В. Мантуров

Был ли шанс у де Бройля проникнуть в тайны электронной волны ?

Было время, когда еще не существовало квантовой (волновой) механики. А квантовая физика уже развивалась, набиралась сил.

Экскурс в историю. В 1900 году Макс Планк догадался ввести в обиход квант действия h, названный в его честь постоянной Планка.

Но был уже известен и фотоэффект с его странными закономерностями. И в 1905 году эти странности были объяснены А. Эйнштейном. Он первым воспользовался открытием Планка и показал, что для этого свет о б я з а н обладать корпускулярностью, причем и в процессе распространения. Если когда-то великий Ньютон был только склонен к взгляду, согласно которому свет подобен корпускулам-частицам, то Эйнштейн довел этот взгляд до логического обоснования. При этом Эйнштейн не отрицал и волновых свойств света.

В 1913 году Нильс Бор на основе достижений спектроскопии догадался о квантованности законов, благодаря которым атом водорода обладает фундаментальной устойчивостью, а орбиты его электрона - удивительной стационарностью. Он понял, что излучение и поглощение квантов света происходит только при перескоках электрона с орбиты на орбиту. В отличие от Планка, теория которого была принята практически сразу же, постулаты Бора были приняты “в штыки”. Физикам казалось, что постулат о стационарности орбит противоречит законам электродинамики. Логика классики была на их стороне: электрон движется по орбите, следовательно, он движется с ускорением, а ускорение приводит к излучению и растрате всей своей энергии. А отсюда, практически немедленно электрон должен упасть на ядро атома. На самом же деле этого не только не происходит, но, более того, все в природе подтверждает тот факт, что атом водорода “наперекор” электродинамике с т а б и л е н, необыкновенно неограниченно стабилен. Только ссылкой на это и удавалось Н. Бору отбиваться от наскоков оппонентов. Прав, как оказалось, был Бор. Но теперь это история, и весьма поучительная.

В 1923 году А.Комптон и независимо от него П.Дебай объяснили экспериментально обнаруженное рассеяние рентгеновских фотонов при столкновении со свободными электронами. Речь уже пошла о столкновении, для этого фотон должен быть корпускулой, а не плоской волной. И факты, подтверждающие корпускулярность света, стали множиться.

Таким образом, борьба между сторонниками корпускулярной природы света и волновой, чуть не завершившаяся полным “отрешением” корпускулярной теории, вновь приобрела актуальность. Но завершилась миром. Стало понятно, что свет сочетает в себе и волновые, и корпускулярные свойства одновременно.

*****

Волны де Бройля. В 1923 году Луи де Бройль выдвинул свою гипотезу о том, что если свет - и волна, и корпускула, то почему бы Природе не быть столь же симметричной и в отношении материальных тел. Каждому корпускулярному телу теоретически можно сопоставить плоскую монохроматическую волну. В результате им была выведена формула, по которой длина этой (дебройлевской - так ее назвали в его честь) волны тем меньше, чем больше масса и скорость тела.

Собственно, де Бройль предложил эту теорию как, наконец, найденное им обоснование стабильности атома водорода и стационарности орбит его электрона. В самом деле, если дебройлевские волны укладываются на орбите целое число раз, то они образуют стоячие волны, как и при ударе по струне. А стоячие волны обладают отменной стабильностью. Именно эта аналогия с механикой волн и послужила основой для его гипотезы.

Отметим, что это формальная, по-преимуществу математическая характеристика дебройлевских волн: уложиться на орбите целое число раз. Физический смысл сводится только к аналогии со стоячими волнами.

Вот примерно и все, что было известно до сих пор.

А вот проникнуть в их суть настолько, чтобы ответить на вопросы, что они такое, какой формы, как взаимодействуют с электроном и атомом, как в атоме компонуются и т.д., не удалось, к сожалению, ни их первооткрывателю де Бройлю за всю его долгую жизнь, и никому другому.

*****

Почему же так долго (три четверти века) не могли проникнуть в эти тайны? Вопрос не так прост. Произошло то, из-за чего де Бройль свое же открытие назвал “наиболее драматическим событием современной микрофизики”. Наверное отчасти, дело в том, что, едва появившись на свет, дебройлевские волны “попали не в те руки”. Их “прибрал” к рукам Шредингер, чтобы заставить работать в качестве вероятностных волн. В итоге в атоме не стало ни электронов, ни их орбит, на которых по де Бройлю электронные волны укладывались бы целое число раз. Как говорится, начали за здравие, а кончили за упокой. Так и не удалось де Бройлю изменить судьбу своих волн. Такая вот драма идеи и ее автора.

*****

А теперь давайте пофантазируем. Допустим, что в то время не появились ни Шредингер, ни Гейзенберг со своими альтернативными теориями. Вычеркнем их пока из памяти. И, чтобы не следить за хронологией и последовательностью дальнейшего развития физики, мы “сожмем” весь этот период от 1926 года по нынешнее время. И представим, что де Бройлю удалось-таки проникнуть в эти тайны и показать, что электронные волны могут выполнять и роль “пилотов”, и роль “лоцманов”.

Какие идеи могли бы подвигнуть де Бройля к такому поиску? Скорее всего, та же интуиция и догадка. Какие у него были основания заявить, что частицы обладают и волновыми свойствами? Только догадка и интуиция. Так и в нашем, фантастическом ходе мышления.

Прежде всего, необходимо было интуитивно утвердиться в мысли, что между движущейся частицей, а более конкретно, между движущимся электроном и каким-то полем волны, о непременном существовании которой он догадался, существует какая-то “жесткая” связь. “... нужно связать движение частицы с распространением волны таким образом, - писал де Бройль [1, стр. 11], - чтобы эта связь всегда автоматически была выполнена”. Какая связь? Никто об этом не знал. А эта связь уже содержалась в электродинамике. Оставалось только догадаться об этом и как-то ее оттуда “извлечь”. Но свою гипотезу де Бройль распространил на все материальные тела. Философский соблазн?

На самом же деле эта связь имеет место только между скоростью электрона (позитрона) и векторным потенциалом электромагнитного поля волны, о которой и идет речь. Поэтому, эта волна не какая-нибудь нейтрально-материальная, типа звуковой и пр., а э л е к т р о м а г н и т- н а я. Сейчас нет никаких оснований напрочь отрицать возможность существования подобной связи и в более общем случае, т.е., как по де Бройлю. Пока же удалось установить только частный случай: векторный потенциал и скорость электрона (позитрона) связаны однозначной пропорциональной зависимостью:

,

где m, e, v - масса, заряд и скорость электрона, с - скорость света.

Эта связь о с н о в о п о л а г а ю щ а я. Об этом надо было не просто догадаться, но утвердиться в этой догадке. Ничто не располагало к такому повороту в мировоззрениях. Дело в том, что векторный потенциал и до сих пор физиками признается не более, чем удобный математический символ, не имеющий физического смысла.

*****

Далее. А где пространственно или геометрически искать эту однозначную связь? И снова только догадка: это может происходить в точках соприкосновения электрона и его электронной волны. Но если точки соприкосновения должны быть и на электроне, то он должен для этого обладать определенными формой и размером. А какой должна быть волна?

Требуется, следовательно, еще целый ряд догадок.

(1)

Интуиция и в этом случае пригодилась. Можно утверждать теперь, что только при таком исходном условии найденная связь однозначна, а следствия, вытекающие отсюда, не только не противоречат уже известным соотношениям и фактам, но открывают новые возможности для постижения “застарелых” тайн Природы.