в 1911 году французский физик Морис де Бройль вернулся с Первого Сольвеевского конгресса. Эрнст Сольвей — бельгийский капиталист, известный изобретатель аммиачного способа производства соды, выделил средства на организацию международных съездов физиков, на которых должны были решаться самые острые проблемы науки. Эту идею ему подал профессор Вальтер Нернст в Берлине. И богач после конгресса учредил Международный институт физики, в распоряжение которого передал миллион франков.
Первый Сольвеевский конгресс был посвящен теме «Излучение и кванты».
Л. де Бройль — человек, который заложил основы нового взгляда на окружающий мир. Он предположил, что любые частицы можно рассматривать в виде волн
Трудно даже передать, с каким восторгом Морис де Бройль рассказывал об этом форуме ведущих европейских ученых сотрудникам своей лаборатории. Сотрудники внимательно слушали. Сотрудники удивлялись. Но самое большое впечатление рассказ произвел на младшего брата хозяина лаборатории — Луи де Бройля. Ему было тогда девятнадцать. И он серьезно собирался специализироваться в области истории средних веков. Право же, фамилии маркизов де Бройль хватило бы и одного физика. Но после рассказов брата все переменилось. Заброшена оказалась история, и на первый план вышла физика.
Когда Луи де Бройль заканчивал университет, физики уже в основном согласились с двойственной природой света и вообще электромагнитного излучения. И в зависимости от того, какое явление исследовалось, применяли либо волновую, либо корпускулярную теорию.
Это было время, о котором известный английский физик Уильям Брэгг сказал однажды с иронией: «В понедельник, среду и пятницу мы принимаем одну гипотезу, во вторник, четверг и субботу — другую».
Темой диссертации выпускника университета Луи де Бройля стало «Исследование по теории квантов». Тема мучительно трудная, в ходе работы над которой диссертант понял, что если не найдет какого-то своего хода, может быть, близкой аналогии поведению электрона на атомной орбите, то никогда как следует не разберется в причинах устойчивости боровского атома.
Если струну свернуть в кольцо
Внимательно изучая работу Эйнштейна о фотоэффекте, Луи де Бройль обратил внимание на то, что, по его собственным словам, «соотношение между частотой и энергией, установленное Эйнштейном на основании теории фотонов, тесно связывает дуализм (волна-частица) излучения с существованием квантов». Но постоянная Планка — его знаменитый квант действия, по теории Бора, определял и свойства электронов, оправдывая их способность находиться лишь на определенных орбитах, а не подчиняться законам классической механики. Так не предположить ли, что и электрону свойствен такой же дуализм, как и частицам света — фотонам?.. То есть не могут ли электроны прикидываться в некоторых случаях волнами?
Согласитесь, что мысль не просто фантастическая, но и весьма дерзкая. В то время ни у кого даже сомнений не возникало, что электрон — частица… Только, может быть, какая-то странная частица. И вдруг — волна. Мало того, де Бройль предлагал считать, что вообще все так называемые частицы, известные физикам — а в то время это были кроме электронов еще и протоны, и альфа-частицы, и сами атомы, — обладают дуалистической природой, аналогичной природе фотона, и это проявление двойственных свойств, волновых и корпускулярных, связано с квантом Планка.
При этом де Бройль совершенно определенно предложил считать, что частице с массой m, движущейся со скоростью v, должна соответствовать волна, длина которой λ = h/mv.
Здесь следует сделать одно важное замечание. Волновые свойства бывают видны, когда длина волны хотя бы сравнима с размерами огибаемого тела. По формуле де Бройля получалось, что чем больше тело, тем короче длина соответствующей ему волны. Легко подсчитать, что для крупинки весом в один грамм, движущейся со скоростью, скажем, один сантиметр в секунду, длина соответствующей волны будет в миллиарды миллиардов раз короче волн видимого света. И только перейдя к объектам атомного масштаба, мы получим волны, длины которых сравнимы с самими объектами.
Почему целое число полуволн?
Честно говоря, все это было в высшей степени туманно, потому что непонятно было, о какой волне шла речь и как ее следовало искать. Самому де Бройлю не хватало какой-то привычной аналогии. Не будем забывать, что и он воспитывался на классических понятиях… Но вот однажды у него возникла идея сравнить электрон с колеблющейся струной. Еще во времена Пифагора было известно, что струна звучит приятно, когда издает основной тон или первый обертон, второй…
А что такое основной тон? Это режим колебаний струны, когда она колеблется вся как единое целое. На всей ее длине укладывается половина длины звуковой волны. При первом обертоне на длине струны укладываются две полуволны, на втором обертоне — три и так далее. Общий закон: по всей длине струны должно укладываться целое число полуволн только тогда, теоретически конечно, когда она будет колебаться гармонически. Колебания ее будут убывать медленно. И если бы не было трения, то в идеале они оставались бы вечными, незатухающими.
«А нельзя ли представить себе орбиту электрона струной, свернутой в кольцо? — подумал де Бройль. — Тогда движение электрона на орбите будет колебанием этой струны… А устойчивыми орбитами должны быть те, на которых так же, как на струне, уложится целое число полуволн».
Почему «целое число полуволн»? Посмотрите на рисунок… Обежав всю орбиту, волна плавно переходит в саму себя только в том случае, если длина орбиты кратна длине волны. В противном случае «начало» волны наложится на ее «хвост» не в такт, а волна скоро затухнет. Иными словами, «целое число полуволн» должно соответствовать боровскому требованию квантования всех электронных характеристик.
И вот радость — длина волны по его формуле точно уложилась на квантовых орбитах атома, разрешенных теорией Бора. Но одновременно с радостью успеха усугубились и старые противоречия. Уже после работ Планка и Эйнштейна одна из руководящих идей классической физики XIX столетия — непрерывность такой физической величины, как энергия, оказалась под угрозой. Планк ввел дискретность (порционность) в теорию излучения черного тела. Эйнштейн с помощью квантов объяснил фотоэффект. Похоже было, что свет переносит энергию строго определенными порциями, которые зависят от его частоты. А это означало, что в некоторых случаях электромагнитные волны могли вести себя, как частицы.
Но мало того. Если после работ Планка и Эйнштейна волны могли в некоторых случаях вести себя как частицы, перенося энергию квантами, что было само по себе весьма противоречивым, то после работ де Бройля противоречия усугубились. Французский физик по существу настаивал на том, что и «частицы» можно рассматривать как волны. То есть, иначе говоря, он всем без исключения физическим объектам присваивал и дискретные, и волновые свойства. Но разве можно примирить эти два столь не похожие, даже, можно сказать, противоположные понятия: ограниченные в пространстве, локальные объекты-частицы и протяженные, непрерывно распределенные волны? Такое несообразие приводило буквально в отчаяние физиков. Оно должно было быть разрешено! И как можно скорее.