научная статья по теме ГЕНЕЗИС ИДЕИ КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОГО ДУАЛИЗМА МАТЕРИИ ЛУИ ДЕ БРОЙЛЯ История. Исторические науки

Текст научной статьи на тему «ГЕНЕЗИС ИДЕИ КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОГО ДУАЛИЗМА МАТЕРИИ ЛУИ ДЕ БРОЙЛЯ»

Из истории естествознания

ГЕНЕЗИС ИДЕИ КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОГО ДУАЛИЗМА МАТЕРИИ ЛУИ ДЕ БРОЙЛЯ

Имя Луи де Бройля, Нобелевского лауреата по физике (1929), стоит в одном ряду с именами величайших физиков ХХ в., создателей квантовой механики. Аристократическое происхождение, уединенный образ жизни, а также образование, в котором блестяще сочетались глубокое знание истории и теоретической физики, плюс научный гений сделали его одним из наиболее оригинальных умов, когда-либо проявивших себя в науке. В статье прослеживается процесс формирования волновой концепции де Бройля, ставшей базой для развития волновой механики. На генезис его идей о корпускулярно-волновом единстве материи оказали влияние множество факторов, среди которых можно выделить главные: французская научная мысль, оптико-механическая аналогия Гамильтона, гипотеза А. Эйнштейна о квантах света и теория относительности, модель атома Бора - Зоммерфельда, экспериментальные исследования природы рентгеновского излучения.

Ключевые слова: Л. де Бройль, квантовая механика, рациональная программа Декарта, корпускулярно-волновой дуализм, принцип Мопертюи, принцип Ферма, кванты света, релятивистская инвариантность, фазовая волна.

В истории физики имя Луи де Бройля широко известно благодаря высказанной им идее о связанности корпускулярных и волновых свойств материи, из которой родилась волновая механика. Председатель Нобелевского комитета по физике К. В. Озеен при вручении Нобелевской премии де Бройлю в 1929 г. отмечал:

Де Бройль открыл совершенно новый аспект природы материи, о котором ранее никто не подозревал. Блестящая догадка де Бройля разрешила давний спор, установив, что не существует двух миров, один - света и волн, другой - материи и корпускул. Есть только один общий мир 1.

Если представить себе квадрат, в противоположных вершинах которого находятся излучение (свет) - вещество, волна - частица (рис. 1), то в нем именно де Бройль был последним звеном - ученым, кто связал волны и вещество.

1 Финкельштейн А. М., Ноздрачев А. Д., ПоляковЕ. Л., Зеленин К. Н. Нобелевские премии по физике 1901-2004. СПб., 2005. С. 368.

Благодаря его работам 1923-1924 гг. в науку вошло представление о корпус-кулярно-волновом дуализме материи как ключевом элементе физической картины мира. Исследование гносеологических корней этого теоретического достижения - та цель, которую ставил перед собой автор настоящей статьи.

Впервые идеи о существовании у материи волновых свойств, которые стали одной из основ волновой механики, де Бройль изложил в 1923 г. Он постулировал существование волны, которую впоследствии назвал фазовой, связанной с движением частицы, обладающей определенными корпускулярными характеристиками - значениями энергии Е и импульса р. Путем рассуждений, основанных на преобразованиях Лоренца, де Бройль показал, что частота м и длина А этой фазовой волны связаны с динамическими характеристиками частицы - энергией и импульсом: Е = р = Йк. Связь волновых и корпускулярных характеристик для частиц и волн материи у де Бройля имела такой же вид, как и для фотона и световой волны, полученный ранее А. Эйнштейном. Тем самым был установлен единый - для частиц материи и для света - вид дуализма. С помощью фазовых волн де Бройль смог перевести условие квантования стационарных орбит в модели атома Бора на язык резонанса фазовой волны, т. е. он показал, что на стационарных орбитах длина волны укладывается целое число раз. Тем самым условия квантования в модели атома Бора приобрели ясный физический смысл. Еще одним важным результатом теории, предложенной де Бройлем, было предсказание возможности наблюдения волновых явлений, связанных с распространением в пространстве волн материи, таких как интерференция и дифракция. Явление дифракции электронов обнаружили в 1927 г. в США К. Дэвиссон и Л. Джермер, которые вычислили длину волны исходя из результатов своих опытов, и она соответствовала длине волны де Бройля А = Н/ши. После этих и многочисленных других экспериментов, которые подтверждали существование дифракции волн материи, становление квантовой механики пошло быстрыми темпами. К этому времени уже появились теории В. Гейзенберга (1925) и Э. Шредингера

Рис. 1. Квадрат материя - форма (Wheaton, B. R. Atomic Waves in Private Practice // Quantum Mechanics at the Crossroads /Eds. J. Evans, A.S. Thorndike.Berlin, 2006. P. 44)

(1926), которые описывали закономерности явлений в атомах, методологически разные: Шредингер получил уравнение для волн де Бройля - волновое уравнение, а Гейзенберг открыл путь матричной механики, в которой не было места классическим представлениям об электронных траекториях.

Эволюции основных идей квантовой механики посвящено значительное количество работ 2. В большинстве из них ключевым шагом, приведшим де Бройля к формулированию идеи корпускулярно-волнового дуализма материи, считается распространение им на любые материальные частицы представлений Эйнштейна о квантах света. Доказывается, что истоком рассуждений де Бройля была оптико-механическая аналогия, развитая в середине XIX в. У Гамильтоном. Проблема природы света уходит своими корнями к представлениям Р. Декарта о протяженной материи, и то, что Луи де Бройль подошел к ее решению, говорит о его прочной связи с идеями рационализма, характерными для французской научной мысли. Эта связь практически не рассматривается в известных работах. С другой стороны, в некоторых немногочисленных публикациях построение де Бройлем его теории связывается с известными экспериментальными работами по изучению рентгеновских (Х-) и с-лучей, открытых в конце XIX в. Именно старший брат, Морис де Бройль, впервые наблюдавший фотоэффект для рентгеновского излучения, привлек в 1919 г. Луи де Бройля в свою лабораторию и обсуждал вместе с ним самые острые вопросы того времени, связанные с природой коротковолнового электромагнитного излучения - Х- и с-лучей. Интенсивная экспериментальная работа с этим видом излучения велась в различных европейских научных центрах. Практически одновременно в 1923 г. были опубликованы статьи, авторы которых предполагали корпускулярно-волновую природу этого излучения. В марте П. Дебай в своей статье 3 предположил, что рентгеновский квант теряет энергию при столкновении с электроном, в апреле А. Комптон в другой статье 4 писал о том, что квант рентгеновского излучения несет с собой импульс, а также энергию. А в сентябре 1923 г. Л. де Бройль публикует подряд три статьи, где он объясняет новое представление о квантах света, отличное от выдвинутой ранее гипотезы Эйнштейна:

Атом света, эквивалентный по своей полной энергии излучению с частотой о, является источником внутреннего периодического процесса и,

с точки зрения неподвижного наблюдателя, имеет в каждой точке про-

2 Очерки развития основных физических идей / Ред. А. Т. Григорян, Л. С. Полак. М., 1959; Ельяшевич М. А. От возникновения квантовых представлений до становления квантовой механики // Успехи физических наук. 1977. Т. 122. Вып. 4. С. 679; 50 лет квантовой механике / Ред. Л. С. Полак. М., 1979; Джеммер М. Эволюция понятий квантовой механики. М., 1985; Хунд Ф. История квантовой теории. Киев, 1980; Quantum Mechanics, a Half Century Later / Eds. J. L. Lopes, M. Paty. Dordrecht, 1977; Quantum Mechanics at the Crossroads / Eds. J. Evans, A. S. Thorndike. Berlin, 2006; Wheaton, B. R. The Tiger and the Shark: Empirical Roots of Wave-Particle Dualism. Cambridge, 1983; Bacciagaluppi, G., Valentini, A. Quantum Theory at the Crossroads. Cambridge, 2009.

3 Debye, P. Zerstreuung von Röntgenstrahlen und Quantentheorie // Physikalische Zeitschrift. 1923. Bd. 24. S. 161-166.

4 Compton, A. H. A Quantum Theory of the Scattering of X-rays by Light Elements // Physical Review. 1923. Vol. 22. P. 483-502.

странства ту же фазу, что и волна с частотой о, распространяющаяся в том же направлении, со скоростью, почти равной (хотя чуть большей) постоянной, называемой скоростью света 5.

М. Джеммер в своем исследовании обращает внимание также на статьи М. Бриллюэна по гидродинамической модели колеблющегося атома, о которых знал Л. де Бройль и которые предшествовали его работам.

Практически все известные исследования, посвященные анализу идеи де Бройля о корпускулярно-волновом единстве материи, делают акцент на каком-нибудь одном из ключевых факторов, оказавших влияние на оформление этой идеи. В настоящей статье впервые дается интерпретация, учитывающая различные факторы. Рассматриваются такие источники теоретических построений де Бройля, как французские научные и научно-философские традиции, экспериментальные исследования в лаборатории М. де Бройля по выяснению природы рентгеновских лучей, специальная теория относительности и гипотеза о квантах света Эйнштейна, квантовая теория Бора - Зоммерфельда, оптико- механическая аналогия.

Особенности личности и мировоззрения Луи де Бройля

Удивительно, но во Франции существует только одно-единственное достаточно полное биографическое исследование жизни и научного творчества Л. де Бройля, выполненное его учеником и единомышленником Ж. Лошаком 6. Сам этот факт говорит об отношении французского научного сообщества к ученому. Лошак пишет, что де Бройль встречал неприятие со стороны большинства физиков, «он был как будто из иной реальности: по научному мировоззрению, происхождению, воспитанию и характеру». П. Джермен, который стал непременным секретарем Французской академии наук после смерти де Брой-ля, сказал: «Кажется, Луи де Бройль никогда реально не вписывался в научное сообщество» 7. Независимость мышления была наиболее характерной чертой его творчества. При жизни он получил репутацию ретрограда несмотря на то, что всегда руководствовался семейным девизом «Ради будущего», заботился о будущем поколении физиков.

Многие особенности личности де Бройля - независимость, уверенность в себе, достоинство - объясняются его аристократическим происхождением. В числе его предков были депутаты Национальной ассамблеи и министры, маршалы и члены Французской академии наук, все

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎