量子力学。科学发现的历史和本质

量子力学。科学发现的历史和本质

最重要的科学发现

当第一次成功的兴奋已经过去玻尔的理论，大家突然明白了一个简单的道理：玻尔的方案是矛盾的。这样的事实无处可藏，也解释了当时的悲观情绪爱因斯坦，以及泡利的绝望。

物理学家一次又一次地确信，电子在原子中运动时不遵守电动力学定律：它不会落在原子核上，如果原子不被激发，它甚至不会辐射。所有这一切都太不寻常了，以至于它不适合头脑：“起源”于电动力学的电子突然失去了对其定律的控制。在任何试图从这种恶性循环中找到合乎逻辑的出路的尝试中，科学家们总是得出这样的结论：玻尔原子是不存在的。

事实证明，原子中电子的运动遵循其他一些定律——量子力学定律。量子力学是研究原子中电子运动的科学。它最初被称为：原子力学。海森堡 - 第一个有幸创造这门科学的人。

维尔纳·卡尔·海森堡 (1901–1976) 出生于德国维尔茨堡市。 1911 年 1920 月，维尔纳被送到著名的体育馆。 XNUMX年，海森堡进入慕尼黑大学。毕业后，维尔纳被任命为助理教授马克斯·伯恩在哥廷根大学。玻恩确信，原子微观世界与经典物理学描述的宏观世界如此不同，科学家在研究原子结构时甚至不应该考虑使用运动和时间、速度、空间以及粒子的某个位置等通常的概念。微观世界的基础是量子，不应该试图从过时经典的视觉位置来理解或解释它。这种激进的哲学在他的新助手的灵魂中得到了热烈的回应。

事实上，当时的原子物理学状态类似于某种假设的堆积。现在，如果有人能够通过经验证明电子确实是一种波，或者更确切地说，既是粒子又是波。但迄今为止还没有这样的经历。如果是这样，那么根据迂腐的海森堡的说法，仅仅从电子是什么的假设出发就是不正确的。是否有可能创建一种理论，其中只有通过研究原子发出的光获得的已知原子实验数据？对于这盏灯，你能肯定地说什么呢？它有如此这般的频率，如此这般的强度，仅此而已……

1925年XNUMX月，患病的海森堡前往波罗的海的黑尔戈兰岛安息。他没有休息——在那里他突然意识到一个意想不到的事实：人们不能把原子中电子的运动想象成小球沿着轨迹的运动。这是不可能的，因为电子不是球，而是更复杂的东西，不可能像台球的运动那样简单地追踪这个“东西”的运动。

L. Ponomarev 在他的书中写道：“海森堡认为：我们想用来描述原子运动的方程不应该包含除了可以通过实验测量的量之外的任何量。从实验中得出的结论是原子是稳定的，由原子核和电子组成，如果平衡受到干扰，就会发射射线。这些射线具有严格定义的波长，根据玻尔的说法，当电子从一个静止轨道跃迁到另一个静止轨道时会产生。同时，玻尔的方案确实不用说在跳跃的那一刻发生在电子身上的事实，可以说是在两个静止状态之间“飞行”。每个人，包括海森堡，都出于习惯寻求这个问题的答案。但在某些情况下他明白了一点：电子在“静止状态之间”不存在，它根本不具有这样的性质！

还有什么？有些东西他甚至还不知道名字，但他确信它应该只取决于电子从哪里去和从哪里来。

在那之前，物理学家一直在努力寻找原子中电子的假设轨迹，该轨迹持续依赖于时间，并且可以通过一系列数字给出，这些数字标志着电子在特定时间点的位置。海森堡认为原子中不存在这样的轨迹，而不是连续曲线，而是一组离散数字，其值取决于电子的初始和最终状态的数量。

他把原子的状态想象成一个无穷无尽的棋盘，每个方格上都写着数字。自然，这些数字的取值取决于方块在“原子板”上的位置，也就是行号（初始状态）和列号（最终状态），数字所在的交叉点.

如果已知“原子游戏”的一种记录的 X 个数，那么关于原子的所有必要信息都可以知道，以预测其可观察到的特性：原子的光谱、其光谱线的强度、原子的数量和速度电子被紫外线击出原子，等等。

数字X不能称为原子中电子的坐标。他们取代了他们，或者正如后来所说，他们代表了他们。但这句话是什么意思——起初，海森堡本人并不明白。然而，在马克斯·玻恩（Max Born，1882-1970）和帕斯夸尔·乔丹（Pascual Jordan）的帮助下，人们很快就明白了数字表不仅仅是一个表格，而是一个矩阵。

L.I. Ponomarev 指出，“矩阵是数量表，其中有严格定义的加法和乘法运算。特别是，两个矩阵相乘的结果取决于它们相乘的顺序。这条规则可能看起来很奇怪，可疑，但本身不包含任何任意性。本质上，正是这个规则将矩阵与其他量区分开来。我们没有权利随心所欲地改变它——数学也有自己不可动摇的定律。这些定律，独立于物理和所有其他科学一样，用符号语言固定了自然界中所有可以想象的逻辑联系，而所有这些联系是否在现实中实现是事先无法得知的。

当然，数学家早在海森堡之前就知道矩阵并且知道如何使用它们。然而，令所有人惊讶的是，这些具有不寻常特性的奇怪物体与原子现象世界中的真实事物相对应。海森堡和玻恩的优点在于他们克服了心理障碍，找到了矩阵性质与原子中电子运动特征之间的对应关系，从而创立了一种新的原子、量子、矩阵力学。

原子 - 因为它描述了原子中电子的运动。量子——因为这个描述中的主要作用是由作用量子的概念发挥的。矩阵 - 因为为此所需的数学工具是矩阵。

在新力学中，电子的每个特征：坐标、动量、能量——都对应于相应的矩阵。然后为它们写下了经典力学中已知的运动方程。

海森堡还建立了更多的东西：他发现坐标和动量的量子力学矩阵不是一般的矩阵，而只是那些服从交换（或排列）关系的矩阵。

在新力学中，这种置换关系与旧力学中的玻尔量子化条件所起的作用完全相同。就像玻尔条件从所有可能的集合中挑选出静止轨道一样，海森堡对易关系从所有矩阵的集合中只选择量子力学的。

在这两种情况下——无论是在玻尔量子化条件下还是在海森堡方程中——普朗克常数都必须存在，这并非巧合。普朗克常数必然出现在所有量子力学方程中，并且通过这一特征可以将它们与所有其他方程明确地区分开来。

海森堡发现的新方程既不是力学方程也不是电动力学方程。从这些方程的角度来看，如果坐标或动量矩阵已知，则原子的状态完全给出。此外，这些矩阵的结构使得原子在未激发状态下不辐射。根据海森堡的说法，运动并不是电子球沿着原子核周围的任何轨迹的运动。

运动是系统状态随时间的变化，它描述了坐标矩阵和动量矩阵。

除了关于原子中电子运动性质的问题外，原子稳定性的问题也消失了。从新的观点来看，在未激发的原子中，电子处于静止状态，因此不应辐射。

海森堡的理论是内在一致的，而玻尔的方案却缺乏这一点。同时，它也导致了与玻尔量子化规则相同的结果。此外，在它的帮助下，最终有可能证明普朗克关于辐射量子的假设是新力学的简单而自然的结果。

不得不说，矩阵力学的出现非常恰逢其时。海森堡的想法被其他物理学家所接受，并且很快，根据玻尔的说法，它获得了“一种在逻辑完整性和普遍性上可以与经典力学相媲美的形式”。

然而，海森堡的作品中有一个令人沮丧的情况。据他说，他无法成功地从新理论中推导出简单的氢谱。当他的作品发表一段时间后，他写道，“泡利给了我一个惊喜：氢原子的完整量子力学。能够如此迅速地开发它“”。

物理学家们欣喜若狂地迎接海森堡矩阵力学的出现：“海森堡力学再次给了我生活的乐趣和希望。虽然它没有解开谜团，但我相信现在有可能再次向前迈进，”泡利写道9 年 1925 月 XNUMX 日。

他很快就自己证明了自己的信仰。通过将新的力学应用于氢原子，他得到了与尼尔斯玻尔根据他们的假设。当然，新的困难出现了，但这是成长的困难，而不是死胡同的绝望。

作者：萨明 D.K.

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