Как появилась квантовая физика?
«Наука нуждается в воображении, но воображение находится в ужасной смирительной рубашке знания.»
Ричард Фейнман
Многие века человеческие умы будоражили рассказы и проявления магических феноменов. И только в наши дни появилась наука, определившая качественные и количественные закономерности перехода энергетических структур в более или менее плотное состояние. Эта наука — квантовая физика.
Классическая физика, как известно, описывает поведение материальных объектов. В противоположность ей квантовая физика сосредоточена только на математическом описании процессов наблюдения и измерения. При этом элементом анализируемой картины мира становится сам наблюдатель.
Эта наука является относительно молодой, что не мешает, а может, и способствует появлению в ней множества фантастических гипотез.
Квантовая физика уже давно вошла в нашу жизнь. Но пользоваться благами, созданными с ее помощью, еще не значит понимать, что это такое. У многих знания физики заканчиваются на уровне средней школы, и далеко не все изучали легендарный третий том «Теоретической физики» Л. Д. Ландау и Е. М. Лифшица, и для многих такие понятия, как волновая функция и уравнение Шредингера,— это что-то из потустороннего мира. Специфический же математический аппарат квантовой механики — это сложные формулы и малопонятные слова. Поэтому в данной книге мы постараемся придерживаться общедоступного уровня изложения, избегая элементов тензорного анализа и прочей специфики квантовой механики, и изложить отдельные аспекты этого постоянно развивающегося и самого молодого раздела физики.
Точка отсчета
Для подавляющего большинства людей квантовая механика находится за гранью понимания. И дело тут даже не столько в сложном математическом аппарате, сколько в том, что законы квантовой механики не имеют подсознательной ассоциации — их невозможно себе представить.
История квантовой физики началась 14 декабря 1900 года. Именно в этот день немецкий физик и будущий нобелевский лауреат Макс Планк доложил на заседании Берлинского физического общества о фундаментальном открытии квантовых свойств теплового излучения. Так в физике появилось понятие кванта энергии, а среди других фундаментальных постоянных — постоянная Планка.
Квант — это неделимая порция какой-либо величины, в частности энергии.В основе этого понятия лежит представление о том, что некоторые физические величины могут принимать только определенные значения (говоря научным языком, физическая величина квантуется).
Открытие Планка и появившаяся затем, в 1905 году, теория фотоэлектрического эффекта Альберта Эйнштейна, а также создание в 1913 году Нильсом Бором первой квантовой теории атомных спектров стимулировали создание и дальнейшее бурное развитие квантовой теории и экспериментальных исследований квантовых явлений.
Все познается... В развитии
Уже в 1926 году Эрвин Шредингер сформулировал свое знаменитое волновое уравнение, а Энрико Ферми и Поль Дирак получили квантово-статистическое распределение для электронного газа, учитывающее заполнение отдельных квантовых состояний.
В 1928 году Феликс Блох произвел анализ квантово-механической задачи о движении электрона во внешнем периодическом поле кристаллической решетки и показал, что электронный энергетический спектр в кристаллическом твердом теле имеет зонную структуру. Фактически это стало началом нового направления в физике—теории твердого тела.
Весь XX век—это период интенсивного развития всех тех разделов физики, для которых квантовая теория стала прародителем.