Двадцатый век. Рождение квантовой физики

Макс Планк, произнесший слово «квант», проявил осторожность: это только рабочая гипотеза. Однако прошло не так много времени, и в 1905 году Эйнштейн с завидной смелостью заявил: квант — это реальность! Но становление квантовой механики не было спокойно триумфальным. С самого рождения квант оказался капризным младенцем. Введенный Планком в расчет в качестве кванта энергии, он появился в окончательной формуле в виде кванта действия – величины, являющейся произведением энергии на время. Причина этой трансформации оставалась неясной. Постепенно Планк, а вслед за ним и другие ученые примирились с дискретностью энергии, но дискретность механического действия долго оставалась непостижимой.

Шли первые годы нашего столетия. Безвестный, с трудом получивший место эксперта патентного ведомства начинающий физик Альберт Эйнштейн упорно размышлял над тайнами фотоэффекта. Столетов и Герц, русский и немецкий физики, подробно изучили к этому времени, как свет выбивает электроны из поверхности твердых тел. Были установлены все подробности этого явления, названного фотоэффектом. Но никто не мог понять, почему энергия вылетающих электронов не зависит от яркости падающих лучей, а определяется только их цветом. Никто не мог объяснить и существования красной границы фотоэффекта – того удивительного факта, что для каждого вещества в спектре солнечного света существует своя индивидуальная граница. Лучи, лежащие в красную сторону от границы, никогда не вызывают фотоэффекта, а лежащие в фиолетовую сторону от нее – легко выбивают электроны из поверхности вещества.

Загадку решил Эйнштейн. Он пришел к выводу, что квантовая теория Планка, созданная только для объяснения механизма обмена тепловой энергией между электромагнитным полем и веществом, должна быть существенно расширена. Он установил, что энергия электромагнитного поля, в том числе и световых волн, всегда существует в виде определенных порций – квантов (фотонов).Так Эйнштейн извлек квант из его колыбели и продемонстрировал людям его поразительные возможности. Представление о кванте света (фотоне) как об объективной реальности, существующей в пространстве между источником и приемником, а не о формальной величине, появляющейся только при описании процесса обмена энергией, сразу позволило ему создать стройную теорию фотоэффекта. Это подвело фундамент и под зыбкую в то время формулу Планка. Сам Эйнштейн не придавал трагического значения этому противоречию. Наоборот, он считал его естественным, отражающим сложный, многогранный характер природы света. Он считал, что в этом проявляется реальная двойственная сущность света и что это лежит в природе вещей. А постоянная Планка играет существенную роль в объединении волновой и квантовой картины. Она иллюстрирует собой союз волн и частиц.

В 1905 году двадцатилетний студент Копенгагенского университета Нильс Бор еще учился на втором курсе. Эрвин Шредингер слушал в университете Вены лекции на первом курсе. Луи де Бройль посещал гимназию в Париже. Вернер Гейзенберг в Мюнхене играл со сверстниками в крестики-нолики, а Льва Ландау еще не было на свете. У квантовой физики все было впереди. Охватывая шаг за шагом весь видимый мир, квантовая физика ветвилась и ветвится на множество, хоть и связанных, но раздельных дисциплин. От квантовой теории полей (ровесницы самой квантовой механики) до квантовой теории процессов сознания (новейшего увлечения отважных теоретиков). И у каждой ветви раскидистого древа — своя история роста. Вот мощная ветвь квантового познания микромира: изучение элементарных частиц.

Год 1932-й, условно признанный замыкающим эпоху бури и натиска, был назван физиками «годом чудес». Он удостоился этой чести, прежде всего потому, что к трем уже известным элементарным частицам — электрону, протону, фотону — в том году прибавились сразу две новые: Джеймсу Чэдвику открылся предсказанный Резерфордом нейтрон — первая атомная частица без электрического заряда, а Карлу Андерсону открылся предсказанный Дираком позитрон — первая античастица, во всем копирующая электрон, но заряженная положительно. Пять частиц — весь улов трех с половиной десятилетий. А еще через три десятилетия с лишним «Физический словарь» смог сообщить: «К 1965 г. общее число элементарных частиц заметно превысило 100»! В научной публицистике появился образ рога изобилия, из которого посыпались «первоосновы материи». Так стали говорить об этом сами физики, с изумлением оглядывая свое нарастающее богатство: никогда прежде они на него не рассчитывали... Сначала — два, затем — четыре, а потом и шесть сортов нейтрино. Два мю-мезона. Три пи-мезона. Четыре К-мезона. Семья нуклонов и целые выводки частиц тяжелее ядерных — дельта - резонансов, Лямбда-гипероны, сигма-гипероны, кси-гипероны. А там и сообщества еще более тяжелых частиц — ипсилон и пси. Разные массы. Разные времена жизни. Разные наборы квантовых характеристик—таких, как издавна знакомый спин и неведомые раньше: странные, очарованные и  прелестные. Разные роли в основных физических взаимодействиях. А потом еще нежданные - негаданные кварки с дробными электрическими зарядами. И вот в 1978 году энциклопедический том уже оповещает, что число элементарных частиц перевалило за 350!

Открытие каждой новой частицы — это научный подвиг, сперва — теоретический, потом— экспериментальный. (Хотя заведомо ясно, что не каждая из них — истинно элементарна, а часто лишь представляется элементарной до поры до времени.) Вспоминается одно из таких открытий. Оно было сделано весной 1960 года нашими физиками в Дубне. Они показали существование антисигма-минус-гиперона, предсказанного в 50-х годах. Он, этот гиперон, как и все его собратья, нестабилен: время его жизни — от рождения до распада — десятимиллиардные доли секунды (10^-10). Однако, пронизывая камеру-детектор с околосветовой скоростью, он успевает оставить за собою заметный след. И физики умудряются этот след сфотографировать вместе со следами тех частиц, в которые он превращается, распадаясь. А в камере происходят одновременно десятки других микрособытий. Они тоже регистрируются фотопленкой, маскируя искомый редчайший след. Компьютеры тогда еще не помогали физикам в таких исканиях. Дубенским экспериментаторам пришлось самим обследовать 40 000 кадров научной киносъемки, пока на одном из них они не обнаружили желанного гостя и не убедились после кропотливых обсчетов, что их действительно посетил антисигма-минус-гиперон. А когда через три года американские физики искали предсказанный теоретиками Гелл-Манном и Нееманом омега-минус-гиперон, им пришлось изучить следы на 100 000 кинокадрах! В 20-х годах у Резерфорда в Кавендишской лаборатории работало три десятка сотрудников. Тогда же Бор начинал работу в своем копенгагенском институте со штатом в семь человек. У Эйнштейна только в конце 20-х годов появилась секретарша... А участников всего, что свершила квантовая физика потом, и всего, что создает она сегодня, уже не сотни, а легион.

Глубины природы, очевидно, бездонны. Придет время, возможно, оно уже близко, когда и квантовая механика, как в недавнем прошлом классическая, дойдет до границ своей применимости. Для этого нужно, чтобы исследование микромира углубилось до прежде неведомого уровня физической реальности и проникло в него. Кажется, физики уже слышат, что «снизу стучат»... Во всяком случае, они прислушиваются...

Валериан Чупин

Источник информации: Чайковские.Новости

Комментарии (7)

12 медалей у чайковских профессионалов

Чайковский индустриальный колледж принял участие в региональном этапе чемпионата по профмастерству «Профессионалы Пермского края – 2024»

Пт 29 марта 2024, 12:26

Комментариев: 0

Пермский край отправил оборудование для проведения ЕГЭ в Северодонецк

Техника поможет сдать выпускные экзамены 300 ребятам

Чт 04 апреля 2024, 16:10

Комментариев: 0

В Перми подготовили проект первого памятника участникам СВО

Автором памятника стал пермский скульптор Алексей Залазаев

Чт 28 марта 2024, 09:32

Комментариев: 0

Чайковские пожарные достойно представили Пермский край

Команда Пермского края заняла 3 место на соревнованиях за звание лучшей команды МЧС России по проведению аварийно-спасательных работ при ликвидации последствий аварий на автомобильном транспорте

Вс 14 апреля 2024, 11:10

Комментариев: 0

В Чайковском провели муниципальный шашечный турнир среди дошкольников

Двадцать дошколят собрались 3 апреля в детском саду № 34 «Лукоморье», чтобы сразиться в интеллектуальных партиях

Пт 05 апреля 2024, 09:17

Комментариев: 0

Герои навечно останутся в сердцах

В школе № 4 в память о военнослужащих Денисе Шанине и Владиславе Соломенникове открыли мемориальные доски

Ср 10 апреля 2024, 10:13

Комментариев: 0

Чайковская детская школа искусств № 1 приглашает

29 марта в 15:00 в концертном зале ДШИ № 1 состоится «Весенний концерт» (6+) в рамках I-го регионального конкурса музыкального исполнительства «Чайковская весна» (6+)

Чт 28 марта 2024, 12:33

Комментариев: 0

Чайковский биатлонист стал чемпионом России

Биатлонист Иван Колотов, представляющий сборную Пермского края, стал победителем гонки преследования на чемпионате России – 2024 по биатлону

Ср 27 марта 2024, 12:40

Комментариев: 1

ЛЕНТА НОВОСТЕЙ