Валерий Чолаков
Нобеловите награди (10) (Учени и открития (1901–1982))

Развитие на квантовите идеи

През 1921 г. американският физик Клинтън Дейвисън откри в лабораториите на фирмата Бел Телефон един особен ефект при отразяване на електрони от повърхността на никелова пластинка. Резултатите показваха, че електроните се разсейват под определен ъгъл. Наблюдаваният феномен можа да бъде обяснен едва няколко години по-късно, когато във физиката започнаха да проникват нови, по-задълбочени квантови идеи.

В началото на 20-те години теоретиците започнаха да разбират, че старата квантова теория е твърде ограничена по своя смисъл и приложение. Необходимо бе да се създаде нова теория, основана на нови принципи. В 1923 г. френският физик Луи дьо Брой в своята докторска дисертация „Изследвания върху теорията на квантите“ предложи идеята за вълновите свойства на материята, която легна в основата на съвременната квантова механика. Той тръгна от представите на Алберт Айнщайн за двойствената природа на светлината и свързвайки формулата на Планк, според която енергията е пропорционална на честотата на излъчване, с формулата на Айнщайн за връзката между енергията и масата, успя да изведе нова формула, която показваше каква вълна съответствува на частица с определена маса и скорост.

Луи дьо Брой защити своята докторска дисертация през ноември 1924 г., като междувременно бе изложил идеите си в редица статии. На следващата година младият немски физик Валтер Елзасер изказа предположение, че теоретичните разработки на Луи дьо Брой могат да бъдат доказани чрез отразяване на сноп електрони от кристал. Но такъв опит бе извършен от Дейвисън още през 1921 г. Американският учен също следеше публикациите на Луи дьо Брой и в началото на 1925 г. започна нови изследвания върху ъгловото разпределение на разсеяните електрони. Най-после на 6 януари 1927 г. Дейвисън заедно с Джърмър получи ясна картина на разсейването на електроните така, както го изискваше теорията.

По същото време професорът от университета в Абърдийн Джордж Паджет Томсън, син на известния Дж. Дж. Томсън, откри независимо от групата на Дейвисън дифракцията на електроните. Само месец по-късно от американските си колеги той също получи убедителни резултати за вълновия характер на тези частици. Картините, получени от Дейвисън и Томсън, много приличаха на изображенията при рентгенова дифракция. Между двамата изследователи имаше разлики в експерименталните постановки. Докато Дейвисън използваше електрони с ниски скорости, отразени от кристал, Томсън изследваше преминаването на бързи електрони през метално фолио. От дифракционните изображения можеше да се изчисли дължината на вълната, съответствуваща на движещите се електрони.

Идеите на Луи дьо Брой разкриха нови, неподозирани дотогава свойства на материята и в 1929 г., само шест години след първите си публикации, той стана Нобелов лауреат по физика за откриването на вълновата природа на електроните.

Дейвисън и Томсън си разделиха наградата за 1937 г. за експерименталното откриване на интерференция в кристали, облъчени с електрони. Освен голямото теоретично значение на тези открития те имаха и ценно приложение в практиката. Достатъчно е да споменем електронната оптика и по-специално електронния микроскоп, който е един от основните изследователски прибори на съвременната биология.

Работите на Луи дьо Брой привлякоха вниманието на австрийския физик-теоретик Ервин Шрьодингер. В течение на една година — от края на 1925 до края на 1926        г., той публикува няколко статии, в които разви теорията, известна днес под названието нерелативистична вълнова механика. Според някои специалисти изводите на Шрьодингер и особено неговото известно уравнение играят в изучаването на атомните процеси такава фундаментална роля, както законите на Нютон в класическата механика.

Ако се направи аналогия между оптиката и механиката, може да се посочи следното: класическата оптика приема, че лъчите се разпространяват праволинейно, като геометрични линии. Само при детайлни изследвания се забелязва, че лъчите имат вълнова природа, която се проявява при някои явления. По същия начин класическата механика се описва добре от Нютоновите закони, но при изследване на микрообекти, се проявяват вече вълновите свойства на материята. Освен тази „оптико-механична аналогия“ Шрьодингер установи връзката между своята вълнова механика и матричната механика, разработвана по същото време от Хайзенберг, Боря, Йордан и Дирак.

Младият немски физик Вернер Хайзенберг в 1925 г., едва 24-годишен, предложи т.нар. „матрична механика“, която имаше много удобен математичен апарат. Той обаче е по-известен със своя знаменит принцип на неопределеността, формулиран в 1927 г., годината, в която стана професор по теоретична физика в Лайпцигския университет. Този принцип гласи, че информацията, която можем да получим за микрообектите, е ограничена от методите за наблюдение. Ако решим да изучим траекторията на една частица, трябва да я облъчим с фотони. Но от взаимодействието траекторията на частицата ще се промени и резултатът няма да е верен. Принципът на неопределеността на Хайзенберг означаваше окончателно сбогуване с класическата механика в квантовата теория. В новата квантова механика трябваше да се включват само елементи, които са наблюдаеми. В модела на атома, например, на мястото на електронните орбити бяха въведени „електронни облаци“, в които електронът се намира с определена степен на вероятност.

Развитието на квантовата теория продължи по-нататък с изследванията на английския физик Пол Дирак. В 1928 г. той създаде релативистичната теория за движението на електрона, като приложи в квантовата механика съотношенията на теорията на относителността. Дирак успя да обедини в едно релавистичните представи и идеята за квантите и спина — собствения момент на количеството движение на елементарната частица. От теорията на Дирак следваше интересният извод, че може да съществува положително зареден електрон и наистина само след четири години бе открит позитронът.

Създателите на квантовата механика бяха млади талантливи изследователи. Те внесоха нови оригинални идеи във физиката и научната им дейност напълно съответствуваше на критериите на Нобеловата фондация. И наистина, скоро след като бяха направили своите открития, повечето от тях станаха Нобелови лауреати. През 1932 г. наградата по физика бе дадена на Вернер Хайзенберг за създаването на квантовата механика и откриването във връзка с това на алотропните форми на водорода. Наградата за 1933 г. бе дадена на Ервин Шрьодингер и Пол Дирак за откриването на нови плодотворни форми на атомната теория.

Когато Шрьодингер публикува своето известно уравнение, немският физик Макс Борн показа, че неговото решение в различните случаи трябва да се разглежда статистически — като мярка за вероятността частицата да се намира в определено място. Друга заслуга на Борн е, че заедно с Йордан той създаде математическия апарат на новата квантова теория. За тези фундаментални приноси в квантовата механика, както и за статистическата интерпретация на вълновата функция Макс Борн стана Нобелов лауреат през 1954 г., като раздели наградата по физика с Валтер Боте. Наред с другите си резултати Борн създаде способ за изчисляване на електронните обвивки на атома. За него и неговата школа бе характерно широкото прилагане на квантовата механика в различни области на физиката на атома и твърдото тяло.

С електронната обвивка на атома са свързани и изследванията на известния физик-теоретик Волфганг Паули. През 1924 г. този талантлив млад учен формулира един от най-важните принципи на съвременната теоретична физика. Това бе все още времето на старата квантова теория, според която електроните обикалят по определени траектории около ядрото. Принципът на забраната, въведен от Паули твърдеше, че на една орбита не може да има повече от два електрона, и то само ако спиновете им са противоположни. Преведено на езика на съвременната теория, това означава, че в една система не може да има частици, намиращи се в еднакви квантови състояния.

От принципа на Паули следва, че във всеки слой от електронната обвивка на атома може да има само определен брой електрони. Този извод е особено важен за периодичната таблица на химичните елементи. Принципът на забраната има голямо значение за ядрената физика и за физиката на елементарните частици, където се налага обясняване на съставния характер на ядрата и частиците. За своето голямо откритие Волфганг Паули получи Нобеловата награда по физика през 1945 г.