Квантовая теория

Квантовая теория

Со времен Ньютона классическая механика непрерывно развивалась и применялась ко все более широкому кругу динамических систем, включая электромагнитное поле, взаимодействующее с материей. Основные идеи классической механики и законы, управляющие применением этих идей, образуют простую и изящную схему. Казалось бы. эта схема не может быть существенно улучшена без утраты всех ее привлекательных свойств. Тем не менее оказалось возможным ввести новую схему, названную квантовой механикой, которая более пригодна для описания явлений атомного масштаба и которая, в известном смысле, более изящна и удовлетворительна, чем классическая схема. Эта возможность возникла потому, что изменения, которые влечет за собой новая схема, носят весьма глубокий характер и не вступают в противоречие с теми свойствами классической теории, которые делают ее столь привлекательной; в результате все эти свойства можно включить в новую схему.

Необходимость в отходе от классической механики с очевидностью следует из экспериментальных данных. Прежде всего, силы, известные в классической электродинамике, непригодны для объяснения замечательной стабильности атомов и молекул, стабильности, которая необходима для того, чтобы вещества вообще могли иметь определенные физические и химические понятия и свойства. Введение новых гипотетических сил не спасает положения, так как существуют общие принципы классической механики, справедливые для всех видов сил, которые приводят к результатах!, находящимся в прямом противоречии с опытом. Например, если нарушить каким-либо прем равновесие атомной системы, а затем предоставить ее самой себе, то она начнет колебаться; колебания будут воздействовать на окружающее электромагнитное поле, так что частоты этой системы можно будет наблюдать с помощью спектроскопа. Каков бы ни был характер сил. определяющих равновесие, можно ожидать, что разнообразные частоты могут быть включены в схему, которая содержит некоторые фундаментальные частоты и их гармоники. Однако этого не наблюдается. На самом деле наблюдается новое и неожиданнее соотношение между частотами — комбинационный принцип Ритца, согласно которому все частоты могут быть выражены как разности между некоторыми величинами — термами; число этих термов много меньше числа частот. Этот закон совершенно непонятен с классической точки зрения.

Можно было бы попытаться преодолеть эти трудности, не отказываясь от классической механики, предположив, что каждая из спектроскопически наблюдаемых частот есть фундаментальная частота со своей собственной степенью свободы, а законы сил таковы, что высшие гармоники отсутствуют. Однако такая теория неудовлетворительна; не говоря уже о том, что она не дает объяснения комбинационному принципу, она. немедленно приводит к противоречию с экспериментальными данными пб удельных теплоемкостях. Классическая статистическая механика позволяет установить общее соотношение между полным числом степеней свободы совокупности колеблющихся систем и ее удельной теплоемкостью. Если предположить, что все спектроскопические частоты атома соответствуют различным степеням свободы, то для удельной теплоемкости любого вещества получится величина гораздо больше наблюдаемой на опыте. Па самом деле наблюдаемые удельные теплоемкости при обычных температурах получаются достаточно хорошо из теории, которая принимает во внимание лишь движение каждого атома как целого и не приписывает ему никакого внутреннего движения.

Это приводит нас к новому противоречию между классической механикой и результатами опыта. В атоме несомненно должно происходить внутреннее движение, что следует из самого сущесгвовання атомного спектра; однако внутренние степени свободы по какой-то причине, необъяснимой с классической точки зрения, не вносят вклада в удельную теплоемкость. Аналогичное противоречие встречается в связи с вопросом об энергии колебания электромагнитного поля в вакууме. Классическая механика требует, чтобы удельная теплоемкость, соответствующая этой энергии, была бесконечной. Из опыта же следует, что она конечна. Общин вывод, который следует из экспериментальных данных, заключается в том, что высокие частоты не вносят своего классического вклада в удельную теплоемкость.

В качестве другого примера неудачи классической механики рассмотрим поведение света. С одной стороны, мы имеем явления интерференции и дифракции, которые можно объяснить только с помощью волновой теории, с другой стороны — такие явления, как фотоэлектрический эффект и рассеяние CBi-ra свободными электронами, которые показывают, что спет состоит из малых частиц. Каждая из этих частиц, называемых фотонами, имеет определенную энергию и импульс, зависящие от частоты света. Фотоны, по-видимому, столь же реально существуют, как электроны или любые другие известные в физике частицы. Дробная часть фотона никогда не наблюдалась.

Опыты показывают, что это аномальное поведение свойственно не только свету, а является весьма общим. Все материальные частицы обладают волновыми свойствами, которые могут проявляться в подходящих условиях. В данном случае мы имеем поразительный и общин пример крушения классической механики — крушения, которое заключается не просто в том, что законы движения оказались не точными, а в том, что сами основные понятия классически механики оказались непригодными для описания атомных явлений.