Otvaranje Louisa de Brogliea. De Broglie omjer

5. Prve primjene kvantne hipoteze

Poglavlje VI. Bohr atom

1. Spektri i spektralne linije

2. Borova teorija

3. Razvoj Borove teorije. Sommerfeldova teorija

4. Borova teorija i struktura atoma

5. Kritika Borove teorije

Poglavlje VII. Princip korespondencije

1. Teškoća pomirenja kvantne teorije i teorije zračenja

2. Borov princip korespondencije

3. Neke primjene principa korespondencije

Poglavlje VIII. Mehanika talasa

1. Osnovne ideje valne mehanike

2. Čestica i talas povezani s njim

3. Schrödingerova djela

4. Difrakcija elektrona

5. Fizičko objašnjenje valne mehanike

6. Gamowova teorija

Poglavlje IX. Heisenbergova kvantna mehanika

1. Heisenbergove glavne ideje

2. Kvantna mehanika

3. Identitet kvantne i valne mehanike

4. Princip korespondencije u novoj mehanici

Poglavlje X. Probabilistička interpretacija nove mehanike

1. Opće ideje i osnovni principi

2. Odnos neizvjesnosti

3. Poređenje sa starom mehanikom

4. Indeterminizam u novoj mehanici

5. Komplementarnost, idealizacija, prostor i vrijeme

Poglavlje XI. Spin elektrona

1. Fina struktura i magnetske anomalije

2. Uhlenbeckova i Goudsmitova pretpostavka

3. Paulijeva teorija

4. Diracova teorija

5. Stanja sa negativnom energijom. Pozitivan elektron

Poglavlje XII. Talasna mehanika sistema i Paulijev princip

1. Talasna mehanika sistema čestica

2. Sistemi koji se sastoje od čestica iste prirode. Paulijev princip

3. Primene talasne mehanike sistema

4. Kvantna statistika

5. Napomena o principu identiteta

Književnost

Broglie, de Broglie Louis de (r. 15.8.1892, Dieppe), francuski fizičar. Član (1933) i stalni sekretar (1942) Francuske akademije nauka. Strani član Akademije nauka SSSR (1958). Diplomirao na Univerzitetu u Parizu (1909). Tu je predavao od 1928. Godine 1924. u svojoj doktorskoj disertaciji: “Istraživanje teorije kvanta” iznio je ideju o valnim svojstvima materije (tzv. de Broglieov val), koja je činila osnovu moderne kvantne mehanike. Valna svojstva mikročestica su naknadno potvrđena eksperimentima na difrakciji elektrona i drugih čestica. Broglie je takođe radio na relativističkoj kvantnoj mehanici, pitanjima strukture jezgra i teoriji širenja elektromagnetnih talasa u talasovodima. Broglie je takođe napisao radove o istoriji fizike. Nobelova nagrada (1929.)

Louis de Broglie je najveći fizičar našeg doba, jedan od osnivača kvantne teorije. Autor u vrlo pristupačnom obliku pokazuje kakvu je revoluciju kvantna teorija napravila u razvoju moderne fizike. Čitava knjiga je napisana u obliku istorijskog pregleda osnovnih ideja koje su neminovno trebale i dovele do stvaranja kvantne mehanike.
De Broglie izlaže čitavu kvantnu teoriju bez ijedne formule!
De Broljova knjiga je od nesumnjivog interesa za širok krug fizičara, za studente koji proučavaju modernu fiziku i za čitaoce zainteresovane za napredak fizike.

Louis de Broglie. "Revolucija u fizici" (nova fizika i kvanti)
Atomizdat, Moskva, 1965

Predgovor urednika

Knjigu na koju je skrenuta pažnja čitalaca napisao je jedan od poznatih naučnika, koji je i sam učestvovao u razvoju kvantne fizike, još kada je činila prve korake. Ovo je jedna od rijetkih knjiga u kojoj je popularno i dosta cjelovito predstavljena nerelativistička kvantna teorija, koja je već postala klasična, ali još uvijek nije baš razumljiva i nepoznata onima koji se direktno ne bave ovim područjem fizike. .
Ovo je primjer najboljeg stila popularne književnosti, gdje autor nikada ne pada u loš ton snishodljivog odnosa prema čitaocu, koji se izražava u tome da je neka visoka i nepristupačna materija. Naprotiv, radi se o ozbiljnom razgovoru o ozbiljnim i teškim stvarima, koji pretpostavlja u čitaocu sposobnost da uloži isti intelektualni napor kao i autor kako bi što jasnije i pristupačnije iznio teška pitanja.
Ono što knjigu čini popularnom uglavnom je to što prezentacija ne koristi nikakav matematički aparat i ne zahtijeva nikakvo posebno znanje od čitaoca. Od njega se traži samo opšta kultura i dobra volja, koja je podstaknuta direktnim interesovanjem za predmet.
Ova knjiga je napisana 1936. godine i ponovo objavljena 1946. godine bez skoro nikakvih izmjena. Zaista, nerelativistička kvantna fizika je gotovo u potpunosti formirana do 1930. godine. U tekst ove knjige uneseno je samo nekoliko amandmana zbog 15-godišnjeg razvoja nauke, a štaviše, svi oni nisu od fundamentalnog značaja, već se odnose na na određene činjenice. I štoviše, na činjenice ne one nerelativističke kvantne mehanike, koja čini sadržaj de Broglieove knjige, već na područje kvantne teorije polja ili teorije elementarnih čestica, koje su s njom usko povezane. Ove posljednje oblasti su se veoma razvile u poslijeratnim godinama, iako se čini da smo ovdje još uvijek daleko od pravog razumijevanja.
Na primjer, sada je precizno utvrđeno da svaka čestica (trenutno postoji oko 30 različitih elementarnih čestica) ima svoju antičesticu, kao što pozitron odgovara elektronu. U nekim rijetkim slučajevima istinski neutralnih čestica, čestica se poklapa sa svojom antičesticom, tako da se neka de Broglieova razmišljanja ispostavljaju neodrživima ili uvelike pojednostavljena. Na primjer (vidi str. 56), „čudnu asimetriju“ o kojoj de Broglie govori u vezi s protonima i elektronima sada vidimo kao duboko obilježje asimetrične strukture našeg svijeta na pozadini potpune simetrije fizičke zakoni u vezi sa česticama i antičesticama. Ova činjenica je očito povezana s posebnom prirodom pozitivnog smjera vremena (usp. raspravu o ovoj činjenici na str. 74, 75), budući da se formalnim preokretom vremena (zamjenom t sa - t) sve čestice pretvaraju u antičestice sa suprotan paritet.
Nakon Paulijevog temeljnog rada o takozvanoj CPT invarijantnosti (1942) i nevjerovatnih otkrića posljednjih godina (nekonzervacija pariteta - Lee i Yang, 1956; kombinovani paritet - Landau, 1956), ovo područje je postalo bolje shvaćeno.
Druga važna oblast je relativistička kvantna mehanika ili kvantna teorija polja, koja se trenutno vrlo intenzivno razvija. Neke od de Broglieovih izjava se logično odnose upravo na ovu oblast. Na primjer, njegove primjedbe o poteškoćama teorije fotona koje je iznio ili o poteškoćama relativističkog problema više tijela (relativistička statistička fizika).
Naravno, u svjetlu nedavnih otkrića, ove stvari je trebalo izreći malo drugačije. Iako u ovoj oblasti ostaju velike fundamentalne poteškoće, sada se mnogo toga može objasniti i dati kvantitativni opis nekih činjenica. Ne smatramo potrebnim ove odlomke uklanjati iz teksta knjige, a još manje ih mijenjati na bilo koji način. Za predmet de Broljove knjige – nerelativističku kvantnu mehaniku – oni imaju sekundarni značaj.
U ovoj knjizi mogu se iznijeti neke tvrdnje o opravdanosti vjerojatnosnog koncepta kvantne mehanike i tumačenju takozvanog dualnosti valova i čestica. Ponekad se čini da se de Broglieovo gledište donekle mijenja od poglavlja do poglavlja. To je vjerovatno tačno, jer je de Broglie u različitim periodima svoje naučne karijere imao različite poglede na ovaj veoma težak i osnovni koncept kvantne mehanike. Svako ko to želi dalje razumjeti upućuje se na raspravu između Nielsa Bora i Alberta Einsteina, objavljenu, na primjer, u Borovoj knjizi Atomska fizika i ljudska spoznaja. Dvojica velikih naučnika imala su različita gledišta, a njihova rasprava - primjer naučnog spora u kojem sudionici nastoje samo utvrditi istinu, a ne potvrditi svoje gledište - uvelike je doprinijela razumijevanju ovog teškog i važnog pitanja.
Za čitaoca koji želi da nastavi upoznavanje sa idejama kvantne fizike i njenim novim dostignućima, nudimo na kraju knjige spisak literature iz koje može izabrati knjigu po svom ukusu.
Ali ova de Broglieova knjiga je veoma pogodna za prvo upoznavanje sa kvantnom teorijom i čak će, po našem mišljenju, biti od interesa za mnoge fizičare koji rade u ovoj oblasti.
Zaista, de Broglieova sposobnost da jasno predstavi složena pitanja i ocrta racionalnu vezu ideja predstavlja veoma vrijedna svojstva ove knjige. Ako se ponekad dubina žrtvuje radi jasnoće i ova veza izgleda donekle pojednostavljeno, onda za popularnu prezentaciju to nije nedostatak, a sofisticiraniji čitatelj će oprostiti ove trenutke i pronaći način da ispravi pojedinačne karakteristike u cjelokupnoj ispravnoj slici.
M.K. Polivanov

Uvod. Značenje kvanta
1. Zašto trebate znati o kvantima?

Mnogi će se, gledajući naslov ove male knjige, nesumnjivo uplašiti tajanstvene riječi “quanta”. Zaista, čak i teorija relativnosti, o kojoj se dosta žustro raspravlja u posljednjih nekoliko godina, ima vrlo nejasnu ideju među širokim krugovima čitatelja. Što se tiče kvantne teorije, vjerujem da čitalac ima još nejasniju predstavu o njoj. Istina, to je opravdano, jer kvanti su prilično misteriozna stvar.
Što se mene tiče, kvante sam počeo da proučavam sa dvadesetak godina i nastavio da ih proučavam četvrt veka. Pa ipak, moram iskreno priznati da, iako sam za sve ovo vrijeme postigao nešto dublje razumijevanje nekih aspekata ove problematike, još ne mogu sa potpunom pouzdanošću reći šta se krije ispod maske koja krije pravo lice kvantiteta. Ipak, čini mi se da, uprkos svoj važnosti i značaju napretka koji se dogodio u fizici tokom poslednjih vekova, naučnici nisu bili u stanju da duboko razumeju pravu prirodu fenomena sve dok nisu znali ništa o postojanju kvanta. Jer bez kvanta bilo bi nemoguće zamisliti ni svjetlost ni materiju.
Može se shvatiti kakav je značajan uticaj izvršio na sam pravac razvoja ljudskog znanja onog dana kada su kvanti potajno ušli u nauku. Baš tog dana, veličanstveno i grandiozno zdanje klasične fizike bilo je uzdrmano do samog temelja, iako toga još niko nije bio jasno svjestan. U istoriji nauke nije bilo mnogo potresa uporedivih po snazi ​​sa ovim.
I tek sada smo u stanju da razumemo i cenimo veličinu i važnost revolucije koja se dogodila. Klasična fizika, vjerna Descartesovom idealu, prikazala je Univerzum kao neku vrstu ogromnog mehanizma, čije se ponašanje može prilično precizno opisati preciziranjem položaja svih njegovih dijelova u prostoru i promjenom položaja tokom vremena; mehanizam čije bi se ponašanje, u principu, moglo predvidjeti apsolutno tačno, poznavajući određeni broj parametara koji određuju njegovo početno stanje. Međutim, ovo gledište se zasnivalo na određenim hipotezama koje su postavljene i čija se valjanost činila očiglednom. Jedna od njih je pretpostavka da je područje u prostoru i vremenu u koje gotovo instinktivno nastojimo smjestiti sve naše senzacije potpuno kruto i određeno područje i da se u njemu svaka fizička pojava u principu može potpuno strogo lokalizirati, bez obzira na sve. dinamički procesi koji kontrolišu ovaj fenomen. Stoga se cjelokupni razvoj fizičkog svijeta svodio na promjene prostornog položaja tijela tokom vremena. Zato se dinamičke veličine, kao što su energija i zamah, pojavljuju u klasičnoj fizici kao derivati ​​formirani pomoću koncepta brzine. Tako se ispostavlja da je kinematika osnova dinamike.
Situacija u kvantnoj fizici je potpuno drugačija. Postojanje kvanta akcije dovodi do kontradikcije između koncepta stroge lokalizacije u prostoru i vremenu i koncepta dinamičkog razvoja. Svaki od njih zasebno može se koristiti za opisivanje stvarnog svijeta. Međutim, ne mogu se primjenjivati ​​istovremeno sa svom strogošću. Tačna lokalizacija u prostoru i vremenu je neka vrsta statične idealizacije, koja isključuje svaki razvoj i kretanje. Koncept stanja kretanja, uzet u svom čistom obliku, naprotiv, je dinamička idealizacija koja je u suprotnosti sa konceptima tačne pozicije i trenutka vremena.
U okviru kvantne teorije, fizički svijet se ne može opisati bez korištenja, u jednoj ili drugoj mjeri, bilo kojeg od ova dva kontradiktorna koncepta. Dakle, on proizlazi iz svojevrsnog kompromisa, dobro nam poznate Heisenbergove relacije neizvjesnosti ukazuju na to u kojoj mjeri je taj kompromis moguć. Između ostalih zaključaka iz nove teorije, proizlazi da kinematika više nije nauka koja ima nezavisno fizičko značenje. U klasičnoj mehanici bilo je moguće proučavati kretanja u prostoru i tako odrediti brzinu i ubrzanje, bez obzira na to kako su ti pokreti fizički ostvareni. Zatim se od ove apstraktne studije zakona kretanja, uvodeći neke nove fizičke principe, može preći na dinamiku. U kvantnoj mehanici takav put je u principu neprihvatljiv, budući da je prostorno-vremenska lokalizacija u osnovi kinematike moguća samo u nekim posebnim slučajevima determinisanim specifičnim dinamičkim uslovima kretanja. Kasnije ćemo vidjeti zašto je, kada se proučavaju fenomeni u velikim razmjerima, ipak sasvim prihvatljivo koristiti zakone kinematike. Međutim, kada pređemo na razmatranje pojava koje se dešavaju na atomskoj skali, gde kvanti igraju glavnu ulogu, možemo reći da kinematika, definisana kao nauka o kretanju bez obzira na sve dinamičke uslove, potpuno gubi smisao.
Druga hipoteza, koja u suštini leži u osnovi klasične fizike, je da je uz pomoć odgovarajućih mera predostrožnosti moguće, u principu, učiniti zanemarljivim uticaj poremećaja u prirodnom toku proučavane pojave uvedene procesom merenja. Drugim riječima, pretpostavlja se da se eksperiment može izvesti na način da utjecaj smetnji u toku proučavanog procesa uzrokovanih njime bude onoliko mali koliko se želi. Ova hipoteza se može smatrati validnom za pojave koje se dešavaju u velikim razmerama. Za fenomene atomskog svijeta to se ispostavlja netačnim. To je zbog postojanja kvantuma djelovanja i činjenice da, kao što pokazuje suptilna i duboka analiza Heisenberga i Bohra, svaki pokušaj mjerenja bilo koje veličine koja karakterizira dati sistem dovodi do nekontrolirane promjene drugih veličina koje određuju svojstva ovog sistema. Tačnije, svako mjerenje bilo koje veličine, koje nam omogućava da utvrdimo položaj sistema u prostoru i vremenu, rezultira nekontroliranom promjenom odgovarajuće konjugirane veličine koja određuje dinamičko stanje sistema. Konkretno, pokazalo se da je nemoguće precizno izmjeriti dvije međusobno konjugirane veličine u istom trenutku.
Sada je jasno u kom smislu možemo reći da postojanje kvanta djelovanja čini prostorno-vremensku lokalizaciju različitih dijelova sistema nekompatibilnom sa bilo kojim od njegovih specifičnih dinamičkih stanja, jer je za lokalizaciju sistema potrebno tačno poznaju čitav niz veličina, čije merenje isključuje, zauzvrat, određivanje odgovarajućih konjugovanih veličina koje karakterišu dinamičko stanje sistema, i obrnuto. Postojanje kvanta na vrlo jedinstven način određuje donju granicu veličine smetnji koje fizičar unosi prilikom mjerenja sistema koje proučava. Time je opovrgnuta jedna od hipoteza koja je bila osnova klasične fizike, a značaj te činjenice je veoma velik.
Dakle, ispada da se nikada ne mogu znati tačne vrijednosti više od polovine veličina potrebnih za potpuno opisivanje sistema sa klasične tačke gledišta. Vrijednost određene veličine koja karakterizira sistem je neizvjesnija, što je tačnije poznata vrijednost njene pridružene veličine. To implicira značajnu razliku između stare i nove fizike u njihovim pogledima na determinizam u prirodnim pojavama.
Sa stanovišta klasične fizike, specificiranje veličina koje određuju položaj različitih delova sistema u nekom trenutku, i odgovarajućih konjugiranih dinamičkih veličina, sasvim je dovoljno, barem u principu, da se tačno opiše stanje sistema u svim narednim vremenima. Znajući tačne vrijednosti x0, y0,... veličina koje karakteriziraju sistem u nekom trenutku t0, bilo je moguće nedvosmisleno predvidjeti koje bi vrijednosti x, y,... ovih veličina bile pronađene da su određeno u nekom naknadnom trenutku t. Ovo proizilazi iz jednačina koje su u osnovi mehaničke i fizičke teorije i direktno je matematičko svojstvo ovih jednačina.
Izjave o mogućnosti preciznog predviđanja budućih pojava na osnovu sadašnjih pojava, te da je budućnost, u određenom smislu, potpuno sadržana u sadašnjosti i ne može joj ništa dodati, čine ono što se naziva determinizmom prirodnih pojava. Ali takva mogućnost tačnog predviđanja pretpostavlja precizno određivanje u nekom trenutku vremena varijabli koje opisuju položaj u prostoru i dinamičkih varijabli povezanih s njim. A upravo se to istovremeno određivanje međusobno konjugiranih veličina pokazuje nemogućim, sa stanovišta kvantne mehanike. A to je povezano sa značajnim promjenama koje su se dogodile u razumijevanju predviđanja mogućnosti moderne teorijske fizike i međusobne povezanosti prirodnih pojava.
Budući da se vrijednosti veličina koje karakteriziraju stanje sistema u trenutku t0 mogu odrediti samo s određenom nesigurnošću, neizbježnom u kvantnoj teoriji, onda, shodno tome, fizičar više ne može točno predvidjeti koje će vrijednosti ovih veličina biti u nekom narednom trenutku vremena. On može samo predvidjeti vjerovatnoću da ćemo prilikom određivanja ovih veličina u naknadnom trenutku t dobiti određene vrijednosti. Veza između rezultata uzastopnih mjerenja, koja objašnjava kvantitativnu stranu fenomena, više neće biti uzročna veza koja odgovara klasičnom determinizmu. Radije će to biti vjerovatnoća veza, jedina kompatibilna s neizvjesnošću koja slijedi iz samog postojanja kvanta akcije. To je glavna promjena u našim pogledima na fizičke zakone, promjena čije su sve filozofske posljedice, kako nam se čini, još uvijek daleko od razumijevanja.
Kao rezultat razvoja moderne teorijske fizike, pojavile su se dvije važne ideje: Borov princip komplementarnosti i princip ograničenih ideja. Bohr je bio prvi koji je primijetio da su u novoj kvantnoj fizici, kako je zadana valna mehanika, koncepti čestice i vala, prostorno-vremenske lokalizacije i dobro definiranog dinamičkog stanja komplementarni. Time je mislio da potpuni opis uočljivih fenomena zahtijeva korištenje oba ova koncepta, ali su ipak, u određenom smislu, nekompatibilni jedan s drugim. Slike koje izazivaju nikada se ne mogu istovremeno koristiti za opisivanje stvarnosti. Na primjer, veliki broj pojava uočenih u atomskoj fizici može se objasniti samo u terminima koncepta čestica. Stoga je upotreba ovog koncepta neophodna za fizičara. Na isti način, za objašnjenje niza drugih pojava potrebno je koristiti koncept talasa. Dosljedna upotreba bilo kojeg od ova dva koncepta za opisivanje prirodnih fenomena, strogo govoreći, isključuje upotrebu drugog. Međutim, u stvarnosti, kada se opisuju neki procesi, koriste se oba koncepta i, unatoč njihovoj kontradiktornosti, jedan ili drugi od njih se mora koristiti ovisno o situaciji.
Isto vrijedi i za koncepte prostorno-vremenske lokalizacije i dobro definiranog dinamičkog stanja: oni su jednako komplementarni kao i koncepti čestica i valova, s kojima su, osim toga, kao što ćemo uskoro vidjeti, usko povezani. Može se zapitati zašto primjena ovih kontradiktornih ideja nikada ne vodi do apsurda. Kao što smo već rekli, to je zbog činjenice da je nemoguće istovremeno odrediti sve detalje koji bi nam omogućili da u potpunosti razjasnimo ove dvije ideje. Matematičkim jezikom, to je izraženo Heisenbergovom relacijom nesigurnosti, koja je u konačnici posljedica postojanja kvanta akcije. Ovo jasno pokazuje ogroman značaj otkrića kvanta u razvoju moderne teorijske fizike.
Usko povezan s Bohrovim principom komplementarnosti je princip ograničene reprezentacije. Takve jednostavne slike kao što su čestica, talas, tačka strogo lokalizovana u prostoru, stanje dobro definisanog kretanja, u suštini su neke apstrakcije, idealizacije. U većini slučajeva ove idealizacije približno odgovaraju stvarnom stanju stvari, iako imaju određene granice primjenjivosti. Upotreba svake od ovih idealizacija moguća je samo dok upotreba „dodatne“ idealizacije ne postane neophodna. Dakle, možemo reći da čestice postoje, jer se veliki broj fizičkih pojava može objasniti samo ako se pretpostavi njihovo postojanje. Međutim, u drugim je pojavama korpuskularna priroda manje-više prikrivena i samo se jasno manifestuje talasna priroda procesa.
Manje-više shematske idealizacije koje smo stvorili sposobne su da reflektuju neke aspekte različitih pojava, ali su i dalje ograničene i cjelokupno bogatstvo stvarnosti ne uklapa se u njihov kruti okvir.
Ne želimo da produžavamo ovo preliminarno istraživanje novih perspektiva, koje nam je omogućilo da ocrtamo razvoj kvantne fizike. Imaćemo još jednu priliku da se detaljnije zadržimo na svakom od razmatranih pitanja, dopunjujući ga i produbljujući ga kako ga predstavljamo. Ono što je ovdje rečeno već je dovoljno da pokaže čitatelju koliko je kvantna teorija duboka i zanimljiva. Ne samo da je oživjela najživopisniju i najfascinantniju granu nauke - atomsku fiziku - već je i nesumnjivo proširila naše razumijevanje svijeta i dovela do pojave mnogih novih ideja koje će nesumnjivo ostaviti dubok trag u povijesti ljudske misli. Zato je kvantna fizika zanimljiva ne samo specijalistima, ona zaslužuje pažnju svakog kulturnog čovjeka.

2. Klasična mehanika i fizika su samo aproksimacije

Sada ćemo ukratko razmotriti pitanje kakvu ulogu moderna fizika pripisuje klasičnoj mehanici i fizici. Naravno, oni u potpunosti zadržavaju svoj praktični značaj u oblasti pojava za koje su stvorene i u kojima je njihova valjanost potvrđena iskustvom. Otkriće kvanta ni na koji način ne krši zakone pada tijela ili zakone geometrijske optike. Kad god je zakon potvrđen sa određenim stepenom tačnosti (a bilo koji rezultat može biti verifikovan samo sa određenom tačnošću), može se tvrditi da je ovaj rezultat u osnovi konačan i da ga nijedna kasnija teorija ne može opovrgnuti. Da to nije tako, onda se nikakva nauka ne bi mogla razviti. Međutim, može se desiti da će pojava novih eksperimentalnih podataka ili novih teorija dovesti do toga da se prethodno pronađeni zakoni posmatraju samo kao neka aproksimacija. Drugim riječima, kako se tačnost mjerenja povećava, njihova valjanost je na kraju narušena. Ovakvi slučajevi su se više puta dešavali u istoriji razvoja nauke. Iz zakona geometrijske optike, na primjer, poznato je da se zakon pravolinijskog širenja svjetlosti, iako je testiran s visokim stupnjem tačnosti i u početku se smatrao potpuno tačnim, pokazao samo približno tačnim. To je postalo jasno nakon otkrića fenomena difrakcije i utvrđivanja talasne prirode svjetlosti. Na ovaj način uzastopnih aproksimacija, eliminirajući unutrašnje kontradikcije, može se razviti nauka. Teorije nastale u procesu njenog razvoja neće biti potpuno opovrgnute i uništene kasnijim razvojem nauke, već će biti uključene kao komponente u nove, opštije teorije. Sa ove tačke gledišta, mehanika i klasična fizika se mogu smatrati uvodom u kvantnu fiziku.
Mehanika i klasična fizika stvoreni su da opišu fenomene koji se javljaju na skali naših svakodnevnih pojava. Oni ostaju važeći za opisivanje procesa koji se dešavaju na još većim astronomskim razmjerima. Ali čim prijeđemo na atomsku skalu, postojanje kvanta odmah ograničava obim primjene mehanike i klasične fizike. Sa čime je ovo povezano? I s tim da je veličina kvanta akcije, koju karakteriše poznata Plankova konstanta, izuzetno mala u poređenju sa našim uobičajenim mernim jedinicama. Poremećaji koji se unose u mjerenja kao rezultat postojanja kvanta pokazuju se tako mali u uobičajenim uvjetima da ih je praktično nemoguće primijetiti u korištenim jedinicama. Ovi poremećaji su znatno manji od mjernih grešaka koje neizbježno nastaju u eksperimentima koji se izvode radi testiranja jednog ili drugog klasičnog zakona.
U svjetlu kvantne teorije, klasična mehanika i fizika više nisu apsolutno tačne. Međutim, u normalnim uvjetima, kršenje klasičnih zakona ispada neprimjetno zbog grešaka mjerenja koje su uvijek prisutne. Dakle, za pojave koje se dešavaju na našim uobičajenim skalama, klasična mehanika i fizika se ispostavljaju kao vrlo dobra aproksimacija.
Dakle, ovde se ponovo susrećemo sa uobičajenim procesom naučnog razvoja. Čvrsto utvrđeni principi, pouzdano provjereni zakoni, iako sačuvani u daljem razvoju nauke, više se ne smatraju apsolutno tačnim, već samo nekom aproksimacijom, čije granice primjenjivosti određuju nova, općenitija teorija.
Pošto klasična mehanika i fizika, koje uopšte ne uzimaju u obzir prisustvo kvanta, ostaju validne za pojave na našoj skali, neki bi mogli reći da, u suštini, kvanti nemaju takav univerzalni značaj kakav im se pripisuje, jer u izuzetno širokom području fenomena, uključujući, posebno, područje praktične primjene, kvantna priroda fenomena može se potpuno zanemariti. Međutim, ovo gledište nam se čini pogrešnim. Prvo, u tako važnom i obećavajućem polju kao što je atomska i nuklearna fizika, kvanti igraju tako značajnu ulogu da je potpuno nemoguće razumjeti fenomene vezane za ovo polje bez uključivanja kvantne teorije. Drugo, u makroskopskoj fizici, gdje se, zbog male veličine kvanta i neizbježnih eksperimentalnih grešaka, kvantna priroda procesa ne manifestira jasno, prisustvo kvanta akcije povlači sve posljedice koje smo ranije istakli. A ako praktično nemaju primjetan utjecaj, onda to ni na koji način ne umanjuje njihov značaj, kako za fiziku tako i za filozofiju. Stoga je kvantna teorija danas jedan od bitnih temelja prirodne nauke.
.

De Broljove ideje

Godine 1923. objavljena su tri članka francuskog fizičara Louisa de Brogliea u izvještajima Pariške akademije nauka: „Talasi i kvante“, „Kvante svetlosti, difrakcije i interferencije“, „Kvant, kinetička teorija gasova i Farm princip“, u kojem je potpuno nova ideja koja dualizam u teoriji svjetlosti prenosi na same čestice materije.

De Broglie razmatra određeni talasni proces povezan sa tijelom koje se kreće brzinom v = ?s. Ovaj talas ima frekvenciju određenu relacijom E = h? = m(c) 2, a kreće se u smjeru kretanja tijela brzinom u = c/? “Mi ćemo ga smatrati samo fiktivnim valom povezanim s pomicanjem tijela u pokretu.” De Broglie dalje pokazuje da će za elektron koji se kreće duž zatvorene putanje sa konstantnom brzinom manjom od brzine svjetlosti, putanja biti stabilna ako sadrži cijeli broj takvih valova. Ovaj uvjet se poklapa s Borovim kvantnim uvjetom: mvR = nh /2?. Brzina čestice v = ?s je brzina grupe talasa sa frekvencijama koje se malo razlikuju jedna od druge i odgovaraju frekvenciji m(s)2/h kretanje čestice koja nosi energiju ms2 sam fazni talas ne nosi energiju. De Broglieova hipoteza omogućava "izvođenje sinteze talasnog kretanja i kvanta". De Broglie tvrdi prisustvo u prirodi talasnih pojava za čestice materije. On piše: „Fenomeni difrakcije se detektuju u protoku elektrona koji prolaze kroz prilično male rupe. Možda u tom pravcu treba tražiti eksperimentalnu potvrdu naših ideja.”

De Broglie ističe da se njegova nova mehanika odnosi na staru mehaniku, klasičnu i relativističku, “baš kao što se valna optika odnosi na geometrijsku”. On piše da sinteza koju je predložio „izgleda kao logična kruna zajedničkog razvoja dinamike i optike od 17. stoljeća.

Dana 25. novembra 1924. de Broglie je odbranio svoju disertaciju “Istraživanje teorije kvanta”. Neki autori ovo vrijeme smatraju početkom nastanka ideja valne mehanike. De Broglie se naknadno usprotivio, ističući da je mehaniku valova otkrio još 1923. godine, “pošto je u svojoj disertaciji samo razvio ideje sadržane u mojim člancima napisanim u septembru – oktobru 1923.”. Za svoje otkriće talasne prirode elektrona, de Broglie je dobio Nobelovu nagradu 1929.

Ali tada ovi članci nisu odmah izazvali širok odjek. Eksperimentatori su prošli indikaciju difrakcije elektrona koja se nalazi u njima. Difrakcija elektrona otkrivena je 5 godina nakon pojave de Broglieovih papira, bez ikakve veze s njima i donekle slučajno. Ali de Broljove ideje su primijetili teoretičari - Einstein i Schrödinger, koji su ih uspješno razvili u svojim djelima.

U svom članku “Kvant, kinetička teorija gasova i princip farme” de Broglie, na osnovu istraživanja sprovedenog 1911-1913. Planck, Nernst, kao i Saccourt i Tetrode, razvijaju statistiku plinova i svjetlosnih kvanta. Saccourt i Tetrode, počevši od 1911-1912. primjenom ideja kvantne teorije na plinove, predložili su da se uzme u obzir volumen elementarne faze plina jednak h3. Planck je preuzeo ovu ideju i povezao je sa Nernstovom teoremom, čiju je kvantnu prirodu on prvi ustanovio. Sada de Broglie, koristeći svoju ideju o talasima materije, izvodi Maxwellov zakon raspodjele za plinove i Planckovu formulu za svjetlosne kvante.

1. Osnovne ideje valne mehanike Godine 1923. postalo je gotovo jasno da su Bohrova teorija i stara teorija kvanta samo posredna karika između klasičnih ideja i nekih vrlo novih pogleda koji omogućavaju dublji uvid u proučavanje kvantnih fenomena. U starom