Гейзенберг. Принцип неопределенности

Физическое направление в Мюнхене курировали Арнольд Зоммерфельд и Вильгельм Вин. Последний занял должность преподавателя экспериментальной физики в Мюнхене в 1920 году, после того как в отставку вышел Рёнтген, первооткрыватель рентгеновских лучей. Гейзенберг должен был сдать необходимые экзамены, а также прослушать курсы по теоретической и экспериментальной физике, астрономии, физической химии, теории функций и дифференциальной геометрии. Лекции Зоммерфельда, охватывавшие весь курс теоретической физики, длились шесть семестров и включали следующие дисциплины: «Механика», «Механика деформируемого твердого тела», «Электродинамика», «Оптика», «Термодинамика и статистическая механика» и «Дифференциальные уравнения в частных производных в физике». Если студент включался в учебу после начала цикла лекций, то первые несколько семестров он должен был самостоятельно изучить пропущенный материал, чтобы затем присоединиться к группе Зоммерфельда. Гейзенбергу повезло: он поступил в университет, когда цикл лекций только начался, и закончил его за шесть семестров. Помимо этого, Гейзенберг должен был пройти специальные курсы на семинаре Зоммерфельда и выполнить назначенные задания.

В немецких университетах со времен реформы, начатой Вильгельмом фон Гумбольдтом, обучение было неотделимо от исследовательской работы. Каждый заведующий кафедрой возглавлял исследовательский институт, сотрудники которого занимались преподаванием и проводили исследования в зависимости от специализации профессора. Зоммерфельд уделял много времени своим студентам и с самого начала привлекал их к исследовательской работе. Так он мотивировал своих докторантов и одновременно оценивал их способности. Для этого Зоммерфельд проводил общее обсуждение недавно вышедших статей или писем от своих коллег, просил участников семинара проверить правильность своих расчетов или выкладок. Самым способным студентам профессор поручал проверку собственных рукописей, предлагал проанализировать новые результаты экспериментов, решить некоторые задачи и провести исследования на определенные темы. Все студенты без исключения были обязаны периодически представлять результаты своей работы перед остальными и отвечать на вопросы аудитории.

Когда Гейзенберг поступил в институт, Вольфганг Паули начал пятый семестр и был вторым помощником Зоммерфельда. Паули был вундеркиндом: к тому времени, когда он прибыл из Вены в Мюнхен, он уже успел опубликовать статью по общей теории относительности. Во время обучения Паули написал введение в теорию относительности, которое до сих пор считается прекрасным пособием по этой теме. Гейзенберг и Паули вместе посещали семинары Зоммерфельда всего два семестра, но этого было достаточно, чтобы между ними завязалась дружба. Гейзенберг всегда ценил критику Паули, несмотря на острый язык товарища: «Сколько раз он говорил мне: „Это чушь“».

В системе Зоммерфельда одаренные студенты могли получить докторскую степень практически сразу по окончании обучения – именно так и произошло с Паули и Гейзенбергом. Однако такой подход мог быть чреват большими пробелами в образовании – Зоммерфельд считал, что его студенты должны самостоятельно изучать те разделы физики, которых он не касался. И этим он отличался от своего коллеги Вильгельма Вина, который требовал, чтобы студенты вначале получили фундаментальные знания, а уже затем участвовали в исследовательской работе. В результате после окончания обучения математическая эрудиция Гейзенберга была недостаточной, а его пробелы в физике едва не помешали молодому человеку получить докторскую степень. К тому времени, как Гейзенберг начал участвовать в семинарах Зоммерфельда, он уже несколько лет занимался изучением атомных спектров и моделей атома.

В 1912 году датчанин Нильс Бор заинтересовался тем, какие последствия может иметь открытие атомного ядра. Мы уже упоминали, что планетарная модель атома, в которой отрицательно заряженные электроны вращаются вокруг большого положительно заряженного ядра, противоречит законам электродинамики. Стабильность атомов нельзя было объяснить классическими теориями. Бору казалось очевидным, что «каким бы ни было изменение законов движения электронов, кажется необходимым ввести величину, чуждую классической электродинамике. Эта величина – постоянная Планка». Постараемся схематично изложить его рассуждения.

Датский физик Нильс Бор (1885-1962) в 1922 году был удостоен Нобелевской премии по физике за работы о структуре и излучении атомов. Нет никаких сомнений, что именно Бор оказал наибольшее влияние на развитие квантовой механики и атомной физики. Его Институт теоретической физики в Копенгагене привлекал всех ученых, заинтересованных этими темами. Современное толкование квантовой механики называется копенгагенской интерпретацией – именно так назвал его Гейзенберг. Известны дискуссии об этой интерпретации между Бором и Эйнштейном, который отказывался признать ее следствия. Нильс Бор также внес важный вклад в изучение структуры и свойств атомных ядер.

Гейзенберг и Бор поддерживали очень тесные рабочие и дружеские отношения, которые ухудшились в 1941 году, после визита Гейзенберга в Копенгаген, когда Дания уже была оккупирована нацистами. В 1943 году Бор тайно отправился из Дании в Англию, а затем присоединился к группе британских ученых, участвовавших в создании первой атомной бомбы в американском Лос-Аламосе.

Во-первых, электрон может находиться на орбитах, которые Бор назвал стационарными, и не испускать излучения. Бор предположил, что излучение испускается в момент перехода электрона с одной орбиты, которой соответствует больший энергетический уровень, на другую, с меньшим энергетическим уровнем. В обратном случае излучение поглощается. Обозначим каждую стационарную орбиту целым числом n, соответствующую величину энергии – E(n). Следует напомнить, что, согласно гипотезе Эйнштейна о свете, в которой фигурирует постоянная Планка, энергия излучения (равная произведению частоты ƒ на постоянную Планка h) равна разности энергий между двумя орбитами, которым соответствуют числа тип. Иными словами,

Следует напомнить, что частоты волн в спектре излучения атома водорода описываются формулой Ридберга:

Сравнив эти выражения, мы увидим, что величины энергии Е(n) пропорциональны 1/n² . Именно в этом и заключалась гипотеза Бора, который использовал классические уравнения, чтобы определить искомый коэффициент пропорциональности. В современных учебниках приводится иная, однако эквивалентная, формулировка, в которой предполагается, что момент импульса электрона, находящегося на стационарной орбите, кратен постоянной Планка h. Бор смог выразить постоянную Ридберга через массу электрона, его электрический заряд и, естественно, постоянную Планка. Вычисленное значение совпадало с экспериментальным в пределах погрешности измерения. Таким образом, модель Бора, основанная на разумной, однако ничем не подтвержденной гипотезе, точно описывала результаты экспериментов и стала прекрасной отправной точкой в изучении структуры атомов. Целое число n, которое фигурирует в формуле Бора, называется главным квантовым числом.

В этот момент в дело вмешался Зоммерфельд, который в 1916 году, в разгар Первой мировой войны, рассмотрел возможность существования более общих квантовых условий, позволяющих описать атом водорода. Бор предположил, что электроны движутся по круговым орбитам, однако в общем случае орбиты электронов в планетарной модели имеют форму эллипсов. Окружность описывается одной величиной, радиусом, эллипс – двумя, а именно длиной большей и меньшей полуосей. Следовательно, предположил Зоммерфельд, чтобы описать состояние электрона, требовались два квантовых числа. В своих рассуждениях он использовал то же главное квантовое число, п из модели Бора, которое принимало значения 1, 2, 3, … Другое квантовое число, которое он обозначил через k, принимало значения от 1 до n. В современной нотации мы используем число I = k – 1, которое принимает значения от 0 до n – 1. Зоммерфельд обнаружил, что стационарные состояния, характеризующиеся одним и тем же значением n и разными значениями l, имеют одинаковую энергию как для круговой, так и для эллиптической орбиты. Такие состояния называются вырожденными для квантового числа l.

В дополнение к этому Зоммерфельд рассмотрел релятивистские эффекты. Если скорости элементов системы составляют значимую часть скорости света (1% уже является значимой частью), законы классической физики перестают действовать. Зоммерфельд не привел строгое решение релятивистской задачи, а ограничился тем, что нашел приближенное выражение для расчета энергии. Его результат был равен выражению, полученному Бором, с поправкой, зависевшей от чисел n и l. Иными словами, релятивистские эффекты нарушали вырожденное состояние. Поправка зависела от квадрата величины а = e²/(hc), которая, в свою очередь, зависит от величины заряда электрона e, скорости света c и редуцированной постоянной Планка h («аш со штрихом»), равной постоянной Планка h, разделенной на 2π. Величина поправки называется постоянной тонкой структуры и равна примерно 1/137036. Релятивистская поправка очень мала, поэтому ее можно наблюдать лишь при использовании более точных спектроскопических методов (отсюда и название «постоянная тонкой структуры»). Таким образом, обобщение Зоммерфельда, в котором вводилось второе квантовое число, позволяло объяснить еще не известные эффекты.

Физики начали понимать всю сложность спектров, однако им по-прежнему приходилось использовать ничем не обоснованные предпосылки. Ученые не понимали, почему электрон не испускал излучение, находясь на стационарной орбите, и ограничивались объяснением событий, происходивших во время перехода с одной орбиты на другую, – квантовых скачков. Без ответа оставалось множество вопросов, например: что происходило в атомах, имевших много электронов? Все электроны или их часть могли располагаться на одной круговой орбите, на концентрических орбитах или, возможно, их орбиты пересекались. Благодаря своей интуиции Бор смог получить первое представление о периодической системе элементов. Вся эта совокупность более или менее обоснованных предположений стала называться «старой квантовой теорией», в отличие от возникшей «новой». Упомянем еще несколько задач, рассмотренных в старой квантовой теории.

С появлением новых дифракционных решеток стало возможным измерять спектры со все большей точностью. Это можно сравнить с подбором очков: когда человек с плохим зрением идет к окулисту, то вначале видит лишь расплывчатые фигуры, а затем, примеряя линзы, постепенно начинает различать очертания букв. Аналогично, с ростом точности наблюдений атомные спектры демонстрировали все более сложную структуру. На рубеже 1920-х годов ученые смогли увидеть, что некоторые линии спектров атомов щелочных металлов, в частности натрия и калия, были двойными, а линии спектров щелочноземельных металлов, к примеру магния и кальция, – даже тройными. Испанский ученый Мигель Каталан, исследовав спектры магния и хрома, показал, что существуют кратные линии спектров, состоящие из четырех, шести и даже восьми линий. Кроме того, было известно, что в электростатическом или магнитном поле линии спектра также удваивались. Таким образом, в действительности модель Бора описывала атомный спектр водорода весьма приближенно. Однако это был первый важный шаг в правильном направлении.

Представим некоторые формулы, описывающие атом водорода. Энергия стационарного состояния в модели Бора определяется выражением

где n – главное квантовое число, R – постоянная Ридберга. Бор получил выражение

где m – масса электрона, е – его электрический заряд, h – редуцированная постоянная Планка.

В расширенной модели Зоммерфельда использовалось второе квантовое число, которое мы обозначили буквой l, принимающее значения от 1 до n. С помощью релятивистских поправок Зоммерфельд определил, что энергия стационарного состояния определяется как

где α – постоянная тонкой структуры. Большее значение поправки, соответствующее квантовым числам n = 1 и l = 0, равняется 1 + α²/4 и равно 1,000013…, то есть примерно одной стотысячной.

Спустя несколько недель после того, как Зоммерфельд допустил Гейзенберга на свои семинары, он предложил новому студенту задачу, которую не мог решить сам. В 1895 году голландский физик Питер Зееман (1865-1943) обнаружил, что в присутствии магнитного поля некоторые спектральные линии утраиваются. Появление дополнительных линий не зависело от анализируемого вещества и определялось магнитным полем. Этот эффект можно было объяснить с помощью законов классической физики, однако ученых интересовала его интерпретация в рамках обобщенной модели атома, предложенной Зоммерфельдом. Электрон, движущийся по замкнутой орбите, эквивалентен электрическому току в катушке, который, в свою очередь, порождает магнитное поле. Это магнитное поле взаимодействует с внешним магнитным полем, при этом энергия их взаимодействия зависит от угла между ними. Зоммерфельд предположил, что этот угол также описывается квантовыми законами и может принимать только дискретные значения, определяемые неким квантовым числом. Это число Зоммерфельд назвал магнитным числом и обозначил его буквой m. Таким образом, в магнитном поле энергия стационарного состояния зависела от трех квантовых чисел: n, l, m. Далее Зоммерфельд попытался рассчитать частоты перехода на основе разности энергий и сравнить их с наблюдаемыми линиями спектра.

Его метод был корректным, однако переставал работать, когда наблюдались другие удвоенные линии, положение которых определялось не только магнитным полем, но и исходным спектром. Это явление получило название аномального эффекта Зеемана. Его объяснение Зоммерфельд и поручил Гейзенбергу. В случае классического эффекта Зеемана достаточно было описать каждое стационарное состояние с помощью трех квантовых чисел (n,l, m), рассмотрев геометрию орбит электронов. Зоммерфельд перешел к рассмотрению четвертого квантового числа, которое назвал внутренним, и попытался представить спектральные термы в виде частного целых чисел так, чтобы их разность соответствовала результатам наблюдений. После нескольких безуспешных попыток он передал задачу Гейзенбергу, который начал обучение всего несколько недель назад. Для решения проблемы юноше требовалось изучить совершенно новую в то время квантовую теорию, а также основы физики.

Катушка, по которой течет электрический ток, ведет себя как магнитный диполь, то есть аналогично стрелке компаса. На рисунке изображена прямоугольная катушка (впрочем, ее форма не имеет значения). Введем вектор →A, перпендикулярный плоскости катушки, длина которого будет равна площади катушки. Если через катушку течет ток силой l, дипольный момент катушки определяется как вектор →μ=l→A. Энергия взаимодействия с магнитным полем B равна скалярному произведению – →μ• →B, то есть μBcosα, где α – угол между векторами →μ и →B. Теперь рассмотрим электрон, который движется по круговой орбите радиуса r со скоростью T=2πr/v. Момент импульса электрона на орбите будет задаваться вектором →l = m→v•→r, перпендикулярным плоскости орбиты. Движение заряженного электрона по орбите будет эквивалентно электрическому току l=-е/Т в круговой катушке радиуса r. Магнитный момент будет обозначаться вектором, перпендикулярным плоскости катушки. Чтобы вычислить модуль этого вектора, нужно умножить силу тока l на площадь катушки πr² . Результат будет пропорционален моменту импульса электрона и может быть записан так:

В декабре Гейзенбергу удалось получить схему, описывавшую результаты экспериментов. Однако радость Зоммерфельда померкла сразу же, едва тот увидел, что Гейзенберг применил внутренние квантовые числа с полуцелыми значениями (иными словами, нечетные числа, разделенные на 2, то есть 1/2, 3/2, 5/2 и т.д.). Профессор сказал: единственное, что достоверно известно в квантовой теории, – это то, что квантовые числа могут принимать только целые значения. Однако он оценил, насколько точно модель Гейзенберга описывала результаты экспериментов, и начал длительное обсуждение допустимости полуцелых квантовых чисел. Саркастичный Паули заметил, что после полуцелых чисел настанет черед четвертей, затем восьмых частей и так далее. Спустя несколько месяцев Зоммерфельд получил письмо от своего старого помощника Альфреда Ланде, который сообщал, что аномальный эффект Зеемана можно объяснить с помощью полуцелых квантовых чисел. Зоммерфельд ответил, что, по его мнению, результаты Ланде требуют доработки, и добавил: «Ваше новое представление прекрасно согласуется с тем, что обнаружил, но не опубликовал один из моих студентов (первокурсник)». И Гейзенберг, и Ланде умели играть с числами. Они не знали, какой физический смысл могут иметь полуцелые квантовые числа, однако предложенная ими концепция позволяла обнаружить некий порядок в наблюдаемых линиях спектра. Позже было установлено, что полуцелые квантовые числа связаны с одним из свойств электрона – спином.

Модель Гейзенберга сегодня вызывает лишь исторический интерес, но мы вкратце опишем ее, чтобы вы могли оценить интуицию ученого. Валентными называются электроны атома, которые меньше привязаны к нему. К примеру, атомы щелочных металлов имеют всего один валентный электрон, атомы щелочноземельных металлов – два валентных электрона и так далее. Эти электроны вращаются вокруг остального атома (атомного ядра и прочих электронов), который Гейзенберг называл каркасом атома. Электрон, движущийся по орбите, обладает моментом импульса, значения которого, согласно модели Бора, кратны постоянной Планка. Гейзенберг рассмотрел энергию взаимодействия между магнитным полем валентного электрона, магнитным моментом каркаса атома и внешним магнитным полем. Он увидел, что энергии стационарных состояний можно вычислить в случае, если момент импульса делится между валентным электроном и каркасом атома, вследствие чего возникает полуцелое квантовое число. Эта гипотеза позволяла объяснить аномальный эффект Зеемана. Чем вызвано подобное явление, Гейзенберг никак не объяснял.

На рисунке показано воздействие магнитного поля на линии спектра. В качестве примера нормального эффекта Зеемана можно привести атомный спектр кадмия. К исходной линии добавляются еще две, расположенные симметрично относительно нее. А в атомном спектре натрия к одной линии могут добавиться четыре или шесть линий, расположенных симметрично исходным. В этом и состоит аномальный эффект Зеемана, который нельзя было объяснить, не введя понятие спина электрона.

Зоммерфельд одобрил модель своего студента, так как в течение нескольких лет только с ее помощью можно было точно описать результаты экспериментов. В конце 1921 года Гейзенберг написал статью, посвященную полученным результатам, и отправил ее в научный журнал. Профессор рассказал об этом в письме Эйнштейну: «Мой ученик (Гейзенберг, с третьего семестра!) объяснил эти законы и аномальный эффект Зеемана с помощью модели и опубликовал их в журнале Zeitschrift fiir Physik [«Физический журнал»]. Предложенное им объяснение корректно, однако его глубинный смысл по- прежнему неясен». Это означало, что тайна пока оставалась нераскрытой.

В июне 1922 года Макс Борн (1882-1970) организовал в Гёттингене встречу немецких физиков с Нильсом Бором. Это мероприятие имело большое научное и политическое значение, ведь в течение нескольких послевоенных лет ученые побежденной страны подвергались бойкоту со стороны «победителей». Немецкие ученые имели возможность посещать только те конгрессы, которые проводились в странах, сохранявших во время войны нейтралитет. Визит Бора имел целью покончить с бойкотом. Немецкие деятели науки наконец-то смогли обсудить вопросы атомной физики и квантовой теории с наиболее авторитетным ученым тех лет. Зоммерфельд вместе с Гейзенбергом и другими студентами также отправился в Гёттинген.

В течение двух недель Бор описал состояние атомной физики на текущий момент, подробно остановился на актуальных задачах и представил их возможные решения. По его мнению, требовалось определить квантовые правила и последовательно применить их для решения задач. Бор упомянул модель каркаса атома, предложенную Гейзенбергом, без особого энтузиазма – эта гипотеза была важной, но не имела обоснования. В одной из бесед Бор представил работу своего коллеги Крамерса об эффекте Штарка, который заключался в отделении линий спектра в присутствии внешнего электрического поля. К этому времени Гейзенберг уже был знаком с работой Крамерса, поэтому обратился к Бору с критическими соображениями. Это вызвало удивление в аудитории: недоучившийся студент осмелился критиковать коллегу великого ученого. Однако возражения Гейзенберга были уместны, и по окончании беседы Бор предложил ему прогуляться, чтобы продолжить дискуссию. Много лет спустя Гейзенберг вспоминал, что разговор почти сразу перешел к его любимым темам: философским вопросам об атомах, использованию привычных понятий для их описания, а также к тому, что означает «понимание» физических явлений.