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LE PRINCIPALI SCOPERTE SCIENTIFICHE
Meccanica quantistica. Storia ed essenza della scoperta scientifica
Elenco / Le scoperte scientifiche più importanti Quando l'emozione dei primi successi è passata La teoria di Bohr, tutti improvvisamente si sono resi conto di una semplice verità: lo schema di Bohr è contraddittorio. Non c'era nessun posto dove nascondersi da un fatto del genere, e spiega l'allora pessimismo Einstein, così come la disperazione di Pauli. I fisici sono stati più volte convinti che un elettrone, quando si muove in un atomo, non obbedisce alle leggi dell'elettrodinamica: non cade sul nucleo e non si irradia nemmeno se l'atomo non è eccitato. Tutto questo era così insolito che non entrava nella mia testa: l'elettrone, che "ha avuto origine" dall'elettrodinamica, è improvvisamente sfuggito al controllo delle sue leggi. In ogni tentativo di trovare una via logica per uscire da un tale circolo vizioso, gli scienziati sono sempre giunti alla conclusione: l'atomo di Bohr non può esistere. Si è scoperto che il movimento di un elettrone in un atomo obbedisce ad alcune altre leggi: le leggi della meccanica quantistica. La meccanica quantistica è la scienza del movimento degli elettroni in un atomo. Originariamente si chiamava così: meccanica atomica. Heisenberg - il primo di coloro che hanno avuto la fortuna di creare questa scienza. Werner Karl Heisenberg (1901–1976) è nato nella città tedesca di Würzburg. Nel settembre 1911 Werner fu mandato in una prestigiosa palestra. Nel 1920 Heisenberg entrò all'Università di Monaco. Dopo la laurea, Werner è stato nominato assistente professore Massimo Nato presso l'Università di Gottinga. Born era sicuro che il micromondo atomico fosse così diverso dal macromondo descritto dalla fisica classica che gli scienziati non avrebbero nemmeno dovuto pensare di usare i soliti concetti di movimento e tempo, velocità, spazio e una certa posizione delle particelle quando studiano la struttura dell'atomo. La base del micromondo sono i quanti, che non dovrebbero essere compresi o spiegati dal punto di vista visivo dei classici obsoleti. Questa filosofia radicale trovò una calorosa risposta nell'animo del suo nuovo assistente. In effetti, lo stato della fisica atomica a quel tempo assomigliava a una sorta di mucchio di ipotesi. Ora, se solo qualcuno potesse dimostrare sperimentalmente che un elettrone è davvero un'onda, o meglio, sia una particella che un'onda. Ma non ci sono ancora stati esperimenti del genere. E se è così, secondo il pedante Heisenberg non era corretto partire da semplici supposizioni su cosa sia un elettrone. Non è possibile creare una teoria in cui si conosceranno solo i dati sperimentali sull'atomo ottenuti studiando la luce da esso emessa? Cosa si può dire con certezza di questa luce? Che abbia questa e quella frequenza e questa e quella intensità, niente di più... Nel giugno del 1925, un Heisenberg malato andò a riposare sull'isola di Helgoland nel Mar Baltico. Non riusciva a riposare - lì improvvisamente realizzò una verità inaspettata: non si può immaginare il movimento di un elettrone in un atomo come il movimento di una pallina lungo una traiettoria. Questo è impossibile, perché l'elettrone non è una palla, ma qualcosa di più complesso, ed è impossibile tracciare il movimento di questo "qualcosa" con la stessa semplicità del movimento di una palla da biliardo. L. Ponomarev scrive nel suo libro: "Heisenberg ha sostenuto: le equazioni con cui vogliamo descrivere il moto nell'atomo non dovrebbero contenere altre quantità oltre a quelle che possono essere misurate sperimentalmente. E dagli esperimenti è seguito che l'atomo è stabile , è costituito da nucleo ed elettroni e può emettere raggi se viene portato fuori dall'equilibrio. Questi raggi hanno una lunghezza d'onda rigorosamente definita e, secondo Bohr, compaiono quando un elettrone salta da un'orbita stazionaria all'altra. Allo stesso tempo, quello di Bohr Lo schema non ha detto nulla sul fatto che accade all'elettrone al momento del salto, per così dire "in volo" tra due stati stazionari. E tutti, incluso Heisenberg, per abitudine cercavano una risposta proprio a questa domanda. Ma ad un certo punto gli è diventato chiaro: l'elettrone non esiste "tra" stati stazionari, semplicemente non ha una tale proprietà! Cosa c'è? C'è qualcosa di cui non conosceva ancora nemmeno il nome, ma era convinto che dovesse dipendere solo da dove andasse e da dove andasse l'elettrone. Fino a quel momento, i fisici avevano cercato di trovare una traiettoria ipotetica per un elettrone in un atomo, che dipende continuamente dal tempo e che può essere data da una serie di numeri che segnano la posizione dell'elettrone in determinati momenti. Heisenberg ha affermato che non esiste una tale traiettoria nell'atomo e, invece di una curva continua, c'è un insieme di numeri discreti, i cui valori dipendono dai numeri degli stati iniziale e finale dell'elettrone. Immaginava lo stato dell'atomo come una scacchiera infinita con numeri scritti su ogni quadrato. Naturalmente, i valori di questi numeri dipendono dalla posizione del quadrato sulla "scheda atomica", ovvero dal numero di riga (stato iniziale) e dal numero di colonna (stato finale), all'intersezione di cui si trova il numero . Se si conoscono i numeri X di una specie di registrazione del "gioco atomico", si sa tutto ciò che è necessario sull'atomo per prevederne le proprietà osservabili: lo spettro dell'atomo, l'intensità delle sue righe spettrali, il numero e la velocità di elettroni eliminati dall'atomo dai raggi ultravioletti e molto altro ancora. I numeri X non possono essere chiamati le coordinate di un elettrone in un atomo. Li sostituiscono o, come cominciarono a dire più tardi, li rappresentano. Ma all'inizio lo stesso Heisenberg non capì cosa significassero queste parole. Tuttavia, immediatamente con l'aiuto di Max Born (1882–1970) e Pascual Jordan, è stato possibile capire che la tabella dei numeri non è solo una tabella, ma una matrice. "Le matrici", osserva L.I. Ponomarev, "sono tabelle di quantità per le quali esistono operazioni di addizione e moltiplicazione rigorosamente definite. In particolare, il risultato della moltiplicazione di due matrici dipende dall'ordine in cui vengono moltiplicate. Questa regola può sembrare strana e sospetto , ma non contiene alcuna arbitrarietà. Essenzialmente, è questa regola che distingue le matrici da altre quantità. Non abbiamo il diritto di cambiarla a nostro piacimento: anche la matematica ha le sue leggi immutabili. Queste leggi, indipendenti dalla fisica e da tutti gli altri Le scienze racchiudono nel linguaggio dei simboli tutte le connessioni logiche immaginabili in natura, inoltre non è noto in anticipo se tutte queste connessioni siano realizzate nella realtà. Naturalmente, i matematici conoscevano le matrici molto prima di Heisenberg e sapevano come lavorarci. Tuttavia, è stata una completa sorpresa per tutti che questi strani oggetti con proprietà insolite corrispondano a qualcosa di reale nel mondo dei fenomeni atomici. Il merito di Heisenberg e Born sta nel fatto che hanno superato la barriera psicologica, hanno trovato una corrispondenza tra le proprietà delle matrici e le caratteristiche del moto degli elettroni nell'atomo, e quindi hanno fondato una nuova meccanica matriciale, atomica, quantistica. Atomico - perché descrive il movimento degli elettroni in un atomo. Quantistico - perché il ruolo principale in questa descrizione è giocato dal concetto di quanto d'azione. Matrice - perché l'apparato matematico necessario a questo scopo è una matrice." Nella nuova meccanica, ciascuna caratteristica di un elettrone: coordinata, quantità di moto, energia - aveva matrici corrispondenti. Quindi furono scritte per loro le equazioni del moto conosciute dalla meccanica classica. Heisenberg stabilì anche qualcosa di più: scoprì che le matrici quantomeccaniche di posizione e quantità di moto non sono affatto matrici, ma solo quelle che obbediscono alla relazione di commutazione (o commutazione). Nella nuova meccanica, questa relazione di permutazione giocava esattamente lo stesso ruolo della condizione di quantizzazione di Bohr nella vecchia meccanica. E proprio come le condizioni di Bohr hanno individuato le orbite stazionarie dall'insieme di tutte quelle possibili, la relazione di commutazione di Heisenberg seleziona solo quelle quantomeccaniche dall'insieme di tutte le matrici. Non è un caso che in entrambi i casi – sia nelle condizioni della quantizzazione di Bohr che nelle equazioni di Heisenberg – la costante di Planck sia necessariamente presente. La costante di Planck è certamente inclusa in tutte le equazioni della meccanica quantistica, e su questa base possono essere inequivocabilmente distinte da tutte le altre equazioni. Le nuove equazioni trovate da Heisenberg erano diverse sia dalle equazioni della meccanica che da quelle dell'elettrodinamica. Dal punto di vista di queste equazioni, lo stato dell'atomo è completamente specificato se si conoscono le matrici delle coordinate o della quantità di moto. Inoltre, la struttura di queste matrici è tale che in uno stato non eccitato l'atomo non emette. Secondo Heisenberg, il movimento non è il movimento di un elettrone sferico lungo una traiettoria attorno al nucleo. Il moto è un cambiamento nello stato del sistema nel tempo, che descrive le matrici di coordinate e quantità di moto. Insieme alle domande sulla natura del movimento di un elettrone in un atomo, è scomparsa anche la questione della stabilità dell'atomo. Dal nuovo punto di vista, in un atomo non eccitato, l'elettrone è a riposo, e quindi non dovrebbe irradiare. La teoria di Heisenberg era internamente coerente, qualcosa che mancava allo schema di Bohr. Allo stesso tempo, portò agli stessi risultati delle regole di quantizzazione di Bohr. Inoltre, con il suo aiuto, è stato finalmente possibile dimostrare che l'ipotesi di Planck sui quanti di radiazione è una conseguenza semplice e naturale della nuova meccanica. Va detto che la meccanica delle matrici è apparsa molto opportunamente. Le idee di Heisenberg furono riprese da altri fisici e presto, nelle parole di Bohr, acquisì "una forma che, nella sua completezza logica e generalità, poteva competere con la meccanica classica". Tuttavia, c'era una circostanza deprimente nel lavoro di Heisenberg. Secondo lui, non poteva riuscire a derivare un semplice spettro dell'idrogeno dalla nuova teoria. E quale fu la sua sorpresa quando, qualche tempo dopo la pubblicazione del suo lavoro, come scrisse, "Pauli mi fece una sorpresa: la meccanica quantistica completa dell'atomo di idrogeno. Teoria dell'atomo di idrogeno e quanto è grande la mia sorpresa che tu fossi in grado di svilupparlo così rapidamente "". I fisici hanno accolto con grande sollievo l'apparizione della meccanica della matrice di Heisenberg: "La meccanica di Heisenberg mi ha restituito di nuovo la gioia della vita e la speranza. Sebbene non risolva l'enigma, credo che ora sia possibile andare avanti di nuovo", ha scritto Pauli su 9 ottobre 1925. Ben presto giustificò lui stesso la sua fede. Applicando la nuova meccanica all'atomo di idrogeno, ottenne le stesse formule di Niels bohr sulla base dei loro postulati. Naturalmente sono sorte nuove difficoltà, ma queste erano le difficoltà della crescita, e non la disperazione di un vicolo cieco. Autore: Samin D.K.
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