Гейзенберг. Принцип неопределенности

Гимназические преподаватели Гейзенберга всегда отмечали его исключительные знания. Вернер по праву считался одним из лучших учеников в своем классе и всегда имел высший балл по математике. Возможно, благодаря соперничеству с братом, которое поощрял отец мальчика, при поступлении в гимназию Вернер знал намного больше, чем требовалось. Неудивительно, что преподаватель математики предлагал ему в дополнение к обычным задачам другие, более сложные. Отец, видя интерес сына к математике, достал для него несколько книг… написанных на латыни, чтобы убить одним выстрелом двух зайцев. Должно быть, отец переоценивал возможности Вернера – вместе с другими книгами он передал ему докторскую диссертацию по теории чисел Леопольда Кронекера, опубликованную в 1845 году Конечно, Гейзенберг многое в этой работе не понял, но зато познакомился с простыми числами, критериями делимости, теоремой Ферма и так далее. В результате в 1916 году музыка и теория чисел стали основными интересами Вернера.

В теории атомных спектров, на основе которой позднее была создана квантовая физика, основную роль играли именно целые числа. Однако сначала коротко расскажем о дискретности и непрерывности. Рассмотрим все десятичные дроби, целая часть которых равна нулю, например 0,73649100093. Существует бесконечное множество таких чисел, так как мы всегда можем добавлять к их записи все новые и новые знаки после запятой. Эти числа образуют непрерывное множество, так как для любых двух таких чисел можно найти третье число, заключенное между ними. Однако на этом бесконечном множестве можно выделить особые числовые ряды, например 1/2,1/3,1/4, 1/5 … или 1/22 , 1/32 , 1/42 , 1/52 … Эти ряды также будут содержать бесконечное множество членов, которые, однако, уже не будут образовывать непрерывного множества: к примеру, между 1/3 и 1/4 не заключено никакое число ряда. Говорят, что такие числа образуют дискретное множество. Теперь вернемся к атомным спектрам.

При прохождении солнечного света через призму образуется радуга. Каждый ее цвет характеризуется частотой или длиной волны. Эти величины связаны: произведение частоты на длину волны равно скорости распространения волны. Теперь рассмотрим нагретый светящийся газ, подобный тому, который можно увидеть в люминесцентных лампах. Если мы пропустим свет, излучаемый газом, через призму, то вместо радуги увидим несколько ярких линий, соответствующих определенным значениям частоты. Такой спектр называется дискретным. Кроме того, если пропустить через призму белый свет, который до этого прошел через газ, то на непрерывном спектре будут заметны темные линии, в точности соответствующие ярким линиям спектра этого же светящегося газа.

Светящиеся газы испускают излучение, которое можно проанализировать с помощью спектрометра. Основным элементом этого устройства является призма. Все остальные его компоненты – шкалы, линзы и другие оптические приборы – служат для точного измерения длин волн в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой частях спектра. Как показано на рисунке 1, при прохождении белого света через призму образуется непрерывный спектр из всех цветов радуги. Если же через призму проходит свет, испускаемый светящимся газом, то будут видны лишь несколько ярких линий, соответствующих определенным значениям частоты. В таких случаях говорят о дискретном спектре. Кроме того, если пропустить через призму белый свет, который до этого прошел через газ, то на непрерывном спектре будут заметны темные линии, соответствующие линиям спектра этого же светящегося газа.

Рис. 1

На рисунке 2 показана часть спектра водорода и ртути. Длины волн заключены в интервале между 660 и 190 нм (нанометр – одна миллиардная часть метра). Видимый спектр соответствует диапазону частот 400- 700 нм. Чтобы найти частоты этих линий, нужно разделить скорость света (300000 км/с) на соответствующие длины волн. Результаты будут пропорциональны разности двух энергий. На заре атомной физики ученые стремились рассчитать величины этих энергий, которые зависели от определенных квантовых чисел, по известным разностям энергий. Вскоре стало очевидно, что получить все возможные разности энергий в ходе экспериментов нельзя. В результате были определены различные правила выбора, в которых фигурировали квантовые числа.

Рис. 2

В 1860 году немецкие ученые Кирхгоф и Бунзен показали, что с помощью дискретных спектров можно обнаруживать различные химические элементы – как сегодня можно идентифицировать товар по его штрихкоду. Для этого достаточно составить подробный каталог частот, соответствующих каждому элементу. Кроме того, чтобы понять, откуда берутся лучи спектра, потребовалось определить отношения между наблюдаемыми частотами не только в видимой части спектра, но и в инфракрасной и ультрафиолетовой. Число лучей в подобном «штрихкоде» может быть огромным: так, число линий атомного спектра железа достигает нескольких тысяч.

Простейшим атомным спектром является спектр атома водорода – он содержит всего четыре луча в видимой части. Длины волн этих лучей были измерены в 1884 году шведским ученым Андерсом Ангстремом. В следующем году в исследовании принял участие Иоганн Бальмер, швейцарский учитель математики, который преподавал в технических школах и женских учебных заведениях Базеля. Спустя более 20 лет после защиты докторской диссертации Бальмер получил хабилитацию, а с ней – право преподавать в университете. Ученый не раз говорил друзьям и коллегам, что если ему дадут любой ряд чисел, то он сможет найти формулу, связывающую их. Один из коллег предложил ему недавно полученные результаты измерений спектра водорода, и Бальмер справился с задачей. Его открытие вызвало еще больший интерес, когда другие ученые обобщили результат Бальмера и смогли полностью описать атомный спектр водорода. Спектральные «штрихкоды» постепенно начали упорядочиваться. Частоты спектральных линий пропорциональны обратным квадратам двух целых чисел. Описывающее их математическое выражение, известное как формула Ридберга, выглядит так:

где m и n – два целых числа (m < n), R – постоянная Ридберга.

Однако формула Бальмера не имела под собой никакой научной основы. Теперь расскажем, какую роль в зарождении квантовой физики сыграли целые числа.

Каким образом Бальмер получил свою магическую формулу? Отправной точкой послужили четыре длины волны, выраженные в нанометрах:

656,21: 486,07 : 434,01: 410,12.

Сначала разделим все числа на наименьшее из них. Не будем записывать все десятичные знаки после запятой и приведем округленные результаты деления:

1,6:1,185:1,058:1.

Двоеточия означают, что речь идет об отношениях чисел. Теперь нужно как-то записать эти числа в виде рациональных дробей, то есть как частные двух целых. Предприняв несколько попыток, вы увидите, что если мы умножим все четыре числа на 9/8, то получим:

9/5:4/3:25/21:9/8.

Было бы удобнее, если бы знаменатели располагались в порядке возрастания. Для этого умножим второе и четвертое число на 4/4, то есть на 1. Новый ряд чисел будет выглядеть так:

9/5; 16/12; 25/21; 36/32.

Видите ли вы какую-либо закономерность, связывающую эти числа? От Бальмера не ускользнул тот факт, что их числители являются квадратами последовательных целых чисел (3,4,5,6), а знаменатели равны числителям, уменьшенным на 4, что можно записать как 2 в квадрате. Подведем итог: если каждой линии спектра поставить в соответствие целое число n, то длины волн будут пропорциональны дроби n²/(n² -2² ), где n принимает значения 3, 4 и так далее. Читатель может убедиться, что коэффициент пропорциональности равен 364,56 нм. Это выражение представляет собой всего лишь результат игры с числами, однако, как предположил Бальмер, его можно записать для других линий спектра, заменив 2² квадратами следующих целых чисел. Если рассмотреть частоты, которые, как известно, обратно пропорциональны длинам волн, то, с точностью до постоянного коэффициента, они будут описываться членами ряда 1/2² -1/n² .

С зарождением квантовой физики связана одна техническая задача. Во второй половине XIX века ученые и инженеры заинтересовались изучением абсолютно черного тела – идеального объекта, поглощающего все падающее на него излучение. На практике абсолютно черное тело представляет собой полость, внутреннее излучение которой можно наблюдать сквозь небольшое отверстие. Интерес к этому идеальному объекту возник, когда Густав Кирхгоф показал, что интенсивность излучения (точнее, энергия излучения на единицу объема и на единицу частоты внутри полости) не зависит от природы стенок тела, а определяется исключительно частотой излучения и температурой полости. Изучение абсолютно черного тела позволяло определить закономерности, описывающие излучение светящихся тел.

Интенсивность излучения можно было измерить без особых проблем. Она определялась как функция частоты, ее графиком является кривая, выходящая из начала координат, следующая через точку максимума и приближающаяся к нулю по мере роста частоты. Эта кривая напоминает асимметричный колокол, высота и ширина которого зависят от температуры. Однако эту кривую нельзя было объяснить с помощью известных в то время теорий. К 1910 году немецкий ученый Макс Планк эмпирическим путем получил математическую формулу, описывавшую результаты наблюдений для любой частоты и температуры. Для теоретического подкрепления этой формулы Планку пришлось выдвинуть крайне специфическую гипотезу (по его словам, это было «актом отчаяния»): ученый предположил, что излучение с частотой ƒ не может передавать материи произвольную величину энергии; энергия должна быть кратной некой минимальной величине, пропорциональной частоте излучения. Энергообмен описывался дискретной величиной nhƒ, где коэффициент пропорциональности h вначале назывался квантом действия (действие в физике определяется как произведение энергии на время), однако вскоре стал называться постоянной Планка.

Кривая излучения абсолютно черного тела напоминает асимметричный колокол, форма которого зависит от температуры. Значение физических терминов не всегда совпадает с обычным значением обозначающих их слов: звезды ведут себя как абсолютно черные тела, а анализ кривой излучения звезд позволяет определить температуру их поверхности. Так, известно, что температура поверхности Солнца составляет примерно 6000°С. Анализ фонового излучения Вселенной показал, что ее температура составляет примерно 3 К.

Спектральная плотность мощности (в произвольных единицах)

Значение этой постоянной очень мало: h= 6,6 • 10^-34, и из-за этого гипотеза Планка никак не проявляется в повседневной жизни. Конечно, сегодня эту гипотезу называют революционной, однако в свое время никто не ожидал подобного эффекта. Ученые, изучавшие абсолютно черное тело, использовали чудесную формулу Планка, корректность которой находила все новые подтверждения, но не придавали никакого значения его рассуждениям.

Исключением стал Эйнштейн – он не только серьезно отнесся к гипотезе Планка, но и пошел дальше него, совершив настоящую революцию в физике. В одной из своих знаменитых статей 1905 года – в работе «Об одной эвристической точке зрения, касающейся возникновения и превращения света» – Эйнштейн предположил, что свет образован квантами энергии, или частицами, которые с 1924 года называются фотонами. Иными словами, излучение передает дискретные величины энергии потому, что оно само состоит из дискретных элементов. Эта новая гипотеза помогла Эйнштейну объяснить два интересных экспериментальных результата. Одним из них был фотоэффект – явление, которое заключается в испускании металлом электронов под воздействием ультрафиолетовых лучей. Эйнштейн объяснил результаты, полученные Филиппом фон Ленардом в 1902 году, и выдвинул несколько гипотез, которые подтвердил Роберт Милликен в 1916 году. Еще одно любопытное достижение ученого было связано с удельной теплоемкостью – физической величиной, характеризующей изменение температуры тел при нагреве. С начала XIX века известно, что удельная теплоемкость тел при достаточно высоких температурах постоянна. Однако при низких температурах в классическую трактовку теплоемкости вносятся все новые и новые исключения. В работе, которую впоследствии уточнил голландский ученый Петер Дебай, Эйнштейн доказал, что кванты энергии в точности описывают результаты экспериментов с теплоемкостью тел при любой температуре. Таким образом, гипотезу Планка для частной задачи об излучении абсолютно черного тела Эйнштейн применил к самым разным областям.

Макс Карл Эрнст Людвиг Планк (1858-1947) был одним из выдающихся выпускников мюнхенской Максимилиановской гимназии, которую несколькими годами позже окончил Вернер Гейзенберг. Планк учился в Берлине вместе с Германом фон Гельмгольцем и Густавом Кирхгофом и в 1879 году в Мюнхене получил докторскую степень, защитив диссертацию, посвященную второму закону термодинамики.

Планк возглавлял кафедру теоретической физики Берлинского университета с 1887 года и известен прежде всего благодаря исследованию абсолютно черного тела (1900), ознаменовавшему рождение современной квантовой механики. За это исследование ученый в 1918 году был удостоен Нобелевской премии по физике. Благодаря своим научным достижениям и высоким моральным качествам Планк пользовался огромным авторитетом среди коллег. Его имя носит самый престижный из современных немецких исследовательских центров – Общество Макса Планка, в котором ведутся научные работы в сфере естественных, социальных наук и психологии.

Однако с гипотезой о фотонах появилась новая проблема. На протяжении XIX века ученые получали все новые доказательства того, что свет по своей природе представляет собой электромагнитную волну. Но если свет состоит из частиц, как быть с волновой теорией? Эйнштейн осознавал эту трудность, поэтому в названии его статьи и говорилось «об одной эвристической точке зрения» – то есть о чем-то, что нельзя строго доказать, но можно лишь подтвердить, сопоставив с результатами наблюдений. Фотонная гипотеза была подтверждена в 1922 году американским ученым Комптоном. В своем эксперименте он облучил электроны пучком рентгеновских лучей и доказал, что полученные результаты можно объяснить, если предположить, что рентгеновские лучи состоят из частиц. Что же такое свет – волна или множество частиц? По мнению Эйнштейна, корректны обе теории. Он считал, что в итоге будет найдена общая теория, объединяющая корпускулярную и волновую. Нечто подобное действительно произошло, хотя и не совсем так, как предполагал Эйнштейн.