Ирина Радунская - Крушение парадоксов

• Название: Крушение парадоксов
• Автор: Ирина Радунская
• Издательство: «Молодая гвардия»
• Жанр: История
• Год: 1971

Мазеры и лазеры сделались не только орудием техники, но и скальпелем науки. Они помогли обнаружить столько неожиданных явлений, что ученым впору ринуться на штурм самых глубинных свойств материи.

В книге рассказывается о работах академиков Николая Геннадиевича Басова и Александра Михайловича Прохорова в этой области.

---

• частота излучения определяется разностью энергий, соответствующих двум стационарным состояниям, между которыми совершается переход, и постоянной Планка.

Бор применил эти постулаты к простейшему атому, атому водорода, вокруг ядра которого вращается только один электрон. Каждый шаг был триумфом. Радиус орбиты электрона хорошо совпал с радиусом атома водорода, известным из опытов с газами. Подсчет частот, связанных с переходами между простейшими стационарными состояниями, совпал с известными сериями линий Бальмера и Пашена и позволил вычислить постоянную Ридберга, определенную ранее только из опыта.

Бор применил свою теорию к иону гелия — системе, также имеющей только один электрон, но вчетверо более тяжелое ядро, чем ядро атома водорода. Бор получил серию частот, совпавшую с серией спектральных линий, наблюдавшихся в некоторых звездах и в то время приписывавшихся водороду. Впоследствии правота Бора стала еще одним триумфом его теории.

Но попытки применить теорию к неионизированному атому гелия — системе с двумя электронами — и к более сложным атомам натолкнулись на непреодолимые математические трудности.

Эти трудности в существенной мере преодолел теоретик старшего поколения Зоммерфельд. Он ввел в модель Бора наряду с круговыми орбитами более сложные эллиптические орбиты электронов. Это позволило ему вывести расчетным путем комбинационный принцип, полученный Ритцем из простого сопоставления данных опыта. Затем Зоммерфельд, оценив скорости движения электронов по их орбитам, установил, что они столь велики, что для расчетов нужно применять теорию относительности Эйнштейна.

Так он смог объяснить существование многих спектральных линий, не входивших в известные спектральные серии. Оказалось, что они возникают вследствие того, что эллиптические орбиты в соответствии с требованиями теории относительности вращаются вокруг ядра так, что электрон движется не по замкнутому эллипсу, а по своеобразной бесконечной розетке. Впрочем, и после усовершенствования теория была слишком сложной, а главное — не все ее предсказания согласовывались с опытом.

Постепенно у физиков крепло сознание необходимости радикальных перемен.

По закону случая

Если будущий историк захочет «установить, когда именно ученые, более двух тысячелетий проникавшие в сущность света и атомов, сделали первый непосредственный шаг к лазерам, он, несомненно, снова вспомнит о тучных годах.

В 1917 году Эйнштейн сделал шаг, последствия которого он еще не мог предвидеть. Шаг заключался в применении к атому Бора того статистического подхода, который сам Эйнштейн и польский ученый Смолуховский применили к расчетам таинственного броуновского движения — безостановочной пляске мельчайших частиц.

Эйнштейн заметил, что акты излучения и поглощения света должны подчиняться таким же вероятностным закономерностям, как радиоактивный распад. Каждый единичный акт непредсказуем и случаен, но в среднем проявляются четкие закономерности, соответствующие объективным законам природы.

Он предположил, что в атомах, не подвергающихся внешним воздействиям, электроны переходят из состояний с более высокой энергией в состояния с более низкой энергией со вполне определенной вероятностью, обусловленной строением атома. Интенсивность излучения, связанного с такими спонтанными — самопроизвольными — переходами, пропорциональна числу атомов, находящихся в состоянии с высокой энергией, — возбужденных атомов.

Если же атомы находятся в поле излучения, частота которого совпадает с одной из боровских частот, то вероятность электронного перехода, связанного с излучением или поглощением фотона этой частоты, пропорциональна интенсивности поля.

Эти два предположения имели два важнейших следствия.

Из них непосредственно вытекает формула Планка для излучения «черного тела», устранившая опасность ультрафиолетовой катастрофы». Это давало уверенность в правоте Эйнштейна.

Но второе следствие настораживало.

Из предположений Эйнштейна неизбежно получалось, что фотон уносит из атома не только энергию, но и импульс; что элементарный акт излучения света не может быть описан сферической волной. Так в науку вновь вошла необходимость объединения волновых и корпускулярных свойств света, ибо теперь фотоны, обретя импульс, опять уподобились частицам. Теперь в физику по-настоящему вторглись законы случая и их нельзя стало рассматривать просто как путь упрощения слишком громоздких вычислений в задачах о множестве частиц. Вероятностные законы оказались связанными с элементарными единичными актами. Лишь много позднее выяснилось, как все это связано с лазерами. Но прежде в науке должно было произойти много важных событий.

Три шедевра

Был 1911 год. В науку входил один из интереснейших умов. Луи де Бройль начал свою самостоятельную жизнь с получения степени бакалавра, а затем лиценциата литературы по разделу истории. Но его влекла деятельность, которой посвятил себя его брат. И вот через брата Луи знакомится с докладами, обсуждавшимися на физическом конгрессе. Доклады были посвящены квантам. Кванты решили судьбу юноши.

Начал он с того, что стал работать в лаборатории своего брата. Первые его труды посвящены рентгеновскому излучению и фотоэффекту. Истории было суждено прервать своеобразный старт — началась первая мировая война. Историк-физик-солдат пять лет отдает армии. А вернувшись в 1919 году из армии, он полностью подпадает под обаяние эйнштейновской теории световых квантов. Его подхлестнуло именно то, что маститым немецким физикам казалось подозрительным в дерзкой теории.

Эйнштейн и не претендовал на то, чтобы объяснить при помощи квантов появление цвета в тонких пленках — например, радужной окраски разлитой по воде нефти — и других интерференционных явлений. Если считать, что свет — только частицы, этого не объяснишь. Он слишком глубокий физик, чтобы пытаться так делать. То была бы грубая работа.

Творец световых квантов оставлял эту задачу волновой оптике. Ей было легче, так как исходила она из того, что свет — волна. Но однобокость каждой из теорий не пугала Эйнштейна. Он считал такую двойственность закономерной и лежащей в основе природы света. В одних условиях свет существует как непрерывная волна, а в других он не менее реально выступает как поток квантов, которые позднее получили название фотонов.

Эйнштейн был одинок в своем подходе к природе света. Даже впоследствии, когда он после создания теории относительности был поставлен рядом с Ньютоном, квантовая теория света осталась непонятой и забытой. Она помогла Бору в создании теории атома, но и это не обеспечило ей признания. Сам Эйнштейн, поглощенный все более трудными задачами, возникавшими по мере развития его основного труда, не возвращался к этим работам.

Луи де Бройль подхватил идеи Эйнштейна. Еще в ранней молодости его поразила аналогия уравнений, управляющих движением волн и поведением сложных механических систем. Теперь же непостижимое появление целых чисел в правилах, позволяющих вычислять орбиты атома водорода, навело его на мысль о родстве этих правил с законами волнового движения, в которых постоянно возникают простые целые числа.

Руководствуясь идеями Эйнштейна, в частности его соображениями о связи массы и энергии, вытекающими из теории относительности, де Бройль проделал для частиц работу, обратную той, которую Эйнштейн провел для волн света. Эйнштейн связал электромагнитные волны с частицами света; де Бройль связал движение частиц с распространением волн, которые он назвал волнами материи. В конце лета 1923 года в «Докладах Французской академии наук» появились три статьи, три шедевра, в которых были заключены основные принципы новой волновой механики.

А в докторской диссертации идеи волновой механики были развиты и отшлифованы так тонко, что жюри знаменитой Сорбонны, в состав которого входили такие корифеи французской науки, как Поль Ланжевен и Жан Перрен, без колебаний оценило ее «как бриллиант первой величины».

Математические рецепты

Через год двадцатипятилетний геттингенец Вернер Гейзенберг опубликовал свою знаменитую матричную механику. Она была удивительным порождением интуиции одного ученого и в известном смысле освобождала других от необходимости... думать. Основной труд уходил на освоение непривычных математических методов. Дальше все шло удивительно просто. Нужно было записать условия очередной задачи в символической матричной форме (для этого, конечно, нужно поломать голову). Но дальше можно действовать по раз навсегда разработанным правилам. В конце этой почти механической работы возникало решение. Разглядеть его среди леса формул всегда помогал опыт.