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最も重要な科学的発見
量子力学。 科学的発見の歴史と本質
最初の成功の興奮が過ぎ去ったとき ボーア理論、誰もが突然、単純な真実に気づきました。ボーアのスキームは矛盾しています。 そのような事実から隠れる場所はなく、それは当時の悲観論を説明しています アインシュタイン、そしてパウリの絶望。 物理学者は、電子が原子内を移動するとき、電気力学の法則に従わないことを何度も確信しています。電子は原子核に落下せず、原子が励起されていなければ放射さえしません。 これはすべて非常に珍しいため、私の頭には収まりませんでした。電気力学から「発生」した電子は、突然その法則の制御を失いました。 そのような悪循環から論理的な方法を見つけようとする試みにおいて、科学者は常に結論に達しました：ボーア原子は存在することができません。 原子内の電子の運動は他の法則、つまり量子力学の法則に従うことが判明しました。 量子力学は、原子内の電子の動きの科学です。 もともとは「原子力学」と呼ばれていました。 ハイゼンベルク -この科学を創造する幸運を持った最初の人々。 ヴェルナー・カール・ハイゼンベルク（1901–1976）は、ドイツの都市ヴュルツブルクで生まれました。 1911年1920月、ヴェルナーは一流の体育館に送られました。 XNUMX年、ハイゼンベルクはミュンヘン大学に入学しました。 卒業後、ヴェルナーは助教に任命されました マックス・ボルン ゲッティンゲン大学にて。 ボーンは、原子の小宇宙は古典物理学で記述される大宇宙とは大きく異なるため、科学者は原子の構造を研究する際に、粒子の動きや時間、速度、空間、特定の位置などの通常の概念を使用することを考えるべきではないと確信していました。 ミクロ世界の基礎は量子であり、それは時代遅れの古典の視覚的な位置から理解または説明されるべきではありませんでした。 この急進的な哲学は、彼の新しいアシスタントの心に温かい反応をもたらしました。 確かに、当時の原子物理学の状態は、ある種の仮説の山に似ていました。 さて、もし誰かが電子が実際には波であること、あるいはむしろ粒子であり波であることを経験によって証明できたとしたら。 しかし、今のところそのような経験はありません。 もしそうなら、電子とは何かという仮定だけから話を進めたのは間違いだった、と衒学的なハイゼンベルクは言う。 原子から放出される光を研究することによって得られる、原子に関する既知の実験データのみが存在するという理論を作り出すことは可能でしょうか? この光について確かに何が言えますか? それがこれこれの周波数とこれこれの強度を持っているということは、もう... 1925年XNUMX月、病気のハイゼンベルクはバルト海のヘリゴランド島で静養した。 彼は休むことができませんでした。そこで彼は突然、予期せぬ真実に気づきました。原子内の電子の動きを、軌道に沿った小さな球の動きとして想像することはできません。 電子はボールではなく、より複雑な何かであり、この「何か」の動きをビリヤードのボールの動きのように単純に追跡することは不可能であるため、それは不可能です。 L. ポノマレフは彼の著書に次のように書いています。は、原子核と電子で構成されており、平衡状態から乱されると光線を放出することができます.これらの光線は厳密に定義された波長を持ち、ボーアによれば、電子がある静止軌道から別の静止軌道にジャンプするときに発生します.同時に、ボーアのスキームはジャンプの瞬間に電子に起こること、いわば XNUMX つの静止状態の間を「飛行中」であるという事実については何も述べていません. そして、ハイゼンベルクを含む誰もが、習慣からこの質問への答えを探しました. しかし、いくつかのその点が彼に明らかになりました：電子は「静止状態の間に」存在しません、それは単にそのような特性を持っていません！ そこにあるもの？ 名前すら知らなかったものもありますが、それは電子がどこからどこへ行ったのかだけにかかっているのではないかと確信していました。 その時まで、物理学者は、時間に継続的に依存し、特定の時点での電子の位置を示す一連の数字によって与えられる、原子内の電子の仮想軌道を見つけようとしていました。 ハイゼンベルグは、原子にはそのような軌道はなく、連続曲線の代わりに一連の離散数があり、その値は電子の初期状態と最終状態の数に依存すると主張しました。 彼は原子の状態を、各正方形に数字が書かれた無限のチェス盤として想像しました。 当然、これらの数値の値は、「アトミックボード」上の正方形の位置、つまり、数値が交差する行番号（初期状態）と列番号（最終状態）に依存します。 「アトミックゲーム」のある種のレコードのX番号がわかっている場合、その観測可能な特性を予測するために必要なすべてのことが原子についてわかっています。原子のスペクトル、スペクトル線の強度、の数と速度です。電子は、紫外線などによって原子からノックアウトされました。 数値 X は原子内の電子の座標とは言えません。 彼らは彼らに取って代わる、あるいは後で言われたように、彼らは彼らを代表するのです。 しかし、これらの言葉が何を意味するのか、最初はハイゼンベルク自身も理解していませんでした。 しかし、マックス ボルン (1882-1970) とパスクアル ジョルダンの助けにより、数表が単なる表ではなく行列であることをすぐに理解することができました。 L.I. ポノマレフは、「行列とは、厳密に定義された加算と乗算の演算が存在する量の表です。特に、XNUMX つの行列の乗算の結果は、乗算される順序によって異なります。この規則は奇妙に思えるかもしれませんし、疑わしいですが、それ自体に恣意性は含まれていません。本質的に、行列を他の量から区別するのはこの規則です。私たちにはそれを気まぐれに変更する権利はありません。数学にも独自の揺るぎない法則があります。これらの法則は、物理学とは独立していますおよび他のすべての科学は、自然界で考えられるすべての論理的つながりを記号言語で固定しますが、これらすべてのつながりが現実に実現されるかどうかは、事前にはわかりません。 もちろん、数学者はハイゼンベルグよりずっと前に行列について知っており、行列の扱い方を知っていました。 しかし、異常な特性を持つこれらの奇妙な物体が、原子現象の世界で現実のものに対応していることは、誰もが完全な驚きでした. ハイゼンベルクとボルンの功績は、彼らが心理的な障壁を克服し、行列の性質と原子内の電子の運動の特徴との間の対応を見出し、それによって新しい原子、量子、行列力学を確立したことにあります。 原子 - 原子内の電子の動きを記述するため。 量子 - この説明における主な役割は、作用の量子の概念によって果たされるためです。 行列 - これに必要な数学的装置が行列であるためです。 新しい力学では、電子の各特性、つまり座標、運動量、エネルギーが対応する行列に対応しました。 次に、古典力学で知られる運動方程式がそれらのために書き留められました。 ハイゼンベルクはさらにそれ以上のものを確立しました。彼は、座標と運動量の量子力学的行列が一般的な行列ではなく、交換 (または順列) 関係に従う行列にすぎないことを発見しました。 新しい力学では、この交換関係は、古い力学のボーア量子化条件とまったく同じ役割を果たしました。 そして、ボーア条件がすべての可能なもののセットから定常軌道を選び出したように、ハイゼンベルク交換関係はすべての行列のセットから量子力学的ものだけを選択します。 ボーア量子化条件とハイゼンベルグ方程式の両方の場合において、プランク定数が存在しなければならないことは偶然ではありません。 プランク定数は量子力学のすべての方程式に必然的に含まれており、この特徴により他のすべての方程式から間違いなく区別できます。 ハイゼンベルクが発見した新しい方程式は力学の方程式でも電気力学の方程式でもありませんでした。 これらの方程式の観点から、座標行列または運動量行列が既知であれば、原子の状態は完全に与えられます。 さらに、これらの行列の構造は、原子が非励起状態では放射しないような構造になっています。 ハイゼンベルクによれば、運動とは原子核の周りの軌道に沿った電子球の動きではない。 運動は、時間の経過に伴うシステムの状態の変化であり、座標と運動量の行列を表します。 原子内の電子の運動の性質についての質問とともに、原子の安定性についての質問も消えました。 新しい観点から、励起されていない原子では、電子は静止しているため、放射するべきではありません。 ハイゼンベルクの理論は内部的には一貫していましたが、ボーアの計画には非常に欠けていました。 同時に、ボーア量子化規則と同じ結果が得られました。 さらに、その助けを借りて、放射量子に関するプランクの仮説が新しい力学の単純かつ自然な結果であることを示すことが最終的に可能になりました。 行列力学は非常に好都合に現れたと言わなければなりません。 ハイゼンベルクのアイデアは他の物理学者によって取り上げられ、ボーアによれば、すぐに「論理的完全性と一般性において、古典力学と競争できる形」を獲得した。 しかし、ハイゼンベルグの作品には憂鬱な状況が 3 つあります。 彼によると、彼は新しい理論から水素の単純なスペクトルを導き出すことに成功できなかった. そして、彼の研究の出版後しばらくして、彼が書いたように、「パウリは私に驚きを与えました: 水素原子の完全な量子力学.非常に迅速に開発することができます"". 物理学者たちは、ハイゼンベルグの行列力学の出現を大いに安堵して迎えました。 9 年 1925 月 XNUMX 日。 彼はすぐに自分の信仰を正当化しました。 新しい力学を水素原子に適用することにより、彼は次の式と同じ式を得ました。 ニールスボーア 彼らの仮定に基づいています。 もちろん、新たな困難が生じましたが、これらは成長の困難であり、行き止まりの絶望ではありませんでした。 著者: サミン D.K.
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