Начало начал

Нельзя сказать, что до появления квантовой механики человечество ничего не знало о двойственности окружающей его природы. В древности человек сталкивался с окружающей его реальностью в основном в форме конкретных предметов: солнце, луна, звезды, деревья, звери, птицы, пещера, топор и т. д. Однако ему приходилось наблюдать и осмысливать и волновые процессы: на поверхности озера и океана, в картине облаков на небе, в трепетании листьев при дуновении ветра. Поэтому не случайно древнегреческие ученые разработали волновую теорию звука, чтобы объяснить ряд явлений, которые никак не вписывались в принятые тогда атомистические представления. Много веков спустя возникла и начала интенсивно развиваться волновая теория света, бросая вызов «непоколебимой» корпускулярной модели Ньютона. А к концу XIX века из уравнений Максвелла были выведены, а затем экспериментально подтверждены количественные характеристики электромагнитных волн, на основе которых большая часть предыдущих физических теорий была объединена в стройную всеобъемлющую философскую концепцию.

Однако корпускулярные теории света, звука и электричества не были низложены, хотя корпускулярная теория вещества была поставлена под сомнение. Физика XX века вообще изобилует новыми парадоксами: фотоны, фононы, кварки и волновая теория материи. Еще в 1900 году немецкий физик Макс Планк при установлении закона распределения энергии в спектре излучения абсолютно черного тела предположил, что свет испускается не непрерывно, а определенными дискретными порциями энергии – квантами. Величина такого кванта энергии Е, названного позднее «квантом действия», зависит от частоты света v и равна: E = hv, где h – постоянная Планка. Уже в самой этой формуле содержится дуализм: энергия Е относится к частице, а частота v является характеристикой волны. Постоянная Планка h = 6,626 × 10^–34 Дж·с устанавливает минимальный предел измерений всех физических параметров, она является фундаментальной единицей квантования. Стоит особо подчеркнуть, что вследствие чрезвычайно малой величины постоянной Планка в макроскопических физических экспериментах квантование остается незамеченным.

В 1905 году Эйнштейн, развивая идею Планка при работе над теорией фотоэффекта, предположил, что свет не только испускается, но и распространяется квантами, то есть дискретность присуща самому свету: свет состоит из отдельных порций – световых квантов, названных позднее фотонами. Таким образом, для объяснения излучения черного тела и фотоэлектрического эффекта, которые не могли быть объяснены волновой теорией, потребовались кванты Планка – Эйнштейна [80. С. 253].

А вот для обоснования существования уровней энергии Бора – Зоммерфельда в атоме и экспериментальных данных по дифракции электронов потребовались утверждения де Бройля и Шредингера о том, что корпускулярные материальные объекты при некоторых обстоятельствах проявляют и волновые свойства.

В 1924 году один из создателей квантовой механики Луи де Бройль, иностранный член АН СССР с 1958 года, выдвинул идею о волновых свойствах материи, за разработку которой в 1929 году был удостоен Нобелевской премии [9. С. 171]. Оригинальная гипотеза де Бройля (волновая механика материи) заключается в том, что частицы могут обладать волновыми свойствами интерференции, дифракции и способностью проходить через границу раздела сред. Он выдвинул постулат, согласно которому частица обладает свойствами волны. Ее длина обратно пропорциональна импульсу частицы, то есть чем больше масса или скорость частицы, тем короче эффективная длина волны. И опять длина волны и импульс частицы связаны между собой постоянной Планка.

По гипотезе де Бройля, не только фотоны, но и все «обыкновенные частицы» (электроны, протоны и др.) обладают волновыми свойствами, которые, в частности, должны проявляться в дифракции частиц. Дифракция микрочастиц – это рассеяние электронов, нейтронов, атомов и других микрочастиц кристаллами или молекулами жидкостей и газов, при котором из начального пучка частиц возникают дополнительные отклоненные пучки этих частиц [58. С. 170].

В 1927 году американские физики К. Дэвиссон и Л. Джермер впервые наблюдали дифракцию электронов. Позднее волновые свойства были обнаружены и у других частиц. Справедливость формулы де Бройля была подтверждена экспериментально.

В 1926 году австрийский физик Э. Шредингер предложил уравнение, описывающее поведение таких «волн» во внешних силовых полях. Ему удалось с высокой точностью рассчитать энергетические уровни простейших атомных структур, предположив, что электроны образуют стоячие волны со сферическими граничными условиями, определяемыми электрическим потенциалом атомных ядер. Так возникла волновая механика [58. С. 253].