Механизм Вселенной: как законы науки управляют миром и как мы об этом узнали - Скотт Бембенек

В 1927 году подтверждение получили теория де Бройля и корпускулярно-волновой дуализм: Клинтон Дэвиссон (1881–1958) и Лестер Джермер (1896–1971) успешно показали, что пучок электронов, направленный на никелевый кристалл, не только отражался от него, но и вызывал дифракцию электронов. Этот эксперимент стал кульминацией десятилетней упорной работы, начатой Дэвиссоном.

Во избежание нежелательных воздействий со стороны воздуха опыты были проведены в вакуумной камере. Однако случилась авария, в результате которой воздух проник в камеру, и никель прореагировал с кислородом воздуха, что привело к образованию оксида никеля. Чтобы восстановить никель, его нагрели в присутствии водорода. Однако, повторив эксперименты с восстановленным никелем, ученые получили некоторые новые интересные результаты. Доля отраженных электронов от никеля в некоторых направлениях была больше, чем в других. Иными словами, была зависимость интенсивности электронного пучка от направления, которой не было заметно в предыдущих экспериментах.

Дэвиссон и Джермер сделали предположение, что вновь восстановленный никель на самом деле перешел из своего исходного твердого состояния в новую кристаллическую форму. Далее они пришли к выводу, что кристаллическая структура имела необходимое межатомное расстояние для дифракции – а не простого отражения – электронов, тем самым выявляя их волновую «природу де Бройля». Наконец, они обнаружили, что закон Брэгга правильно описывал зависимость интенсивности пучка от направления, которую они видели в их опытах.

Я не буду вдаваться в подробности закона Брэгга, а только сообщу основную идею: он правильно описывает зависимость интенсивности пучка от направления, делая предположение, что отражается волна – а не частица. То есть он верно описывает дифракцию волн на кристаллах (закон Брэгга правильно описывает эксперименты Лауэ по дифракции рентгеновских лучей). Ясно, что Дэвиссон и Джермер не планировали проверять теорию де Бройля, а просто пытались исследовать свойства поверхности никеля.

Они не были знакомы с теорией де Бройля вплоть до 1926 года, а именно – до того, как Дэвиссон посетил научный съезд, на котором ее представили его вниманию. Он и Джермер уже обнаруживали, что их экспериментальные данные походили на результаты дифракции рентгеновских лучей на кристаллах. С представлением, данным теорией де Бройля, Дэвиссон понял, что они были обусловлены волновой природой электрона.

Опыты Дэвиссона и Джермера были большим шагом навстречу корпускулярно-волновому дуализму вещества, в частности электрона. В классической физике частицы и волны всегда рассматривались как отдельные сущности, но для квантовых объектов (фотонов, электронов и т. д.) это разграничение исчезает, и они переплетаются.

В 1929 году за свою теорию корпускулярно-волнового дуализма де Бройль был удостоен Нобелевской премии. Когда (в 1923 году) он написал свою серию статей, открывающую новые горизонты, ему был всего лишь тридцать один год. Концепция волны де Бройля стала его великим вкладом в физику. Однако она будет лишь инструментом вдохновения для Эрвина Шрёдингера – тридцативосьмилетнего физика, который построит (проводя рождественские каникулы со своей любовницей) уравнение – саму основу того, что называют квантовой механикой.

Эрвин Шрёдингер (1887–1961) родился в Вене, Австрия, и был единственным ребенком Рудольфа и Георгины Шрёдингер. Его отец унаследовал семейный бизнес, был владельцем прибыльной фабрики по производству линолеума и клеенки, а его матерь была из рода мелких дворян. Шрёдингеры были на самом деле обеспечены и наслаждались образом жизни, типичным для людей выше среднего класса того времени. Шрёдингер рос, окруженный женщинами (две тети, двоюродная сестра, няни и прислуги), исполняющими все его прихоти, что, скорее всего, в дальнейшем повлияло на его отношения с женщинами. И в течение некоторого времени эту комфортную обстановку не нарушала даже школа, поскольку Шрёдингер до десяти лет находился на домашнем обучении.

Однако именно отец, несомненно, придал юному Шрёдингеру интеллектуальный стимул. Хотя он и вел семейный бизнес, в глубине души он был ученым с истинной страстью к ботанике (тематике, по которой он публиковался в профессиональных журналах). Он также был очень сведущ в итальянской живописи и химии. Чтобы удовлетворить свои интересы, он держал большую библиотеку, к которой сын имел беспрепятственный доступ – образованию сына уделяли первостепенное внимание. Позднее именно отец отговорил Шрёдингера от продолжения семейного бизнеса и вместо этого посоветовал заняться научной деятельностью (сожалея о том, что сам ею не занимался).

В 1898 году после длинных весенних каникул Шрёдингер впервые испытал на себе прелести официального образования в школе св. Николая, куда обеспокоенные родители отдали его всего лишь на несколько недель – для подготовки к вступительному экзамену в Академическую гимназию (подобную средней школе в Англии). Осенью 1898 года Шрёдингер блестяще сдал экзамен и поступил в Гимназию, она была удобно расположена в десяти минутах ходьбы от его дома. Латынь, греческий язык и литература были там основными предметами, а математика и физика – второстепенными. Шрёдингер очень хорошо справлялся с учебой и был первым в классе по всем предметам.

В 1906 году, вскоре после смерти Больцмана, Шрёдингер поступил в Венский университет. Смерть Больцмана оставила отделение физики в беспорядке, а чтение лекций по теоретической физике прервали на восемнадцать месяцев, когда Больцмана заменил Фридрих (Фриц) Хазенерль (1874–1915). Тем не менее ожидание стоило того, потому что Хазенерль тут же мастерски прочитал свою первую лекцию по статистической механике Больцмана (он сам учился и у Больцмана, и у Йозефа Стефана (1835–1898) в том же Венском университете). Курс Хазенерля по теоретической физике был рассчитан на восемь семестров и читался пять дней в неделю – Шрёдингер был на седьмом небе от счастья: «Ни один человек, возможно, кроме моего отца, так сильно не повилял на меня, как Фритц Хазенерль».

Теоретической физике суждено было стать его призванием, и в 1910 году Шрёдингер получил свою степень доктора философии (не совсем эквивалентную одноименной степени в Америке, а скорее степени магистра) за свою диссертацию «Об электрической проводимости на поверхности изоляторов в сыром воздухе», мотивированную значением электрической изоляции, используемой в инструментах, измеряющих ионизацию и радиоактивность.

Вскоре Шрёдингера призвали в армию. В 1908 году он поступил на службу в войска крепостной артиллерии. Хотя для всех здоровых мужчин обязательная военная служба длилась три года, поскольку нужно было больше офицеров, чем могли выпустить академии и кадетские школы, людям с достаточным уровнем образования и социальным положением – таким как Шрёдингер – система позволяла быть «одногодичными волонтерами», которые проходили офицерскую подготовку, самостоятельно покрывая расходы на проживание. Пройдя военную подготовку, он сдал экзамены на должность прапорщика в запасе (звание непосредственно ниже лейтенанта для младших офицеров) и накануне нового 1911 года вернулся к полноценной гражданской жизни.