Рождение квантовой механики: как Планк, Эйнштейн и де Бройль изменили физику

Содержание

Наш путь в мир квантовой механики начинается. Эта область науки, полная вероятностей и неопределенностей, кажется многим чем-то запредельно сложным, доступным лишь избранным. Однако мы попробуем разобраться в её основах, проследив ключевые исторические моменты и узнав, как разрешилось противостояние между двумя гигантами мысли — Альбертом Эйнштейном и Нильсом Бором.

Начало великой революции

Принято считать, что квантовая механика — это нечто непостижимое. Но её история началась с конкретной проблемы. В 1900 году Макс Планк, изучая излучение абсолютно чёрного тела, ввёл понятие кванта энергии. Его постоянная (h) стала краеугольным камнем новой физики, хотя сам учёный изначально считал свою идею лишь математической уловкой.

Влияние квантовой физики

Ультрафиолетовая катастрофа: кризис классики

Чтобы понять важность открытия Планка, нужно обратиться к так называемой «ультрафиолетовой катастрофе». Это был парадокс классической физики, описанный законом Рэлея — Джинса. Согласно ему, энергия, излучаемая нагретым телом, должна была неограниченно расти с увеличением частоты (то есть в ультрафиолетовой области спектра). Это противоречило экспериментальным данным и здравому смыслу — получалось, что любое тело должно мгновенно терять всю энергию в виде коротковолнового излучения.

Новости МирТесен

На графике: u — плотность энергии, ω — частота. Классическая теория (пунктир) уходит в бесконечность, что не соответствует реальности.

Пока физики ломали головы, Макс Планк предложил радикальное решение. Он выдвинул гипотезу, что энергия излучается не непрерывно, а дискретными порциями — квантами. Минимальная порция энергии определяется формулой E = hν, где ν — частота. Эта, казалось бы, техническая поправка не только спасла теорию от катастрофы, но и положила начало новой эпохе. За это открытие Планк получил Нобелевскую премию в 1918 году.

Сравнение классической теории (катастрофа) и квантового решения Планка.

Эйнштейн и корпускулярно-волновой дуализм

Идею квантов подхватил Альберт Эйнштейн. В 1905 году он использовал её для объяснения фотоэффекта — явления, при котором свет, падая на металл, выбивает из него электроны. Эйнштейн предположил, что свет состоит из тех самых квантов (позже названных фотонами). Это была смелая идея, ведь свет столетиями считался волной. За работу по фотоэффекту, а не за теорию относительности, Эйнштейн получил Нобелевскую премию в 1921 году. Ирония судьбы в том, что позднее он стал одним из самых ярых критиков развивающейся квантовой механики.

Так рождался корпускулярно-волновой дуализм — фундаментальный принцип, согласно которому объекты микромира (как свет, так и частицы) проявляют и волновые, и корпускулярные свойства в зависимости от условий эксперимента.

Частица поёт песню «я волна».

Де Бройль: если свет — частица, то частица — волна

Следующий шаг сделал Луи де Бройль. В 1924 году он задался вопросом: если свет, который считался волной, ведёт себя как частица, то не могут ли частицы (например, электроны) вести себя как волны? Он объединил формулы Планка (E = hν) и Эйнштейна (E = mc²), связав импульс частицы с длиной волны.

Формулы Планка и Эйнштейна.

Результат: λ = h / p, где λ — длина волны, а p — импульс частицы. Это означало, что любой материальный объект обладает волновыми свойствами! Для макроскопических тел (вроде нас с вами) эта длина волны ничтожно мала и не观测дается, но для электронов она становится существенной. За эту смелую гипотезу, вскоре подтверждённую экспериментально, де Бройль получил Нобелевскую премию в 1929 году.

Именно волновые свойства частиц станут ключом к пониманию знаменитого двухщелевого эксперимента, о котором пойдёт речь в следующей части. А на арене уже готовились к главному идеологическому противостоянию: Нильс Бор, строитель копенгагенской интерпретации квантовой механики, против Альберта Эйнштейна, не желавшего мириться с вероятностной природой микромира.

Если вам понравилась эта статья, ставьте лайк и подписывайтесь на канал, чтобы не пропустить продолжение.