Луи де Бройль и его роль в развитии квантовой механики

Актуальность исследования.

Выдающийся французский физик Луи де Бройль (1892−1987 гг.) заслуженно признан одним из основоположников квантовой механики. Открытие им принципа корпускулярно-волнового дуализма материи является важным событием в истории квантовой механики, создание которой шло двумя параллельными путями — матричной и волновой механики (рис.1).

Рис. 1. Первооткрыватели квантовой механики Под влиянием гипотезы де Бройля о том, что с движением частицы надо связывать распространение некоторой волны, Э. Шредингер получил дифференциальное волновое уравнение для нерелятивистской микрочастицы, обладающей массой. В короткие сроки он завершил создание волновой механики, которая на первых порах называлась механикой Шредингера — де Бройля. Матричная механика создавалась усилиями В. Гейзенберга, М. Борна, В. Паули, П. Йордана и в ее основе лежала другая идея — описание физических величин микрочастицы с помощью матриц, изменяющихся во времени. Матричная механика при своем возникновении опиралась на квантовые постулаты Н.Бора. Тождественность волновой и матричной механики впоследствии была установлена Шредингером (1926 г.) и за новым разделом теоретической физики закрепилось название квантовая механика. Базовыми принципами квантовой механики стали соотношения неопределенностей Гейзенберга и принцип дополнительности Бора, которые непосредственно связаны с существованием волновых свойств микрочастиц.

Предтечей де Бройля явился А. Эйнштейн, предложивший рассматривать дискретную структуру излучения в виде световых квантов, которые позднее получили название фотонов. Впервые проблема дуализма света была связана Л. де Бройлем с возможным дуализмом свойств материи. И гипотеза Эйнштейна о квантах света (1905 г.) и гипотеза де Бройля о дуализме материи (1923 г.) стали следствием квантовой гипотезы М. Планка (1900 г.).

Концепция корпускулярно-волнового дуализма Л. де Бройля представляет большой интерес для истории науки, так как она является промежуточным звеном в цепи открытий сложного поведения квантовых объектов, мостом между классическими аналогами понятий частицы и волны и современным понятием микрочастицы. Синтез классических представлений волны и частицы, осуществленный Л. де Бройлем в 1923 г., привел его к новому образу — «волна материи», который в квантовой механике претерпел изменения. В ходе развития квантовой механики волновые свойства частицы стали описываться волновой функцией? функцией), комплексный характер которой не позволил придать этим волнам понимание реального волнового процесса. Физический смысл имеет квадрат модуля Ч^-функции — в каждой точке и в каждый момент времени эта величина определяет вероятность наблюдения соответствующей частицы. Но при этом в квантовой механике сохранилось понятие волны де Бройля, а h формула длины волны де Бройля Л = —вошла во все учебники физики1. В mv этой формуле присутствуют характеристики классических объектов — волны и частицы, но описывает она совершенно новый объект. Понятие частица-волна, введенное в физику JL де Бройлем, явилось прообразом унитарного квантового объекта — квантованного поля, которое в настоящее время является наиболее фундаментальной и универсальной формой материи.

В трех статьях, опубликованных в докладах Французской академии наук («Comptes Rendus de l’Academie des Sciences») в 1923 г., де Бройль обосновал идею волн (первоначально он использовал термин «фиктивная волна»), ассоциированных с механическим перемещением частицы. Он постулировал существование волны, связанной с движением частицы, обладающей определенными корпускулярными характеристикамизначениями энергии Е и импульса р. Основным уравнением, из которого вытекала идея де Бройля о волнах, была формула, записанная им на основании гипотезы Планка о наименьшем кванте энергии и уравнения Эйнштейна, связывающего массу и энергию, hu)0 = m0c2. Из нее следовало2, что каждой порции энергии, обладающей массой т0, соответствует периодический процесс, частота которого равна .

Дальнейшие рассуждения де Бройля были построены на утверждении согласованности фаз двух волновых процессов — в виде распространяющихся колебаний, происходящих внутри частицы, и ассоциированных с ее движением волн, возникающих в пространстве. Поэтому волны, соответствующие движению массовых частиц, были названы де Бройлем фазовыми. Он показал, что частота со и длина X фазовой волны связаны с.

1 Убедительным доказательством гипотезы де Бройля явились первые эксперименты (1927г.) по дифракции электронов, выполненные К.Дж.Дэвиссоном и Дж.П.Томсоном с сотрудниками.

2 Из этого, казалось бы, чисто формального равенства в предположениях де Бройля вытекает фактически угаданный им результат. Это пример рассуждения, которое по которое по Вл.П.Визгину называется «дугой Эйнштейна». динамическими характеристиками частицы — энергией и импульсом: Е — Нсо, р = Ьк 3.

В диссертации, защищенной в 1924 г., де Бройль развил идею фазовых волн, получил характеристики этих волн, и применил их для решения ряда задач, таких как объяснение стационарных орбит в атоме Бора4 и вывод формулы энергии излучения абсолютно черного тела. Диссертация де Бройля стала не только отправной точкой создания волновой механики, она вызвала положительный отклик Эйнштейна, и оказала влияние при разработке им квантовой теории идеального газа. Также диссертация имела большое значение в истории экспериментального открытия дифракции электронов, которая привела к развитию новых методов исследования атомной структуры и изобретению электронного микроскопа.

В период 1925;1927 гг. Л. де Бройль способствовал углублению понятий новой волновой механики, получил независимо вместе со многими учеными, развившими подход Шредингера, релятивистское волновое уравнение для бесспиновых частиц, которое известно в квантовой механике как уравнение Клейна-Фока-Гордона, обсуждал возможность согласования.

3 Заметим, что строгое доказательство корпускулярно-волнового дуализма частиц, предложенное де Бройлем, относится к случаю, когда импульс и энергия частицы точно заданы. Такое возможно и для бегущей волны. Поэтому результат де Бройля в современных курсах квантовой механики занимает обязательное, но весьма скромное место (см. Берклеевский курс физики. Т.4. Вихман Э. Квантовая физика. М., 1974; Блохинцев Д. И. Основы квантовой механики. М. 1976).

4 Де Бройль показал, что фазовая волна, сопровождающая движение электрона, имеет 2nV 2лЛрг 2ттП, длину Л =-=—-=-= ЛБ в силу того, что фазовая скорость волны V и со m0u р -> с~ тс скорость электрона и связаны V = —, а со =-. Если электрон движется по круговой о h орбите, то спустя время г волна догонит электрон: Vr =? 0 + от. откуда г = ——~ длина орбиты. Фаза электрона к этому моменту должна соответствовать целому числу с «mJov Р ^ п 270). , колебании, т. е. сот = —, =-= 2m=>£0=-п = A, n=> рг0 -пп. римпульс. тф-р2 П Р г0 -радиус стационарной орбиты. Де Бройль получил физическое объяснение второго постулата Бора. электромагнитной теории с волновой механикой. Завершением поисков де Бройлем физического смысла совместного сосуществования волн и частиц явилась «теория двойного решения». Упрощенный вариант «теории двойного решения» (теория волны-пилота) был изложен де Бройлем в докладе на пятом Сольвеевском конгрессе по физике в 1927 г. Центральное место в работе конгресса занимала проблема интерпретации квантовой механики. Несмотря на то, что де Бройль представил «теорию двойного решения» в виде некоторой концепции, содержащей аналогии, постулаты, физические образы волны и частицы, построить законченный математический аппарат ему не удалось. В этой теории для многих физических величин, связанных с частицей, получались бесконечные значения, от которых трудно было избавиться в рамках развиваемой линейной теории. Победила копенгагенская интерпретация квантовой механики, основанная на статистической интерпретации волновой функции, принципах неопределенности Гейзенберга и дополнительности Бора.

Вклад Л. де Бройля в создание квантовой механики получил высокую оценку научного сообщества, в 1929 г. ему была присуждена Нобелевская премия по физике «за открытие волновой природы электрона». После 1928 г. в жизни Л. де Бройля наступил период, связанный с активной общественной и педагогической деятельностью, которая способствовала развитию теоретической физики во Франции. Большое значение для углубления отдельных вопросов квантовой механики и ее популяризации сыграли многочисленные монографии Л. де Бройля, представляющие собой издания курсов лекций, прочитанных им в разное время в Институте Анри Пуанкаре.

История квантовой механики достаточно полно изучена, произведена историческая реконструкция развития физических идей и событий, которые привели в 1927 г. к созданию квантовой механики. Подробно исследованы фундаментальные работы первооткрывателей, определены их вклад и место в истории квантовой механики. При этом Луи де Бройлю в историографии квантовой механики уделяется недостаточно внимания, неизвестны комплексные исследования, посвященные его роли в развитии квантовой механики. Некоторые работы де Бройля, написанные в период создания квантовой механики, недостаточно полно изучены. В связи с этим в истории становления квантовой механики остается не вполне выясненным происхождение и решение проблемы дуализма материи. Отсутствуют работы, посвященные генезису фундаментального открытия, сделанного Л. де Бройлем в 1923 г. незадолго до появления квантовой механики. Также есть пробелы в анализе диссертации де Бройля, сыгравшей решающую роль как в разработке Э. Шредингером волновой механики, так и в экспериментальном открытии явления дифракции электронов. В историографии квантовой механики не уделено внимание той высокой оценке комиссии, перед которой Луи де Бройль защищал свою диссертацию. Отзыв на диссертацию, подписанный П. Ланжевеном и Ж. Перреном, был опубликован только в 1991 г. и до настоящего времени этот важный документ оставался неизученным. Не в полной мере выявлены связи и влияние Луи де Бройля на других основоположников квантовой механики, не исследованы вопросы восприятия его идей научным сообществом. Из-за недостаточной изученности работ де Бройля, документов, касающихся его жизни и научной деятельности, в истории квантовой механики имеется ряд неточностей, белых пятен и даже мифов.

В современной зарубежной и отечественной литературе можно отметить недостаточное внимание к роли Л. де Бройля в развитии квантовой механики. Многие труды де Бройля не переведены с французского языка, даже на родине великого ученого не издано собрание его научных трудов. Научное наследие Л. де Бройля огромно, оно представляет большой интерес как для историков науки, так и для специалистов в разных областях физики. Де Бройлем написано много книг, касающихся истории и философии науки. Его многочисленные научные статьи еще ждут своего часа для подробного исследования. Усилиями Фонда Луи де Бройля, возглавляемого учеником де Бройля Ж. Лошаком, ведется работа по сохранению научного наследия великого физика. В рамках этого направления в России при поддержке Фонда Луи де Бройля в 2010;2013 гг. было осуществлено издание избранных научных трудов Л. де Бройля в трех томах на русском языке, в подготовке которого принимала участие автор диссертации.

Масштаб личности Луи де Бройля и его роль в развитии квантовой механики, с одной стороны, и недостаток внимания к его научному наследию, с другой стороны, дает основание говорить об актуальности данного исследования для истории квантовой механики.

Объектом исследования являются история возникновения и эволюция концепций квантовой механики в 20-е гг. XX в.

Предмет исследования — жизнь и научное творчество Луи де Бройля в первой трети XX века и его роль в становлении и развитии квантовой механики.

Целью настоящей работы является проведение исторической реконструкции идей и событий, явившихся истоками физической концепции де Бройля о корпускулярно-волновом дуализме материи, исследование роли Л. де Бройля в формировании и развитии квантовой механики, и в распространении нового научного знания.

Достижение поставленной цели автор видит в решении следующих задач:

• выполнить на базе первоисточников целостный историко-научный анализ трудов Л. де Бройля в период 1922—1927 гг.;

• выделить особенности личности, образования и мировоззрения ученого, которые оказали решающее воздействие на формирование его научных взглядов, позволили сформулировать и решить проблему дуализма материи;

• исследовать генезис концепции Л. де Бройля о корпускулярно-волновом дуализме материи, в котором были переплетены различные факторы, такие как гипотезы Планка о кванте действия и Эйнштейна о квантах светафранцузская научная мысль и научно-философские традиции, исследования рентгеновских лучей в лаборатории Мориса де Бройля;

• выполнить анализ диссертации де Бройля и показать ее историческое значение для развития работ А. Эйнштейна по квантовой статистике, Э. Шредингера — по установлению волновой механики, выявить роль диссертации в открытии дифракции электронов;

• рассмотреть основные этапы формирования «теории двойного решения» де Бройля, на основе которой он пытался выявить физический смысл сосуществования «корпускул» (частиц материи) и ассоциированных с их движением волн, показать ее место в истории квантовой механики;

• осветить деятельность JI. де Бройля на посту научного руководителя кафедры и семинара по теоретической физике в Институте Анри Пуанкаре;

• рассмотреть восприятие работ JI. де Бройля по волновой механике в СССР и их влияние на развитие квантовой механики в СССР.

Основные группы источников.

Основными первоисточниками исследования служили как оригинальные научные труды Луи де Бройля (в диссертации, впервые на русском языке, приведена полная библиография его работ), так и архивные документы Института Франции (архив Французской Академии наук, фонд Л. де Бройля: Archives de l’Academie des Sciences, 42J — Fonds Louis de Broglie). Существующую историко-научную литературу, на которую опирается данное исследование, можно разбить на три группы.

Первую группу источников составляет литература, посвященная рассмотрению личности де Бройля, его происхождения, семейного окружения, особенностей образования. К ней относятся воспоминания самого Л. де Бройля (L. de Broglie, 1962), его брата М. де Бройля (M. de Broglie, 1953) и сестры П. де Бройль (Comtesse J. de Pange, 1965). Биография де Бройля наиболее полно представлена в книге «Принц науки» (Ж.Лошак, 1992), особенности аристократической культуры на примере семьи де Бройлей исследованы в статье «Аристократическая культура и занятие наукой» (M.Nye, 1977). Личные впечатления от встреч с де Бройлем, интервью с де Бройлем и переписка де Бройля и Эйнштейна, состоявшаяся в 1952 г. по поводу интерпретации квантовой механики, рассмотрены в публикациях Б. Г. Кузнецова (1967, 1982, 1984).

Вторую группу источников представляют исследования, посвященные отдельным вопросам научной деятельности де Бройля. Среди отечественных авторов — известные исследования Л. С. Полака оптико-механической аналогии, использованной де Бройлем при открытии им корпускулярно-волнового дуализма. На достижения де Бройля в контексте развития квантовой механики указывается в сборниках работ отечественных историков науки, посвященных 50-летию квантовой механики (50 лет квантовой механики. Под ред. Л. С. Полака, 1979), 100-летию квантовой теории (100 лет квантовой теории, 2002), а так же в статьях зарубежных авторов, посвященных шестидесятилетию де Бройля (Louis de Broglie. Physicien et penseur, 1953), его девяностолетию (Quantum, space and time. The quest continues studies and essays in honour of Louis de Broglie, Paul Dirac, Eugene Wigner, 1982) и столетию со дня его рождения (Waves and particles in light and matter, 1994).

Третью группу составили многочисленные монографии и обзоры, посвященные истории квантовой механики как отечественных авторов (И.С. Алексеев, Н. Ф. Овчинников, А. А. Печенкин, 1984; Я. Г. Дорфман, 2011; М. А. Ельяшевич, 1977; О. В. Кузнецова, 1997; А. Б. Кожевников, 1997; В. П. Милантьев, 2009), так и зарубежных (М.Джеммер, 1985; А. Пайс, 2002; Э. Уиттекер, 2001; Ф. Хунд, 1980; Б. Витон (B.Wheaton), 1983; Д. Мехра (J.Mehra), 2001; Ж. Бакягалуппи и А. Валентини (G.Bacciagaluppi, A. Valentiny), 2009. Все они позволяют восстановить ход событий и их связь на пути утверждения корпускулярно-волнового дуализма, выявить в открытии Л. де Бройля предшествующие достижения в физике и показать его влияние на дальнейшее развитие квантовой механики. В зарубежной литературе известны исследования, в которых уделяется внимание отдельным вопросам, связанным с вкладом Л. де Бройля в развитие квантовой механики. В частности, обращается внимание на влияние, которое оказали на де Бройля работы Эйнштейна, а также анализируется реакция Шредингера на идеи де Бройля в статье В. Рамана и П. Формана (V.Raman, P. Forman, 1969). Диссертация де Бройля обсуждается в статье Э. МакКинона (E.MacKinnon, 1976). Вопросам происхождения волновой концепции де Бройля посвящены работы Б. Витона (B.Wheaton, 1983, 2006). В Архиве истории квантовой механики, созданном в 1962;1964 гг. в США группой, возглавляемой Т. Куном, описаны архивные материалы, касающиеся научной деятельности почти всех первооткрывателей квантовой механики. Интервью Л. де Бройля, которое он дал Куну, позволяет проследить этапы формирования волновой концепции. В еще одном интервью Л. де Бройля немецкому историку науки Ф. Кубли (F. Kubli), которое состоялось 29 ноября 1968 г. и опубликовано в «Анналах Фонда Луи де Бройля» (Annales de la Fondation Louis de Broglie, 1992), содержится ретроспективный взгляд де Бройля на историю возникновения волновой механики, который помогает реконструировать путь ученого к открытию.

Большое значение для распространения идей де Бройля в СССР имели статьи, опубликованные в ведущем физическом журнале «Успехи физических наук» (УФН), а также историко-научные заметки Б. Г. Кузнецова в журнале «Вопросы истории естествознания и техники» (ВИЕТ, 1982). На этапе формирования квантовой механики статьи в УФН Я. И. Френкеля (1924), И. Е. Тамма (1926), Н. Н. Андреева (1927), С. И. Вавилова (1930), посвященные отдельным аспектам достижений Л. де Бройля, определили активное восприятие и развитие волновой механики в СССР.

Методы работы включали историко-научный анализ трудов де Бройля и других ученых исследуемого периода, выявление основных факторов, определяющих научные исследования де Бройля, обработку архивных материалов, перевод оригинальных статей и документов на русский язык и их комментарии.

Теоретико-методологическую основу исследования составляет, в первую очередь, сочетание общенаучных методов и принципов исследования и, прежде всего, принципов научной объективности и историзма. Для решения поставленных задач были использованы специально-исторические принципы научного познания, к которым относятся хронологический, системный, комплексный анализ источников. Опираясь на принцип историко-научного анализа, была проведена реконструкция пути Л. де Бройля к открытию корпускулярно-волнового дуализма материи.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Роль Луи де Бройля в истории физики определяется теми концептуальными вопросами, возникшими в начальный период развития квантовой механики, в решении которых он принимал участие. Одной из самых значимых проблем при зарождении квантовой механики явилась концепция дуализма света. Статьи де Бройля 1922 г. стали развитием идеи квантов света, в них он впервые предложил рассматривать «световые атомы», как частицы с бесконечно малой массой, движущиеся со скоростями, зависящими от их частоты, очень близкими к скорости света. «Световые атомы» могут объединяться в молекулы и подобные объединения квантов света, движущихся не независимо, а когерентно, дают возможность корпускулярной интерпретации явления интерференции света. Но при этом оставался ряд явлений, которые можно было описать только с помощью волновых представлений о свете.

2. Если проблема дуализма света осознавалась многими учеными, после квантовой гипотезы Эйнштейна в период с 1905 г. по 1924 г. велись поиски теории, описывающей корпускулярно-волновой дуализм излучения, то проблемы корпускулярно-волнового дуализма вещества не существовало вплоть до того момента, пока ее не обозначил Л. де Бройль. Происхождение концепции дуализма материи связано непосредственно с попыткой решения проблемы дуализма света.

3. В 1923 г. Луи де Бройль открыл фундаментальный принцип корпускулярно-волнового дуализма материи, представив единую физическую концепцию, в основе которой лежали представления о симметрии между веществом и излучением. Де Бройль, приписав конечную массу фотонам (т0 <10″ 50 г.), ввел их в общую схему рассматриваемых частиц, и выдвинул гипотезу о том, что с движением частицы ассоциировано распространение некоторой волны. С помощью этой гипотезы он объяснил существование стационарных орбит в атоме Бора, явления интерференции и дифракции света, получил формулу Планка для плотности энергии. Экспериментальным подтверждением гипотезы де Бройля явилась дифракция электронов.

4. В представленной схеме генезиса волновой концепции Л. де Бройля проанализированы различные факторы. Среди них — гипотезы М. Планка (1900г.) и А. Эйнштейна (1905 г.), оптико-механическая аналогия, развитая У. Гамильтоном (1828 г.), экспериментальные исследования свойств рентгеновского излучения, французские научные и научно-философские традиции.

5. В докторской диссертации де Бройль развил свои ранние результаты, рассмотрел применения выдвинутых гипотез — фазовой волны, образование пакета фазовых волн и их распространение со скоростью, равной скорости микрочастицы, к решению проблем, связанных с поведением микрочастиц. Им была обоснована глубокая мысль о том, что новая механика, описывающая движение микрочастиц, относится к старой так, как волновая оптика к геометрической. Реализовать свою мысль о создании новой динамики микрочастиц де Бройль не пытался, его интересовали вопросы физической природы периодического процесса, связанного с движением материи. После изучения диссертации де Бройля Э. Шредингер приступил к поискам волнового уравнения, записал его для нерелятивистской частицы, обладающей массой, и вывел из него строгий метод решения квантовых задач.

6. Попыткой физической интерпретации корпускулярно-волнового дуализма явилась «теория двойного решения», работу над которой де Бройль начал одновременно с разработкой гипотезы о волнах материи. Его целью было получить слитный образ волны и частицы, который в волновой механике Шредингера принял смысл только волновой функции Ч1, без определения локализованных частиц. Введя нормировку волны Ч1, М. Борн придал ей смысл характеристики вероятностного распределения, которое приводит к большому числу точных предсказаний поведения микрочастиц. Разработка теории с представлением о микрочастице как об очень малом локализованном объекте, движущемся по траектории, велась де Бройлем с сохранением статистического смысла волны и привела его к образу частицы пилотируемой своей волной. Существовал ряд математических трудностей, и их осознавал сам де Бройль, которые не позволили ему создать математический аппарат для развиваемых представлений. По этой причине де Бройль оставил попытки развития своей интерпретации и присоединился к вероятностной интерпретации квантовой механики.

Научная новизна диссертации состоит в том, что впервые проведено комплексное изучение научного творчества Л. де Бройля в период с 1919 по 1930 гг. в тесной связи с развитием квантовой механики. Эта новизна конкретизируется в следующих положениях:

1) дана оценка научного мировоззрения де Бройля с учетом рационалистических идей, характерных для французской научной мысли конца XIX — начала XX веков. Показано, что открытие, сделанное де Бройлем в 1923 г., явилось качественным скачком в понимании процессов окружающего мира и в значительной степени связано с особым типом мышления и научным одиночеством Л. де Бройля. Выявлены интуитивные положения, используемые де Бройлем — о верхней границе массы фотона, о когерентном движении «атомов света», которые могут объединяться в молекулы, для развития квантовой гипотезы Эйнштейна. Эти положения де.

Бройля нашли свое подтверждение в дальнейшей эволюции физической мысли;

2) раскрыта роль дуализма света в происхождении и решении проблемы дуализма материи. Показано значение работ А. Эйнштейна по корпускулярной теории света, оказавших влияние на формирование де Бройлем концепции волновых свойств электрона. Комплексный анализ статей де Бройля и архивных источников позволил утверждать, что считавшиеся «истинным предшественником волновой механики» статьи М. Бриллюэна 1919—1920 гг. самим де Бройлем рассматривались как некая «туманная аналогия»;

3) выявлены основные факторы в генезисе открытия корпускулярно-волнового дуализма материи, среди которых наибольший вес имела оптико-механическая аналогия;

4) введен в научный оборот отзыв П. Ланжевена и Ж. Перрена на научную диссертацию JI. де Бройля, который развенчивает сложившееся в истории квантовой механики утверждение о том, что диссертация была принята только благодаря покровительству со стороны А. Эйнштейна;

5) установлен приоритет JI. де Бройля в получении релятивистского волнового уравнения для частиц с нулевым спином. Статья де Бройля, в которой содержится вывод этого уравнения, была направлена в журнал «Comptes Rendus de l’Academie des Sciences» 19 июля 1926 г., раньше, чем статья В. А. Фока «Об инвариантной форме волнового уравнения и уравнения движения для заряженной материальной точки"3 (30 июля 1926 г.) в «Zeitschrift fur Physik», и статей О. Клейна и Т. де Дондера с выводом этого уравнения.

6) впервые проведен анализ научно-педагогической деятельности J1. де Бройля, который позволил сделать вывод о существовании научной школы,.

5 Перевод статьи: Фок В. А. Об инвариантной форме волнового уравнения и уравнения движения для заряженной материальной точки// УФН. 2010. Т. 180. № 8. С.874−877. созданной им в Институте Анри Пуанкаре. Формой существования этой школы являлся научный семинар, известный далеко за пределами Франции;

7) впервые рассмотрен вопрос о восприятии идей де Бройля и Шредингера научным сообществом в СССР, и показана связь Л. де Бройля с отечественными физиками;

8) рассмотрена оригинальная интерпретация квантовой механики, предложенная Л. де Бройлем на пятом Сольвеевском конгрессе в 1927 г., которая представляет интерес для современного физического познания.

Практическая значимость работы.

Работа восполняет пробел, имеющийся в отечественной историографии, который связан с анализом и оценкой вклада Луи де Бройля в становление и развитие волновой механики и в целом в развитие квантовой механики. В диссертации содержится полная библиография научных работ Л. де Бройля на русском языке, которая может использоваться для дальнейших исследований. Впервые публикуется перевод на русский язык отзыва на диссертацию де Бройля, подписанный П. Ланжевеном и Ж.Перреном. Выполненные переводы доклада Л. де Бройля и материалов дискуссии на пятом Сольвеевском конгрессе позволяют полнее представить картину событий, происходивших на конгрессе в 1927 г., а также представляют определенный интерес для исследования вопросов интерпретации квантовой механики. Материалы диссертационной работы могут быть использованы при чтении курсов физики и истории науки в высших учебных заведениях, при составлении учебных и методических пособий, при написании историко-научных работ.

Теоретическое значение работы состоит в освещении первых этапов становления и развития квантовой механики, связанных с периодом научного творчества Л. де Бройля. В диссертационной работе исследовался один из концептуальных вопросов квантовой механики — происхождение и решение проблемы дуализма материи. Показан вклад Л. де Бройля в создание основ квантовой механики и его роль в распространении нового научного знания.

Материалы и результаты проведенного исследования были использованы в курсе лекций по физике в Московском государственном университете печати им. Ивана Фёдорова и используются в курсе лекций по физике в Московском автомобильно-дорожном государственном техническом университете (МАДИ).

Апробация результатов исследования. Основные положения и выводы диссертации отражены в 1 монографии, а также в 14 статьях, вышедших в различных журналах и сборниках, включая 10 публикаций в журналах, входящих в перечень изданий ВАК Минобрнауки РФ. Результаты диссертационного исследования обсуждены на заседаниях кафедры «Физика» Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ), а также на семинарах ИИЕТ РАН и «Метафизика» на физическом факультете МГУ. Материалы диссертационной работы докладывались на: международных конференциях по проблемам современной физики: Colloquium of Physics in collaboration with the Academy of Sciences of Russia and the Foundation Louis de Broglie «Magnetic monopoles and the foundations of modem physics» — «Магнитные монополи и основания современной физики» (Париж, 2010, 2011 гг.);

• международных конференциях «Физика в системе современного образования» (Волгоград, 2011 г.- Петрозаводск, 2013 г.);

• годичных научных конференциях Института истории естествознания и техники им. С. И. Вавилова РАН (2012, 2013 гг.).

Структура и объем диссертации

включает введение, семь глав, заключение, библиографический список и приложения. Объем диссертации составляет 354 страниц, 3 таблицы, 20 рисунков и 14 фотографий. Список цитированной литературы состоит из 333 наименований.

Заключение

.

Квантовая механика, которая явилась истоком всей современной квантовой физики, сама была лишь одним из витков спирали, увеличивающихся и поднимающихся вверх. Л. де Бройль, открытие которого относится к идейным основаниям квантовой механики, считал бесконечную спираль представлением непрерывного развития научной мысли. История развития квантовой механики показывает, что ее концептуальные основы выросли из более ранних представлений, а синтез противоположных точек зрения дал возможность объяснения новых образов, ввел новые понятия в физическую картину мира.

Путем исторической реконструкции, в диссертационном исследовании показано, что главным истоком научной концепции Л. де Бройля о волновых свойствах материи явилась проблема дуализма света. В многовековой истории противостояния двух точек зрения на природу света де Бройль увидел аналогию проявления также двойственности свойств вещества. Концепция дуализма света привела к созданию в 1927 г. квантовой электродинамики, а волновая концепция де Бройля инициировала создание волновой механики в 1926 г. Первые научные работы Л. де Бройля в физике, связанные с изучением атомного строения с помощью рентгеновского излучения, вели его к проблеме «квантов света». Принимая гипотезу квантов света Эйнштейна, Л. де Бройль получил известные результаты из теории излучения абсолютно черного тела — закон Вина, как частный случай закона Планка, химическую постоянную газов. В статье «Излучение абсолютно черного тела и кванты света» (1922 г.) он предложил рассматривать «световые атомы» в рамках динамики теории относительности со скоростями, зависящими от их энергии (частоты), но очень близкими к скорости с. Здесь де Бройль впервые говорит о малости массы т0 кванта света как о величине, выходящей за рамки эксперимента. Дальнейшее развитие квантовая гипотеза Эйнштейна получила в статье де Бройля «Об интерференции и теории квантов света» (1922 г.). В ней он выводит формулы флуктуации излучения абсолютно черного тела в состоянии термодинамического равновесия для различных случаев спектрального распределения в виде законов Релея-Джинса, Вина, Планка, а также получает формулу Эйнштейна среднеквадратичной флуктуации в виде суммы двух слагаемых. Одно из слагаемых содержит представление о свете как о волне, а другое — о квантах с энергией /?у. Преобразуя формулу Планка, де Бройль со приходит к выражению е —, которое соответствует формуле п= светового газа", образованного из молекул и атомов света. Де Бройль выдвигает предположение о том, что для объяснения интерференции надо рассматривать объединения световых атомов, движущихся не независимо, а когерентно. В этой статье де Бройля содержатся две важные идеи: перваяинтерференцию света можно объяснить с помощью квантов света, а втораякогерентное излучение является основой усиления света, которое впоследствии стало физическим принципом работы оптического квантового генератора.

Дальнейшие рассуждения де Бройля, основанные на фундаментальной аналогии между светом и веществом, привели его в 1923 г. к открытию корпускулярно-волнового дуализма материи, в котором как частный случай содержалась теория корпускулярно-волнового дуализма света. Всесторонний анализ генезиса открытия корпускулярно-волнового дуализма позволил выявить, что, среди различных факторов, наибольший вес имела оптико-механическая аналогия У.Гамильтона. Адекватной формулировкой принципа соответствия служила выдвинутая де Бройлем оптико-механическая аналогия, которая своими корнями уходит в XVII в. к вариационным принципам в оптике — Ферма и в механике — Мопертюи. Де.

Бройль показал, что луч света, заданный волновым вектором к и частотой со, описывает ту же траекторию, что и материальная точка, обладающая пропорциональными им импульсом и энергией: р = Ш, Е = Ьсо. Дальнейшее развитие этой идеи предпринял Шредингер при построении волновой механики. Следуя логике оптико-механической аналогии, он записал нерелятивистское волновое уравнение для массовой частицы. Развивая подход Шредингера, де Бройль независимо с многими учеными в статье «Замечания по новой волновой механике» опубликовал релятивистское волновое уравнение для бесспиновой частицы (известное как уравнение Клейна-Фока-Гордона). В ходе исследования выявлен приоритет де Бройля в получении этого уравнения.

Проведенное исследование позволило утверждать, что революционной идеей в теоретическом построении волновой механики де Бройля явилась идея фазовой волны, которая впервые была применена им в 1923 г. в статье «Волны и кванты» для объяснения устойчивости траекторий электронов при движении по круговым орбитам в атоме Бора. Фазовые волны появились как результат релятивистской инвариантности уравнения, впервые записанного де Бройлем: Тгсоо = пг^с2. Де Бройль выдвинул гипотезу, значение которой можно рассматривать наравне с гипотезами Планка о кванте действия и Эйнштейна о квантах света. Она стала ядром развития волновой механики, в которой предположение де Бройля о том, что движение любой микрочастицы ассоциируется с распространением нематериальной (в том смысле, что она не переносит энергию) фазовой волны, распространяющейся со скоростью, большей скорости света с, трансформировалась в представление микрочастицы волной.

В диссертационном исследовании выявлены основные идеи волновой концепции де Бройля, впервые изложенные в трех статьях, опубликованных в 1923 г. в «Докладах Французской академии наук». Историко-научный анализ первоисточников и документов, связанных с творчеством Л. де.

Бройля, позволил установить, что утверждение М. Джеммера о том, что «истинным предшественником волновой механики"8 являлся М. Бриллюэн, основанное на материалах американского архива истории квантовой механики, является не совсем верным. Об идее М. Бриллюэна, высказанной в 1919 г., в которой движение частицы в упругой среде вызывает образование упругих волн, J1. де Бройль в интервью Ф. Кубли (1968 г.) говорил не как о предшественнике, а как о некой «туманной аналогии"9. Несмотря на то, что представление о «фиктивных волнах», ассоциированных с движением материальных частиц, существование которых постулировал Л. де Бройль, в дальнейшем претерпело изменение при построении волновой механики Э. Шредингера, на начальном этапе оно имело большую эвристическую ценность. Волновая механика Шредингера явилась развитием идей де Бройля. Главная — это идея создания новой механики, описывающей движение микрочастиц, исходя из оптико-механической аналогии. Из нее следовало, что новая механика должна соотноситься с прежней механикой Ньютона так же, как волновая оптика с геометрической. Эта идея высказывалась де Бройлем неоднократно в статьях 1923 г., а в, более развернутом виде, в его диссертации (1924 г.). Значение полученных де Бройлем результатов было высоко оценено членами комиссии, перед которыми он защищал диссертацию. Опубликованный отзыв П. Ланжевена и Ж. Перрена позволил развеять миф, закрепившийся в истории квантовой механики о том, что, никто во Франции не понял его идей и, если бы не одобрение Эйнштейна, диссертация не была бы защищена. Сравнительный анализ писем Эйнштейна, написанных в один день П. Ланжевену и Х. Лоренцу, содержащих положительную оценку полученных в диссертации результатов, и отзыва, подписанного Ланжевеном и Перреном, позволяет говорить об обратном. Диссертации де Бройля была дана высокая оценка.

8 Джеммер М. Эволюция понятий квантовой механики. М., 1985. С. 237.

9 Kubli F. Un entretien Louis de Broglie// Annales de la Fondation Louis de Broglie. 1992.

V.17. N. 2. P. l 11−134. французскими учеными, но дальнейшее развитие ее результаты получили за пределами Франции.

Выполненный комплексный анализ диссертации де Бройля показал, что он развил стройную теорию, решая историко-научную проблему о двойственной природе света, и значение ее не ограничивается выведенной формулой длины волны в нерелятивистском приближении, которая вошла во все учебники физики. Приняв в качестве гипотезы существование некоего периодического процесса внутри частицы, обладающей энергией, он вывел характеристики этих распространяющихся в пространстве колебанийчастоту, фазу, равенство групповой скорости образующегося пакета и скорости самой микрочастицы. Впервые де Бройль предложил рассматривать вместо молекул газа распространение волн, находящихся в резонансе с размерами сосуда, в котором заключен газ. На год раньше, чем Ш. Бозе, де Бройль с помощью фазовых волн нашел выражение для числа стационарных волн, содержащихся в единице объема такого квантового газа в интервале частот. Способ подсчета частиц с тождественной структурой, впервые примененный де Бройлем в диссертации (глава «Статистическая механика и кванты»), через два года станет основой квантовой статистики Бозе-Эйнштейна.

Установлено значение диссертации Л. де Бройля для истории квантовой механики: она послужила развитию работ А. Эйнштейна по установлению квантовой статистики, развитию волновой механики Шредингера, а результатом уточнения смысла волновой функции явилось ее вероятностное толкование М.Борном. Диссертация также способствовала экспериментальному открытию явления дифракции электронов, и послужила толчком к развитию новых направлений анализа атомной структуры вещества и изобретению электронного микроскопа. Представление о корпускулярно-волновом дуализме лежит в основе принципа неопределенности В. Гейзенберга, а также использовано Н. Бором для формулировки принципа дополнительности, которые вместе с вероятностной трактовкой волновой функции создали базу для физического истолкования квантовой механики и ее математического аппарата.

Для развития своей волновой концепции де Бройль предположил, что кванты света являются релятивистскими частицами, имеющими бесконечно малую массу покоя. Он впервые сделал оценки верхней границы для массы фотона mQ < 10 ~50 г. в статье «Волны и кванты"10, в диссертации де Бройля эта граница составляет < Ю ~44 г. Современные возможности экспериментальной техники дают оценки нижней границы массы фотона ту <10~54г.п Наиболее важные экспериментальные методы оценок верхней границы массы фотона даны в статье12.

В диссертационном исследовании показано, что «теорию двойного решения», предложенную де Бройлем в 1927 г., следует рассматривать как поиск физического смысла математического формализма новой квантовой механики. Для де Бройля последующая эволюция его представлений о фазовой волне до^{-функции,} отвечающей за поведение микрочастиц в квантовой механике, вызывала закономерный вопрос о сосуществовании классических понятий волна-частица. Фазовая волна, ассоциированная с движением частицы, стала рассматриваться в квантовой механике как волна вероятности, а первоначальные идеи де Бройля о траекториях частиц вдоль лучей фазовых волн не получили своего развития. Де Бройль приветствовал работы Шредингера, применил его подход, получив релятивистское волновое уравнение для бесспиновой частицы. Но вместе с тем де Бройль был не согласен с представлением только волны? без рассмотрения частицы, связанной с этой волной. Для того чтобы получить ясную картину дуализма в рамках пространства и времени, де Бройль попытался встроить.

10 Бройль JL, де. Волны и кванты / Бройль JL, де. Избранные научные труды. T.l. М., 2010. С. 194.

11 Окунь Л. Б. Азы физики. Очень краткий путеводитель. М., 2012. С. 6.

12 Luo J. et al. New experimental limit of the photon rest mass with rotating torsion balance// Phys. Rev. Letters. 2003. V.90. P.81 801−4. частицу в волну. В «теории двойного решения» он рассматривает решение волнового уравнения Клейна-Гордона в виде волны, у которой амплитуда имеет особенность в одном из направлений распространения, но построить законченный математический аппарат ему не удалось. Для многих физических величин, связанных с частицей, получались бесконечные значения, от которых трудно было избавиться в рамках развиваемой линейной теории.

Анализ материалов Пятого Сольвеевского конгресса (1927 г.) и писем В. Паули к де Бройлю, хранящихся в Архиве в Институте Франции, позволяет утверждать вопреки закрепившемуся в историко-научной литературе мнению, что доклад де Бройля с сокращенным вариантом «теории двойного решения» (теория волны-пилота) вызвал интерес и многочисленные обсуждения. Из 37 страниц стенограммы общей дискуссии на конгрессе на 18-ти содержится обсуждение доклада J1. де Бройля13. Изучение научной деятельности JI. де Бройля, связанной с развитием «теории двойного решения» после 1951 г. выходит за рамки настоящего исследования и представляет специальный интерес для истории науки. Перспективным развитием данного исследования представляется изучение вопросов возвращения Л. де Бройля к теме поиска уравнения, описывающего распространение волны с особенностью, и участие в этом В.Паули. Проблемы интерпретации квантовой механики в последние десятилетия приобрели актуальность в связи с обсуждением концептуальных вопросов, которые были поставлены еще при создании квантовой механики. Де Бройль в своих книгах и статьях неоднократно обсуждал вопрос об изменении классических понятий пространства и времени, применяемых к описанию атомных явлений. По его представлениям, привычные в макромире пространство и время должны стать асимптотическим переходом.

13 Bacciagaluppi G., Valentiny A. Quantum theory at the crossroads. Reconsidering the 1927 Solvay conference. Cambridge, 2009. P.450−469. замененных других понятий в микромире при переходе от элементарных процессов к наблюдаемым явлениям обычного масштаба. Вклад J1. де Бройля в развитие этого направления заслуживает дальнейшего исследования.

Перечень использованных сокращений.

С. R. — «Comptes Rendus de l’Academie des Sciences» (еженедельные доклады Французской академии наук) УФН — Успехи физических наук ИАП — Институт Анри Пуанкаре, г. Париж ИФ — Институт Франции (Institut de France) Х-лучи — рентгеновское излучение.