К началу XX века в физике накопился ряд экспери-ментальных фактов, не получивших объяснение в рамках классической физики: во-первых, представление о двой-ственном характере электромагнитного излучения, про-являющего то волновые, то корпускулярные свойства, во-вторых, существование дискретных значений некоторых физических явлений, которые, по представлениям клас¬сической физики, должны меняться непрерывно (устой¬чивость атомов и существование их оптических спектров). Установление связи между этими группами явлений и попытки объяснить их на основе новой теории и привели к открытию законов квантовой физики. Впервые квантовые представления были введены в 1900 году немецким физиком М. Планком, предположив-шим, что свет излучается не непрерывно, а определенны¬ми порциями — квантами. Величина кванта энергии за¬висит от частоты света V и равна: Е - /IV. Развивая идею Планка, Эйнштейн в 1905 году в ра-боте, посвященной теории фотоэффекта, предположил, что свет не только испускается и поглощается, но и рас-пространяется квантами, то есть дискретность присуща самому свету: он состоит из отдельных порций — свето¬вых квантов, названных позднее фотонами. На основа¬нии этой гипотезы Эйнштейн объяснил установленные на опыте закономерности фотоэффекта, которые проти-воречили классической теории света. В 1922 году американский физик А. Комптон пока¬зал экспериментально, что рассеяние света свободными электронами происходит по законам упругого столкно¬вения двух частиц — фотона и электрона (эффект Ком-птона). Кинематика такого столкновения определяется законами сохранения энергии и импульса. Энергия фо- тона Е = Нм, импульс п = — = — , где К — длина световой X с волны. Энергия и импульс фотона связаны соотношением Е = ср, справедливым в релятивистской механике для ча¬стицы с нулевой массой покоя. Этим было эксперимен¬тально доказано наличие наряду с волновыми свойства¬ми света (дифракция) корпускулярных свойств: свет со¬стоят из частиц — фотонов. Дуализм света, его корпускулярно-волновая приро¬да содержится уже в формуле Е=Ьг: энергия Е относится к частице, а частота V является характеристикой волны. Возникло противоречие, заключающееся в необходимо¬сти объяснения одних явлений с помощью волновой тео¬рии, других — с помощью корпускулярной.
Своеобразным симво-лом квантовой механики с ее парадоксами стал образ древнегреческой мифоло¬гии — кентавр. Но в отли¬чие от кентавра (представ¬ляющего собой механисти¬ческое соединение двух су¬ществ), квантовая механика гораздо рациональнее, она дает целостное и конструк¬тивное описание окружаю¬щего нас мира. В 1924 году француз-ский физик Луи де Бройль выдвинул гипотезу о всеобщ¬ности корпускулярно-волнового дуализма. Согласно этой теории, каждой частице, независимо от ее природы, соответствует волна, длина которой связана с импульсом частоты р соотношением:
Диафрагма Экран Интенсивность Рис. 1а Рис. 16 Рис. 1в сцинтиллирующем экране будет наблюдаться монотон¬ное распределение интенсивности с максимумом напро¬тив щели. Если открыть обе щели, то, согласно класси¬ческой теории, мы должны наблюдать картину распреде¬ления интенсивности, соответствующую арифметической сумме интенсивностей (рис. 1а) и (рис. 16). Наблюдае¬мая картина оказывается гораздо сложнее (рис. 1в). Мак¬симум интенсивности находится посредине между щеля¬ми, по обе стороны от центрального максимума имеете» несколько побочных максимумов с постепенно уменьша¬ющейся интенсивностью. Этот эксперимент убедитель¬но свидетельствует, что электроны ведут себя в этом слу¬чае как волны. Была и вторая, параллельная линия развития кван¬товой теории. _(Еп-Ет) Для объяснения устойчивости атомов Н. Бор распро-странил на атом идею Эйнштейна о дискретности возмож¬ных значений энергий излучателей: допустимы не все орбиты, а лишь некоторые; при переходе с одной на дру¬гую электрон порциями излучает свет с частотой , где Е и Е — значения энергии электрш» на орбитах пит. Так возникает линейчатый спектр атома. С точми | зрения волн де Бройля устойчивой орбитой электршв| является такая орбита, вдоль которой укладывается ж-лое число длин волн пКп = 2пг, где Хл — длина волны элв-трона на я-ой орбите, г — радиус орбиты п. Длина волны электрона с импульсом р равна X =—, ему так важно, чтобы на разрешенной орбите алось целое число волн? Ответ заключается в том, ш могут интерферировать между собой. Если гобы совершить целое число колебаний, требует - •и расстояние, равное длине окружности орбиты, I плавно перейдет в самое себя и в результате бу-[юдаться конструктивная интерференция, волна я усилит (рис. 2а). В противном случае будет про-ь деструктивная интерференция, и амплитуда ий быстро уменьшится до нуля (рис. 26). •«полуклассическая» теория Бора описывала толь-водорода, она не могла объяснить движение элек-! сложных атомах, не отвечала на вопрос, как дви-тектрон при переходе с одного уровня на другой. 926 году Э. Шредингер обобщил предсказание де на случай, когда электрон движется не в свобод-странстве, а во внешнем поле, например, в куло-I поле ядра. Он получил уравнение для функции, нощей волновые свойства частиц, льнейшие исследования показали, что волновая м частицы не есть какое-либо физическое поле, сывает потенциальные возможности исхода того >го последующего события, тинный смысл волновой функции выяснился пос-чения в 1927 году немецким физиком В. Гейзен-соотношений неопределенностей. ализируя возможность изменения координаты и са электрона, В. Гейзенберг пришел к заключению, одзия, благоприятные для измерения положения, шют нахождение импульса, и наоборот, другими и, невозможно одновременно определить положе-ггицы в пространстве и ее импульс (то есть ско- классической физике заданием координат и ско-леханической системы однозначно предсказыва-: поведение. В квантовой механике невозможно, координаты и скорости всех частиц, есть возмож-[ишь задать в начальный момент волновую функ-стемы. :обенность квантовой механики состоит в том, что ва микроскопических объектов нельзя изучать, не ия способа наблюдения. В зависимости от этого он проявляет себя либо как волна, либо как части-о как что-то промежуточное. 1льнейшее развитие квантовой механики, приме-ее законов к электромагнитному полю, привели к ию квантовой электродинамики — теории взаимо-ия электронов, позитронов и фотонов. Эта теория эздана усилиями ряда физиков-теоретиков: В. Гей-га, В. Паули, П. Дирака, Р. Фейнмана. 1949 году Альберт Эйнштейн так вспоминал об :оздания квантовой механики: Все мои попытки приспособить теоретические ос-физики к новым результатам потерпели полную гу. Это было так, точно из-под ног ушла земля и не видно было твердой почвы, на которой можно
было бы стоять. Мне всегда казалось чудом, что этой ко-леблющейся и полной противоречий основы оказалось достаточно, чтобы позволить Бору — человеку с гениаль¬ной интуицией и тонким чутьем — найти главнейшие за¬коны спектральных линий и электронных оболочек ато¬мов. Это мне кажется чудом и теперь. Это наивысшая музыкальность в области мысли». Появление матричной механики Гейзенберга физи-ки встретили с огромным облегчением: «Механика Гей-зенберга снова вернула мне радость жизни и надежду. Хотя она и не дает решения загадки, но я верю, что теперь снова можно продвигаться вперед», — писал Паули в ок¬тябре 1925 года.
