Квантовый возраст

В начале 20-х годов одной из самых острых была проблема дуализма волна-частица. Эта проблема стояла давно. Еще в 1905 г. Эйнштейн, обращаясь, по мнению Планка, слишком вольно с гипотезой квантов, приписал свету корпускулярные свойства и объяснил таким образом явление фотоэффекта. И хотя эта работа имела заслуженный успех, физики и не думали отказываться от волновой природы света. Если бы свет не был волной, ни дифракция света, ни явление интерференции не могли бы иметь места. Ну, а объяснение фотоэффекта и связанное с этим предположение о корпускулярной природе света каждый физик понимал по-своему. Одни считали, например, что эйнштейновские кванты света не частицы, а какая-то мера энергии электромагнитного поля.

В 1922 г. американский физик Артур Комптон открыл эффект, названный его именем. При исследовании рассеяния рентгеновских лучей в парафине Комптон обнаружил, что, кроме ожидаемого эффекта, т. е. наличия рассеяния с той же длиной волны, что и падающее, имеется рассеяние с большей длиной волны. При этом оказалось, что, чем меньше длина волны падающего излучения, тем меньше доля рассеяния с неизменной длиной волны. Это явление никак нельзя было объяснить с точки зрения волновой природы излучения, согласно которой длина волны рассеянного излучения должна оставаться такой же, как длина волны падающего. Иными словами, свет при рассеянии не должен менять цвета. Так оно и есть на самом деле, пока мы имеем дело с длинами волн, сравнимыми с длинами волн видимого света. Комптон же исследовал рассеяние рентгеновских и гамма-лучей, длина волн которых в десятки и сотни тысяч раз меньше длин волн видимого света. Оказалось, при рассеянии жестких гамма-лучей (самые короткие длины волн, порядка 10^–12 см) вообще не обнаруживается компонента с начальной длиной волны. Через год сам же Комптон и независимо от него Дебай развили теорию этого явления, исходя из чисто корпускулярной природы света. При этом все законы сохранения, справедливые для классической теории рассеяния двух частиц друг на друге, строго выполняются, прямо как при рассеянии двух бильярдных шаров. Необычным было лишь то, что один из «шаров» — электрон — был нормальной частицей, (так во всяком случае считалось тогда), а другой — частицей света, энергия которой определялась не массой и квадратом скорости, а постоянной Планка, умноженной на частоту. Так с открытием эффекта Комптона вопрос о двоякой природе света встал очень остро. Наступило время, когда, по выражению Брэгга, физики были вынуждены по понедельникам, средам и пятницам считать свет состоящим из частиц, а в остальные дни недели — из волн.

В том же 1923 г., когда ни эксперимент Комптона, ни его теория не вызывали сомнений у недоумевающих физиков, появилась еще более обескураживающая работа, да еще чисто теоретическая. Луи де Бройль, увлекающийся экспериментальным исследованием излучения и имеющий возможность заниматься этим в частной лаборатории своего брата, опубликовал три теоретические работы подряд. В этих работах он утверждал, что не только свет обладает двоякой природой, но и само вещество, оставаясь веществом, должно иметь волновую природу! Т. е. каждой материальной частице наряду с ее физическими свойствами — массой, размерами и т. д. — должна соответствовать своя собственная волна. Так что и электроны, и атомы, и даже молекулы могут рассматриваться как волны. Длину волны для любой частицы де Бройль определял как постоянную Планка, деленную на ее импульс. Так, если бильярдный шар считать волной, то в его длине волны, скажем, при скорости шара 1 м/с значимое число появляется через 25 нулей после запятой, т. е. длина волны бильярдного шара порядка 10^–25 см.

С необычайной простотой де Бройль объяснял, почему, скажем, электрону необходимо приписать волновые свойства: «Определение стационарных движений электронов в атоме заставляет вводить целые числа, но до сих пор единственными явлениями в физике, при описании которых вводили целые числа, были явления интерференции и собственных колебаний» [15, с. 398].

Статьи де Бройля никто не принимал всерьез, а если ему случалось выступать со своими идеями на семинаре, то его доклад вызывал всеобщее веселье аудитории. Первым на них обратил серьезное внимание Эйнштейн. В 1925 г. он писал Борну: «Прочтите ее! Хотя и кажется, что ее писал сумасшедший, написана она солидно» [Там же, с. 399]. Но Борн и разбираться не стал, а его молодые сотрудники устроили на тему дебройлевских идей потешный семинар. В том же году Эйнштейн обратил внимание Эрвина Шредингера на работы де Бройля.