Избранные научные труды. Том 2

«Современные достижения. Такова в общих чертах теория атома и его строения, какой она была в 1925 г. (Имеется в виду первая часть статьи. — Ред.). С тех пор произошло заметное развитие теории строения атома благодаря установлению рациональных квантово-теоретических методов, позволивших провести количественное рассмотрение таких задач атомной физики, к которым раньше можно было применить лишь рассуждения скорее качественного характера. Два источника послужили началом развития этих методов. С одной стороны формальная процедура «квантовой механики», основанной Гейзенбергом и развитой, благодаря сотрудничеству нескольких замечательных физиков, в систему, которая по своей общности и последовательности может быть сравнима с классической механикой. С другой стороны — новые мощные и плодотворные идеи «волновой механики», развитой Э. Шредингером; исходным пунктом для него послужила пионерская работа Л. де Бройля. В последней используется аналогия между оптикой и механикой, на которую уже давно указал У. Р. Гамильтон. Согласно де Бройлю, движение материальной частицы сопоставимо с распространением цуга волн, частота которых задана общим квантовым соотношением 𝐸=ℎν, где 𝐸 —кинетическая энергия частицы, вычисленная на основе формул теории относительности. Фактически эта точка зрения может рассматриваться как инверсия тех соображений, с помощью которых Эйнштейн пришёл к гипотезе, что переносчиками света нужно считать не волны, а частицы — так называемые световые кванты, — обладающие энергией ℎν, сконцентрированной в очень малом объёме. Несмотря на необходимость волновых представлений для понимания обычных оптических опытов, гипотеза Эйнштейна оказалась очень плодотворной при объяснении некоторых важных явлений, например, открытого Комптоном эффекта изменения частоты рентгеновских лучей при их рассеянии на электронах. Точка зрения де Бройля, как бы она ни была чужда классическим воззрениям, получила замечательное подтверждение в открытии Дэвиссоном и Джермером селективного отражения электронов от металлических кристаллов. Действительно, в их опытах электроны проявляли себя как волны, обладающие длиной, предсказанной квантовой теорией.

Первым указанием на важность идеи волны в решении проблемы строения атома была мысль де Бройля, что стационарные состояния атома могут быть интерпретированы как результат интерференции волн, ассоциированных со связанным электроном. Но реального успеха в этом направлении впервые добился Шредингер, которому удалось заменить классические уравнения движения частиц в атоме некоторым дифференциальным уравнением, подобным известному уравнению теории упругих колебаний твердых тел. Как известно из акустики, любое такое колебание может быть разложено на некоторое число чисто гармонических компонент, представляющих основные тоны музыкального инструмента. Было найдено, что «характеристические решения» волнового уравнения Шредингера, соответствующие таким чисто гармоническим колебаниям, дают детальное истолкование свойств стационарных состояний. Прежде всего оказалось, что значения энергии, появляющиеся в квантовой теории спектров, получаются умножением частоты характеристических колебаний на постоянную Планка. Затем Шредингеру удалось связать решение своего волнового уравнения с непрерывным распределением электрического заряда и тока; в применении к характеристическому колебанию оно представляет электростатические и магнитные свойства атома в соответствующем стационарном состоянии.

Этот выдающийся результат проложил путь к возобновлению дискуссии относительно физической природы ингредиентов атома. В пользу взглядов Шредингера говорит то обстоятельство, что идея волны даёт реальную картину атома путём прямого применения методов классической физики. С его точки зрения волновая механика представляет собой естественное обобщение классической механики материальных частиц, к которой она относится так, как современная оптика, базирующаяся на основных уравнениях электродинамики, относится к более примитивной геометрической оптике, использующей понятие световых лучей. Но на самом деле оказалось, что ситуация намного сложнее. Учитывая сильный контраст между идеями квантовой теории и фундаментальными принципами классической физики, вряд ли можно надеяться, что мы будем в состоянии отчётливо представлять себе атомные явления с помощью классических идей. В дилемме, касающейся природы света и простейших составных частей вещества, мы видим общую черту, присущую квантово-теоретическому описанию. В самом деле, волновые и корпускулярные идеи в равной мере необходимы, если мы хотим дать полное описание опыта. Положение прояснилось, когда были развиты формальные методы квантовой механики, в которой была установлена тесная связь между соображениями соответствия и работой Шредингера. Как только принят правильный взгляд на особенности обсуждаемого дуализма, квантовая теория, как бы она ни была непривычной, может рассматриваться как естественное развитие обычного описания физических явлений.