양자 역학. 과학적 발견의 역사와 본질

가장 중요한 과학적 발견
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양자 역학. 과학적 발견의 역사와 본질

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첫 성공의 설렘이 지나고 나면 보어의 이론, 모두가 갑자기 간단한 진실을 깨달았습니다. 보어의 계획은 모순됩니다. 그런 사실을 숨길 곳이 없었고, 당시의 비관주의를 설명한다. 아인슈타인, 뿐만 아니라 Pauli의 절망.

물리학자들은 전자가 원자 내에서 움직일 때 전기역학 법칙을 따르지 않는다는 것을 거듭 확신했습니다. 원자가 여기되지 않으면 원자핵에 떨어지지 않고 방사조차 하지 않습니다. 이 모든 것이 너무 이상해서 내 머리에 맞지 않았습니다. 전기 역학에서 "기원한" 전자가 갑자기 법칙의 통제를 벗어났습니다. 그러한 악순환에서 논리적인 방법을 찾으려는 시도에서 과학자들은 항상 결론에 도달했습니다. 보어 원자는 존재할 수 없습니다.

원자 내 전자의 움직임은 다른 법칙, 즉 양자 역학의 법칙을 따르는 것으로 밝혀졌습니다. 양자 역학은 원자 내 전자의 움직임에 관한 과학입니다. 원래는 원자 역학이라고 불렸습니다. 하이젠베르크 - 운이 좋은 사람들 중 최초로 이 과학을 창안했습니다.

베르너 칼 하이젠베르크(1901~1976)는 독일 뷔르츠부르크에서 태어났습니다. 1911년 1920월, Werner는 명문 체육관으로 보내졌습니다. XNUMX년 하이젠베르크는 뮌헨 대학교에 입학했습니다. 졸업 후, Werner는 조교수로 임명되었습니다. 맥스 본 괴팅겐 대학교에서. Born은 원자 미시 세계가 고전 물리학에서 설명하는 거시 세계와 너무 다르기 때문에 과학자들이 원자 구조를 연구할 때 운동과 시간, 속도, 공간 및 입자의 특정 위치에 대한 일반적인 개념을 사용하는 것에 대해 생각조차 해서는 안 된다고 확신했습니다. 미시세계의 근간은 양자인데, 이는 구시대 고전의 시각적 관점에서 이해하거나 설명하려고 시도해서는 안 되는 것이다. 이 급진적인 철학은 그의 새로운 조수의 영혼 속에서 따뜻한 반응을 얻었습니다.

실제로 당시 원자 물리학의 상태는 일종의 가설 더미와 비슷했습니다. 이제 누군가가 전자가 실제로 파동이거나 오히려 입자이자 파동이라는 것을 실험적으로 증명할 수 있다면 좋겠습니다. 하지만 아직까지 그런 실험은 없었습니다. 그렇다면 현학적인 하이젠베르크(Heisenberg)에 따르면, 전자가 무엇인지에 대한 단순한 가정에서 출발하는 것은 잘못된 것입니다. 원자가 방출하는 빛을 연구하여 얻은 원자에 대한 실험 데이터만 알려지는 이론을 만드는 것은 불가능합니까? 이 빛에 대해 확실히 무엇을 말할 수 있습니까? 그것이 이런저런 빈도와 저런 강도를 가지고 있다는 사실은 더 이상...

1925년 XNUMX월, 병든 하이젠베르크는 발트해의 헬골란트 섬에 휴식을 취했습니다. 그는 쉴 수 없었습니다. 그곳에서 그는 갑자기 예상치 못한 진실을 깨달았습니다. 원자 내 전자의 움직임을 궤적을 따라 작은 공의 움직임으로 상상할 수 없습니다. 전자는 공이 아니라 더 복잡한 것이기 때문에 불가능하며 당구공의 움직임만큼 간단하게 이 "무언가"의 움직임을 추적하는 것은 불가능합니다.

L. Ponomarev는 그의 책에서 다음과 같이 썼습니다. "Heisenberg는 원자의 운동을 설명하기 위해 사용하는 방정식은 실험적으로 측정할 수 있는 것 이외의 다른 양을 포함해서는 안 됩니다. , 핵과 전자로 구성되며 평형에서 방해를 받으면 광선을 방출할 수 있습니다. 이 광선은 엄격하게 정의된 파장을 가지며 보어에 따르면 전자가 한 정지 궤도에서 다른 궤도로 이동할 때 나타납니다. 동시에 보어의 계획은 점프하는 순간에 전자에 일어나는 일, 말하자면 두 정지 상태 사이에서 "비행 중"이라는 사실에 대해서는 아무 말도 하지 마십시오. 그리고 하이젠베르크를 포함한 모든 사람들은 습관적으로 바로 이 질문에 대한 답을 찾았습니다. 전자는 "정지 상태 사이에 존재하지 않으며 단순히 그러한 속성이 없습니다!

어떤이? 아직 이름조차 모르는 무언가가 있지만 전자가 어디로 갔는지에 달려 있다고 확신했습니다.

그때까지 물리학자들은 시간에 지속적으로 의존하고 특정 시점에서 전자의 위치를 표시하는 일련의 숫자로 제공될 수 있는 원자의 전자에 대한 가상의 궤적을 찾으려고 노력해 왔습니다. Heisenberg는 원자에는 그러한 궤적이 없으며 연속 곡선 대신 일련의 이산 숫자가 있으며 그 값은 전자의 초기 및 최종 상태의 수에 따라 달라진다고 주장했습니다.

그는 원자의 상태를 각 사각형에 숫자가 적힌 끝없는 체스판으로 상상했습니다. 당연히이 숫자의 값은 "원자 판"의 사각형 위치, 즉 행 번호 (초기 상태)와 열 번호 (최종 상태), 숫자가 교차하는 위치에 따라 다릅니다. .

"원자 게임"에 대한 일종의 기록의 X 번호를 알고 있다면 원자의 관측 가능한 특성을 예측하는 데 필요한 모든 것이 원자에 대해 알려져 있습니다. 원자의 스펙트럼, 스펙트럼 선의 강도, 원자의 수와 속도 전자는 자외선 등에 의해 원자에서 떨어져 나갔습니다.

X 숫자는 원자 내 전자의 좌표라고 할 수 없습니다. 그들은 그들을 대체하거나 나중에 말하기 시작하면서 그들을 대표합니다. 그러나 처음에 하이젠베르크 자신은 이 말이 무엇을 의미하는지 이해하지 못했습니다. 그러나 Max Born(1882-1970)과 Pascual Jordan의 도움으로 숫자표가 단순한 표가 아니라 행렬이라는 것을 즉시 이해할 수 있었습니다.

L.I. Ponomarev는 "행렬"은 덧셈과 곱셈의 연산이 엄격하게 정의된 수량 표입니다. 특히 두 행렬을 곱한 결과는 곱해지는 순서에 따라 달라집니다. 이 규칙은 이상하게 보일 수 있으며 의심스럽지만 임의성을 포함하지 않습니다. 본질적으로 행렬을 다른 양과 구별하는 것은 이 규칙입니다. 우리는 그것을 변덕스럽게 변경할 권리가 없습니다. 수학에도 고유한 불변 법칙이 있습니다. 이러한 법칙은 물리학 및 기타 모든 것과 무관합니다. 과학은 자연에서 생각할 수 있는 모든 논리적 연결을 상징의 언어로 담고 있으며, 더욱이 이러한 모든 연결이 실제로 실현되는지 여부는 미리 알 수 없습니다.

물론 수학자들은 하이젠베르크보다 훨씬 이전에 행렬에 대해 알고 있었고 행렬을 사용하는 방법도 알고 있었습니다. 그러나 특이한 속성을 가진 이 이상한 물체가 원자 현상의 세계에서 실제와 일치한다는 것은 모두에게 완전히 놀라운 일이었습니다. Heisenberg와 Born의 장점은 심리적 장벽을 극복하고 행렬의 속성과 원자에서 전자의 운동 특징 사이의 일치를 발견하여 새로운 원자, 양자, 행렬 역학을 수립했다는 사실에 있습니다.

원자 - 원자 내 전자의 움직임을 설명하기 때문입니다. 양자 - 이 설명의 주요 역할은 행동 양자의 개념에 의해 수행되기 때문입니다. 행렬 - 이를 위해 필요한 수학적 장치는 행렬이기 때문입니다."

새로운 역학에서는 전자의 각 특성(좌표, 운동량, 에너지)이 상응하는 행렬을 가졌습니다. 그런 다음 고전 역학에서 알려진 운동 방정식이 기록되었습니다.

Heisenberg는 심지어 더 많은 것을 확립했습니다. 그는 위치와 운동량의 양자역학적 행렬이 전혀 행렬이 아니라 정류(또는 정류) 관계를 따르는 행렬이라는 것을 발견했습니다.

새로운 역학에서 이 순열 관계는 이전 역학의 보어 양자화 조건과 정확히 동일한 역할을 했습니다. 그리고 보어 조건이 가능한 모든 집합에서 정지 궤도를 선택했던 것처럼 하이젠베르크 교환 관계는 모든 행렬 집합에서 양자역학적 궤도만 선택합니다.

보어의 양자화 조건과 하이젠베르크 방정식 모두에서 두 경우 모두 플랑크 상수가 반드시 존재한다는 것은 우연이 아닙니다. 플랑크 상수는 양자역학의 모든 방정식에 확실히 포함되어 있으며, 이를 토대로 다른 모든 방정식과 틀림없이 구별될 수 있습니다.

하이젠베르크가 발견한 새로운 방정식은 역학 방정식이나 전기역학 방정식과 달랐습니다. 이러한 방정식의 관점에서 볼 때 좌표 또는 운동량 행렬이 알려진 경우 원자의 상태는 완전히 지정됩니다. 더욱이, 이들 매트릭스의 구조는 흥분되지 않은 상태에서 원자가 방출되지 않도록 되어 있습니다. 하이젠베르크에 따르면 운동은 핵 주위의 궤적을 따라 공 전자가 움직이는 것이 아닙니다.

모션은 좌표와 운동량의 행렬을 설명하는 시간에 따른 시스템 상태의 변화입니다.

원자에서 전자의 운동 특성에 대한 질문과 함께 원자의 안정성에 대한 질문도 사라졌습니다. 새로운 관점에서, 여기되지 않은 원자에서 전자는 정지 상태에 있으므로 방출해서는 안 됩니다.

하이젠베르크의 이론은 내부적으로 일관성이 있었는데, 보어의 계획에는 부족한 부분이 있었습니다. 동시에 보어의 양자화 법칙과 동일한 결과를 가져왔습니다. 게다가, 그것의 도움으로 방사선 양자에 관한 플랑크의 가설이 새로운 역학의 간단하고 자연스러운 결과임을 보여주는 것이 마침내 가능해졌습니다.

매트릭스 역학은 매우 적절하게 나타났습니다. 보어에 따르면 하이젠베르크의 아이디어는 다른 물리학자들에 의해 채택되었고 곧 "논리적 완전성과 일반성 면에서 고전 역학과 경쟁할 수 있는 형식"을 획득했습니다.

그러나 하이젠베르크의 작업에는 한 가지 우울한 상황이 있었습니다. 그에 따르면, 그는 새로운 이론에서 단순한 수소 스펙트럼을 유도하는 데 성공할 수 없었습니다. 그리고 그의 작품이 출판된 후 얼마 후 그가 쓴 것처럼, "Pauli는 나에게 놀라움을 주었습니다. 수소 원자의 완전한 양자 역학. 수소 원자 이론과 당신이 얼마나 놀라운 존재인지 이렇게 빨리 개발할 수 있습니다."".

물리학자들은 하이젠베르크의 행렬 역학의 등장을 크게 안도하며 환영했습니다. Pauli는 다음과 같이 말했습니다. 9년 1925월 XNUMX일.

그는 곧 자신의 믿음을 정당화했습니다. 수소 원자에 새로운 역학을 적용하여 다음과 같은 공식을 얻었습니다. 닐스 보어 그들의 가정을 기반으로. 물론 새로운 어려움이 생겼지만 성장의 어려움이지 막다른 골목의 절망은 아니었다.

저자: Samin D.K.

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