Портал создан при поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям.

Сказка о герцоге де Бройле, который открыл самые странные волны в мире

Ник. Горькавый

«Космические сыщики» — новая книга писателя, доктора физико-математических наук Николая Николаевича Горькавого. Её герои знакомы читателям по научно-фантастической трилогии «Астровитянка» и научным сказкам, опубликованным в журнале в 2010—2014 гг. и в №№ 1, 4—7, 9, 2015 г.; № 1, 2016 г.

Укладывая детей спать, Дзинтара, как обычно, открыла книгу и прочитала:

Обеспечим библиотеки России научными изданиями!

— Что вы думаете, принц, о квантах господина Планка?

— Я решил посвятить все свои силы выяснению их истинной природы, ведь глубокий смысл квантов ещё мало кто понимает.

— Это смелый шаг, принц!

Галатея вытаращила глаза:

— Ты что читаешь? Разве принцы обсуждали квантовые проблемы?

— Да, по крайней мере один из них — Луи де Бройль из династии французских герцогов. Семья была богата и влиятельна, и Луи, младшему из пяти детей, прочили большое политическое будущее. После смерти отца в 1906 году он унаследовал титул князя («prince») Священной Римской империи, три года учился в престижном лицее Жансон-де-Сайи. В 18 лет талантливый юноша поступил в Парижский университет, где поначалу изучал историю и право. Но молодого принца не привлекала военная или дипломатическая карьера, которой посвящали себя мужчины его рода. Луи стал посещать курсы по «специальной математике», изучать материалы первого Сольвеевского конгресса, прошедшего в Брюсселе в 1911 году. На конгрессе обсуждались кванты, открытые за десять лет до этого и введённые в теоретическую физику Максом Планком. Прочитав о них, де Бройль твёрдо решил посвятить себя теоретической квантовой физике.

— Видимо, он по-считал это достаточно аристократическим занятием! — прокомментировал Андрей.

— Сестра Луи де Бройля, графиня де Панж, писала в своих мемуарах о превращении принца в учёного: «Дружелюбный и очаровательный маленький князь, которого я знала на протяжении всего детства, навсегда исчез. С решимостью и поразительной смелостью он постепенно, с каждым месяцем превращал себя в строгого учёного, ведущего монашескую жизнь».

Луи закончил университет в 1913 году, но его занятия физикой вскоре прервала Первая мировая война. Он прослужил в армии шесть лет и только потом вернулся к своей любимой науке. В 1924 году де Бройль написал диссертацию «Исследование теории квантов», где высказал поразительную по смелости идею. Основываясь на том, что свет обладает не только характеристиками волны, но и свойствами частиц, или квантовыми свойствами, де Бройль предположил, что и материальные частицы, например электроны, тоже обладают не только свойствами частиц, но и свойствами волн.

— Частица со свойствами волны? — не поверила услышанному Галатея.

— Да, причём любая. Учёный доказал, что, чем больше энергия частицы, тем больше частота её волны, а значит, длина волны меньше. Только волна эта не похожа на обычную электромагнитную. Её нередко называют «волной вероятности», поскольку она описывает вероятность нахождения частицы в той или иной точке пространства.

— И я тоже обладаю волновыми свойствами? — удивился Андрей.

— Да, и ты тоже. Но волна, соответствующая такому большому телу, как твоё, очень короткая и не может быть измерена обычными методами. Зато волновые свойства электрона обнаружить возможно.

— Я полагаю, что моя волна гораздо больше, чем волна Андрея, — заявила Галатея.

— Конечно, ведь твоя масса меньше, — согласился брат.

Дзинтара продолжила чтение:

— Жорж Лошак — ученик и сотрудник де Бройля, писал, что для него «характерно интуитивное мышление посредством простых конкретных и реалистических образов, присущих трёхмерному физическому пространству… Для де Бройля понимать — значит наглядно представлять».

Действительно, в начале 20-х годов прошлого века диссертация де Бройля выделялась из общего ряда: минимум математики в сочетании с гениальным пониманием сути процесса, с наглядным представлением о нём. Это было время, когда теоретическая физика обогатилась сложными математическими теориями вроде общей теории относительности. В середине 1920-х годов квантовой механикой занялись такие выдающиеся физики-теоретики, как австриец Эрвин Шрёдингер, который воспользовался выдвинутой де Бройлем идеей для развития волновой теории электрона, англичанин Поль Дирак, немец Вернер Гейзенберг и многие другие. Они применяли самые разнообразные и очень сложные математические методы. А диссертация де Бройля была, пожалуй, последней научной работой в области теоретической физики, в которой удалось сделать важнейшие научные выводы, опираясь на весьма скромный математический аппарат в сочетании со смелым научным мышлением.

Альберт Эйнштейн рекомендовал немецкому физику Максу Борну диссертацию де Бройля в таких выражениях: «Прочтите её! Хотя и кажется, что её писал сумасшедший, написана она солидно».

В своей книге «Революция в физике» де Бройль писал: «…если осторожность — мать безопасности, то судьба улыбается лишь отважным». Действительно, в научной смелости французскому учёному не откажешь. Научная смелость де Бройля была в какой-то степени обоснована его финансовой независимостью. Кто-то из учёных начала XXI века сказал, что, жил бы де Бройль на гранты, чёрта с два он сказал бы, что частица — это волна!».

Раз, как предположил де Бройль, электрон — это волна, то он должен быть подвержен дифракции*, типичной для световых волн. Его вывод о волновых свойствах частиц в 1926 году подтвердили в эксперименте американские физики Клинтон Джозеф Дэвиссон и Лестер Хэлберт Джермер. Они показали, что тонкий пучок электронов, падая на кристаллическую решётку никеля, отражается от неё точно так же, как рентгеновское излучение с той же длиной волн.

— Это значит, что длина волны у электрона такая же заметная, как и у рентгеновского излучения? — спросил Андрей.

— Да! Сейчас уже известно немало примеров проявления волновых свойств электронов и других частиц. Волны де Бройля истолковывают как «волны вероятности», которые описывают распределение частицы, например электрона в пространстве. Но пока никто в мире не может утверждать, что это последнее слово в квантовой механике. Часть учёных продолжает думать вслед за Эйнштейном, что должна существовать и другая — детерминистическая — теория движения электрона, избавленная от принципиальной случайности. Эйнштейн полагал, что случайность присутствует в квантовой механике только из-за непонимания глубинных механизмов динамики квантовых систем.

— Что такое детерни… детерминистическая теория? — спросила Галатея.

— Это такая теория, которая позволяет точно вычислить будущее положение тел и их скорость. Например, небесная механика — детерминистическая теория, она даёт возможность с большой точностью рассчитать, где будут располагаться планеты Солнечной системы через сто или двести лет.

Трудно сказать, кто окажется прав в этом споре. Вполне возможно, что квантовые случайности сохранятся и на следующем витке понимания квантовой теории, но зато мы лучше поймём, что такое «волна вероятности», в каком виде существует в ней частица и почему она с такой лёгкостью и скоростью может выныривать в любой точке волны де Бройля, словно дельфин из морской волны. Может быть, чтобы ответить на эти вопросы, должен появиться новый де Бройль — учёный, который будет способен не только на математические выкладки, но и на более глубокое и наглядное проникновение в суть физического процесса.

— Может быть… — мечтательно ответила Галатея, и в её горящих глазах совсем не было сна.

***

Луи Виктор Пьер Раймон, седьмой герцог де Бройи (1892—1987), более известный как Луи де Бройль, французский физик-теоретик, выдвинувший концепцию волновых свойств материи, которая стала одной из основ квантовой механики, лауреат Нобелевской премии по физике 1929 года.

Сольвеевские конгрессы по физике проходят каждые три года и собирают выдающихся физиков и математиков со всего мира. Первый конгресс состоялся в 1911 году по личной инициативе и на средства бельгийского учёного и промышленника Эрнеста Сольве (1838—1922). Главный поставленный на нём вопрос: «Действительно ли нужно прибегать к квантовому описанию мира?» — стал поворотным пунктом в развитии физики XX века.

Жорж Лошак (1930) — французский физик. Глава Фонда де Бройля.

Клинтон Дэвиссон (1881—1958) — американский физик. Открыл дифракцию электронов на кристаллической решётке (опыт Дэвиссона — Джермера), что подтвердило существование волн де Бройля. Лауреат Нобелевской премии по физике1937 года.

Лестер Джермер (1896—1971) — американский физик, в соавторстве с К. Дэвиссоном открыл дифракцию электронов.

Комментарии к статье

* Дифракция — огибание препятствия волнами. Благодаря дифракции свет проникает в зоны тени, куда идеальный прямой луч проникнуть не может.


Случайная статья


Другие статьи из рубрики «Рассказы о науке»

Детальное описание иллюстрации

Вид снежинки в оптическом (слева) и в электронном (справа) микроскопе, созданном благодаря тому, что электроны, как и свет, обладают свойствами волны. Фото: Белтсвилльский сельскохозяйственный исследовательский центр, отделение электронной и конфокальной микроскопии (Мэриленд, США).