История возникновения квантовой механики #1

Сегодня трудно представить себе жизнь без таких благ цивилизации как интернет, цифровые технологии, достижения современной медицины и фармацевтики, освоение космоса.

Однако многие не задумываются, что все это есть следствия случившегося в начале 20 века величайшего в истории человечества события – создания квантовой механики.

Удивительно, но некоторые не понимают, что квантовые технологии давно проникли в нашу повседневную жизнь. Дома светят светодиодные лампочки, экран телевизора и смартфона работает на квантовых точках. Все цифровые девайсы и их составляющие (микросхемы, процессоры, память) основаны на транзисторах. В оптоволоконных линиях связи используется лазерное излучение. Системы глобального позиционирования (GPS, ГЛОНАСС) используют атомные часы. Томографы в медицинской диагностике основаны на квантовых явлениях. Да даже расстояния на стройке сейчас измеряют не линейкой, а лазерным дальномером.

Но транзисторы, светодиоды, лазеры, GPS, томографы… они никогда бы не появились не будь квантовой механики. Невозможно случайно изобрести лазер или транзистор. Их создание совсем не похоже на случайное открытие виагры или ЛСД.

А посмотрите как изменило наш мир ядерное оружие и энергетика.

Однако, как это не странно, истории науки и в частности истории квантовой механики уделяется чрезвычайно мало внимания в современном обществе, сопоставив с тем какую роль ее создание оказало на развитие цивилизации.

Различным правителям, социально-экономических режимам, войнам уделяется в школах несопоставимо больше времени. Сравните последствия для человечества ну, например, первую мировую войну с изобретением транзистора. Вряд ли кто-то сможет достоверно ответить на вопрос что бы поменялось для человеческой цивилизации не будь первой мировой войны. Но вот без микроэлектроники современную жизнь представить уже невозможно.

И так было во все времена. Наука формировала облик цивилизации. С научными открытиями связаны целые эпохи. Вспомните изобретение водопровода в античности.

Открытия Ньютона в средних веках привели к бурному развитию механизмов помимо чистой математики, астрономии и многого прочего. Развитие термодинамики в 17 веке привело к появлению паровых машин. Создание электродинамики открыло человечеству путь к использованию электричества.

Но почему-то ученых и научное сообщество принято не замечать в современном мире, хотя они оказывает влияние на цивилизацию куда более и долговременнее каких-то отдельно взятых правителей. Возьмите хотя бы последствия создания атомной бомбы. Нет уже ни Рузвельта, ни Сталина, ни СССР, но созданное Оппенгеймером и Сахаровым ядерное оружие оказывает влияние на мироустройство до сих пор. И вероятнее всего продолжит это делать.

Итак, переместимся к истокам самой значительной научной революции со времен Ньютона, превосходящей по своей значимости все исторические события и мировые войны вместе взятые — создание квантовой механики.

Принято выделять несколько вех в становлении квантовой теории.

Началом считают 1900 год. Период с 1900 по 1925 год является временем развития так называемой «старой квантовой механики». Она представляет собой комбинирование классической механики с некоторым набором «квантовых условий» — положений, противоречащих классической физике, но необходимых для хоть какого-то объяснения экспериментальных данных.

В 1925 году выходит основополагающая статья Вернера Гейзенберга с которой принято вести отсчет рождения «новой квантовой механики». Сейчас под термином «квантовая механика» понимается именно эта новая теория.

Идеи квантовой механики кардинально отличаются от классической Ньютоновской механики. Поэтому чрезвычайно удивительным кажется тот факт, что с появления статьи Гейзенберга в 25 году до окончательной формулировки всех принципов уходит всего два года.

Сольвейскую конференцию 1927 года принято считать окончанием всех разногласий и становлением квантовой механики в ее современном виде. Чрезвычайно удивительно, что формулировка квантовой механики заняла всего каких-то два года. И это несмотря на то, что она требует никогда ранее не используемую в физике математику, и вообще других подходов к постановке физических задач да и вообще изменению мировоззрения в целом.

Сейчас у многих просто изучение квантовой механики по всем доступным благодаря интернету источникам занимает больше чем 2 года времени. А некоторые вообще не способны ее понять сколько бы не изучали. Да, квантовая механика создавалась действительно гениями.

Конечно после 1927 года тоже было многое сделано. Придуманы новые удобные обозначения, осознаны лежащие в основе квантовой механики математические структуры. Развиты подходы к исследованию конкретных задач. Кульминацией всего этого можно считать создание Стандартной модели элементарных частиц и их взаимодействий.

Но фундаментальные принципы, заложенные в 1925-27 годах остались неизменными.

Вернемся к истокам квантовой механики. В 1900 год

Начало 20 века.

На Петербургском заводе спущен на воду крейсер «Аврора».

Ленин возвращается из трехлетней сибирской ссылки и эмигрирует из России на 5 лет.

В США вступает в силу закон о «золотом стандарте», фиксирующем обменный курс доллара к золоту.

Открывается первая ветка парижского метро.

Открывается телеграфное сообщение между Германией и США через  кабель, проложенный по дну атлантического океана.

В Германии Цеппелин осуществляет свой первый полёт.

14 декабря Макс Планк читает перед Немецким физическим обществом в Берлине свою знаменитую лекцию об открытом им законе излучения. Планк говорит, что излучение может испускаться только определёнными порциями — квантами.

Энергия квантов пропорциональна частоте. Коэффициент пропорциональности сейчас называется постоянной Планка.

Планк пришел к этой противоречащей известной физике гипотезе пытаясь объяснить экспериментально наблюдаемый спектр теплового излучения.

Сделаем небольшое отступление в физику данного явления.

Известно, что все тела излучают свет, который согласно представлениям классической электродинамики, является просто электромагнитными волнами.

Наше Солнце излучает свет преимущественно в видимом человеческому глазу диапазоне частот. Но оно также излучает в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах, но в меньшей степени. Можно построить график зависимости интенсивности излучения от частоты.

Если пренебречь всеми свойствами излучающего тела кроме его температуры, то график зависимости интенсивности от частоты выглядит довольно просто.

Такое излучение называется тепловым излучением абсолютно черного тела. На первый взгляд может показаться абсурдом как черное тело может излучать, оно ведь черное.

Но в этом и вся суть, черное тело не отражает падающий на него свет потому что черное. Оно может только излучать и излучает из-за наличия у него ненулевой температуры. Поэтому такое излучение и называется тепловым. Конечно это в некоторой степени идеализация, но физика в основном и работает с такими упрощениями и идеализациями.

Современники Планка пытались вывести формулу для такой зависимости интенсивности от частоты исходя из первых принципов – классической теории электродинамики Максвелла. Но все предсказания классической электродинамики оказывались противоречащими экспериментальным данным. Получаемая функция уходила в бесконечность при росте частоты, в ультрафиолетовую сторону. Ситуация даже получила свое историческое название – ультрафиолетовая катастрофа.

Максу Планку удалось получить формулу, дающую правильную зависимость, но ценой введения кванта энергии, позже названного фотоном.

планк до и после

Конечно идея частиц света не была нова. Еще сам Ньютон был сторонником корпускулярной теории света. Но опыты с интерференцией и дифракцией света четко говорили в пользу волновой теории света. Со времен Гюйгенса считалось, что корпускулярная теория света мертва. Волновые свойства света можно видеть в сотнях экспериментов, объяснить которые с точки зрения частиц света казалось невозможным.

Макса Планка с его теорией частиц света не воспринимали всерьез вплоть до 1905 года.

В России идет «Кровавое воскресенье» и начинается первая русская революция.

Продолжается русско-японская война.

Достроена и официально открыта транссибирская магистраль.

В США основан город Лас-Вегас.

Чарльз Д. Перрайн открыл спутник Юпитера.

Уолтер Гриффитс изобретает пылесос.

Никому не известный 26-летний служащий патентного бюро, Альберт Эйнштейн, в один год публикует работы по специальной теории относительности, броуновскому движению и фотоэлектрическому эффекту.

Фотоэффект наблюдался экспериментаторами еще в конце 19 века. Был, например, известен такой факт, что искровой разряд усиливается если посветить на электрод ультрафиолетом. И это усиление зависело не от интенсивности падающего излучения (его яркости), а только от его частоты.

Если считать свет электромагнитной волной, то такое поведение невозможно объяснить. В волновой теории, несущая волной энергия зависит от амплитуды волны. Чем больше амплитуда волны, тем больше энергия. В рамках классической электродинамики считается, что падающая на металл электромагнитная волна раскачивает электроны и отрывает их с поверхности металла. Эти вырванные электроны и формируют дугу разряда. Чем больше амплитуда падающей электромагнитной волны тем больше должно быть вырванных с поверхности электронов и тем больше электрический разряд.

Но на практике получалось, что разряд вообще не зависел от интенсивности падающего света. Разряд менялся только при изменении частоты падающего света. При освещении электрода ультрафиолетом разряд возникает, а при освещении скажем видимым светом уже нет. И увеличение яркости ни к чему не приводит. Ни при какой интенсивности видимого света.

Эйнштейн элегантно объяснил результаты этих экспериментов используя гипотезу Планка. Аргумент чрезвычайно простой и понятный. Согласно Планку энергия излучения переносится только дискретными порциями – квантами, фотонами. Энергия фотона пропорциональна частоте. Если энергии фотона достаточно чтобы вырвать электрон с поверхности металла, то этот электрон будет вносить вклад в электрический разряд. Если же нет, то он останется в материале электрода и никак не влияет на разряд. Следовательно только энергия фотонов влияет на электрический разряд, а не их количество.

То есть Эйнштейн развил далее идею Планка и постулировал, что поглощение света также происходит квантами. Фотоэффект по Эйнштейну не зависит от количества падающих на металл фотонов – интенсивности света. Скорость вылетающих с поверхности металла электронов зависит только от частоты падающего излучения – частоты фотонов.

Красивое и чрезвычайно простое доказательство, за которое Эйнштейну формально и дали Нобелевскую премию в 111 году, хотя конечно основной его вклад в науку – это теория относительности. Но нобелевский комитет чрезвычайно консервативен и формально отказался давать премию за относительность даже в 1921 году, когда уже всем была очевидна справедливость теории относительности.

После публикации Эйнштейна по фотоэффекту к теории Макса Планка о квантах света физики уже начали относиться всерьез.