Читать книгу - "Атомная физика и человеческое познание - Нильс Бор"

Долгое время думали, что система понятий, характерная для классической физики, дает нам надлежащее орудие для описания всех физических явлений, и ее считали пригодной для развития и использования атомистических идей. Конечно, для систем, состоящих, подобно обыкновенным телам, из огромного числа составных частей, не могло быть и речи об исчерпывающем описании состояния системы. Тем не менее оказалось возможным, не отказываясь от детерминистического идеала, вывести на основе принципов классической механики статистические закономерности, отражающие многие из свойств материальных тел. Несмотря на то, что законы движения механики допускают полное обращение хода каждого отдельного процесса, было получено исчерпывающее объяснение характерного свойства необратимости тепловых явлений; объяснение это заключается в статистическом равновесии энергии, наступающем в результате взаимодействия между молекулами. Это крупное расширение области применения механики еще сильнее подчеркнуло необходимость атомистических идей для описания природы и впервые дало возможность подсчитать число атомов в веществе.

Однако с выяснением основ, на которые опираются законы термодинамики, открылся и путь к установлению свойства цельности атомных процессов, — свойства, далеко выходящего за пределы старого учения об ограниченной делимости материи. Хорошо известно, что детальный анализ теплового излучения оказался проверкой применимости классических физических идей. Открытие электромагнитных волн уже дало основу для понимания распространения света и объяснило многие из оптических свойств веществ; но при попытках применить эти идеи к лучистому равновесию возникли непреодолимые трудности. Существенно то, что рассуждения здесь были основаны на общих принципах и не зависели от специальных предположений относительно состава веществ. Это обстоятельство и привело Планка к открытию в первом году этого столетия универсального кванта действия. Открытие Планка ясно показало, что классическое физическое описание является идеализацией и имеет ограниченную применимость. В явлениях обычного масштаба величины размерности действия так велики по сравнению с квантом, что его можно не включать в рассмотрение. Однако в собственно квантовых процессах мы встречаем закономерности, совершенно чуждые механистическому пониманию природы и не поддающиеся наглядному детерминистическому описанию.

Задача, поставленная перед физиками открытием Планка, была огромна. Требовалось при помощи тщательного анализа предпосылок, на которых основано применение наших самых элементарных понятий, расчистить место для кванта действия в рациональном обобщении классического физического описания. В течение всего времени развития квантовой физики, принесшей так много неожиданного, нам не раз пришлось вспомнить о трудности ориентироваться в области опытных фактов, не похожих на те, для описания которых приспособлены наши способы выражения. Широкое и интенсивное сотрудничество физиков многих стран способствовало быстрым успехам; разнообразие их подхода к данной проблеме оказалось очень плодотворным и помогло сфокусировать ее более резко. Здесь, конечно, невозможно было бы остановиться более подробно на том, что внес каждый из физиков; но в качестве фона для дальнейших рассуждений я напомню вам вкратце некоторые из главных особенностей этого развития.

В то время как Планк осторожно ограничился статистическими аргументами и подчеркивал затруднительность отказа от классических принципов детального описания природы, Эйнштейн смело указал на необходимость принимать во внимание квант действия в индивидуальных атомных явлениях. В тот же год, когда он так гармонично достроил здание классической физики, установив теорию относительности, он сделал еще одно открытие. Эйнштейн показал, что для описания наблюдений над фотоэлектрическим эффектом необходимо предположить, что передача энергии к каждому вырванному из вещества электрону соответствует поглощению так называемого кванта излучения. Так как идея о волнах необходима для объяснения распространения света, то не могло быть и речи о том, чтобы просто заменить ее корпускулярными представлениями. Поэтому ученые здесь встретились со своеобразной дилеммой, для разрешения которой требовался тщательный анализ области применимости наглядных представлений.

Как известно, этот вопрос еще больше обострился благодаря открытию Резерфордом атомного ядра. В ядре, несмотря на его малость, заключена почти вся масса атома, а его электрический заряд соответствует числу электронов в нейтральном атоме. Это дало простую картину атома, которая сразу же навела на мысль о применении идей механики и электромагнитной теории. Все же было ясно, что, согласно принципам классической физики, никакая конфигурация электрически заряженных частиц не может обладать устойчивостью, необходимой для объяснения физических и химических свойств атома. В частности, по классической электромагнитной теории всякое движение электронов вокруг атомного ядра должно сопровождаться непрерывным излучением энергии; в результате система станет быстро сжиматься до тех пор, пока электроны не соединятся с ядром, образуя нейтральную частицу исчезающе малых размеров по сравнению с теми, которые следует приписывать атомам. Однако указание на решающее значение кванта действия для устойчивости атомов и их реакции излучения было найдено в эмпирических законах линейчатых спектров элементов, — законах, до тех пор совершенно непонятных.

Исходной точкой стал здесь так называемый квантовый постулат, по которому каждое изменение энергии атома есть результат полного перехода между двумя его стационарными состояниями. Предполагая далее, что всякий атомный акт излучения связан с испусканием или поглощением единичного светового кванта, можно было определить из спектров значения энергии стационарных состояний. Было очевидно, что в рамках детерминистического описания нельзя дать никакого объяснения неделимости процессов перехода и самому их возникновению при данных условиях. Оказалось, однако, возможным, опираясь на так называемый принцип соответствия, получить систематизацию связей электронов в атомах, отражающую многие из свойств веществ. Основываясь на сравнении с ходом процессов, ожидаемым по классической теории, искали указаний для такого статистического обобщения описания, которое было бы совместно с квантовым постулатом. Становилось, однако, все более и более ясным, что для того, чтобы получить непротиворечивый отчет об атомных явлениях, необходимо в еще большей мере отказаться от наглядных представлений и что нужна радикальная переформулировка всего описания, чтобы освободить место для всех тех особенностей явлений, которые связаны с квантом действия.

Решение, достигнутое в результате изобретательных и остроумных догадок многих из самых выдающихся физиков-теоретиков нашего времени, было удивительно просто. Как и при формулировании теории относительности, так и здесь соответствующий аппарат был найден в форме чрезвычайно развитых математических абстракций. Величины, которые в классической физике служат для описания состояния системы, заменяются в квантово-механическом формальном аппарате символическими операторами, коммутативность которых ограничена правилами, содержащими квант действия. Это значит, что таким величинам, как пространственные координаты и соответствующие составляющие количества движения частиц, нельзя одновременно приписывать определенные значения. Таким образом, статистический характер формального аппарата выступает как естественное обобщение описания классической физики. Кроме того, это обобщение сделало возможным логически последовательное формулирование закономерностей, ограничивающих индивидуальность тождественных частиц; закономерности эти, как и самый квант, не могут быть выражены на языке обычных физических наглядных представлений.

При помощи методов