Микромир: концепции современной физики

В 1918 г. Бор сформулировал важный для новой атомной теории принцип соответствия, показывающий, когда именно существенны квантовые ограничения, а когда можно пользоваться и классической физикой. В 1927 г. сформулировал важный для понимания квантовой механики принцип дополнительности.

Бор много сделал и для развития ядерной физики. В 1936 г. предложил теорию составного ядра, он является одним из создателей капельной модели ядра и теории деления атомного ядра, предсказал спонтанное деление ядра.

Бор создал большую интернациональную  школу физиков: Ф.Блох, О.Бор, В.Вайскопф, О.Клейн, Х.Крамерс, Л.Д.Ландау, А.Пайс, Л.Розенфельд, Дж.Уилер и др. [1]

В 1917 г. Эйнштейн внес крупный вклад  в квантовую теорию, предложив  статистические законы электронных переходов в атоме, в соответствии с которыми вероятность переходов пропорциональна интенсивности излучения и числу возбужденных атомов. Используя такие представления, ему удается получить формулу Планка, не прибегая к использованию аналогий с линейными осцилляторами. Одновременно обостряется проблема волна-частица, т.к. при элементарном акте излучения происходит испускание импульса в совершенно случайном направлении, что исключало описание излучения с использованием представлений сферических волн. Причем это уже было не расхождение между различными учеными 18 века, которые для объяснения одних и тех же явлений привлекали либо волновую, либо корпускулярную теорию. В 20 веке противоречие содержалось в самой физике: одни явления (дифракция) интерпретировались с волновых позиций, а другие (фотоэффект) - с корпускулярных.

Разрешение этого противоречия было предложено в 1923 г. де Бройлем, приписавшим  волновые свойства частице - волны де Бройля.

Бройль Луи Де (15.07.1892-19.03.1987) – французский физик, член Парижской АН (1933, 1942-75 – непременный секретарь), Лондонского королевского общества, иностранный член АН СССР (1927), медаль Пуанкаре (1929). Родился в Дьеппе в семье герцога. Окончил Парижский университет: бакалавр по истории (1910), ученая степень по физике (1913). Там же в 1928-62 гг. был профессором. [4]

Работы в области классической и квантовой механики, теории поля, квантовой электродинамики, истории  и методологии физики. В 1923 распространил  идею А.Эйнштейна о двойственной природе света на вещество, предположив наличие у материальных частиц волновых свойств, однозначно связанных с массой и энергией. Эту идею о всеобщности корпускулярно-волнового дуализма Э.Шредингер использовал при создании своей волновой механики. За открытие волновой природы электрона де Бройль в 1929 г. удостоен Нобелевской премии.

В 1925 г. Гейзенберг, следуя, как и  Эйнштейн, принципу соответствия Бора, предложил матричный вариант  квантовой механики, которая позволяла  объяснить существование стационарных квантованных энергетических состояний и рассчитать энергетические уровни различных систем.

Гейзенберг Вернер Карл (05.12.1901–01.02.1976) – немецкий физик, почетный член многих академий наук и научных  обществ, медали Маттеучи, Планка, Бора и др. Родился в Дуйсбурге в семье профессора древнегреческого языка. Окончил Мюнхенский университет (степень доктора, 1923), после чего был ассистентом М.Борна в Геттингенском университете. В 1924-27 гг. работал у Н.Бора в Копенгагене, 1927-41 гг. – профессор теоретической физики Лейпцигского университета, 1941-45 гг. – директор Института физики кайзера Вильгельма и профессор Берлинского университета, 1946-58 гг. – директор Физического института и профессор Геттингенского университета, с 1958 г. – директор Института физики и астрофизики и профессор Мюнхенского университета. [4]

Работы в области  квантовой механики, квантовой электродинамики, релятивистской квантовой теории поля, теории ядра, магнетизма, физики космических  лучей, теории элементарных частиц, философии естествознания. В 1925 разработал матричную механику – первый вариант квантовой механики (Нобелевская премия, 1932). В 1926 г. объяснил отличия двух систем термов для пара- и ортогелия, в 1927 г. сформулировал принцип неопределенности, ограничивающий применение к микрообъектам классических представлений.

Совместно с П.Дираком  в 1928 г. выдвинул идею обменного взаимодействия и независимо от Я.И.Френкеля разработал первую квантовомеханическую теорию ферромагнетизма, основанную на обменном взаимодействии электронов. В 1929 г. совместно с В.Паули предпринял попытку дать формулировку квантовой электродинамики, введя общую схему квантования полей. Развил (1934-36) теорию дырок Дирака, вслед за ним постулировал (1934) существование эффекта поляризации вакуума.

Вслед за Д.Д.Иваненко пришел к протонно-нейтронной модели ядра (1932), ввел понятие изотопического спина, показал, что ядерные силы насыщающие. Построил теорию ядерных сил, развив идею обменного взаимодействия Иваненко-Тамма. В 1943 гг. в квантовой теории поля ввел матрицу рассеяния (S – матрицу) – важный инструмент для описания взаимодействия. В 1958 гг. проквантовал нелинейное спинорное уравнение (уравнение Иваненко-Гейзенберга), занимался созданием единой теории поля.

Практически одновременно, развивая идеи волновой механики, в 1926 г. Шредингер предложил свое волновое уравнение и метод квантования, которые приводили к тем же результатам, что и квантовая механика Гейзенберга. Фактически это означало тождественность волновой и квантовой механики, хотя их математические методы существенно различаются.

Шредингер Эрвин (12.08.1887-04.01.1961) - австрийский физик, член ряда академий наук и научных учреждений, иностранный  член АН СССР (1934), медали Маттеучи, Планка и др. Родился в Вене в семье  предпринимателя. Окончил Венский университет, доктор философии (1910). Работал в Венском и Йенском университетах, 1920-21 гг. - профессор Высшей технической школы в Штуттгарте и университета в Бреслау, 1921-27 гг. – профессор Цюрихского, 1927-33 гг. – Берлинского, 1933-36 гг. – Оксфордского, 1936-38 гг. – Грацкого университетов. 1941-55 гг. – директор Института высших исследований в Дублине, с 1956 г. – профессор Венского университета.

Основные достижения в области квантовой теории и  квантовой механики. Исходя из идей де Бройля о волнах материи и принципа Гамильтона, разработал теорию движения микрочастиц, в основу которой положил уравнение (уравнение Шредингера), играющее в атомных процессах такую же фундаментальную роль, как законы Ньютона в классической механике, и ввел для описания состояний микрообъекта волновую функцию. В 1926 г. доказал эквивалентность своей волновой механики и матричной механики Гейзенберга. В том же году построил квантовую теорию возмущений – приближенный метод в квантовой механике. За создание волновой механики удостоен Нобелевской премии (1933). Придерживаясь классических традиций полного детерминизма, Шредингер не принял квантовую механику как завершенную теорию.

Дальнейшие работы Шредингера относятся к теории мезонов, термодинамике, нелинейной электродинамике, общей теории относительности, разработке единой теории поля. Он имел разносторонние интересы: занимался лепкой, написал книгу по греческой философии, изучал проблемы генетики, опубликовал томик стихов и т.д.

В 1927 г. американский физик Клинтон Джозеф Дэвиссон (1881-1958) в лаборатории "Белл телефон" и английский физик Джордж Паджетт Томсон (1892-1975) в Абердинском университете (Шотландия) независимо открыли дифракцию электронов, экспериментально доказав наличие волновых свойств у частиц (Нобелевская премия по физике, 1937). А в 1929 г. немецкие физики Отто Штерн (1888-1969) и Иммануэль Эстерман (1900-1973) в опытах с атомарными пучками водорода также наблюдали дифракцию, показав, что любым корпускулярным пучкам присущи волновые свойства. Явление дифракции электронов нашло широкое применение в физических исследованиях поверхностных слоев и тонких пленок, а также в электронной микроскопии. Сейчас уже без волновой механики нельзя себе представить ни одной современной науки.

Шредингер, выводя свое уравнение, использовал подходы классической механики. В 1928 г. Дирак предложил свою теорию, которая включала представления о квантах, теории относительности и спине (такое понятие введено американскими физиками введено Джорджем Юджином Уленбеком (р.1900) и Самуэлем Абрахамом Гаудсмитом (1902-1979) в 1925 г.) и позволяла учитывать релятивистские эффекты.

Дирак Поль Адриен Морис (08.08.1902-20.10.1984) – английский физик, член Лондонского королевского общества (1930), почетный член ряда академий наук и научных обществ, иностранный член АН СССР (1931), Королевская медаль (1939), медаль Копли (1952), премия Оппенгеймера и др. Родился в Бристоле в семье учителя французского языка. Окончил Бристольский университет (1921), в 1926 г. защитил докторскую диссертацию в Кембридже. 1932-68 гг. – профессор Кембриджского, с 1969 г. - Флоридского университета. [2]

Работы в области  квантовой механики, квантовой электродинамики, квантовой теории поля, теории элементарных частиц, теории гравитации. Разработал математический аппарат квантовой механики – теорию преобразований, предложил метод вторичного квантования. В 1927 г. применил принципы квантовой теории к электромагнитному полю и разработал первую модель квантованного поля. Предсказал тождественность вынужденного и первичного излучений, лежащую в основе квантовой электронике. В 1928 г. с В.Гейзенбергом открыл обменное взаимодействие.

Построил релятивистскую квантовую механику, предложив волновое уравнение, описывающее движение электронов и удовлетворяющее релятивистской инвариантности. Создал теорию дырок (1930), в 1931 г. предсказал существование античастиц, рождение и аннигиляцию электронно-позитронных пар, постулировал эффект поляризации вакуума (1933). За создание квантовой механики в 1933 г. был награжден Нобелевской премией.

Независимо от Э.Ферми  в 1926 г. разработал статистику частиц с полуцелым спином. В 1932 г. совместно с В.А.Фоком и Б.Подольским предложил многовременной формализм - предшественник современной квантовой электродинамики. В 1936 г. построил общую теорию классических полей. Высказал (1937) гипотезу изменения гравитации со временем, работал над проблемой гамильтоновой формулировки теории гравитации для дальнейшего квантования гравитационного поля. В 1942 г. ввел понятие индефенитной метрики для устранения бесконечности собственной энергии электрона, в 1962 г. разработал теорию мюона, описываемого как колебательное состояние электрона.

Из теории Дирака следовало  существование позитрона, который  действительно был обнаружен  в 1932-33 гг. при ядерных распадах под действием космических лучей (открыты в 1911-13 гг. австрийским физиком Виктором Францем Гессом (1883-1964)) американским физиком Карлом Дэвидом Андерсоном (р.1905) (Нобелевская премия по физике, 1936), а также английским физиком Патриком Мейнардом Стюардом Блэккетом (1897-1974) и итальянским физиком Джузеппе Оккиалини (р.1907).

Развивались и статистические методы описания поведения квантовых  объектов. В 1924-25 гг. индийский физик  Шатвендранат Бозе (1894-1974) и Эйнштейн создали новую квантовую статистику для фотонного газа, получив распределение Планка, а в 1926 г. почти одновременно Ферми и Дирак вывели с учетом запрета Паули вывели свою статистику для электронов.

Ферми Энрико (29.09.1901-28.11.1954) - итальянский физик, член Национальной академии деи Линчеи (1935), многих академий наук и научных обществ, иностранный член АН СССР (1929). В США учреждена премия его имени, в его честь назван 100 химический элемент - фермий, его имя присвоено Чикагскому институту ядерных исследований. Родился в Риме в семье железнодорожного служащего. Окончил Пизанский университет (1922). В 1923-24 г. работал у М.Борна в Геттингенском и у П.Эренфеста в Лейденском университетах, с 1926 - профессор Римского университета. В 1938 г. эмигрировал в США: 1939-42 гг. - профессор Колумбийского, 1942- 45 гг. - Чикагского университетов (1944-45 - заведующий отделом Лос-Аламосской лаборатории), с 1946 - профессор Института ядерных исследований (Чикаго).

Работы в области  атомной и ядерной физики, статистической механики, физики космических лучей, физики высоких энергий, астрофизики, технической физики. В 1926 г. разработал независимо от П.Дирака статистику частиц с полуцелым спином, в 1928 г. дал схему описания и расчета основного состояния многоэлектронных атомов (модель Томаса-Ферми). В 1929-30 г. разработал канонические правила квантования поля, в 1933-34 г. создал количественную теорию бета-распада, положив начало теории слабых взаимодействий. В 1934 г. открыл искусственную радиоактивность, обусловленную нейтронами, обнаружил и дал теорию явления замедления нейтронов (Нобелевская премия, 1938), высказал идею получения новых элементов при облучении урана нейтронами, в 1936 г. открыл селективное поглощение нейтронов. Все это положило начало нейтронной физике.

В 1939 г. независимо от Ф.Жолио-Кюри, Л.Сцилларда и других доказал, что при делении урана под действием медленных нейтронов излучаются 2-3 новых нейтрона и возможно осуществление цепной ядерной реакции. Построил первый ядерный реактор и 2 декабря 1942 г. впервые получил самоподдерживающуюся цепную реакцию.

В 1949 г. разработал теорию происхождения космических лучей, в 1950 г. - статистическую теорию множественного образования частиц (мезонов), в 1952 г. открыл адронный резонанс - изотопический квадруплет. Вместе с Ч.Янгом в 1949 г. предложил первую составную модель элементарных частиц (модель Ферми-Янга).

Паули Вольфганг (25.04.1900-14.12.1958) - австрийско-швейцарский физик, член Швейцарского физического и ряда других научных обществ, медали Франклина, Планка. Родился в Вене в семье профессора химии. Окончил Мюнхенский университет (степень доктора - 1921). В 1921-22 гг. - ассистент М.Борна в Геттингенском университете, в 1922-23 гг. - Н.Бора в Институте теоретической физики в Копенгагене, в 1923-28 гг. - доцент Гамбургского университета, с 1928 г. - профессор Политехникума в Цюрихе (кроме 1935-36, 1940-45, 1949-50, 1954, когда работал в Принстонском институте перспективных исследований).

Работы во многих областях теоретической физики, в развитии которых он принимал непосредственное участие: квантовая механика, квантовая электродинамика, квантовая теория поля, теория относительности, теория твердого тела, ядерная физика, физика элементарных частиц. В 1924 г. выдвинул гипотезу ядерного спина для объяснения сверхтонкого расщепления спектральных линий, предложив существование спинового и магнитного моментов ядер. В 1924-25 г. сформулировал важнейший принцип о невозможности нахождения двух тождественных частиц с полуцелым спином в одном состоянии - запрет Паули (Нобелевская премия, 1945). Объяснил парамагнетизм электронного газа в металле (1927), структуру электронных оболочек атомов. В 1927 г. ввел в квантовую механику для описания спина электрона матрицы (спиновые матрицы Паули), создал теорию спина электрона. Совместно с В.Гейзенбергом в 1929 г. заложил основы систематической теории квантования поля. Объяснил (1928) сверхтонкую структуру атомных спектров.