В 1900 году Джон Рэлей и Джеймс Джинс, используя классическую теорию, рассмотрели нагретое тело, в котором электромагнитное поле (волны) находилось в тепловом равновесии с частицами. Оказалось, что в этом случае поле забирает у частиц всю их энергию. Тем самым классическая теория приводила к бессмысленному результату: нагретое тело, непрерывно теряя энергию из-за излучения волн, должно охладиться до абсолютного нуля. Этот физически абсурдный результат получил название "ультрафиолетовой катастрофы". В действительности ничего подобного, естественно, не происходит. Наблюдения показали, что на высоких частотах энергия излучения не возрастает бесконечно, а убывает до нуля. Максимальное излучение при фиксированной температуре приходится на определенную частоту или цвет. Примерами этого могут служить красный цвет раскаленной кочерги (температура около 1 000 К) или желто-белый цвет Солнца (около 6 000 К).
Частный, казалось бы, вопрос об излучении электромагнитных волн нагретыми телами приобрел принципиальное значение. Классическая теория приводила к результатам, резко противоречащим опыту. В 1900 году, чтобы добиться согласования теории с опытом, Максу Планку пришлось отступить от классического подхода лишь в одном пункте. Он использовал гипотезу, согласно которой излучение электромагнитного поля может происходить только отдельными порциями - квантами. Принятая Планком гипотеза противоречила классической физике, однако построенная им теория теплового излучения превосходно согласовывалась с экспериментом.
ЭФФЕКТ КОМПТОНА
Вещество может не только излучать, но и поглощать электромагнитные волны. Процесс поглощения, исходя из классических представлений, также оказался не совсем понятным. В начале прошлого века уже умели изготавливать электровакуумные лампы и знали, что при освещении катода светом такой лампы происходит испускание электронов. Это явление назвали внешним фотоэффектом. Все попытки описать его на основе классической теории, в которой свет рассматривался как электромагнитная волна, оказались безрезультатными. Не удавалось объяснить основное свойство фотоэффекта - тот факт, что энергия вылетающих электронов определяется только частотой падающего света и не зависит от его интенсивности.
В 1905 году, через 5 лет после опубликования работы Макса Планка, для объяснения фотоэффекта была применена гипотеза квантов. Из того, что свет, как показал Планк, излучается порциями (квантами), еще не следует дискретная (порционная) структура самого света. Альберт Эйнштейн предположил, что дискретность (разделенность на порции) излучения должна проявляться не только при излучении, но и при поглощении и распространении электромагнитных волн.
Под напором экспериментальных фактов ученые были вынуждены ввести представление о свете как о потоке частиц. Однако еще в начале ХIХ века Томас Юнг экспериментально доказал волновую природу света, а в конце XIX века Джеймс Максвелл теоретически обосновал, что свет представляет собой волны, то есть колебания электромагнитного поля. Каким же образом свет может быть одновременно и частицами, и волнами? Ведь и частица, и волна представляются совершенно не похожими друг на друга. Тем не менее одни экспериментальные факты явно указывают на то, что свет - это поток частиц, а другие на то, что свет - это волны. Возникло логическое противоречие: для объяснения одних явлений свет необходимо было описывать как волны, а для объяснения других - как частицы.
Таким образом, выяснилось, что представления о "частице" и "волне" лишь в какой-то степени отражают реальность. Открытие двойственности (дуализма) свойств света в период формирования новой физики имело огромное значение. Именно попытки объяснить этот дуализм и породили современную квантовую теорию.
Окончательное доказательство существования квантов света было получено в 1922 году американским физиком Артуром Комптоном. Его эксперимент показал, что рассеяние света свободными электронами происходит по законам упругого столкновения двух частиц - фотона и электрона. Теперь это явление называется эффектом Комптона.
НЕУСТОЙЧИВЫЙ АТОМ
Про то, что существуют минимальные, далее неделимые, частицы материи, говорили еще древние греки. К концу XIX века уже почти никто из ученых не сомневался в реальности атомов, но было непонятно, как они устроены и из чего состоят. Существовало много разных гипотез, но только в 1911 году, после опытов английского физика Эрнеста Резерфорда по обстрелу атомов золота а-частицами, родилась планетарная модель атома. Согласно этой модели в центре атома, подобно маленькому солнцу, располагалось ядро. Вокруг ядра, сходно планетам, обращались электроны, удерживаемые электромагнитными силами. Планетарная модель позволила объяснить результаты опытов, но оставался непонятным факт существования атома. Согласно классической теории электрон, вращающийся в атоме, должен излучать электромагнитные волны. Излучение сопровождается потерей энергии. Теряя энергию, электрон должен в конце концов упасть на ядро, а атом - прекратить свое существование.
Выход из этого "тупика" был предложен в 1913 году датским физиком Нильсом Бором. В своей модели Бор рассматривал электроны как классические частицы, движущиеся вокруг маленького массивного ядра под влиянием электрического поля. Однако вопреки законам классической физики Бор предположил существование в атоме стационарных (не меняющихся во времени) состояний, каждому из которых соответствует определенная энергия. В стационарных состояниях электрон не излучает. Излучение и поглощение света происходят лишь в том случае, когда атом переходит из одного состояния в другое.
ВОЛНОВАЯ ТЕОРИЯ БРОЙЛЯ
Сначала только свету приписывалось такое странное свойство - быть одновременно и волной, и частицей. Вещество же рассматривалось как система обычных точечных частиц. В 1923 году Луи де Бройль выдвинул гипотезу об универсальности дуализма волна-частица. Согласно этому предположению не только фотоны, но и электроны, а также любые другие частицы обладают волновыми свойствами. И это касается как микроскопически малых атомов и молекул, так и любых других окружающих нас макроскопических объектов.
Основным признаком волн является их способность интерферировать, то есть складываться и вычитаться. Другими словами, если вещество обладает волновыми свойствами, то для него должны наблюдаться явления дифракции (огибание волнами встречающихся на пути препятствий) и интерференции (сложения и вычитания волн).
Прямое экспериментальное доказательство того, что электроны могут дифрагировать и интерферировать, было получено в 1927 году в опытах Клинтона Дэвиссона и Лестера Джемера, а также, независимо от них, в экспериментах Джорджа Томсона. В настоящее время экспериментаторы наблюдают интерференцию и других частиц, вплоть до молекул. Так, в 2003 году в Институте экспериментальной физики Венского университета была впервые обнаружена квантовая интерференция органических молекул биологического происхождения C4444H3 0N4, содержащих 44 атома углерода, 30 атомов водорода и 4 атома азота. В связи с этими экспериментами возникает вопрос: возможна ли квантовая интерференция живых существ?
После выдвижения де Бройлем гипотезы об универсальности дуализма волна-частица и экспериментального подтверждения наличия у частиц вещества волновых свойств возникли новые принципиальные проблемы. Стало необходимым совместить волновую природу частиц с привычными представлениями о размещении (локализации) частиц в пространстве.
Соотношение неопределённостей Гейзенберга
Принцип неопределённости Гейзенберга - в квантовой физике так называют закон, который устанавливает ограничение на точность (почти)одновременного измерения переменных состояния, например, положения и импульса частицы. Кроме того, он точно определяет меру неопределённости, давая нижний (ненулевой) предел для произведения дисперсий измерений.
Рассмотрим, например, серию следующих экспериментов: путём применения оператора, частица приводится в определённое чистое состояние, после чего выполняются два последовательных измерения. Первое определяет положение частицы, а второе, сразу после этого, её импульс. Предположим также, что процесс измерения (применения оператора) таков, что в каждом испытании первое измерение даёт то же самое значение, или по крайней мере набор значений с очень маленькой дисперсией dp около значения p. Тогда второе измерение даст распределение значений, дисперсия которого dq будет обратно пропорциональна dp.
В терминах квантовой механики, процедура применения оператора привела частицу в смешанное состояние с определённой координатой. Любое измерение импульса частицы обязательно приведёт к дисперсии значений при повторных измерениях. Кроме того, если после измерения импульса мы измерим координату, то тоже получим дисперсию значений.
В более общем смысле, соотношение неопределённости возникает между любыми переменными состояния, определяемыми некоммутирующими операторами. Это - один из краеугольных камней квантовой механики, который был открыт Вернером Гейзенбергом в 1927 г.
КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОЙ ДУАЛИЗМ
Корпускулярно-волновой дуализм - это теория о том, что любое вещество (электромагнитное излучение, физическое тело, атом и т.п.) представляется на микроуровне одновременно и как мельчайшие частицы (корпускулы), и как волны. В частности, свет - это и корпускулы (фотоны), и электромагнитные волны.
Французский ученый Луи де Бройль (1892-1987) осознавая существующую в природе симметрию и развивая представления о двойственной корпускулярно-волновой природе света, выдвинул в 1923 г. гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма. Он утверждал, что не только фотоны, но и электроны и любые другие частицы материи наряду с корпускулярными обладают также волновыми свойствами. Согласно де Бролю, с каждым микрообъектом связываются, с одной стороны, корпускулярные характеристики - энергия E и импульс p, а с другой стороны - волновые характеристики - частота и длина волны.
Так как дифракционная картина исследовалась для потока электронов, то необходимо было доказать, что волновые свойства присущи каждому электрону в отдельности. Это удалось экспериментально подтвердить в 1948 г. советскому физику В. А. Фабриканту. Он показал, что даже в случае столь слабого электронного пучка, когда каждый электрон проходит через прибор независимо от других, возникающая при длительной экспозиции дифракционная картина не отличается от дифракционных картин, получаемых при короткой экспозиции для потоков электронов в десятки миллионов раз более интенсивных.
Современная трактовка корпускулярно-волнового дуализма может быть выражена словами физика В. А. Фока (1898-1974): "Можно сказать, что для атомного объекта существует потенциальная возможность проявлять себя, в зависимости от внешних условий, либо как волна, либо как частица, либо промежуточным образом. Именно в этой потенциальной возможности различных проявлений свойств, присущих микрообъекту, и состоит дуализм волна - частица. Всякое иное, более буквальное, понимание этого дуализма в виде какой-нибудь модели неправильно".
