Louis de Broglie oppdagelse. De Broglie-forhold

5. Første anvendelser av kvantehypotesen

Kapittel VI. Bor atom

1. Spektra og spektrallinjer

2. Bohrs teori

3. Utvikling av Bohrs teori. Sommerfelds teori

4. Bohrs teori og atomenes struktur

5. Kritikk av Bohrs teori

Kapittel VII. Konformitetsprinsipp

1. Vanskeligheter med å forene kvanteteori og strålingsteori

2. Bohr korrespondanseprinsipp

3. Noen anvendelser av korrespondanseprinsippet

Kapittel VIII. Bølgemekanikk

1. Grunnleggende ideer om bølgemekanikk

2. Partikkel og bølge knyttet til den

3. Verker av Schrödinger

4. Elektrondiffraksjon

5. Fysisk forklaring av bølgemekanikk

6. Gamows teori

Kapittel IX. Heisenberg kvantemekanikk

1. Hovedideene til Heisenberg

2. Kvantemekanikk

3. Identitet av kvante- og bølgemekanikk

4. Korrespondanseprinsippet i den nye mekanikken

Kapittel X. Probabilistisk tolkning av ny mekanikk

1. Generelle ideer og grunnleggende prinsipper

2. Usikkerhetsforhold

3. Matching med gammel mekanikk

4. Indeterminisme i ny mekanikk

5. Komplementaritet, idealisering, rom og tid

Kapittel XI. Elektronspin

1. Fin struktur og magnetiske anomalier

2. Hypotese av Uhlenbeck og Goudsmit

3. Pauli teori

4. Dirac teori

5. Stater med negativ energi. positivt elektron

Kapittel XII. Systems bølgemekanikk og Pauli-prinsippet

1. Bølgemekanikk av partikkelsystemer

2. Systemer som består av partikler av samme natur. Pauli-prinsippet

3. Anvendelser av bølgemekanikk av systemer

4. Kvantestatistikk

5. Merknad om identitetsprinsippet

Litteratur

Broglie, de Broglie (de Broglie) Louis de (f. 15.8.1892, Dieppe), fransk fysiker. Medlem (1933) og fast sekretær (1942) av det franske vitenskapsakademiet. Utenlandsk medlem av Academy of Sciences of the USSR (1958). Uteksaminert fra universitetet i Paris (1909). Fra 1928 underviste han der. I 1924, i sin doktoravhandling: "Forskning om kvanteteorien" fremmet ideen om bølgeegenskapene til materie (de såkalte de Broglie-bølgene), som dannet grunnlaget for moderne kvantemekanikk. Bølgeegenskapene til mikropartikler ble deretter bekreftet ved eksperimenter på diffraksjon av elektroner og andre partikler. Broglie tok også for seg relativistisk kvantemekanikk, spørsmål om strukturen til kjernen og teorien om forplantningen av elektromagnetiske bølger i bølgeledere. Broglie eide også verk om fysikkens historie. Nobelprisen (1929)

Louis de Broglie er vår tids største fysiker, en av grunnleggerne av kvanteteorien. Forfatteren viser i en svært tilgjengelig form hvilken revolusjon kvanteteorien har gjort i utviklingen av moderne fysikk. Hele boken er skrevet i form av en historisk oversikt over de grunnleggende ideene som uunngåelig måtte lede og faktisk førte til skapelsen av kvantemekanikk.
De Broglie forklarer hele kvanteteorien uten en eneste formel!
De Broglies bok er av utvilsomt interesse for et bredt spekter av fysikere, for studenter som studerer moderne fysikk, og for lesere som er interessert i fysikkens fremgang.

Louis de Broglie. "Revolution in Physics" (New Physics and Quanta)
Atomizdat, Moskva, 1965

Redaktørens forord

Boken som ble brakt til leserne ble skrevet av en av de kjente forskerne, som selv deltok i utviklingen av kvantefysikk, selv når den tok sine første skritt. Dette er en av de få bøkene der ikke-relativistisk kvanteteori, som allerede har blitt klassisk, men fortsatt ikke er veldig klar og ikke veldig kjent for de som ikke er direkte involvert i dette området av fysikk, presenteres i en populær og ganske komplett måte.
Dette er et eksempel på populærlitteraturens beste stil, der forfatteren aldri faller i den dårlige smaken av en nedlatende holdning til leseren, som kommer til uttrykk i det faktum at veldig primitivt, ved hjelp av forklaringer "på fingrene" og vulgære "bilder", prøver de å forklare den antatt "underutviklede" leseren noe høy og utilgjengelig sak. Tvert imot er dette en seriøs samtale om alvorlige og vanskelige ting, som forutsetter leserens evne til akkurat den samme intellektuelle spenningen som forfatteren må gjøre for å stille vanskelige spørsmål så klart og tilgjengelig som mulig.
Det som gjør boken populær er hovedsakelig det faktum at presentasjonen ikke bruker det matematiske apparatet i det hele tatt og ikke krever noen spesiell kunnskap fra leseren. Alt som kreves av ham er en generell kultur og god vilje, som stimuleres av en direkte interesse for faget.
Denne boken ble skrevet i 1936 og trykt på nytt i 1946 nesten uten endringer. Faktisk hadde ikke-relativistisk kvantefysikk nesten fullstendig tatt form i 1930. Bare noen få rettelser ble gjort til teksten i denne boken av den 15-årige utviklingen av vitenskapen, og dessuten er alle av ingen grunnleggende betydning, men forholde seg til bestemte fakta. Og dessuten til fakta ikke om den ikke-relativistiske kvantemekanikken, som er innholdet i de Broglies bok, men til feltet kvantefeltteori eller teorien om elementærpartikler, som er nært knyttet til det. Disse siste områdene har utviklet seg veldig sterkt i etterkrigsårene, selv om vi fortsatt ser ut til å være langt fra en sann forståelse her.
Så for eksempel er det nå nøyaktig fastslått at enhver partikkel (for øyeblikket er det omtrent 30 forskjellige elementærpartikler) har sin egen antipartikkel, akkurat som et positron tilsvarer et elektron. I noen sjeldne tilfeller av virkelig nøytrale partikler, faller partikkelen sammen med antipartikkelen, så noen av de Broglies resonnement viser seg å være uholdbar eller sterkt forenklet. For eksempel (se s. 56), oppfattes den «merkelige asymmetrien» som de Broglie snakker om i forbindelse med protoner og elektroner nå av oss som et dypt trekk ved den asymmetriske strukturen i vår verden på bakgrunn av den fysiske symmetrien. lover med hensyn til partikler og antipartikler. Dette faktum er åpenbart knyttet til den særegne naturen til den positive tidsretningen (jf. diskusjonen om dette faktum på side 74, 75), siden med den formelle reversering av tiden (erstatter t med - t), blir alle partikler til antipartikler med motsatt paritet.
Etter det grunnleggende arbeidet til Pauli med den såkalte CPT-invariansen (1942) og de fantastiske oppdagelsene de siste årene (paritetsikke-konservering - Lee og Young, 1956; kombinert paritet - Landau, 1956), har dette området blitt mer forståelig.
Et annet viktig område er relativistisk kvantemekanikk, eller kvantefeltteori, som for tiden utvikles svært intensivt. Noen av de Broglies uttalelser hører logisk til dette området. For eksempel hans bemerkninger om vanskelighetene med fotonteorien han forklarer eller om vanskelighetene med det relativistiske mangekroppsproblemet (relativistisk statistisk fysikk).
Selvfølgelig bør disse punktene oppgis i lys av nyere funn litt annerledes. Selv om det fortsatt er store grunnleggende vanskeligheter på dette området, kan mye nå forklares og noen kvantitative beskrivelser av noen fakta kan gis. Vi anser det ikke nødvendig verken å fjerne disse passasjene fra bokens tekst, eller dessuten å endre dem på noen måte. For emnet i de Broglies bok – ikke-relativistisk kvantemekanikk – har de en sekundær betydning.
Noen påstander kan fremsettes til underbyggelsen i denne boken av det probabilistiske konseptet kvantemekanikk og til tolkningen av den såkalte korpuskulær-bølgedualismen. Noen ganger får man inntrykk av at de Broglies ståsted endrer seg noe fra kapittel til kapittel. Så det er sannsynligvis, fordi de Broglie, i forskjellige perioder av sitt vitenskapelige arbeid, hadde forskjellige syn på dette svært vanskelige og grunnleggende konseptet om kvantemekanikk. Alle som ønsker å gå dypere inn i dette viser til diskusjonen mellom Niels Bohr og Albert Einstein, publisert for eksempel i Bohrs bok Atomic Physics and Human Knowledge. De to store forskerne hadde forskjellige synspunkter, og diskusjonen deres - et eksempel på en vitenskapelig strid der deltakerne bare søker å fastslå sannheten, og ikke bekreftelse av deres synspunkt - bidro sterkt til forståelsen av denne vanskelige og viktige saken. .
For leseren som ønsker å fortsette å bli kjent med ideene om kvantefysikk og dens nye prestasjoner, tilbyr vi på slutten av boken en liste over referanser som han kan velge en bok til hans smak.
Men denne boken av de Broglie er også veldig egnet for et første bekjentskap med kvanteteori og vil til og med, etter vår mening, være av interesse for mange fysikere som arbeider på dette feltet.
Faktisk er de Broglies evne til å tydelig angi komplekse problemstillinger, å skissere ideers rasjonelle sammenheng, en svært verdifull egenskap ved denne boken. Hvis imidlertid dybde noen ganger ofres for klarhet og denne forbindelsen ser noe forenklet ut, er dette for en populær presentasjon ennå ikke en last, og en mer sofistikert leser vil tilgi disse øyeblikkene og finne en måte å korrigere for seg selv visse trekk i totalt sett riktig bilde.
M.K. Polivanov

Introduksjon. Betydningen av kvanter
1. Hvorfor trenger du å vite om quanta?

Mange, som ser på tittelen på denne lille boken, vil uten tvil bli skremt av det mystiske ordet "quanta". Faktisk, selv om relativitetsteorien, som har blitt diskutert ganske livlig de siste årene, har den generelle leserskaren en veldig vag idé. Når det gjelder kvanteteori, tror jeg at leseren har en enda mer vag idé om det. Riktignok er dette unnskyldelig, fordi kvanter er en ganske mystisk ting.
Når det gjelder meg, begynte jeg å studere quanta da jeg var rundt tjue år gammel, og fortsatte å studere dem i et kvart århundre. Og likevel, jeg må ærlig innrømme at hvis jeg i løpet av all denne tiden har oppnådd en noe dypere forståelse av noen aspekter av dette problemet, så kan jeg ennå ikke si med full sikkerhet hva som skjuler seg under masken som skjuler kvantens sanne ansikt. Ikke desto mindre virker det for meg at, til tross for all viktigheten og betydningen av fremskrittet som har funnet sted i fysikken de siste århundrene, var ikke forskere i stand til å forstå fenomenenes sanne natur før de ikke visste noe om eksistensen av kvanter. For uten kvanter ville det være umulig å forestille seg verken lys eller materie.
Man kan forstå hvilken betydelig innflytelse som ble øvet på selve retningen for utviklingen av menneskelig kunnskap den dagen da kvanta i det skjulte kom inn i vitenskapen. Akkurat den dagen ble det majestetiske og grandiose byggverket til klassisk fysikk rystet i sitt fundament, selv om ingen på den tiden ennå hadde vært klar over dette. I vitenskapens historie har det ikke vært mange skjelvinger som i styrke kan sammenlignes med denne.
Og først nå er vi i stand til å forstå og verdsette storheten og viktigheten av revolusjonen som har funnet sted. Klassisk fysikk, tro mot idealet til Descartes, skildret universet som en slags enorm mekanisme, hvis oppførsel kan beskrives nøyaktig ved å sette posisjonene til alle delene i rommet og endre posisjon med tiden; mekanisme, hvis oppførsel i prinsippet kan forutsies absolutt nøyaktig, med kjennskap til et visst antall parametere som bestemmer dens opprinnelige tilstand. Imidlertid var dette synspunktet basert på visse hypoteser, som ble fremsatt og gyldigheten av disse virket åpenbar. En av dem består i antagelsen om at området i rom og tid som vi nærmest instinktivt streber etter å plassere alle våre sansninger er et fullstendig stivt og bestemt område, og i det kan ethvert fysisk fenomen i prinsippet være fullstendig strengt lokalisert, uansett av alle dynamiske prosesser som styrer dette fenomenet. Derfor ble hele utviklingen av den fysiske verden redusert til endringer i kroppens romlige posisjon over tid. Det er derfor dynamiske størrelser, som energi og momentum, fremstår i klassisk fysikk som derivater dannet ved hjelp av begrepet hastighet. Dermed viser kinematikk seg å være grunnlaget for dynamikk.
En ganske annen situasjon innen kvantefysikk. Eksistensen av et handlingskvante fører til en motsetning mellom begrepet streng lokalisering i rom og tid og begrepet dynamisk utvikling. Hver av dem separat kan brukes til å beskrive den virkelige verden. Imidlertid kan de ikke brukes samtidig med alle alvorlighetsgrad. Nøyaktig lokalisering i rom og tid er en slags statisk idealisering som utelukker enhver utvikling og enhver bevegelse. Begrepet bevegelsestilstand, tatt i sin rene form, er tvert imot en dynamisk idealisering som motsier begrepene eksakt posisjon og tidspunkt.
Innenfor rammen av kvanteteori kan den fysiske verden ikke beskrives uten å bruke ett av disse to motstridende begrepene i en eller annen grad. Dermed går det ut fra et slags kompromiss, og de velkjente Heisenberg-usikkerhetsforholdene indikerer for oss i hvilken grad dette kompromisset er mulig. Blant andre konklusjoner fra den nye teorien følger det at kinematikk ikke lenger er en vitenskap som har en uavhengig fysisk betydning. I klassisk mekanikk var det mulig å studere bevegelser i rommet og dermed bestemme hastigheten og akselerasjonen, uavhengig av hvordan disse bevegelsene er fysisk realisert. Så, fra denne abstrakte studien av bevegelseslovene, som introduserer noen nye fysiske prinsipper, kan man gå videre til dynamikk. I kvantemekanikk er en slik bane i prinsippet uakseptabel, siden rom-tidslokalisering, som ligger til grunn for kinematikk, bare er mulig i noen spesielle tilfeller, bestemt av spesifikke dynamiske bevegelsesforhold. Vi skal senere se hvorfor det, i studiet av fenomener i stor skala, fortsatt er fullt mulig å bruke kinematikkens lover. Men når vi går over til betraktningen av fenomener som oppstår på atomets skala, hvor kvanter spiller en stor rolle, kan vi si at kinematikk, definert som vitenskapen om bevegelse, uavhengig av alle dynamiske forhold, fullstendig mister sin betydning.
En annen hypotese, som i hovedsak ligger til grunn for klassisk fysikk, er at ved hjelp av passende forholdsregler er det i prinsippet mulig å gjøre påvirkningen av forstyrrelsene i det naturlige forløpet til fenomenet som studeres introdusert av måleprosessen ubetydelig. Det antas med andre ord at forsøket kan utføres på en slik måte at påvirkningen av forstyrrelsene forårsaket av det på forløpet av prosessen som studeres er vilkårlig liten. En slik hypotese kan betraktes som gyldig for fenomener som oppstår i stor skala. For fenomenene i atomverdenen viser det seg imidlertid å være feil. Dette skyldes eksistensen av handlingskvantumet og det faktum at, som vist av den subtile og dype analysen til Heisenberg og Bohr, fører ethvert forsøk på å måle enhver mengde som karakteriserer et gitt system til en ukontrollert endring i andre størrelser som bestemme egenskapene til dette systemet. Mer presist, enhver måling av en hvilken som helst mengde, som lar deg etablere posisjonen til systemet i rom og tid, resulterer i en ukontrollert endring i den tilsvarende konjugerte mengden som bestemmer den dynamiske tilstanden til systemet. Spesielt viser det seg å være umulig å nøyaktig måle to gjensidig konjugerte mengder i samme øyeblikk.
Nå er det klart i hvilken forstand det kan sies at eksistensen av et handlingskvantum gjør den romlig-temporelle lokaliseringen av ulike deler av systemet uforenlig med noen av dets spesifikke dynamiske tilstander, siden for å lokalisere systemet er det nødvendig å kjenne nøyaktig et antall mengder, hvis måling utelukker, i sin tur, bestemmelsen av de tilsvarende konjugatmengdene som karakteriserer den dynamiske tilstanden til systemet, og vice versa. Eksistensen av kvanter på en veldig særegen måte bestemmer den nedre grensen for størrelsen på forstyrrelser som en fysiker introduserer når han måler systemene han studerer. Dermed viste en av hypotesene som var grunnlaget for klassisk fysikk å være tilbakevist, og betydningen av dette faktum er veldig stor.
Dermed viser det seg at man aldri kan vite de nøyaktige verdiene for mer enn halvparten av mengdene som trengs for å fullstendig beskrive systemet fra et klassisk synspunkt. Verdien av en mengde som karakteriserer systemet er desto mer usikker, jo mer nøyaktig verdien av dets konjugerte mengde er kjent. Av dette følger en vesentlig forskjell mellom den gamle og den nye fysikken i deres syn på determinisme i naturfenomener.
Fra et synspunkt av klassisk fysikk er tildelingen av mengder som bestemmer posisjonen til ulike deler av systemet på et tidspunkt, og de tilsvarende konjugerte dynamiske størrelsene, ganske tilstrekkelig, i det minste i prinsippet, for en nøyaktig beskrivelse av tilstanden til systemet på alle etterfølgende tidspunkter. Ved å vite de eksakte verdiene x0, y0,... av mengdene som karakteriserer systemet på et tidspunkt t0, var det mulig å entydig forutsi hvilke verdier x, y,... av disse mengdene som ville bli funnet hvis de var fastsettes på et senere tidspunkt t. Dette følger av ligningene som ligger til grunn for de mekaniske og fysiske teoriene, og er en direkte matematisk egenskap ved disse ligningene.
Utsagn om muligheten for nøyaktig å forutsi fremtidige fenomener ut fra nåværende fenomener, og om det faktum at fremtiden i en viss forstand er fullstendig innesluttet i nåtiden og ikke kan tilføre noe til den, utgjør det som kalles naturfenomenenes determinisme. Men en slik mulighet for eksakt prediksjon forutsetter den nøyaktige bestemmelsen på et tidspunkt av variablene som beskriver posisjonen i rommet, og de dynamiske variablene knyttet til den. En slik samtidig bestemmelse av gjensidig konjugerte mengder viser seg nemlig å være umulig fra kvantemekanikkens synspunkt. Og dette henger sammen med de betydelige endringene som har funnet sted i forståelsen av mulighetene for framsyn i moderne teoretisk fysikk og sammenkoblingen av naturfenomener.
Siden verdiene til mengdene som karakteriserer systemets tilstand på tidspunktet t0 bare kan etableres med en viss usikkerhet, noe som er uunngåelig i kvanteteorien, kan fysikeren følgelig ikke lenger nøyaktig forutsi hva verdiene til disse mengdene vil være på et senere tidspunkt. Han kan bare forutsi sannsynligheten for at når vi bestemmer disse mengdene ved neste tidspunkt t, vil vi få en eller annen av deres verdier. Sammenhengen mellom resultatene av suksessive målinger, som forklarer den kvantitative siden av fenomener, vil ikke lenger være en årsakssammenheng som tilsvarer klassisk determinisme. Det vil snarere være en probabilistisk sammenheng, den eneste som er forenlig med usikkerheten som følger av selve eksistensen av et handlingskvante. Dette er hovedendringen i vårt syn på fysiske lover, en endring, som alle de filosofiske konsekvensene av, som det ser ut til for oss, fortsatt er langt fra forstått.
Som et resultat av utviklingen av den siste teoretiske fysikken dukket det opp to viktige ideer: Bohr-prinsippet om komplementaritet og prinsippet om begrensede representasjoner. Bohr var den første som la merke til at i den nye kvantefysikken, slik bølgemekanikken ga den, er begrepene partikkel og bølge, rom-tidslokalisering og en veldefinert dynamisk tilstand komplementære. Med dette forsto han at en fullstendig beskrivelse av de observerte fenomenene krever bruk av begge disse konseptene, men likevel er de på en måte uforenlige med hverandre. Bildene de fremkaller kan aldri brukes samtidig til å beskrive virkeligheten. For eksempel kan et stort antall fenomener observert i atomfysikk bare forklares i form av begrepet partikler. Derfor er bruken av dette konseptet nødvendig for fysikeren. På samme måte, for å forklare en rekke andre fenomener, er det nødvendig å bruke begrepet en bølge. Den konsekvente anvendelsen av en av disse to representasjonene for å beskrive naturfenomener, utelukker strengt tatt bruken av den andre. Men i virkeligheten, når man beskriver noen prosesser, brukes begge konseptene, og til tross for deres motstridende natur, må en eller annen av dem brukes avhengig av situasjonen.
Det samme er tilfellet med begrepene rom-tid lokalisering og en veldefinert dynamisk tilstand: de er like komplementære som begrepene partikkel og bølge, som, som vi snart skal se, er nært beslektet. Man kan spørre hvorfor anvendelsen av disse motstridende ideene aldri fører til absurditet. Som vi allerede har sagt, skyldes dette det faktum at det er umulig å samtidig bestemme alle detaljene som gjør at disse to representasjonene kan bli fullstendig raffinert. I matematisk språk uttrykkes dette av Heisenberg-usikkerhetsrelasjonen, som til syvende og sist er en konsekvens av eksistensen av et handlingskvante. Dermed kommer den enorme betydningen av oppdagelsen av kvanter i utviklingen av moderne teoretisk fysikk frem med all tydelighet.
Bohrs komplementaritetsprinsipp er nært beslektet med prinsippet om representasjoners avgrensning. Slike enkle bilder som en partikkel, en bølge, et punkt som er strengt lokalisert i rommet, en tilstand av en veldefinert bevegelse, er i hovedsak noen abstraksjoner, idealiseringer. I de fleste tilfeller tilsvarer disse idealiseringene omtrent den faktiske tilstanden, selv om de har visse grenser for anvendelighet. Anvendelsen av hver av disse idealiseringene er bare mulig inntil bruk av en "ytterligere" idealisering er nødvendig. Dermed kan det sies at partikler eksisterer, siden et stort antall fysiske fenomener kan forklares bare hvis deres eksistens er innrømmet. I andre fenomener er imidlertid den korpuskulære naturen mer eller mindre tilslørt, og bare prosessens bølgenatur er tydelig manifestert.
De mer eller mindre skjematiske idealiseringene som vi har skapt er i stand til å reflektere noen aspekter ved ulike fenomener, men de er fortsatt begrenset og deres rigide rammeverk passer ikke til all virkelighetens rikdom.
Vi ønsker ikke å trekke ut denne foreløpige gjennomgangen av nye perspektiver, som har gjort det mulig for oss å skissere utviklingen av kvantefysikk. Vi vil ha anledning til å dvele i detalj ved hvert av spørsmålene som vurderes, supplere og utdype det slik det presenteres. Det som er sagt her er nok til å vise leseren hvor dyp og interessant kvanteteorien er. Det brakte ikke bare liv til en gren av vitenskapen - atomfysikk - den mest livlige og fascinerende, men utvidet også unektelig vår forståelse av verden og førte til fremveksten av mange nye ideer som utvilsomt vil sette dype spor i menneskets historie. tanken. Derfor er kvantefysikk av interesse ikke bare for spesialister, den fortjener oppmerksomheten til enhver kultivert person.

2. Klassisk mekanikk og fysikk er bare tilnærminger

La oss nå kort diskutere spørsmålet om hvilken rolle moderne fysikk tildeler klassisk mekanikk og fysikk. Selvfølgelig beholder de fullt ut sin praktiske betydning i feltet av fenomener som de ble skapt for og hvor deres gyldighet bekreftes av erfaring. Oppdagelsen av kvanter bryter på ingen måte lovene for fallende kropper eller lovene for geometrisk optikk. Når en lov bekreftes med en viss grad av nøyaktighet (og ethvert resultat kan bare verifiseres med en viss nøyaktighet), kan det hevdes at dette resultatet i utgangspunktet er endelig og ingen påfølgende teorier kan tilbakevise det. Hvis dette ikke var slik, ville ingen vitenskap i det hele tatt kunne utvikle seg. Imidlertid kan det hende at fremkomsten av nye eksperimentelle data eller nye teorier vil føre til at lovene som ble funnet tidligere, kun vil bli betraktet som en viss tilnærming. Med andre ord, når målenøyaktigheten øker, blir deres gyldighet til slutt krenket. Slike tilfeller har gjentatte ganger møttes i vitenskapens utviklingshistorie. Fra lovene for geometrisk optikk, for eksempel, er det kjent at loven om rettlinjet forplantning av lys, selv om den ble verifisert med en høy grad av nøyaktighet og først ble ansett for å være helt nøyaktig, viste seg å være sann bare omtrentlig. Dette ble klart etter oppdagelsen av fenomenet diffraksjon og etableringen av lysets bølgenatur. Det er på denne måten av suksessive tilnærminger, eliminering av indre motsetninger, at vitenskapen kan utvikle seg. Teorier skapt i prosessen med utviklingen vil ikke bli fullstendig tilbakevist og ødelagt av den påfølgende utviklingen av vitenskapen, men vil inngå som komponenter i nye, mer generelle teorier. Fra dette synspunktet kan mekanikk og klassisk fysikk sees på som en introduksjon til kvantefysikk.
Mekanikk og klassisk fysikk ble skapt for å beskrive fenomenene som finner sted på skalaen til våre hverdagsfenomener. De forblir gyldige for å beskrive prosesser som skjer på enda større astronomiske skalaer. Men så snart vi beveger oss til atomets skala, begrenser eksistensen av kvanter umiddelbart omfanget av mekanikk og klassisk fysikk. Hva henger det sammen med? Og med det faktum at størrelsen på handlingskvantet, preget av den berømte Plancks konstant, er ekstremt liten sammenlignet med våre vanlige måleenheter. Forstyrrelsene som er introdusert i målinger som følge av eksistensen av kvanter, viser seg å være så små under normale forhold at de er praktisk talt umulige å legge merke til i enhetene som brukes i dette tilfellet. Disse forstyrrelsene er mye mindre enn målefeilene som uunngåelig oppstår i eksperimenter designet for å teste en eller annen klassisk lov.
I lys av kvanteteori er klassisk mekanikk og fysikk ikke lenger helt eksakte. Men under normale forhold viser bruddet på klassiske lover seg å være umerkelig på grunn av alltid eksisterende målefeil. For fenomener som oppstår på våre vanlige skalaer, viser klassisk mekanikk og fysikk seg å være en veldig god tilnærming.
Så her møtes vi igjen med den vanlige prosessen med utvikling av vitenskap. Fast etablerte prinsipper, pålitelig verifiserte lover, selv om de er bevart i den videre utviklingen av vitenskapen, anses allerede ikke som absolutt nøyaktige, men bare som en slags tilnærming, hvis anvendelighetsgrenser bestemmes av en ny, mer generell teori .
Siden likevel for fenomener av vår skala, klassisk mekanikk og fysikk, som fullstendig ikke tar hensyn til tilstedeværelsen av kvanter, fortsatt er gyldige, kan noen si at kvanter i hovedsak ikke har en så universell betydning som de tilskrives. til, siden fenomener i et ekstremt bredt spekter, inkludert spesielt området med praktiske anvendelser, kan kvantenaturen til fenomener ignoreres fullstendig. Imidlertid synes dette synspunktet for oss å være feil. For det første, på et så viktig og lovende område som atom- og kjernefysikk, spiller kvanter en så betydelig rolle at det er helt umulig å forstå fenomenene knyttet til dette området uten å bruke kvanteteori. For det andre, i makroskopisk fysikk, hvor kvantenaturen til prosessene på grunn av kvantets litenhet og eksperimentets uunngåelige feil, ikke manifesterer seg eksplisitt, innebærer tilstedeværelsen av et handlingskvante alle konsekvensene som vi påpekte tidligere. Og hvis de praktisk talt ikke har en merkbar effekt, så forringer dette på ingen måte deres betydning, både for fysikk og for filosofi. Derfor er kvanteteori for tiden et av de essensielle grunnlagene for naturvitenskap.
.

De Broglies ideer

I 1923, i rapportene fra Paris Academy of Sciences, ble tre artikler av den franske fysikeren Louis de Broglie publisert: "Bølger og kvanter", "Lyskvanter, diffraksjon og interferens", "Kvanter, den kinetiske teorien om gasser og gårdsprinsippet”, der en helt ny idé som overfører dualismen i lysteorien til selve materiepartiklene.

De Broglie vurderer en bølgeprosess assosiert med en kropp som beveger seg med en hastighet v = ?с. Denne bølgen har en frekvens bestemt av forholdet E = h? = m(с) 2 , og beveger seg i kroppens bevegelsesretning med en hastighet u = c/? "Vi vil bare betrakte det som en fiktiv bølge assosiert med bevegelsen til en bevegelig kropp." De Broglie viser videre at for et elektron som beveger seg langs en lukket bane med en konstant hastighet mindre enn lysets hastighet, vil banen være stabil dersom et helt antall slike bølger passer på den. Denne tilstanden sammenfaller med Bohrs kvantetilstand: mvR = nh/2?. Hastigheten til en partikkel v = ?с er hastigheten til en gruppe bølger med frekvenser som avviker lite fra hverandre og tilsvarer frekvensen m(с)2/h. fasebølgen bærer ikke energi. De Broglies hypotese tillater "å utføre syntesen av bølgebevegelse og kvanter." De Broglie hevder eksistensen av bølgefenomener i naturen også for materiepartikler. Han skriver: «Diffraksjonsfenomener finnes i strømmen av elektroner som passerer gjennom tilstrekkelig små hull. Kanskje bør eksperimentell bekreftelse av våre ideer søkes i denne retningen.

De Broglie påpeker at hans nye mekanikk er relatert til den gamle mekanikken, klassisk og relativistisk, «akkurat som bølgeoptikk er relatert til geometrisk». Han skriver at syntesen han foreslo «ser ut til å være den logiske kronen på den felles utviklingen av dynamikk og optikk siden 1600-tallet.

Den 25. november 1924 forsvarte de Broglie sin avhandling "Research on the theory of quantum". Noen forfattere anser denne tiden for å være begynnelsen på ideene til bølgemekanikk. De Broglie protesterte deretter, og påpekte at han hadde oppdaget bølgemekanikk allerede i 1923, "fordi han i avhandlingen sin bare utviklet ideene i artiklene mine skrevet i september - oktober 1923." For oppdagelsen av elektronenes bølgenatur ble de Broglie tildelt Nobelprisen i 1929.

Men da vakte ikke disse artiklene umiddelbart bred respons. Referansen til elektrondiffraksjon inneholdt i dem gikk over forsøkslederne. Elektrondiffraksjon ble oppdaget 5 år etter at de Broglies artikler dukket opp, uten noen forbindelse med dem og til en viss grad ved et uhell. Men teoretikere Einstein og Schrödinger ga oppmerksomhet til de Broglies ideer, som med suksess utviklet dem i sine arbeider.

I sin artikkel "Quantums, the kinetic theory of gases and the farm principle", de Broglie, basert på forskning utført i 1911-1913. Planck, Nernst, samt Saccourt og Tetrode, utvikler statistikken over gasser og lyskvanter. Sakkur og Tetrode, som startet i 1911-1912. anvendelse av ideene om kvanteteori på gasser, foreslått å vurdere elementærfasevolumet til gassen lik h3. Planck plukket opp denne ideen og koblet den med Nernst-teoremet, kvantenaturen som han først etablerte. Nå utleder de Broglie, ved å bruke ideen om materiebølger, Maxwells distribusjonslov for gasser og Plancks formel for lyskvanter.

1. Bølgemekanikks grunnleggende ideer I 1923 ble det nesten klart at Bohrs teori og den gamle kvanteteorien bare var et mellomledd mellom klassiske ideer og noen helt nye synspunkter, som tillot dypere innsikt i studiet av kvantefenomener. I det gamle