Кризис теории Бора

Возвращаясь к состоянию квантовой теории Бора в 1923 г., после того как она отпраздновала свое десятилетие, остановимся еще раз на основной теоретической процедуре этой теории. Она стремилась описать движение, электронов в атоме на основе классической механики. Она использовала математический аппарат этой механики в той форме, в какой он был разработан Гамильтоном и Якоби, и применяла затем к рассчитанным движениям квантовую процедуру, с помощью которой выделялись из всего многообразия движений устойчивые квантовые состояния. В своей книге "Строение атома и спектры" Зоммерфельд уделил большое внимание теории Гамильтона-Якоби. В 1925 г. вышла книга М. Борна "Лекции по атомной механике", предисловие к которой датировано ноябрем 1924 г. Первая глава этой книги называется "Теория Гамильтона-Якоби", в которой излагаются канонические уравнения Гамильтона, циклические переменные, канонические преобразования, дифференциальное уравнение Гамильтона-Якоби. Этот аппарат получил широкое применение в небесной механике и атомная механика строилась по образу и подобию этой последней. Однако между небесной и атомной механикой существует весьма важное различие, на которое указал Бор в своем нобелевском докладе. "Как только мы попытаемся достигнуть ближайшей связи между свойствами элементов и строением атома,- говорит Бор в этом докладе,- сейчас же мы наталкиваемся на глубоко коренящееся затруднение, так как оказывается, что вопреки упомянутой раньше аналогии существует основное различие между атомами и планетной системой. Движения тел в планетной системе, хотя они и подчиняются общему закону тяготения, не определяются вполне одним этим законом, но зависят существенно от предыдущей истории системы.

Так, длина года определяется не только массой солнца и земли, но в то же время и отношениями, которые господствовали при образовании солнечной системы, и о которых мы не имеем подробных сведений. Если бы однажды через нашу солнечную систему прошло постороннее небесное тело, которое приблизилось бы к земле, мы должны были бы прийти к тому, что длина дня, начиная с этого дня, существенно различалась бы от настоящего. Совершенно иначе происходит дело с атомами. Определенные неизменные свойства элементов требуют именно того, что состояние атома не может испытывать от посторонних влияний удерживающихся изменений. Как только атом будет опять предоставлен самому себе, частицы атома должны расположиться и двигаться таким образом, который вполне определяется электрическим заря пом и массой".

Поэтому-то в атомной физике и приходится применять квантовые законы, отображающие эту поразительную устойчивость атома. Но сами эти законы в боровской теории являются чем-то привнесенным извне, чуждым всей классической физике. Недаром Рождественский называл квантовые условия "непонятными". Адиабатическая гипотеза Эренфеста-Круткова позволяет в известной мере установить, какие величины подлежат квантованию. Это должны быть величины, не зависящие от выбора системы координат и являющиеся адиабатическими инвариантами. Но адиабатическая гипотеза не делала естественными квантовые законы и трудности, связанные с расчетом многоэлектронных систем, оказались непреодоленными. Поэтому Вор и его сотрудники полагали, что до законченной квантовой механики еще далеко.

К этому времени стали с особенной силой проявляться острые противоречия в теории света. Мы рассказывали о том. как мучительно переживали эти противоречия советские физики на своем 4-м съезде. Атмосфера съезда могла быть названа атмосферой "ожидания" - ждали, что затянувшийся кризис теории света должен вот-вот разрешиться. Открытие эффекта Комптона как будто бы стало склонять чашку весов в пользу квантовой теории. В пользу квантовой теории говорили и опыты Иоффе - Добронравова, наглядно продемонстрировавшие квантовый механизм излучения в духе световых квантов Эйнштейна. Но оставалось загадочным - как объяснить в таком случае волновые свойства света? "В теории излучения,- писал Гейзенберг в уже цитировавшейся нами статье,- находят странный дуализм между двумя наглядными картинами: волновой и корпускулярной. Дифракционные и интерференционные опыты не оставляют никакого сомнения в далеко идущей применимости классической теории света. Тем не менее фотоэлектрический эффект указывает на полную несостоятельность этой теории. Если только мы не хотим отказаться от закона сохранения энергии, то должны с необходимостью принять, что для фотоэффекта следует эйнштейновская корпускулярная теория света. Обе картины, несомненно, несовместимы, если их применять не критически. Таким образом, физики из-за исключительных трудностей в наглядном истолковании экспериментов оказались вынужденными ревизовать свой классический мир понятий".

Бор, создавший вместе со своими учениками в Копенгагене "квантовую атмосферу", предложил подвергнуть ревизии один из основных устоев классической физики (и, как оказалось позднее, и всей физики) - закон сохранения энергии. В 1924 г. Бор, Крамерс и Слэтер выступили со статьей, в которой пытались устранить противоречие между корпускулярной и волновой теорией с помощью концепции "виртуальных волн". Эти волны непрерывно излучаются электроном, когда он движется по стационарной орбите, не излучая энергии в соответствии с постулатом Бора. Таким образом, виртуальные волны энергии не несут, но они индуцируют способность электрона к квантовым переходам в духе эйнштейновской теории излучения. Вследствие этого электрон с определенной вероятностью может переходить из одного квантового состояния с потерей энергии. Эта энергия вообще теряется. Точно так же под действием виртуального поля может произойти переход атома в высшее энергетическое состояние, при котором атом приобретает энергию ниоткуда. В среднем сумма энергий, приобретенных отдельными атомами, равна сумме энергий, теряемых другими атомами, но к отдельным атомам закон сохранения энергии неприменим.