический девиз, и он выбрал Contraria sunt complementa.

Вернер Гейзенберг вспоминал, что в то время, когда написал свою работу о принципе неопределенности, он однажды плавал на яхте с Бором и Нильсом Бьёруммом, и он объяснял Бьёрумму содержание свой работы. Выслушав его, Бьёрмм обратился к Бору, говоря: Но Нильс, это же то, что ты говорил мне, когда мы были мальчишками!.

Принцип дополнительности был впервые представлен РІ 1927 Рі. РЅР° Международном Физическом Конгрессе РІ РљРѕРјРѕ, который был посвящен столетию СЃРѕ РґРЅСЏ смерти Алессандро Вольта. Рто было очень важное собрание, РІ котором квантовая механика впервые серьезно обсуждалась РІ столь широкой аудитории. Присутствовало большинство выдающихся физиков. Только Рйнштейн РЅРµ пожелал приехать РІ фашистскую Р�талию. Хотя Бор РІСЃРµ лето работал над своей СЂСѓРєРѕРїРёСЃСЊСЋ, работа была далека РѕС‚ окончательной формы. РќР° большинство присутствующих РѕРЅР° РЅРµ произвела впечатления. РћРЅРё находили аргументы Бора слишком философствующими Рё РЅРµ содержащими ничего РЅРѕРІРѕРіРѕ РІ физике. Паули осознал значимость новых идей Рё работал СЃ Бором РІ РљРѕРјРѕ после конференции, чтобы усовершенствовать СЂСѓРєРѕРїРёСЃСЊ. После дальнейшей работы окончательная версия была завершена Рє Пасхе 1928 Рі. Между тем РІ октябре 1927 Рі. появилась возможность представить принцип дополнительности РЅР° Сольвеевском конгрессе РІ Брюсселе. Там присутствовали РІСЃРµ великие европейские физики, включая Рйнштейна. Реакция Рйнштейна была сильно отрицательной Рё вызвала СЂСЏРґ РґРёСЃРєСѓСЃСЃРёР№, продолжающихся годами.

С открытием нейтрона и разработкой теории ядра Бор перенес свои интересы на применение квантовой теории к ядерным явлениям. В 1935 г. он сформулировал теорию ядерных реакций и, в развитие, первую теорию явлений деления вместе с Дж. А. Уиллером (г.р. 1911).

В 1940 г. Дания в нарушение договора с Германией была оккупирована силами вермахта. Правительство и король отдали приказ вооруженным силам не оказывать сопротивление агрессору и капитулировали. Вся германская операция по оккупации Дании заняла несколько часов. Знаменитый датский физик-теоретик, один из создателей современной физики, Нильс Хенрик Давид Бор (1885-1962), еще в 1920 г. основавший институт и сделавший его центром развивающихся наук (атомной физики и квантовой физики), к середине Второй мировой войны оказался в опасности. Хотя в первые годы войны Бор продолжал работать в Копенгагене над теоретическими деталями деления ядер в условиях германской оккупации Дании. Где-то в начале 1943 г. к Н. Бору обратился капитан Вольмер Гит, офицер службы информации Датского Генерального Штаба, к тому же и участник Движения Сопротивления в Дании. Поводом для встречи было письмо из Англии, по предположению Гита должное заинтересовать Бора. Спустя некоторое время пришло необычное письмо: это был микрофильм, спрятанный в капсуле размером с булавочную головку. Бор попросил Гита присутствовать при вскрытии послания. С помощью микроскопа Бор прочитал эпистолу английского физика Дж. Чедвика (1891 1974), известного за открытие нейтрона, лауреата Нобелевской премии по физике за 1935 год. Дж. Чедвик предлагал Бору перебраться в Англию. Ответ Бора был отрицательным: мотивировка невозможность оставить своих сотрудников в опасности. Письмо, размером два на три миллиметра, Бор завернул в фольгу и передал курьеру. Тот, в свою очередь, пошел к дантисту, который поместил письмо в дупло зуба и запломбировал его. Однако ситуация оставалась тревожной. Утром 29 сентября 1943 года Бор получает секретное сообщение о том, что фашисты собираются насильственно вывезти его в Германию, поскольку руководство Третьего рейха решило привлечь великого датчанина к реализации гитлеровского атомного проекта.