Один из основоположников квантовой механики (Окончание) - Статьи об истории

Ланжевен сообщил о работе де Бройля на Сольвеевском конгрессе в апреле 1924 года. По его предложению копия диссертации была послана Альберту Эйнштейну. Реакция последнего в письме Ланжевену была ободряющей: «Он приподнял угол великого». В письме к Борну об этой работе де Бройля Эйнштейн писал: «Прочтите её! Хотя и кажется, что её писал сумасшедший, написана она солидно».

Интерес к этой работе Эйнштейна, который использовал её при обосновании своих соображений по квантовой статистике, привлёк внимание ведущих физиков к гипотезе де Бройля, однако мало кто в то время воспринимал её всерьёз. Следующий шаг был сделан Эрвином Шрёдингером, который, отталкиваясь от идей французского физика, в начале 1926 года разработал математический формализм волновой механики. Успехи теории Шрёдингера и экспериментальное открытие дифракции электронов привели к широкому признанию заслуг Луи де Бройля, свидетельством чего стало присуждение ему Нобелевской премии по физике за 1929 год с формулировкой «за открытие волновой природы электрона».

Представляя лауреата на церемонии награждения, член Шведской королевской академии наук К.В.Озеен заметил: "Исходя из предположения о том, что свет есть одновременно и волновое движение, и поток корпускул (частиц), 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".

В свою очередь, в нобелевском докладе де Бройль сказал, что его интерес к теоретической физике пробудил тот факт, «что структура материи и структура излучений становились всё таинственней, по мере того как физику всё более и более завоевывало странное понятие «квант», введённое Планком в 1900 году при исследовании чёрного излучения». Движущей причиной научно-исследовательской работы служит, по его мнению, также и та «святая любознательность», которую Эйнштейн рассматривал как первоисточник всех естественнонаучных и технических достижений. Луи де Бройль считал справедливым требование, предъявляемое к естествоиспытателю Шрёдингером: он должен «быть способным удивляться и быть помешанным на догадках».

Благодаря де Бройлю, в физику вошло принципиально новое представление о двуединой корпускулярно-волновой природе материи. Появился даже новый термин "волночастица", призванный подчеркнуть эту двуединость.

О том, насколько революционизирующе подействовало на старшее поколение физиков представление о волнах материи, свидетельствует речь, с которой в 1938 году выступил М. Планк на чествовании Луи де Бройля. Планк говорил: «Ещё в 1924 году г-н Луи де Бройль изложил свои новые идеи об аналогии между движущейся материальной частицей определенной энергии и волной определенной частоты. Тогда эти идеи были настолько новы, что никто не хотел верить в их правильность, и я сам познакомился с ними только три года спустя, прослушав доклад, прочитанный профессором Крамерсом в Лейдене перед аудиторией физиков, среди которых был и наш выдающийся учёный Лоренц… Смелость этой идеи была так велика, что я сам, сказать по справедливости, только покачал головой, и я очень хорошо помню, как г-н Лоренц доверительно сказал мне тогда: «Эти молодые люди считают, что отбрасывать в сторону старые понятия в физике чрезвычайно легко!» Речь шла при этом о волнах Бройля, о соотношении неопределенностей Гейзенберга – всё это для нас, стариков, было чем-то очень трудным для понимания. И вот развитие неизбежно оставило позади эти сомнения. Осенью того же 1927 года я лично познакомился с г-ном де Бройлем на 5-м Сольвеевском конгрессе в Брюсселе и был восхищен его скромностью и образованностью».

В 1926 году де Бройль стал лектором по физике Парижского университета, а через два года был назначен профессором теоретической физики Института Анри Пуанкаре при том же университете.

Бройль предложил оригинальную интерпретацию квантовой механики (теория волны-пилота, теория двойного решения). После появления в начале 1926 года работ Шрёдингера по волновой механике проблема интерпретации новой теории стала особенно острой. К концу 1927 года была в общих чертах сформулирована так называемая копенгагенская интерпретация, основой которой стали борновская вероятностная трактовка волновой функции, соотношения неопределённостей Гейзенберга и принцип дополнительности Бора.

Луи де Бройль, независимо развивая свои идеи о волнах, связанных с частицами, пришёл к иной интерпретации, которая получила название теории двойного решения. В целом работа де Бройля не привлекла большого внимания научного сообщества. Копенгагенская школа считала невозможным разрешить фундаментальные трудности путём возврата к детерминизму классической механики. Тем не менее, Вольфганг Паули высоко оценил оригинальность идей французского учёного. Так, в письме Нильсу Бору от 6 августа 1927 года он писал: «…даже если эта статья де Бройля бьёт мимо цели (и я надеюсь, что это действительно так), она всё же очень богата идеями, очень чёткая и написана на гораздо более высоком уровне, чем ребяческие статьи Шрёдингера, который даже сегодня всё ещё думает, что может… упразднить материальные точки».

Де Бройлю не удалось убедить коллег в справедливости своих представлений и во время пятого Сольвеевского конгресса (октябрь 1927 года), где он сделал доклад.

Де Бройль продолжил свои исследования природы электронов и фотонов. Вместе с Эйнштейном и Шрёдингером он в течение многих лет пытался найти такую формулировку квантовой механики, которая подчинялась бы обычным причинно-следственным законам. Однако усилия этих выдающихся учёных не увенчались успехом, а экспериментально было доказано, что такие теории неверны.

В квантовой механике возобладала статистическая интерпретация, основанная на работах Нильса Бора, Макса Борна и Вернера Гейзенберга. Эту концепцию часто называют копенгагенской интерпретацией в честь Бора, который разрабатывал её в Копенгагене. Броль оказался в тупике и в результате тяжёлой внутренней борьбы перешёл к точке зрения своих оппонентов. В течение многих лет учёный в своих лекциях и сочинениях придерживался стандартной копенгагенской интерпретации.

Новый повод для пересмотра взглядов возник в 1951 году с появлением работ американского физика Дэвида Бома, содержавших новую попытку построения квантовой теории со «скрытыми параметрами». Теория Бома по существу воспроизводит идеи теории волны-пилота в несколько иной формулировке (так, уравнение динамики частицы записано на языке не скорости, а ускорения, так что в ньютоновское уравнение вводится соответствующий «квантовый потенциал»). Бому удалось продвинуться гораздо дальше де Бройля в обосновании этих взглядов, в частности построить теорию измерений. Теория волны-пилота, которую с тех пор часто называют теорией де Бройля — Бома, по-видимому, позволяет непротиворечиво получать все результаты стандартной нерелятивистской квантовой механики.

В 1933 г. Бройль был избран членом Французской академии наук, а в 1942 г. стал ее постоянным секретарем (его предшественником был математик Эмиль Пикар). В следующем году он основал Центр исследований по прикладной математике при Институте Анри Пуанкаре для укрепления связей между физикой и прикладной математикой. В 1945 г., после окончания второй мировой войны, де Бройль и его брат Морис были назначены советниками при французской Высшей комиссии по атомной энергии.

Луи де Бройль никогда не был женат, редко выезжал за границу. После смерти матери в 1928 году большой семейный дворец в Париже был продан, и Луи обосновался в небольшом доме в местечке Нельи, в пригороде Парижа, находящемся в восьми – десяти километрах от Академии наук и Института Анри Пуанкаре, где он работал. Всю свою жизнь он прожил один, и, похоже, не тяготился своим одиночеством. Его биографические работы о физиках написаны простым и ясным языком и явились основанием для избрания де Бройля почётным президентом Французской ассоциации писателей-учёных.

До конца своих дней Луи де Бройль не переставал заниматься наукой. На работу де Бройль систематически ходил пешком: машины у него не было, а городским транспортом он не пользовался. Некоторые его знакомые объясняли этими прогулками здоровье и долголетие учёного. Он никогда не ездил отдыхать и каждое лето проводил в Париже.

В 1960 году, после смерти Мориса, не имевшего детей, Луи де Бройль унаследовал герцогский титул. Как свидетельствует Абрагам, де Бройль был человеком застенчивым, никогда не повышал голос и был со всеми вежлив. Он был неразговорчив, однако из-под его пера вышло большое число научных и научно-популярных сочинений. Он любил совершать пешие прогулки, читать, предаваться размышлениям и играть в шахматы.

Он никогда не обращался к врачам. Однажды некий врач, получивший два новых витамина и мечтавший об академическом кресле, явился с визитом к де Бройлю, который возглавлял тогда Академию наук. Де Бройль подробно расспрашивал врача как, когда, в каком количестве нужно принимать эти витамины. Врач ушёл окрылённый. Кто-то из присутствовавших спросил: "Неужели вы будете принимать эти витамин?" "Но ведь это же не вопрос здоровья, а вопрос вежливости". Для де Бройля была характерна не внешняя вежливость, а глубокое сочувственное понимание чужих интересов, мнений. Современники отмечали, что Луи де Бройль кроме титула герцога и репутации гениального физика, мог претендовать на не менее почётное звание очень скромного и доброго человека.

В жизни многих крупных мыслителей наступает момент, когда их начинают интересовать самые общие проблемы мироздания и познания. Де Бройль говорил, что гуманитарные интересы у него никогда не исчезали. Незадолго до смерти он заметил: "Мне даже кажется, что я за последние тридцать лет прочёл больше книг по истории, чем по физике".

Идеи де Бройля стали началом волновой механики, которую создал Эдвин Шрёдингер, любивший в своих лекциях поражать слушателей парадоксом: «Первым квантовым физиком был не Макс Планк, а Демокрит из Абеды».

Бройль развивал релятивистскую теорию частиц с произвольным спином, в частности фотонов (нейтринная теория света), занимался вопросами радиофизики, классической и квантовой теориями поля, термодинамики и других разделов физики.

Бройль скончался в парижской больнице 19 марта 1987 года в возрасте 94 лет.

Помимо Нобелевской премии, Бройль был награжден первой медалью Анри Пуанкаре Французской академии наук (1929), Гран-при Альберта I Монакского (1932), первой премией Калинги ЮНЕСКО (1952) и Гран-при Общества инженеров Франции (1953). Он был обладателем почётных степеней многих университетов и членом многих научных организаций, в том числе Лондонского королевского общества, американской Национальной академии наук и Американской академии наук и искусств.

Однажды он сказал:

Современная наука - дочь удивления и любопытства, которые всегда являются её движущими силами.
История науки показывает, что прогресс науки постоянно сковывался тираническим влиянием определённых концепций, когда их начинали рассматривать в виде догм. По этой причине необходимо периодически подвергать глубокому исследованию принципы, которые стали приниматься без обсуждения.
Великие открытия, скачки научной мысли вперёд создаются интуицией, рискованным, поистине творческим методом. Новые эры в науке всегда начинались с изменений, вносимых в представления и постулаты, ранее служившие основой для дедуктивного рассуждения.
Условия экспериментальной работы в современных науках делают коллективную работу полезной и даже необходимой…Самые решающие успехи науки в будущем, так же как они были в прошлом, будут результатом индивидуальных усилий, потому что гениальное прозрение, даже в своей наиболее скромной форме, всегда, по существу, индивидуально.
Мы никогда не должны забывать, что каждый успех нашего познания ставит больше проблем, чем решает, и что в этой области каждая новая открытая земля позволяет предположить о существовании ещё неизвестных нам необъятных континентов.

Эксперимент не должен сводиться к простому пассивному наблюдению. Он должен всякий раз, когда это возможно, активно вмешиваться в реальность, изменяя условия возникновения явлений, вопрошая природу строго определённым образом, так, чтобы видеть, каков будет её ответ.

-… Человеческая наука, по существу, рациональная в своих основах и по своим методам, может осуществлять свои наиболее значительные завоевания лишь путем опасных внезапных скачков ума, когда проявляются способности, освобожденные от тяжелых оков старого рассуждения, которые называют воображением, интуицией, остроумием. Лучше сказать, учёный проводит рациональный анализ и перебирает звено за звеном цепь своих дедукций: эта цепь его сковывает до определенного момента; затем он от неё мгновенно освобождается, и вновь обретённая свобода его воображения позволяет ему увидеть новые горизонты.

Счастливые случайности происходят с теми, кто их заслуживает.
Единственная проблема современности заключается в том, сумеет ли человек пережить свои собственные изобретения.
Полезно поразмыслить над ошибками, сделанными великими умами, поскольку они часто имели серьезное основание, чтобы их сделать.

Рассказывают, что ...

Рассказывают, что Эйнштейн, получив статью де Бройля о волновой природе электрона, показал её Эренфесту. Тот, прочитав её, сказал: "Если это так, то я ничего не понимаю в физике". "В физике ты понимаешь, ты не понимаешь в гениях", - ответил ему Эйнштейн.
Подтвержденная на опыте идея де Бройля о корпускулярно-волновом дуализме микрочастиц принципиально изменила представления об облике микромира. Поскольку всем частицам присущи и корпускулярные, и волновые свойства, то любую из этих «частиц» нельзя считать ни частицей, ни волной в классическом понимании этих слов. Возникла потребность в такой теории, в которой волновые и корпускулярные свойства материи выступали бы не как исключающие, а как взаимно дополняющие друг друга. В основу именно такой теории — волновой, или квантовой механики, и легла подтвержденная гипотеза де Бройля.

Сегодня волновые свойства составляющих атом частиц, а также самих атомов и молекул не только доказаны прямыми опытами, но и широко используются в установках с высокой разрешающей способностью.

Существование волн де Бройля лежит в основе работы электронного микроскопа, разрешающая способность которого на много порядков выше, чем у любого оптического микроскопа, что позволяет учёным наблюдать молекулы и атомы. Метод дифракции частиц в настоящее время широко используется при изучении строения и свойств вещества.

Акад. Новиков С.П.: «Как мне рассказывали французские физики, когда я работал в Париже в 1991 году, во Франции развитие квантовой физики пресёк герцог Луи де Бройль, сыграв роль Лысенко во французском обществе физиков, несмотря на личный вклад в начало её развития. Говорят, он оказался редкостно глуп и невероятно упорен в своей глупости. И при этом он имел громадное влияние. Всё это вместе дало очень плохие результаты».