На правах рукописи СМЫК Александра Федоровна ЛУИ ДЕ
реклама
На правах рукописи СМЫК Александра Федоровна ЛУИ ДЕ БРОЙЛЬ И ЕГО РОЛЬ В РАЗВИТИИ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ Специальность 07.00.10 – История науки и техники Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук Москва, 2013 Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте истории естествознания и техники им. С.И. Вавилова РАН Научный консультант: Владимир Павлович Визгин, доктор физикоматематических наук, заведующий истории физики и механики сектором ФГБУН Института истории естествознания и техники им. С.И. Вавилова РАН Официальные оппоненты: - Рухадзе Анри Амвросьевич, доктор физикоматематических наук, профессор, главный научный сотрудник ФГБУН Института общей физики им. А.М.Прохорова РАН; - Владимиров Юрий Сергеевич, доктор физикоматематических наук, профессор кафедры теоретической физики физического факультета ФГБОУ «Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова»; - Кессених Александр Владимирович, доктор физико-математических наук, профессор, ведущий научный сотрудник ФГБУН Института истории естествознания и техники им. С.И. Вавилова РАН Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Российский университет дружбы народов (РУДН)». Защита состоится « » ________2013 г. в ___ часов на заседании диссертационного совета Д. 002.051.05 в Институте истории естествознания и техники им. С.И.Вавилова РАН по адресу: 117861, Россия, г. Москва, ул. Обручева, д.30а, корпус В. С диссертацией можно ознакомиться в Отделе истории физико-математических наук ИИЕТ РАН (комн. 201). Отзывы в 2-х экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять ученому секретарю диссертационного совета по адресу: 109012, Москва, Старопанский пер., д.1/5: факс: (495)9882280, [email protected] Автореферат разослан «___»______________ 2013 г. Учёный секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук И.О. Лютер 2 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность исследования Выдающийся французский физик Луи де Бройль (1892–1987 гг.) заслуженно признан одним из основоположников квантовой механики. Открытие им принципа корпускулярно-волнового дуализма материи является важным событием в истории квантовой механики, создание которой шло двумя параллельными путями – матричной и волновой механики (рис.1). Н. Бор М. Планк А. Эйнштейн В. Гейзенберг Л. де Бройль Э. Шредингер Матричная механика Квантовая механика Волновая механика Рис.1. Первооткрыватели квантовой механики Под влиянием гипотезы де Бройля о том, что с движением частицы надо связывать распространение некоторой волны, Э.Шредингер получил дифференциальное волновое уравнение для нерелятивистской микрочастицы, обладающей массой. В короткие сроки он завершил создание волновой механики, которая на первых порах называлась механикой Шредингера - де Бройля. Матричная механика создавалась усилиями В.Гейзенберга, М.Борна, В.Паули, П.Йордана и в ее основе лежала другая идея – описание физических величин микрочастицы с помощью матриц, изменяющихся во времени. Матричная механика при своем возникновении опиралась на квантовые постулаты Н.Бора. Тождественность волновой и матричной механики впоследствии была установлена Шредингером (1926 г.) и за новым разделом теоретической физики закрепилось название квантовая механика. Базовыми 3 принципами квантовой механики стали соотношения неопределенностей Гейзенберга и принцип дополнительности Бора, которые непосредственно связаны с существованием волновых свойств микрочастиц. Предтечей де Бройля явился А.Эйнштейн, предложивший рассматривать дискретную структуру излучения в виде световых квантов, которые позднее получили название фотонов. Впервые проблема дуализма света была связана Л. де Бройлем с возможным дуализмом свойств материи. И гипотеза Эйнштейна о квантах света (1905 г.) и гипотеза де Бройля о дуализме материи (1923 г.) стали следствием квантовой гипотезы М.Планка (1900 г.). Концепция корпускулярно-волнового дуализма Л.де Бройля представляет большой интерес для истории науки, так как она является промежуточным звеном в цепи открытий сложного поведения квантовых объектов, мостом между классическими аналогами понятий частицы и волны и современным понятием микрочастицы. Синтез классических представлений волны и частицы, осуществленный Л. де Бройлем в 1923 г., привел его к новому образу– «волна материи», который в квантовой механике претерпел изменения. В ходе развития квантовой механики волновые свойства частицы стали описываться волновой функцией Ψ (Ψ-функцией), комплексный характер которой не позволил придать этим волнам понимание реального волнового процесса. Физический смысл имеет квадрат модуля Ψ-функции – в каждой точке и в каждый момент времени эта величина определяет вероятность наблюдения соответствующей частицы. Но при этом в квантовой механике сохранилось понятие волны де Бройля, а формула длины волны де Бройля λ = h вошла во mυ все учебники физики1. В этой формуле присутствуют характеристики классических объектов – волны и частицы, но описывает она совершенно новый объект. Понятие частица-волна, введенное в физику Л. де Бройлем, явилось прообразом унитарного квантового объекта – квантованного поля, 1 Убедительным доказательством гипотезы де Бройля явились первые эксперименты (1927 г.) по дифракции электронов, выполненные К.Дж.Дэвиссоном и Дж.П.Томсоном с сотрудниками. 4 которое в настоящее время является наиболее фундаментальной и универсальной формой материи. В трех статьях, опубликованных в докладах Французской академии наук («Сomptes Rendus de l’Académie des Sciences») в 1923 г., де Бройль обосновал идею волн (первоначально он использовал термин «фиктивная волна»), ассоциированных с механическим перемещением частицы. Он постулировал существование волны, связанной с движением частицы, обладающей определенными корпускулярными характеристиками – значениями энергии Е и импульса р . Основным уравнением, из которого вытекала идея де Бройля о волнах, была формула, записанная им на основании гипотезы Планка о наименьшем кванте энергии и уравнения Эйнштейна, связывающего массу и энергию, ℏ𝜔! = 𝑚! 𝑐 ! . Из нее следовало2, что каждой порции энергии, обладающей массой 𝑚! , соответствует периодический процесс, частота которого равна !! ! ! ℏ . Дальнейшие рассуждения де Бройля были построены на утверждении согласованности фаз двух волновых процессов – в виде распространяющихся колебаний, происходящих внутри частицы, и ассоциированных с ее движением волн, возникающих в пространстве. Поэтому волны, соответствующие движению массовых частиц, были названы де Бройлем фазовыми. Он показал, что частота ω и длина λ фазовой волны связаны с динамическими характеристиками частицы – энергией и импульсом: E = ω , p = k 3. В диссертации, защищенной в 1924 г., де Бройль развил идею фазовых волн, получил характеристики этих волн, и применил их для решения ряда 2 Из этого, казалось бы, чисто формального равенства в предположениях де Бройля вытекает фактически угаданный им результат. Это пример рассуждения, которое по Вл.П.Визгину называется «дугой Эйнштейна». 3 Заметим, что строгое доказательство корпускулярно-волнового дуализма частиц, предложенное де Бройлем, относится к случаю, когда импульс и энергия частицы точно заданы. Такое возможно и для бегущей волны. Поэтому результат де Бройля в современных курсах квантовой механики занимает обязательное, но весьма скромное место (см. Берклеевский курс физики. Т.4. Вихман Э. Квантовая физика. М., 1974; Блохинцев Д.И. Основы квантовой механики. М., 1976). 5 задач, таких как объяснение стационарных орбит в атоме Бора4 и вывод формулы энергии излучения абсолютно черного тела. Диссертация де Бройля стала не только отправной точкой создания волновой механики, она вызвала положительный отклик Эйнштейна, и оказала влияние при разработке им квантовой теории идеального газа. Также диссертация имела большое значение в истории экспериментального открытия дифракции электронов, которая привела к развитию новых методов исследования атомной структуры и изобретению электронного микроскопа. В период 1925–1927 гг. Л. де Бройль способствовал углублению понятий новой волновой механики, получил независимо вместе со многими учеными, развившими подход Шредингера, релятивистское волновое уравнение для бесспиновых частиц, которое известно в квантовой механике как уравнение Клейна–Фока–Гордона, обсуждал возможность согласования электромагнитной теории с волновой механикой. Завершением поисков де Бройлем физического смысла совместного сосуществования волн и частиц явилась «теория двойного решения». Упрощенный вариант «теории двойного решения» (теория волныпилота) был изложен де Бройлем в докладе на пятом Сольвеевском конгрессе по физике в 1927 г. Центральное место в работе конгресса занимала проблема интерпретации квантовой механики. Несмотря на то, что де Бройль представил «теорию двойного решения» в виде некоторой концепции, содержащей аналогии, постулаты, физические образы волны и частицы, построить 4 Де λ= Бройль показал, что фазовая волна, сопровождающая движение электрона, имеет длину 2πV ω = 2π 1 − β 2 2π = = λ Б в силу того, что фазовая скорость волны V и скорость m0υ p mc 2 . Если электрон движется по круговой орбите, то υ υ спустя время τ волна догонит электрон: Vτ = 0 + υτ , откуда τ = 2 0 2 , 0 - длина c (1 − β ) орбиты. Фаза электрона к этому моменту должна соответствовать целому числу колебаний, m0 0υ p 2π т.е. ωτ = = 0 = 2πn ⇒ 0 = n = λ Б n ⇒ pr0 = n , p − импульс, r0 − радиус 2 p 1− β электрона υ связаны V = c2 , а ω= стационарной орбиты. Де Бройль получил физическое объяснение второго постулата Бора. 6 законченный математический аппарат ему не удалось. В этой теории для многих физических величин, связанных с частицей, получались бесконечные значения, от которых трудно было избавиться в рамках развиваемой линейной теории. Победила копенгагенская интерпретация квантовой механики, основанная на статистической интерпретации волновой функции, принципах неопределенности Гейзенберга и дополнительности Бора. Вклад Л. де Бройля в создание квантовой механики получил высокую оценку научного сообщества, в 1929 г. ему была присуждена Нобелевская премия по физике «за открытие волновой природы электрона». После 1928 г. в жизни Л.де Бройля наступил период, связанный с активной общественной и педагогической деятельностью, которая способствовала развитию теоретической физики во Франции. Большое значение для углубления отдельных вопросов квантовой механики и ее популяризации сыграли многочисленные монографии Л. де Бройля, представляющие собой издания курсов лекций, прочитанных им в разное время в Институте Анри Пуанкаре. История квантовой механики достаточно полно изучена, произведена историческая реконструкция развития физических идей и событий, которые привели в 1927 г. к созданию квантовой механики. Подробно исследованы фундаментальные работы первооткрывателей, определены их вклад и место в истории квантовой механики. При этом Луи де Бройлю в историографии квантовой механики уделяется недостаточно внимания, неизвестны комплексные исследования, посвященные его роли в развитии квантовой механики. Некоторые работы де Бройля, написанные в период создания квантовой механики, недостаточно полно изучены. В связи с этим в истории становления квантовой механики остается не вполне выясненным происхождение и решение проблемы дуализма материи. Отсутствуют работы, посвященные генезису фундаментального открытия, сделанного Л. де Бройлем в 1923 г. незадолго до появления квантовой механики. Также есть пробелы в анализе диссертации де Бройля, сыгравшей решающую роль как в разработке Э.Шредингером волновой механики, так и в экспериментальном открытии 7 явления дифракции электронов. В историографии квантовой механики не уделено внимание той высокой оценке комиссии, перед которой Луи де Бройль защищал свою диссертацию. Отзыв на диссертацию, подписанный П.Ланжевеном и Ж.Перреном, был опубликован только в 1991 г. и до настоящего времени этот важный документ оставался неизученным. Не в полной мере выявлены связи и влияние Луи де Бройля на других основоположников квантовой механики, не исследованы вопросы восприятия его идей научным сообществом. Из-за недостаточной изученности работ де Бройля, документов, касающихся его жизни и научной деятельности, в истории квантовой механики имеется ряд неточностей, белых пятен и даже мифов. В современной зарубежной и отечественной литературе можно отметить недостаточное внимание к роли Л. де Бройля в развитии квантовой механики. Многие труды де Бройля не переведены с французского языка, даже на родине великого ученого не издано собрание его научных трудов. Научное наследие Л. де Бройля огромно, оно представляет большой интерес как для историков науки, так и для специалистов в разных областях физики. Де Бройлем написано много книг, касающихся истории и философии науки. Его многочисленные научные статьи еще ждут своего часа для подробного исследования. Усилиями Фонда Луи де Бройля, возглавляемого учеником де Бройля Ж.Лошаком, ведется работа по сохранению научного наследия великого физика. В рамках этого направления в России при поддержке Фонда Луи де Бройля в 2010–2013 гг. было осуществлено издание избранных научных трудов Л. де Бройля в трех томах на русском языке, в подготовке которого принимала участие автор диссертации. Масштаб личности Луи де Бройля и его роль в развитии квантовой механики, с одной стороны, и недостаток внимания к его научному наследию, с другой стороны, дает основание говорить об актуальности данного исследования для истории квантовой механики. Объектом исследования являются история возникновения и эволюция концепций квантовой механики в 20-е гг. XX в. 8 Предмет исследования – жизнь и научное творчество Луи де Бройля в первой трети XX века и его роль в становлении и развитии квантовой механики. Целью настоящей работы является проведение исторической реконструкции идей и событий, явившихся истоками физической концепции де Бройля о корпускулярно-волновом дуализме материи, исследование роли Л. де Бройля в формировании и развитии квантовой механики, и в распространении нового научного знания. Достижение поставленной цели автор видит в решении следующих задач: • выполнить на базе первоисточников целостный историко-научный анализ трудов Л. де Бройля в период 1922–1927 гг.; • выделить особенности личности, образования и мировоззрения ученого, которые оказали решающее воздействие на формирование его научных взглядов, позволили сформулировать и решить проблему дуализма материи; • исследовать генезис концепции Л. де Бройля о корпускулярно-волновом дуализме материи, в котором были переплетены различные факторы, такие как гипотезы Планка о кванте действия и Эйнштейна о квантах света; французская научная мысль и научно-философские традиции, исследования рентгеновских лучей в лаборатории Мориса де Бройля; • выполнить анализ диссертации де Бройля и показать ее историческое значение для развития работ А.Эйнштейна по квантовой статистике, Э.Шредингера – по установлению волновой механики, выявить роль диссертации в открытии дифракции электронов; • рассмотреть основные этапы формирования «теории двойного решения» де Бройля, на основе которой он пытался выявить физический смысл сосуществования «корпускул» (частиц материи) и ассоциированных с их движением волн, показать ее место в истории квантовой механики; • осветить деятельность Л. де Бройля на посту научного руководителя кафедры и семинара по теоретической физике в Институте Анри Пуанкаре; 9 • рассмотреть восприятие работ Л. де Бройля по волновой механике в СССР и их влияние на развитие квантовой механики в СССР. Основные группы источников Основными первоисточниками исследования служили как оригинальные научные труды Луи де Бройля (в диссертации, впервые на русском языке, приведена полная библиография его работ), так и архивные документы Института Франции (архив Французской Академии наук, фонд Л. де Бройля: Archives de l’Académie des Sciences, 42J – Fonds Louis de Broglie). Существующую историко-научную литературу, на которую опирается данное исследование, можно разбить на три группы. Первую группу источников составляет литература, посвященная рассмотрению личности де Бройля, его происхождения, семейного окружения, особенностей образования. К ней относятся воспоминания самого Л. де Бройля (L. de Broglie, 1962), его брата М. де Бройля (M. de Broglie, 1953) и сестры П. де Бройль (Сomtesse J.de Pange, 1965). Биография де Бройля наиболее полно представлена в книге «Принц науки» (Ж.Лошак, 1992), особенности аристократической культуры на примере семьи де Бройлей исследованы в статье «Аристократическая культура и занятие наукой» (M.Nye, 1977). Личные впечатления от встреч с де Бройлем, интервью с де Бройлем и переписка де Бройля и Эйнштейна, состоявшаяся в 1952 г. по поводу интерпретации квантовой механики, рассмотрены в публикациях Б.Г. Кузнецова (1967, 1982, 1984). Вторую группу источников представляют исследования, посвященные отдельным вопросам научной деятельности де Бройля. Среди отечественных авторов – известные исследования Л.С.Полака оптико-механической аналогии, использованной де Бройлем при открытии им корпускулярно-волнового дуализма. На достижения де Бройля в контексте развития квантовой механики указывается в сборниках работ отечественных историков науки, посвященных 50-летию квантовой механики (50 лет квантовой механики. Под ред. Л.С.Полака, 1979), 100-летию квантовой теории (100 лет квантовой теории, 10 2002), а так же в статьях зарубежных авторов, посвященных шестидесятилетию де Бройля (Louis de Broglie. Physicien et penseur, 1953), его девяностолетию (Quantum, space and time. The quest continues studies and essays in honour of Louis de Broglie, Paul Dirac, Eugene Wigner, 1982) и столетию со дня его рождения (Waves and particles in light and matter, 1994). Третью группу составили многочисленные монографии и обзоры, посвященные истории квантовой механики как отечественных авторов (И.С. Алексеев, Н.Ф.Овчинников, А.А.Печенкин, 1984; М.А.Ельяшевич, 1977; О.В.Кузнецова,1997; Я.Г.Дорфман, 2011; А.Б.Кожевников, 1997; В.П.Милантьев, 2009), так и зарубежных (М.Джеммер, 1985; А.Пайс, 2002; Э.Уиттекер, 2001; Ф.Хунд, 1980; Б.Витон (B.Wheaton),1983; Д.Мехра (J.Mehra), 2001; Ж.Бакягалуппи и А.Валентини (G.Bacciagaluppi, A.Valentiny), 2009). Все они позволяют восстановить ход событий и их связь на пути утверждения корпускулярно-волнового дуализма, выявить в открытии Л.де Бройля предшествующие достижения в физике и показать его влияние на дальнейшее развитие квантовой механики. В зарубежной литературе известны исследования, в которых уделяется внимание отдельным вопросам, связанным с вкладом Л.де Бройля в развитие квантовой механики. В частности, обращается внимание на влияние, которое оказали на де Бройля работы Эйнштейна, а также анализируется реакция Шредингера на идеи де Бройля в статье В.Рамана и П.Формана (V.Raman, P.Forman, 1969). Диссертация де Бройля обсуждается в статье Э.МакКинона (E.MacKinnon, 1976). Вопросам происхождения волновой концепции де Бройля посвящены работы Б.Витона (B.Wheaton, 1983, 2006). В Архиве истории квантовой механики, созданном в 1962–1964 гг. в США группой, возглавляемой Т.Куном, описаны архивные материалы, касающиеся научной деятельности почти всех первооткрывателей квантовой механики. Интервью Л. де Бройля, которое он дал Куну, позволяет проследить этапы формирования волновой концепции. В еще одном интервью Л. де Бройля немецкому историку науки Ф.Кубли (F. Kubli), которое состоялось 29 ноября 1968 г. и опубликовано в «Анналах Фонда Луи де Бройля» (Annales 11 de la Fondation Louis de Broglie, 1992), содержится ретроспективный взгляд де Бройля на историю возникновения волновой механики, который помогает реконструировать путь ученого к открытию. Большое значение для распространения идей де Бройля в СССР имели статьи, опубликованные в ведущем физическом журнале «Успехи физических наук» (УФН), а также историко-научные заметки Б.Г.Кузнецова в журнале «Вопросы истории естествознания и техники» (ВИЕТ, 1982). На этапе формирования квантовой механики статьи в УФН Я.И.Френкеля (1924), И.Е.Тамма (1926), Н.Н.Андреева (1927), С.И.Вавилова (1930), посвященные отдельным аспектам достижений Л.де Бройля, определили активное восприятие и развитие волновой механики в СССР. Методы работы включали историко-научный анализ трудов де Бройля и других ученых исследуемого периода, выявление основных факторов, определяющих научные исследования де Бройля, обработку архивных материалов, перевод оригинальных статей и документов на русский язык и их комментарии. Теоретико-методологическую основу исследования составляет, в первую очередь, сочетание общенаучных методов и принципов исследования и, прежде всего, принципов научной объективности и историзма. Для решения поставленных задач были использованы специально-исторические принципы научного познания, к которым относятся хронологический, системный, комплексный анализ источников. Опираясь на принцип историко-научного анализа, была проведена реконструкция пути Л. де Бройля к открытию корпускулярно-волнового дуализма материи. Основные положения, выносимые на защиту 1. Роль Луи де Бройля в истории физики определяется концептуальными вопросами, возникшими в начальный период теми развития квантовой механики, в решении которых он принимал участие. Одной из самых значимых проблем при зарождении квантовой механики явилась концепция дуализма света. Статьи де Бройля 1922 г. стали развитием идеи 12 квантов света, в них он впервые предложил рассматривать «световые атомы», как частицы с бесконечно малой массой, движущиеся со скоростями, зависящими от их частоты, очень близкими к скорости света. «Световые атомы» могут объединяться в молекулы и подобные объединения квантов света, движущихся не независимо, а когерентно, дают возможность корпускулярной интерпретации явления интерференции света. Но при этом оставался ряд явлений, которые можно было описать только с помощью волновых представлений о свете. 2. Если проблема дуализма света осознавалась многими учеными, после квантовой гипотезы Эйнштейна в период с 1905 г. по 1924 г. велись поиски теории, описывающей корпускулярно-волновой дуализм излучения, то проблемы корпускулярно-волнового дуализма вещества не существовало вплоть до того момента, пока ее не обозначил Л. де Бройль. Происхождение концепции дуализма материи связано непосредственно с попыткой решения проблемы дуализма света. 3. В 1923 г. Луи де Бройль открыл фундаментальный принцип корпускулярно-волнового дуализма материи, представив единую физическую концепцию, в основе которой лежали представления о симметрии между веществом и излучением. Де Бройль, приписав конечную массу фотонам ( m0 < 10 −50 г.), ввел их в общую схему рассматриваемых частиц, и выдвинул гипотезу о том, что с движением частицы ассоциировано распространение некоторой волны. С помощью этой гипотезы он объяснил существование стационарных орбит в атоме Бора, явления интерференции и дифракции света, получил формулу Планка для плотности энергии. Экспериментальным подтверждением гипотезы де Бройля явилась дифракция электронов. 4. В представленной схеме генезиса волновой концепции Л. де Бройля проанализированы различные факторы. Среди них – гипотезы М.Планка (1900г.) и А.Эйнштейна (1905 г.), оптико-механическая аналогия, развитая У.Гамильтоном (1828г.), экспериментальные 13 исследования свойств рентгеновского излучения, французские научные и научно-философские традиции. 5. В докторской диссертации де Бройль развил свои ранние результаты, рассмотрел применения выдвинутых гипотез – фазовой волны, образование пакета фазовых волн и их распространение со скоростью, равной скорости микрочастицы, к решению проблем, связанных с поведением микрочастиц. Им была обоснована глубокая мысль о том, что новая механика, описывающая движение микрочастиц, относится к старой так, как волновая оптика к геометрической. Реализовать свою мысль о создании новой динамики микрочастиц де Бройль не пытался, его интересовали вопросы физической природы периодического процесса, связанного с движением материи. После изучения диссертации де Бройля Э.Шредингер приступил к поискам волнового уравнения, записал его для нерелятивистской частицы, обладающей массой, и вывел из него строгий метод решения квантовых задач. 6. Попыткой физической интерпретации корпускулярно-волнового дуализма явилась «теория двойного решения», работу над которой де Бройль начал одновременно с разработкой гипотезы о волнах материи. Его целью было получить слитный образ волны и частицы, который в волновой механике Шредингера принял смысл только волновой функции Ψ, без определения локализованных частиц. Введя нормировку волны Ψ, М.Борн придал ей смысл характеристики вероятностного распределения, которое приводит к большому числу точных предсказаний поведения микрочастиц. Разработка теории с представлением о микрочастице как об очень малом локализованном объекте, движущемся по траектории, велась де Бройлем с сохранением статистического смысла волны Ψ, и привела его к образу частицы пилотируемой своей волной. Существовал ряд математических трудностей, и их осознавал сам де Бройль, которые не позволили ему создать математический аппарат для развиваемых представлений. По этой причине де Бройль оставил попытки развития своей интерпретации и присоединился к вероятностной интерпретации квантовой механики. 14 Научная новизна диссертации состоит в том, что впервые проведено комплексное изучение научного творчества Л. де Бройля в период с 1919 по 1930 гг. в тесной связи с развитием квантовой механики. Эта новизна конкретизируется в следующих положениях: 1) дана оценка научного мировоззрения де Бройля с учетом рационалистических идей, характерных для французской научной мысли конца XIX – начала ХХ веков. Показано, что открытие, сделанное де Бройлем в 1923 г., явилось качественным скачком в понимании процессов окружающего мира и в значительной степени связано с особым типом мышления и научным одиночеством Л. де Бройля. Выявлены интуитивные положения, используемые де Бройлем – о верхней границе массы фотона, о когерентном движении «атомов света», которые могут объединяться в молекулы, для развития квантовой гипотезы Эйнштейна. Эти положения де Бройля нашли свое подтверждение в дальнейшей эволюции физической мысли; 2) раскрыта роль дуализма света в происхождении и решении проблемы дуализма материи. Показано значение работ А.Эйнштейна по корпускулярной теории света, оказавших влияние на формирование де Бройлем концепции волновых свойств электрона. Комплексный анализ статей де Бройля и архивных источников позволил утверждать, что считавшиеся «истинным предшественником волновой механики» статьи М.Бриллюэна 1919–1920 гг. самим де Бройлем рассматривались как некая «туманная аналогия»; 3) выявлены основные факторы в генезисе открытия корпускулярноволнового дуализма материи, среди которых наибольший вес имела оптикомеханическая аналогия; 4) введен в научный оборот отзыв П.Ланжевена и Ж.Перрена на научную диссертацию Л. де Бройля, который развенчивает сложившееся в истории квантовой механики утверждение о том, что диссертация была принята только благодаря покровительству со стороны А.Эйнштейна; 15 5) установлен приоритет Л. де Бройля в получении релятивистского волнового уравнения для частиц с нулевым спином. Статья де Бройля, в которой содержится вывод этого уравнения, была направлена в журнал «Сomptes Rendus de l’Académie des Sciences» 19 июля 1926 г., раньше, чем статья В.А.Фока «Об инвариантной форме волнового уравнения и уравнения движения для заряженной материальной точки»5 (30 июля 1926 г.) в «Zeitschrift für Physik», и статей О.Клейна и Т. де Дондера с выводом этого уравнения. 6) впервые проведен анализ научно-педагогической деятельности Л. де Бройля, который позволил сделать вывод о существовании научной школы, созданной им в Институте Анри Пуанкаре. Формой существования этой школы являлся научный семинар, известный далеко за пределами Франции; 7) впервые рассмотрен вопрос о восприятии идей де Бройля и Шредингера научным сообществом в СССР, и показана связь Л. де Бройля с отечественными физиками; 8) рассмотрена оригинальная интерпретация квантовой механики, предложенная Л. де Бройлем на пятом Сольвеевском конгрессе в 1927 г., которая представляет интерес для современного физического познания. Практическая значимость работы Работа восполняет пробел, имеющийся в отечественной историографии, который связан с анализом и оценкой вклада Луи де Бройля в становление и развитие волновой механики и в целом в развитие квантовой механики. В диссертации содержится полная библиография научных работ Л. де Бройля на русском языке, которая может использоваться для дальнейших исследований. Впервые публикуется перевод на русский язык отзыва на диссертацию де Бройля, подписанный П.Ланжевеном и Ж.Перреном. Выполненные переводы доклада Л. де Бройля и материалов дискуссии на пятом Сольвеевском конгрессе позволяют полнее представить картину событий, происходивших на 5 Перевод статьи: Фок В.А. Об инвариантной форме волнового уравнения и уравнения движения для заряженной материальной точки// УФН. 2010. Т.180. №8. С.874-877. 16 конгрессе в 1927 г., а также представляют определенный интерес для исследования вопросов интерпретации квантовой механики. Материалы диссертационной работы могут быть использованы при чтении курсов физики и истории науки в высших учебных заведениях, при составлении учебных и методических пособий, при написании историко-научных работ. Теоретическое значение работы состоит в освещении первых этапов становления и развития квантовой механики, связанных с периодом научного творчества Л. де Бройля. В диссертационной работе исследовался один из концептуальных вопросов квантовой механики – происхождение и решение проблемы дуализма материи. Показан вклад Л. де Бройля в создание основ квантовой механики и его роль в распространении нового научного знания. Материалы и результаты проведенного исследования были использованы в курсе лекций по физике в Московском государственном университете печати им. Ивана Фёдорова и используются в курсе лекций по физике в Московском автомобильно-дорожном государственном техническом университете (МАДИ). Апробация результатов исследования. Основные положения и выводы диссертации отражены в 1 монографии, а также в 14 статьях, вышедших в различных журналах и сборниках, включая 10 публикаций в журналах, входящих в перечень изданий ВАК Минобрнауки РФ. Результаты диссертационного исследования обсуждены на заседаниях кафедры «Физика» Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ), а также на семинарах ИИЕТ РАН и «Метафизика» на физическом факультете МГУ. Материалы диссертационной работы докладывались на: • международных конференциях по проблемам современной физики: Colloquium of Physics in collaboration with the Academy of Sciences of Russia and the Foundation Louis de Broglie “Magnetic monopoles and the foundations of modern physics” – «Магнитные монополи и основания современной физики» (Париж, 2010, 2011 гг.); 17 • международных конференциях «Физика в системе современного образования» (Волгоград, 2011 г.; Петрозаводск, 2013 г.); • годичных научных конференциях Института истории естествознания и техники им. С.И.Вавилова РАН (2012, 2013 гг.) Структура и объем диссертации включает введение, семь глав, заключение, библиографический список и приложения. Объем диссертации составляет 354 страниц, 3 таблицы, 20 рисунков и 14 фотографий. Список цитированной литературы состоит из 333 наименований. 2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы, выявлена степень её изученности, сформулированы цели и задачи, определены хронологические границы исследования, его методологические основы, характеризуются основные группы источников, определяются научная новизна и практическая значимость работы, формулируются основные положения, выносимые на защиту. В первой главе «Личность Луи де Бройля» дается комплексный анализ мировоззрения и основных этапов жизни учёного. В рамках следующих параграфов: §1.1.«Особенности научного стиля Л. де Бройля», §1.2. «Происхождение, образование, «семейная наука», §1.3. «Проблема научного одиночества», §1.4. «Влияние французской научной мысли на мировоззрение Л. де Бройля» решалась задача выявления особенностей личности де Бройля, связанных с его происхождением, образованием, мировоззрением, которые имели большое значение в будущем становлении его как ученого. Были определены три основных этапа в жизни Л. де Бройля (хронология жизни Л. де Бройля приведена в Приложении 1). I этап (1908–1919 гг.) – это время формирования его мировоззрения, определения жизненных приоритетов и научных ценностей. II этап (1919–1929 гг.) – время самой плодотворной деятельности де Бройля в научной сфере, когда им было совершено теоретическое открытие корпускулярно-волнового дуализма. Начало III этапа 18 (1930–1962 гг.) связывается нами с преподавательской и общественнопросветительской деятельностью. В диссертации показано, что на I этапе формирования и становления Луи де Бройля как исследователя и ученого с мировым именем особое влияние оказали семья де Бройлей, его образование и французские научные и научно философские традиции. Научно-ориентированная семья де Бройлей, в которой трое из четырех детей выбрали себе занятие наукой, и добились, каждый в своем направлении, значительных успехов, является важной исходной предпосылкой статусного становления Л. де Бройля как ученого. Выявлено влияние старшего брата М.де Бройля на I этапе, которое заключалось, прежде всего, в вовлечении в научную деятельность по исследованию свойств рентгеновского излучения. Показано также, что важной исходной предпосылкой формирования научного мировоззрения Л.де Бройля явилась французская научная мысль, неразрывно связанная с именами: Р.Декарта, Ж. Лагранжа, О.Френеля, С.Карно, А.Пуанкаре, П.Ланжевена. Первое, историческое, образование Л.де Бройля помогло ему увидеть историко-научную проблему, какой являлась проблема дуализма света, и обосновать свою идею корпускулярно-волнового дуализма, как для света, так и для всей материи. Показано влияние на Л.де Бройля оригинальных идей французских философов А.Бергсона − о времени, длительности и движении и Э.Мейерсона, относящихся к логике и методологии научного познания. В идеях Бергсона он увидел эволюцию основных понятий физики, связанных с движением, они подталкивали к изменению научного взгляда на мир в связи с накопившимися эмпирическими фактами, не укладывающимися в привычные представления. Важным для понимания открытия, сделанного де Бройлем, является его представление о том, что современная наука – это лишь временная ступень, подготавливающая будущее, а в ее открытиях содержатся достижения прошлого. Открытие корпускулярно-волнового дуализма материи является одним из примеров движения научной мысли по спирали, когда осуществляется синтез представлений, на первый взгляд кажущихся противоречивыми, какими являлись представления о дискретности и непрерывности. 19 Вторая глава материи» является «Генезис открытия корпускулярно-волнового дуализма центральной, и посвящена выявлению условий, способствовавших появлению идеи Л. де Бройля о волновых свойствах материи, а также факторов, сыгравших основную роль в формировании этой идеи. В § 2.1. «Три статьи Л. де Бройля в «Докладах Французской Академии наук» (1923 г.)» рассмотрен начальный этап переходного периода в истории создания волновой механики, который связан с опубликованием в сентябреоктябре 1923 г. кратких сообщений Л. де Бройля в докладах Французской Академии наук. Окончанием этого переходного периода стали статьи Э.Шредингера, объединенные в цикл «Квантование как задача о собственных значениях» и опубликованные в середине 1926 г. Показана эвристическая ценность трех статей де Бройля для дальнейшего развития им идеи корпускулярно-волнового дуализма материи. Впервые в статье «Волны и кванты» де Бройль принял единый подход в описании свойств излучения квантов света и частиц материи, таких как электроны. Для дальнейшего развития идей де Бройля фундаментальное значение имело придание квантам света бесконечно малой массы. Де Бройль впервые четко сформулировал утверждение о том, что вопрос о массе фотона – это вопрос не теоретический, а экспериментальный, и сделал оценки верхней границы для массы фотона6. Основные идеи первой статьи 1923 г., которая насчитывает всего три страницы, явились ядром будущей концепции Л. де Бройля. Можно выделить следующие положения этой статьи: 1. Квант света можно рассматривать так же, как и любую материальную частицу, например, электрон. 2. Все частицы обладают ненулевой массой покоя, и их скорости меньше скорости с, которая является предельной скоростью света. 3. Для всех частиц можно применить соотношения E = hν 0 и E = m0 c 2 . 6 В статье: Кобзарев И.Ю., Окунь Л.Б. О массе фотона//УФН. 1968. Т.95. В.1. С.131-137 сделана оценка верхней границы массы фотона. В вычислениях де Бройля обнаружена опечатка, следуя его пути, авторы получили mγ ≤ 10 −38 г. 20 4. Все частицы обладают внутренними колебаниями, частота которых определяется как ν0 = m0c 2 / h . 5. Движение любой частицы ассоциировано с распространением волны, υ обладающей фазовой скоростью V = c β и частотой ν = ν0 / 1 − β2 , где β = ,υ с скорость частицы. 6. Колебания частиц и колебания сопровождающей их волны находятся в одинаковой фазе. 7. При движении частицы по замкнутой траектории, движение будет стабильным, если на длине траектории укладывается целое число длин фазовых волн. Во второй своей статье «Кванты света. Дифракция и интерференция» де Бройль впервые вводит понятие «новая динамика» для движущихся тел и показывает ее отличие от «прежних» динамик Ньютона и Эйнштейна. Он предлагает рассматривать в каждой точке траектории движение свободного тела вдоль луча соответствующей фазовой волны, т.е. вдоль перпендикуляра к поверхностям равной фазы волны. Здесь же де Бройль дает объяснение возникновения интерференционной картины фазовых волн, которое ранее вызывало затруднения, при использовании понятия квантов света. В третьей статье «Кванты, кинетическая теория газов и принцип Ферма» де Бройль рассмотрел статистические свойства газа, атомы которого обладают волновыми свойствами. Показано, что идея рассмотрения газа, как системы фазовых волн, принадлежит де Бройлю. На год раньше, чем Ш.Бозе, де Бройль с помощью фазовых волн нашел выражение для числа стационарных волн, содержащихся в единице объема такого квантового газа в некотором интервале частот. Он показал, что формула, полученная с помощью фазовых волн, совпадает с законом Максвелла для идеального газа и с формулой Планка для световых атомов. Этот способ, впервые примененный де Бройлем, станет через два года основой квантовой статистики Бозе-Эйнштейна. На значение идеи де Бройля о фазовых волнах для понимания статистических свойств идеального газа указал А. Эйнштейн в своей работе «Квантовая теория одноатомного идеального газа: 21 второе сообщение». В §2.2.«Проблема корпускулярно-волнового дуализма света» прослеживаются две основополагающие тенденции в рассмотрении природы излучения: корпускулярная и волновая. Показано, что представление о волнах вещества, сформулированное де Бройлем, своими корнями уходит к дуализму света (рис.2). Эйнштейн в 1905 г. восстановил представление И.Ньютона о свете как потоке частиц, которые он назвал квантами света. Концепция дуализма света неявно присутствовала в работах Эйнштейна «К современному состоянию проблемы излучения» и «О развитии наших взглядов на сущность и структуру излучения» (1909 г.). В этих статьях Эйнштейн отстаивал законность корпускулярного описания излучения, но не предлагал способа объяснения интерференции света или полученного им волнового члена в формуле флуктуации энергии. Вплоть до 1927 г. проблема дуализма света оставалась не решенной, принимались различные попытки, и только квантовая электродинамика позволила связать воедино понятия вещества и поля. Излучение Ньютон, Эйнштейн Гюйгенс, Френель Волна Частица Демокрит, Ньютон де Бройль Вещество Рис. 2. Схематическое представление исторического развития идей об излучении и веществе В §2.3. «Эмпирические результаты по исследованию природы света» анализируется творчество учёных, которые своими экспериментальными исследованиями подтверждали корпускулярную квантовую природу излучения. Среди этих экспериментов можно выделить два направления: фотоэффект и рентгеновские лучи. После открытия фотоэффекта Г.Герцем и систематических 22 исследований этого явления А.Столетовым последовали эксперименты Дж.Дж.Томсона и Ф.Ленарда, объяснение которых дал Эйнштейн с помощью квантов света. Но более значительную роль в открытии дуализма света сыграли эксперименты, связанные с изучением свойств рентгеновского излучения. Впервые Дж.Дж.Томсон в 1903 г. предположил существование «сгустков энергии» в этом излучении, а У.Брэгг в 1911 г. интерпретировал свои эксперименты с рентгеновскими лучами на основе корпускулярной гипотезы. Взгляды Брэгга разделяли и другие экспериментаторы, среди которых был и М. де Бройль. В 1919 г. Л. де Бройль начал активную научную деятельность в лаборатории связанных старшего с брата, исследованиями участвуя в фотоэффекта, экспериментальных вызванного работах, рентгеновским излучением. В первых статьях де Бройля, которые назывались «О вычислении граничных частот К- и L - полос поглощения тяжелых элементов» (1920 г.) и «О поглощении Х-лучей веществом и о принципе соответствия» (1920 г.), анализировались экспериментальные результаты, полученные в лаборатории М.де Бройля. Исследования электронной структуры атомов с помощью рентгеновских лучей убеждали в корпускулярной структуре этих лучей, и ставили вопрос о природе рентгеновского излучения. В §2.4.«Зарождение квантовой теории света» анализируется существование тесной взаимосвязи между гипотезой Эйнштейна о квантах света и работами де Бройля «Излучение абсолютно черного тела и кванты света» и «Об интерференции и теории квантов света» (1922 г.). Проведенный анализ позволил сделать вывод о том, что в последней статье де Бройля содержится наиболее четкое выражение корпускулярно-волнового дуализма света, которое существовало на тот момент времени. Преобразовав формулу флуктуации энергии в излучении абсолютно черного тела, полученную Эйнштейном в 1909 г., де Бройль пришел к следующему выводу. С помощью квантов света можно объяснить явление интерференции, если представить существование совокупностей атомов света (молекул), движущихся не независимо, а когерентно. В §2.5. «Экспериментальные исследования Х-лучей 1921–1923 гг. и попытки создания 23 квантовой теории» показана роль экспериментальных исследований с участием рентгеновских лучей в создании квантовой теории. Работы А.Комптона и У.Дуана по исследованию рассеяния на свободных электронах и дифракции на кристаллах с помощью рентгеновского излучения, выполненные в период 1921–1923 гг., подтверждали квантовую природу рентгеновского излучения. Для объяснения своих экспериментов и Комптон и Дуан привлекали гипотезу квантов света. Именно после открытия Комптона Н.Бор принял гипотезу Эйнштейна о квантах света, и использовал ее для создания квантовой теории излучения. Для объяснения еще одного типичного волнового явления – эффекта Доплера – Шредингер в 1922 г. также применил представление о квантах света, испускаемых в направлении движения атома. Однако оставался целый ряд явлений волновой оптики, которые не поддавались описанию на языке квантов света. Попыткой корпускулярно-волновой создания природы теории, дающей слитный излучения, явилась статья образ Н.Бора, Х.Крамерса, Дж.Слетера (1924 г.). В ней содержалась констатация дуализма прерывного и непрерывного в процессах взаимодействия вещества и излучения, и впервые была предложена концепция вероятности для объяснения интерференционных явлений света. Теория Бора, Крамерса, Слетера не выдержала экспериментальной проверки, и была опровергнута, но для создания квантовой механики она имела большое значение. В этой теории берет свое начало статистическая интерпретация волновой функции. Поиски новой квантовой теории велись многими учеными, среди которых были Л.Бриллюэн, М.Вольфке, В.Боте. К этому направлению работ относились и статьи Л. де Бройля, опубликованные в 1923 г. В §2.6. «О влиянии А.Эйнштейна и А.Пуанкаре на Л. де Бройля» рассмотрено воздействие двух самых авторитетных ученых в начале ХХ века, которое испытывал де Бройль на этапе материи. формирования Это влияние концепции корпускулярно-волнового прослеживается с момента работы дуализма Первого Сольвеевского конгресса в 1911 г., когда де Бройль впервые обратил свое внимание на проблему квантов света. Эйнштейн сыграл важную роль в научной 24 жизни де Бройля, начиная с гипотезы квантов света, которую воспринял де Бройль, и далее, в поддержке волновой концепции де Бройля, к которой вначале научное сообщество проявляло скептическое отношение. Если определенные отношения между де Бройлем и Эйнштейном существовали на протяжении длительного периода времени (существует их личная переписка, различные взаимные отзывы, доклад де Бройля во Французской Академии наук, посвященный памяти Эйнштейна (1955 г.)), то влияние Пуанкаре было особенно сильным в период становления де Бройля как физика-теоретика. Пуанкаре умер в 1912 г. и не участвовал в создании квантовой механики, но своими книгами по математической физике, философии науки он воздействовал на формирование научного интеллекта молодого поколения, к которому принадлежал Л. де Бройль. В работах Пуанкаре можно увидеть истоки мыслей де Бройля о симметрии между светом и веществом. В статье Пуанкаре, связанной с проблемами объяснения линейчатости спектров излучения атомов, де Бройль нашел указание на «важнейший секрет природы», который связан с существованием квантов. Возможно, Пуанкаре повлиял на рождение интуитивного убеждения де Бройля о том, что согласно какому-то великому закону природы, каждая порция энергии связана с частотой периодического процесса. На статью Пуанкаре «О теории квантов», опубликованную им в последний год жизни, де Бройль обращает внимание в «Историческом обзоре» в своей диссертации. Пуанкаре был близок де Бройлю по многим вопросам, относящимся к философии науки, в частности, вопросам вероятности и детерминизма. В §2.7.«Проблемы излучения, обсуждавшиеся на первом Сольвеевском конгрессе» акцентируется внимание на историческом событии, повлиявшем на развитие квантовых представлений в физике, ставшем важной вехой в биографии де Бройля. Этот конгресс занимает в истории квантовой механики особое место, он обозначил, и заострил разногласия по поводу введения дискретности в теорию излучения света. Для де Бройля он означал событие, с которого начинался его научный интерес и размышления, связанные с сосуществованием волн и частиц сначала для света, 25 а затем и для всей материи в целом. В §2.8. «Оптико-механическая аналогия» показаны место и роль оптико-механической аналогии в открытии де Бройлем фазовых волн. Оптико-механическая аналогия вариационных принципах геометрической оптики берет свое начало в (П.Ферма, 1662 г.; Х.Гюйгенс, 1678 г.), которые были обобщены П.Мопертюи в 1744 г. в виде принципа наименьшего действия. В 1762 г. Ж.Л.Лагранж представил описание общего решения вариационной задачи в механике, а позже Л.Эйлер дал строгое обоснование вариационным методам. Следующий шаг в развитии принципов Ферма и Мопертюи был сделан У.Гамильтоном в 1828 г. Он показал, что функция действия S для материальной частицы удовлетворяет некоторому дифференциальному уравнению в частных производных, и, что значение этой функции дает полное решение механической проблемы: p = gradS . Поверхности равного действия ортогональны к траекториям частиц так же, как поверхности равной фазы ортогональны к лучам света. В этом содержался намек на возможную связь движения частицы с движением волны. В истории развития оптико-механической аналогии был еще один этап, связанный с исследованиями Ф.Клейна в конце XIX в. перехода от волновой оптики к геометрической. Он анализировал дифференциальные уравнения эйконала и бегущей волны, которые, на первый взгляд, были различны, но при стремлении длины волны к нулю геометрическая оптика являлась приближением волновой. После открытия кванта действия h – постоянной Планка, оптикомеханическая аналогия приобрела завершенный вид благодаря вкладу Л. де Бройля. Для решения проблемы дуализма света де Бройль применил оптикомеханическую аналогию: луч, заданный волновым числом k и частотой ω , опишет аналогичную траекторию, что и материальная точка, обладающая пропорциональными k и ω импульсом р = k и энергией Е= ω . Он пришел к тем же формулам, что получил Эйнштейн в 1905 г., развивая квантовую теорию света как продолжение квантовой гипотезы Планка без использования оптикомеханической аналогии. На рис.3 представлена иллюстрация роли Л. де Бройля 26 в применении оптико-механической аналогии. Де Бройль был убежден, что двойственность существует везде, где присутствует постоянная Планка. Поскольку свойства электрона в стационарном состоянии атома описываются соотношениями, в которых содержится эта постоянная, то у него возникло предположение, что электрон не должен ничем отличаться от света. Оптикомеханическая аналогия подсказала де Бройлю аналогию в свойствах световых квантов и электронов. Кванты света, обладая бесконечно малой массой, движутся со скоростями, зависящими от их энергии (частоты), очень близкими к скорости света с. Один и тот же метод де Бройль применил, рассматривая дуализм света и дуализм частиц вещества. Оптико-механическая аналогия. Гамильтон, 1828-1837 Кванты света. Эйнштейн, 1905 Де Бройль, 1923 Корпускулярно-волновой дуализм излучения и вещества. Де Бройль, 1923 Рис. 3. Иллюстрация роли Л. де Бройля в применении оптико-механической аналогии В §2.9. «Схема генезиса идеи корпускулярно-волнового дуализма» подводится итог исследования происхождения концепции де Бройля о корпускулярно-волновом дуализме материи в виде схематичного изображения ключевых факторов. В схеме представлены разные по своему значению составляющие, которые вместе с гениальными способностями де Бройля привели его в 1923 г. к обоснованию фундаментального принципа природы (рис.4). Обратившись к актуальной в начале ХХ века проблеме дуализма света, де Бройль создал синтез оптики и механики, представив единую физическую концепцию. Гипотеза де Бройля о волновых свойствах материи явилась следующим звеном в цепи открытий, исходной точкой которых стала квантовая 27 гипотеза Планка. За гипотезой Планка последовала гипотеза Эйнштейна о квантах света, которая, в свою очередь, привела к проблеме дуализма света. Встретившись с этой проблемой в лаборатории М. де Бройля при исследовании свойств рентгеновского излучения, Л. де Бройль сначала предпринял попытки развить корпускулярные представления Эйнштейна о свете, показав, что с помощью квантов света можно объяснить явление интерференции. А.Эйнштейн, 1905г. Кванты света М.Планк, 1900 Квант действия А.Эйнштейн, 1905 СТО Генезис идеи корпускулярноволнового дуализма, 1923 г. Лаборатория М. де Бройля, Х-лучи Французские научные и научнофилософские традиции Оптико-механическая аналогия Рис. 4. Схема генезиса идеи корпускулярно-волнового дуализма Л. де Бройля Но проблема дуализма света требовала создания теории, которая бы объединяла и корпускулярные и волновые свойства. Решая эту проблему, де Бройль представил единую физическую концепцию, получившую свое подтверждение во всей физике. Концепция де Бройля явилась синтезом оптики и механики, синтезом не формальным, а физическим. Осознавая симметрию между светом и веществом, де Бройль обратился к оптико-механической аналогии, заключающейся в аналогии записи двух фундаментальных принципов. Каждый из них служил обобщением лишь одной области: в оптике– принцип Ферма, в механике – принцип Мопертюи. Оптико-механическая аналогия позволила де Бройлю осуществить переход от геометрических представлений к волновым в механике и впервые ввести в физику понятие «волновая механика». Идея де Бройля о волнах материи была во многом интуитивной, подтверждающих не имевшей к 1923 28 г. каких-либо экспериментов. Интуитивные тенденции, характерные для научного стиля де Бройля, сближают его с фундаментальной традицией французской научной мысли, уходящей своими корнями к представлениям Декарта «посредством фигур и движений». Геометрические образы луча, вдоль которого распространяются кванты света, рождали у де Бройля представления о движении тела по нормали к поверхности равного действия. Для того чтобы превратить действие в аналог фазы волны, де Бройль разделил действие на постоянную Планка , и получил безразмерную величину, такую же как фаза волны. Таким образом, постоянная Планка явилась величиной, объединяющей корпускулярные и волновые представления: Е= ω , р = k . Теория относительности позволила де Бройлю выдвинуть гипотезу о существовании фазовой волны, сопровождающей движение материальных частиц. Фазовая волна явилась результатом релятивистской инвариантности уравнения, впервые записанного де Бройлем: hν 0 = m0c 2 . Третья глава «Анализ и историческое значение диссертации Л. де Бройля» посвящена диссертации де Бройля на тему «Исследования по теории квантов». Диссертация была защищена в Сорбонне 25 ноября 1924 г. Экзаменационная комиссия во главе с П.Ланжевеном дала ей высокую оценку (копия отзыва на французском языке с подписями П.Ланжевена и Ж.Перрена и его перевод на русский дан в Приложении 5). В §3.1. «Восприятие диссертации» показано, что оно было неоднозначным: от непонимания и сомнения в верности идей, до прямого указания Эйнштейна на глубину волновой концепции де Бройля. Во многом диссертация осталась неизвестной для последующих поколений физиков ХХ века. Э.Шредингер при построении теории волновой механики использовал и развил только идею фазовых волн де Бройля, остались без внимания другие, новые для физики того времени, понятия, которые изложены, например, в главе «Статистическая механика и кванты». Анализ диссертации де Бройля выполнен в §3.2., в котором выделены для отдельного рассмотрения вопросы: «Обоснование выдвигаемых 29 идей», «Релятивистские фазовые волны», «Закон фазовой гармонии», «Волновые пакеты и групповая скорость», «Задачи, решенные с помощью фазовых волн», «Выводы и заключения диссертации». Физическая проблема, решению которой посвящена диссертация де Бройля, содержала также историко-научный аспект. С одной стороны, существовала многовековая история борьбы корпускулярной и волновой точек зрения на природу света, которая в 1905 г. получила свое новое развитие в виде теории квантов света, выдвинутой А.Эйнштейном. С другой стороны, существовала оптико- механическая аналогия, базирующаяся на аналогии в форме записи уравнения движения материальных частиц и уравнения распространение волн в пространстве. Постоянная Планка, имеющая размерность кванта действия, позволила де Бройлю придать физический смысл оптико-механической аналогии и рассматривать волновые свойства частиц вещества по аналогии с излучением. Де Бройль впервые объединил релятивистскую теорию Эйнштейна и квантовую теорию Планка, и назвал «великим законом природы» связь энергии, заключенной в массе m0 , и некоторого периодического процесса с частотой ν 0 : hν 0 = m0c 2 . Гипотеза де Бройля, которая стала основой развиваемой им в диссертации теории, заключалась в следующем утверждении. Внутри частицы происходит некий периодический процесс, частота которого в собственной системе отсчета равна ν 0 = m0c 2 . С помощью «теоремы о фазовой h гармонии» де Бройль доказал, что для наблюдателя, который следит за движением кванта энергии со скоростью υ , пульсации энергии будут представлять собой волны, распространяющиеся в пространстве со скоростью V = c2 υ . Волна, соответствующая внутреннему периодическому процессу с частотой ν1 = ν 0 1 − β 2 , где β = υ с (ν 1 измеряется движущимся наблюдателем), распространяется в одинаковой фазе с волной, возникающей в пространстве и сопровождающей перемещение материальной частицы. Частота колебаний в 30 ν0 этой волне равна ν = 1− β 2 . Де Бройль назвал эти волны фазовыми, позже появился термин «нематериальные волны», связанный с фазовой скоростью этих волн V, превышающей скорость света. На пути установления соотношения между распространением фазовой волны и движением частицы де Бройль получил равенство скорости движения частицы и групповой скорости пакета фазовых волн, образованного при наложении плоских монохроматических волн с очень близкими частотами. Приведенное де Бройлем доказательство равенства скорости движения частицы и групповой скорости фазовых волн, придает его общей схеме физическую пакета из согласованность и последовательность. В четвертой главе «Волновая механика де Бройля-Шредингера и экспериментальное подтверждение идей де Бройля и Шредингера» содержится анализ вопросов влияния диссертации Л. де Бройля на А.Эйнштейна, Э.Шредингера, В.Эльзассера. Схематичное изображение воздействия диссертации представлено на рис.5. Диссертация Л. де Бройля, 1924 А. Эйнштейн «Квантовая теория одноатомного идеального газа: второе сообщение», 1925 Э. Шредингер «Квантование как задача о собственных значениях», 1926 В. Эльзассер «Комментарии к квантовой механике свободных электронов», 1925 Рис. 5. Схематичное изображение воздействия диссертации де Бройля В §4.1 «О влиянии Л. де Бройля на А.Эйнштейна» рассмотрено влияние диссертации де Бройля на Эйнштейна в процессе построения им квантовой статистики. Диссертация помогла Эйнштейну понять физический смысл полученной им формулы для среднего квадрата флуктуации относительного числа молекул идеального газа. Одно из слагаемых в этой формуле Эйнштейн связал с интерференционными флуктуациями молекул газа, ссылаясь на 31 диссертацию де Бройля, в которой были рассмотрены волновые свойства молекул газа. На основании формулы, полученной де Бройлем, Эйнштейн сделал оценки длины волны, связанной с движением отдельных молекул. Он предсказал возможность наблюдения дифракции при низких температурах для газообразного гелия и водорода при длинах волн того же порядка, что и диаметр молекул. Статьи Эйнштейна с изложением новой квантовой статистики оказали большое влияние на Шредингера. В развитии их он написал статью «К Эйнштейновской теории газа», предшествующую серии его работ по волновой механике. При создании волновой механики Шредингер исходил из волновой концепции де Бройля, он использовал оптико-механическую аналогию Гамильтона, которая являлась предметом его размышлений еще до ее применения де Бройлем. В §4.2. «Развитие Э.Шредингером идей Л. де Бройля» показано, что Шредингер был во многом подготовлен к восприятию диссертации де Бройля. В одной из первых своих статей из цикла «Квантование как задача о собственных значениях» Шредингер пытался представить частицу как волновой пакет, т.е. как группу волн, занимающих определенную часть пространства, но из-за дисперсии такой пакет не сохраняется с течением времени. Поэтому в волновой механике Шредингера волны не связаны с частицами, в ней вообще не содержится конкретное представление о волновом процессе. Шредингер выбрал путь математического описания движения электрона в атоме. Выражения для частоты 𝜈 и фазовой скорости V, представленные де Бройлем в диссертации, сформировали отправную точку для работы Шредингера по созданию волнового уравнения. Он применил их для атома водорода с кулоновским полем 𝜑 = −𝑒/𝑟, и получил для фазовой волны, представленной в виде волновой функции ψ = ψ ( х, t ) , стационарное волновое уравнение: ∇ 2ψ = − релятивистского 4π 2ν 2 ψ . Это уравнение было первым вариантом 2 V волнового уравнения 32 для нахождения энергетических состояний атома водорода. Из-за расходимости с экспериментальными значениями энергии Шредингер перешел к нерелятивистскому приближению, в пределах низких энергий ! !! !! << 1 и ! !! ! ! << 1, и получил нерелятивистское не зависящее от времени уравнение Шредингера для одиночной частицы в потенциальном поле U − 2 2 ∇ ψ + Uψ = Eψ . 2m 0 Прочитав весной 1926 г. в рукописи статьи Шредингера по волновой механике, готовые к публикации, де Бройль вывел релятивистскую форму волнового уравнения Шредингера. В статье «Замечания по новой волновой механике»7 де Бройль получил уравнение для частицы с нулевым спином в виде: K 2( 1 ∂ 2u − Δu) = m0 2 c 2u , 2 2 c ∂t где им используется обозначение K = h 2π − 1 , u – функция, представляющая ассоциированную волну. Чтобы перейти к случаю движения электрона с зарядом е, де Бройль вводит четырехмерный вектор энергии-количества движения и вектор «мирового потенциала», который включает в себя скалярный и векторный потенциалы, и получает инвариантное уравнение. В этой статье де Бройль вновь задает вопрос, который представляется для него главным. Метод Якоби, используемый в волновой механике, дает всевозможные траектории, в том числе и те, которые определяются начальными условиями, но какой смысл при этом вкладывается в слово траектория? В §4.3. «Экспериментальное подтверждение волн де Бройля» рассмотрена история экспериментального открытия дифракции волн де Бройля, а также продемонстрирована важная роль В.Эльзассера в этом открытии. Только после изучения диссертации де Бройля в 1925 г. Эльзассер смог сделать 7 Louis de Broglie. Remarques sur la nouvelle Mécanique ondulatoire// Compt. Rend. 1926. 183. P. 272-274. 33 предположение о том, что в экспериментах, которые вел К.Дж. Дэвиссон со своими ассистентами с 1919 г., наблюдалась электронная дифракция. С результатами Дэвиссона Эльзассер связал и эксперименты К.Рамзауэра по рассеянию электронов коллоидными частицами. Благодаря небольшой заметке Эльзассера «Комментарии к квантовой механике свободных электронов» эти эксперименты приобрели направленный характер, что привело к открытию дифракции электронов, почти одновременному, сделанному в 1927 г. Дэвиссоном и Томсоном совместно с ассистентами (независимо подобные эксперименты вел и П.С.Тартаковский в Ленинграде)8. Таким образом, диссертация де Бройля не только послужила стимулом к развитию квантовой механики, но и открыла новые экспериментальные возможности, к которым относится создание новых видов интерферометров и изобретение электронного микроскопа. Пятая глава «Проблемы физической интерпретации квантовой механики в работах де Бройля 1923–1927 гг.» посвящена анализу деятельности учёного, связанной с неудовлетворенностью вероятностной интерпретации волновой функции и поиском физического смысла математического формализма новой квантовой механики. В § 5.1. «Теория двойного решения как итог развития де Бройлем идеи дуализма» раскрыты причины, по которым де Бройль приступил к созданию «теории двойного решения». Элементы «теории двойного решения» и ее упрощенного вида – «теории волны-пилота», появились еще в диссертации де Бройля, до матричной или волновой механики. Для де Бройля после введения фазовой волны вставал закономерный вопрос сосуществования понятий волна-частица. Фазовая волна, ассоциированная с движением частицы, стала рассматриваться в квантовой механике как волна вероятности, и первоначальные идеи де Бройля о траекториях частиц вдоль лучей фазовых волн не получили развития. «Теорию двойного решения» де Бройля следует рассматривать в общем русле работ ведущих физиков, прежде 8 Тартаковский П.С. Волновые взгляды на природу материи и опыт// УФН. 1928. Т.VII. В.3. С.338-360. 34 всего Н.Бора, Э.Шредингера, М.Борна, В.Гейзенберга по поиску физического смысла корпускулярно-волнового дуализма. Сама теория де Бройля, изложенная им в статье «Волновая механика и корпускулярная структура вещества и излучения»(1927г.), анализируется в §5.2. «Статья «Корпускулярная структура вещества и излучения и волновая механика». Де Бройль ищет решение волнового уравнения Клейна-Гордона в виде волны, у которой амплитуда имеет особенность в одном из направлений распространения. В поисках решения де Бройль опирался на предложенную Э.Маделунгом (1926 г.) гидродинамическую трактовку квантовой механики. Идея Маделунга заключалась в том, что волновая функция представляет ламинарный поток некоторой «несжимаемой жидкости», плотность которой определяется квадратом амплитуды волны, а скорость течения – некоторой функцией ее фазы. Де Бройль предлагал рассматривать интенсивность волны ψ как плотность фиктивной жидкости, перемещающейся в пространстве с течением времени. Гидродинамическая аналогия давала возможность наглядного представления волны ψ . Значение этой теории заключается в том, что она заострила внимание на нерешенных вопросах при построении квантовой механики, и самим де Бройлем рассматривалась как некие концептуальные «строительные леса», которые могут быть использованы при построении здания новой теории. Следующие два параграфа (§5.3. «Доклад де Бройля «Новая динамика кванта» на Пятом Сольвеевском конгрессе 1927 г.» и §5.4. «Дискуссия по докладу де Бройля») содержат анализ новой интерпретации и реакцию ведущих физиков, собравшихся на Пятом Сольвеевском конгрессе в 1927 г., на выступление Л. де Бройля. В его докладе был представлен сокращенный вариант «теории двойного решения» – теория волны-пилота. В этой концепции де Бройля рассматривалось пилотирование частицы распространяющейся волной. Нами впервые прослежены основные идеи доклада де Бройля, которые заключаются в следующем. Предлагается новая концепция механики, которая состоит в изменении принципа инерции – тело, на которое не действуют другие тела, движется равномерно вдоль луча своей 35 фазовой волны, или вдоль перпендикуляра к поверхностям равной фазы. В новой динамике скорость частицы определяется градиентом фазы волны, ассоциированной с частицей: W = hν = ∂ϕ hν ,p= = − gradϕ . ∂t V Де Бройль осознавал, что его концепция непрерывной волны, управляющей движением частицы, может быть ошибочной, и называл ее предварительной попыткой построения строгой теории. В §5.5. «Значение и трудности теории двойного решения» рассматривается значение «теории двойного решения» с точки зрения некоего концептуального каркаса для построения новой теории, а также причины, по которым сам де Бройль считал свою теорию неудовлетворительной. Вопросы детерминизма и переосмысления волновой механики в работах де Бройля рассмотрены в §5.6.«Эволюция детерминизма в работах Л. де Бройля». После затруднений с развитием «теории двойного решения» де Бройль полностью присоединился к индетерминистской концепции Бора и Гейзенберга. Де Бройль придерживался вероятностной интерпретации квантовой механики, хотя у него оставалась неудовлетворенность ответами Бора на ряд возражений, которые выдвигал Эйнштейн против чисто вероятностного истолкования квантовой механики. В шестой главе «Вклад Л. де Бройля в преподавание квантовой механики» раскрывается важный этап в деятельности де Бройля, связанный с преподаванием квантовой механики и его участием в формировании французской школы теоретической физики. §6.1. «Преподавание в Институте Анри Пуанкаре» посвящен анализу научной деятельности Луи де Бройля в должности профессора в Институте Анри Пуанкаре, который был создан в 1928 г. усилиями Э.Бореля для развития теоретической физики во Франции. Выделены основные черты де Бройля как лектора – его педантичность, высокие представления о своих обязанностях преподавателя, особый взгляд на методику преподавания физики. Показан вклад в развитие отдельных вопросов квантовой механики, который внесен де Бройлем благодаря курсам лекций, 36 изданных в виде таких книг как «Волновая механика» (1928), «Введение в волновую механику» (1930), «Магнитный электрон» (1934). В § 6.2. «Семинар в Институте Анри Пуанкаре и создание научной школы» выявлены признаки, характерные для определения научной школы. Формой существования школы де Бройля был научный семинар, возглавляемый им на протяжении нескольких десятилетий – с 1931 по 1972 гг. Опубликованный Фондом Луи де Бройля список из 241 научной диссертации, защищенной либо под его руководством, либо при его участии в качестве председателя диссертационного совета, позволяет говорить о широком диапазоне проблем, относящихся к современной теоретической физике, к решению которых приступали его ученики. К ученикам де Бройля, с которыми у него были совместные научные работы, можно отнести А.Прока, М.-А.Тоннела, Л.Картана, О.Косту де Боргарда, Ж.Лошака, Ж.П.Вижье. Кроме французских физиков в их число входят многочисленные иностранные ученые, а с 1956 г. для работы в области теоретической физики в Институт Анри Пуанкаре регулярно приглашались советские ученые, среди которых были Я.П.Терлецкий (1956 г.), В.В. Курышкин (1972 г.), Ю.П.Рыбаков (1977 г.), Н.В.Самсоненко (1978 г.). Глава седьмая «Восприятие идей Л. де Бройля в СССР» освещает вопросы отношения научного сообщества к волновой механике, которая в годы становления квантовой механики выделялась как механика Шредингера - де Бройля. После появления волновой механики в 1926 г., ее преимущество перед матричной механикой стало очевидным, и это преимущество признавалось всюду. Восприятие волновой механики в СССР нашло отражение в работе Вл.П.Визгина, в которой рассмотрено развитие квантовой механики и создание первых научных школ в СССР. В §7.1.«Восприятие идей де Бройля и Шредингера мировым научным сообществом и в СССР» показано, что в короткий период после защиты диссертации де Бройлем в конце 1924 г. и до появления первой статьи Шредингера по волновой механике в апреле 1926 г. отношение европейских физиков к идеям де Бройля было в основном скептическим. В СССР ситуация была иной, уже в 1924 г. Я.И.Френкелем был 37 опубликован реферат статьи де Бройля «Опыт теории световых квантов», в котором дана высокая оценка концепции де Бройля. Кроме Френкеля высокую оценку волновых идей де Бройля дал И.Е. Тамм в 1926 г. в своей статье «Новые принципы статистической механики Бозе-Эйнштейна в связи с вопросом о физической природе материи». Распространение идей де Бройля в СССР происходило разными путями: благодаря личному знакомству, как это было в случае с Я.И.Френкелем, или публикациям, например, сборник статей «Основания новой квантовой механики» (1927 г.) под редакцией А.Ф.Иоффе решал задачу как можно более широкого распространения идей квантовой механики. Нами выделены публикации в Журнале Русского физикохимического общества в 1927 г., связанные с изложением динамики световых квантов, и показано влияние идей де Бройля на работу Д.Д.Иваненко и Л.Д.Ландау «Связь волновой механики с классической», опубликованную в этом журнале. Подчеркнута роль О.Д.Хвольсона в распространении идей де Бройля в СССР, который хорошо знал диссертацию де Бройля, его последующие статьи и неоднократно, начиная с 1925 г., выдвигал кандидатуру Луи де Бройля в номинанты Нобелевской премии. Анализируется статья Ф.Франка «Материя как волновое движение (волны де Бройля)», напечатанная в первом издании Большой Советской Энциклопедии в 1928 г., которая явилась признанием роли Л. де Бройля в понимании волновых свойств материи. Идеи де Бройля широко обсуждались на съездах русских физиков. С докладами на IV съезде (1924 г.) выступил О.Д.Хвольсон – о корпускулярно-волновом дуализме света, на V съезде (1926 г.) – В.Р.Бурсиан о волновой механике, на VI съезде (1928г.) теории де Бройля-Шредингера были посвящены доклады Я.И.Френкеля, Д.Д.Иваненко и Л.Д.Ландау. Большое значение для развития квантовой механики в СССР имела серии статей в журнале «Успехи физических наук», их анализ содержится в §7.2. «Публикации Л. де Бройля и о нем в УФН (с 1924 по 1988 гг.)». Рассмотрены публикации в УФН Я.И.Френкеля, И.Е.Тамма, С.И.Вавилова, Э.В.Шпольского, П.С.Тартаковского, а также более поздние статьи С.Г.Суворова, Я.А.Смородинского и 38 Т.Б.Романовской к юбилейным датам в жизни Луи де Бройля. В §7.3. «Переводы и публикации работ Л. де Бройля в СССР» рассмотрен вопрос о значении опубликованных на русском языке научных произведений Л. де Бройля. Первая публикация состоялась в 1934 г. (список работ де Бройля, изданных на русском языке, приведен в приложении 4), а в 2010 г. вышел первый том из собрания сочинений «Избранные научные труды Л. де Бройля в 5-ти томах». В заключении сформулированы основные результаты и выводы. Квантовая механика, которая явилась истоком всей современной квантовой физики, сама была лишь одним из витков спирали, увеличивающихся и поднимающихся вверх. Л. де Бройль, открытие которого относится к идейным основаниям квантовой механики, считал бесконечную спираль представлением непрерывного развития научной мысли. История развития квантовой механики показывает, что ее концептуальные основы выросли из более ранних представлений, а синтез противоположных точек зрения дал возможность объяснения новых образов, ввел новые понятия в физическую картину мира. Путем исторической реконструкции, в диссертационном исследовании показано, что главным истоком научной концепции Л. де Бройля о волновых свойствах материи явилась проблема дуализма света. В многовековой истории противостояния двух точек зрения на природу света де Бройль увидел аналогию проявления также двойственности свойств вещества. Концепция дуализма света привела к созданию в 1927 г. квантовой электродинамики, а волновая концепция де Бройля инициировала создание волновой механики в 1926 г. Первые научные работы Л. де Бройля в физике, связанные с изучением атомного строения с помощью рентгеновского излучения, вели его к проблеме «квантов света». Принимая гипотезу квантов света Эйнштейна, Л. де Бройль получил известные результаты из теории излучения абсолютно черного тела – закон Вина, как частный случай закона Планка, химическую постоянную газов. В статье «Излучение абсолютно черного тела и кванты света» (1922 г.) он предложил рассматривать «световые атомы» в рамках динамики теории 39 относительности со скоростями, зависящими от их энергии (частоты), но очень близкими к скорости с. Здесь де Бройль впервые говорит о малости массы m0 кванта света как о величине, выходящей за рамки эксперимента. Дальнейшее развитие квантовая гипотеза Эйнштейна получила в статье де Бройля «Об интерференции и теории квантов света» (1922 г.). В ней он выводит формулы флуктуации излучения термодинамического абсолютно равновесия для черного различных тела случаев в состоянии спектрального распределения в виде законов Релея-Джинса, Вина, Планка, а также получает формулу Эйнштейна среднеквадратичной флуктуации в виде суммы двух слагаемых. Одно из слагаемых содержит представление о свете как о волне, а другое – о квантах с энергией hν. Преобразуя формулу Планка, де Бройль − ∞ приходит к выражению ε 2 = ∑ nhνEn , которое соответствует формуле n=1 «светового газа», образованного из молекул и атомов света. Де Бройль выдвигает предположение о том, что для объяснения интерференции надо рассматривать объединения световых атомов, движущихся не независимо, а когерентно. В этой статье де Бройля содержатся две важные идеи: первая – интерференцию света можно объяснить с помощью квантов света, а вторая – когерентное излучение является основой усиления света, которое впоследствии стало физическим принципом работы оптического квантового генератора. Дальнейшие рассуждения де Бройля, основанные на фундаментальной аналогии между светом и веществом, привели его в 1923 г. к открытию корпускулярно-волнового дуализма материи, в котором как частный случай содержалась теория корпускулярно-волнового дуализма света. Всесторонний анализ генезиса открытия корпускулярно-волнового дуализма позволил выявить, что, среди различных факторов, наибольший вес имела оптикомеханическая аналогия У.Гамильтона. Адекватной формулировкой принципа соответствия служила выдвинутая де Бройлем оптико-механическая аналогия, которая своими корнями уходит в ХVII в. к вариационным принципам в оптике– Ферма и в механике – Мопертюи. Де Бройль показал, что луч света, 40 заданный волновым вектором k и частотой ω , описывает ту же траекторию, что и материальная точка, обладающая пропорциональными им импульсом и энергией: p = k , E = ω . Дальнейшее развитие этой идеи предпринял Шредингер при построении волновой механики. Следуя логике оптикомеханической аналогии, он записал нерелятивистское волновое уравнение для массовой частицы. Развивая подход Шредингера, де Бройль независимо с многими учеными в статье «Замечания по новой волновой механике» опубликовал релятивистское волновое уравнение для бесспиновой частицы (известное как уравнение Клейна-Фока-Гордона). В ходе исследования выявлен приоритет де Бройля в получении этого уравнения. Проведенное исследование позволило утверждать, что революционной идеей в теоретическом построении волновой механики де Бройля явилась идея фазовой волны, которая впервые была применена им в 1923 г. в статье «Волны и кванты» для объяснения устойчивости траекторий электронов при движении по круговым орбитам в атоме Бора. Фазовые волны появились как результат релятивистской инвариантности уравнения, впервые записанного де Бройлем: ω0 = m0 c 2 . Де Бройль выдвинул гипотезу, значение которой можно рассматривать наравне с гипотезами Планка о кванте действия и Эйнштейна о квантах света. Она стала ядром развития волновой механики, в которой предположение де Бройля о том, что движение любой микрочастицы ассоциируется с распространением нематериальной (в том смысле, что она не переносит энергию) фазовой волны, распространяющейся со скоростью, большей скорости света с, трансформировалась в представление микрочастицы волной Ψ. В диссертационном исследовании выявлены основные идеи волновой концепции де Бройля, впервые изложенные в трех статьях, опубликованных в 1923 г. в «Докладах Французской академии наук». Историко-научный анализ первоисточников и документов, связанных с творчеством Л. де Бройля, позволил установить, что утверждение М.Джеммера о том, что «истинным 41 предшественником волновой механики»9 являлся М.Бриллюэн, основанное на материалах американского архива истории квантовой механики, является не совсем верным. Об идее М.Бриллюэна, высказанной в 1919 г., в которой движение частицы в упругой среде вызывает образование упругих волн, Л. де Бройль в интервью Ф.Кубли (1968 г.) говорил не как о предшественнике, а как о некой «туманной аналогии»10. Несмотря на то, что представление о «фиктивных волнах», ассоциированных с движением материальных частиц, существование которых постулировал Л. де Бройль, в дальнейшем претерпело изменение при построении волновой механики Э.Шредингера, на начальном этапе оно имело большую эвристическую ценность. Волновая механика Шредингера явилась развитием идей де Бройля. Главная – это идея создания новой механики, описывающей движение микрочастиц, исходя из оптикомеханической аналогии. Из нее следовало, что новая механика должна соотноситься с прежней механикой Ньютона так же, как волновая оптика с геометрической. Эта идея высказывалась де Бройлем неоднократно в статьях 1923 г., а в, более развернутом виде, в его диссертации (1924 г.). Значение полученных де Бройлем результатов было высоко оценено членами комиссии, перед которыми он защищал диссертацию. Опубликованный отзыв П.Ланжевена и Ж.Перрена позволил развеять миф, закрепившийся в истории квантовой механики о том, что, никто во Франции не понял его идей и, если бы не одобрение Эйнштейна, диссертация не была бы защищена. Сравнительный анализ писем Эйнштейна, написанных в один день П.Ланжевену и Х.Лоренцу, содержащих положительную оценку полученных в диссертации результатов, и отзыва, подписанного Ланжевеном и Перреном, позволяет говорить об обратном. Диссертации де Бройля была дана высокая оценка французскими учеными, но дальнейшее развитие ее результаты получили за пределами Франции. 9 Джеммер М. Эволюция понятий квантовой механики. М., 1985. С.237. Kubli F. Un entretien Louis de Broglie// Annales de la Fondation Louis de Broglie. 1992. V.17. N. 2. P.111-134. 10 42 Выполненный комплексный анализ диссертации де Бройля показал, что он развил стройную теорию, решая историко-научную проблему о двойственной природе света, и значение ее не ограничивается выведенной формулой длины волны в нерелятивистском приближении, которая вошла во все учебники физики. Приняв в качестве гипотезы существование некоего периодического процесса внутри частицы, обладающей энергией, он вывел характеристики этих распространяющихся в пространстве колебаний – частоту, фазу, равенство групповой скорости образующегося пакета и скорости самой микрочастицы. Впервые де Бройль предложил рассматривать вместо молекул газа распространение волн, находящихся в резонансе с размерами сосуда, в котором заключен газ. На год раньше, чем Ш.Бозе, де Бройль с помощью фазовых волн нашел выражение для числа стационарных волн, содержащихся в единице объема такого квантового газа в интервале частот. Способ подсчета частиц с тождественной структурой, впервые примененный де Бройлем в диссертации (глава «Статистическая механика и кванты»), через два года станет основой квантовой статистики Бозе-Эйнштейна. Установлено значение диссертации Л. де Бройля для истории квантовой механики: она послужила развитию работ А.Эйнштейна по установлению квантовой статистики, развитию волновой механики Шредингера, а результатом уточнения смысла волновой функции явилось ее вероятностное толкование М.Борном. Диссертация также способствовала экспериментальному открытию явления дифракции электронов, и послужила толчком к развитию новых направлений анализа атомной структуры вещества и изобретению электронного микроскопа. Представление о корпускулярно-волновом дуализме лежит в основе принципа неопределенности В.Гейзенберга, а также использовано Н.Бором для формулировки принципа дополнительности, которые вместе с вероятностной трактовкой волновой функции создали базу для физического истолкования квантовой механики и ее математического аппарата. 43 Для развития своей волновой концепции де Бройль предположил, что кванты света являются релятивистскими частицами, имеющими бесконечно малую массу покоя. Он впервые сделал оценки верхней границы для массы фотона m0 ≤ 10−50 г. в статье «Волны и кванты»11, в диссертации де Бройля эта граница составляет m ≤ 10−44 г. Современные возможности экспериментальной 0 техники дают оценки нижней границы массы фотона mγ ≤ 10−54 г.12 Наиболее важные экспериментальные методы оценок верхней границы массы фотона даны в статье13. В диссертационном исследовании показано, что «теорию двойного решения», предложенную де Бройлем в 1927 г., следует рассматривать как поиск физического смысла математического формализма новой квантовой механики. Для де Бройля последующая эволюция его представлений о фазовой волне до Ψ-функции, отвечающей за поведение микрочастиц в квантовой механике, вызывала закономерный вопрос о сосуществовании классических понятий волна-частица. Фазовая волна, ассоциированная с движением частицы, стала рассматриваться в квантовой механике как волна вероятности, а первоначальные идеи де Бройля о траекториях частиц вдоль лучей фазовых волн не получили своего развития. Де Бройль приветствовал работы Шредингера, применил его подход, получив релятивистское волновое уравнение для бесспиновой частицы. Но вместе с тем де Бройль был не согласен с представлением только волны Ψ без рассмотрения частицы, связанной с этой волной. Для того чтобы получить ясную картину дуализма в рамках пространства и времени, де Бройль попытался встроить частицу в волну. В «теории двойного решения» он рассматривает решение волнового уравнения Клейна-Гордона в виде волны, у которой амплитуда имеет 11 Бройль Л., де. Волны и кванты / Бройль Л., де. Избранные научные труды. Т.1. М., 2010. С. 194. Окунь Л.Б. Азы физики. Очень краткий путеводитель. М., 2012. С.6. 13 Luo J. et al. New experimental limit of the photon rest mass with rotating torsion balance// Phys. Rev. Letters. 2003. V.90. P.081801-4. 12 44 особенность в одном из направлений распространения, но построить законченный математический аппарат ему не удалось. Для многих физических величин, связанных с частицей, получались бесконечные значения, от которых трудно было избавиться в рамках развиваемой линейной теории. Анализ материалов Пятого Сольвеевского конгресса (1927 г.) и писем В.Паули к де Бройлю, хранящихся в Архиве в Институте Франции, позволяет утверждать вопреки закрепившемуся в историко-научной литературе мнению, что доклад де Бройля с сокращенным вариантом «теории двойного решения» (теория волны-пилота) вызвал интерес и многочисленные обсуждения. Из 37 страниц стенограммы общей дискуссии на конгрессе на 18-ти содержится обсуждение доклада Л. де Бройля14. Изучение научной деятельности Л. де Бройля, связанной с развитием «теории двойного решения» после 1951 г. выходит за рамки настоящего исследования и представляет специальный интерес для истории науки. Перспективным развитием данного исследования представляется изучение вопросов возвращения Л. де Бройля к теме поиска уравнения, описывающего распространение волны с особенностью, и участие в этом В.Паули. Проблемы интерпретации квантовой механики в последние десятилетия приобрели актуальность в связи с обсуждением концептуальных вопросов, которые были поставлены еще при создании квантовой механики. Де Бройль в своих книгах и статьях неоднократно обсуждал вопрос об изменении классических понятий пространства и времени, применяемых к описанию атомных явлений. По его представлениям, привычные в макромире пространство и время должны стать асимптотическим переходом замененных других понятий в микромире при переходе от элементарных процессов к наблюдаемым явлениям обычного масштаба. Вклад Л. де Бройля в развитие этого направления заслуживает дальнейшего исследования. 14 Bacciagaluppi G., Valentiny A. Quantum theory at the crossroads. Reconsidering the 1927 Solvay conference. Cambridge, 2009. P.450-469. 45 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ АВТОРА: Монография Смык А.Ф. От волн де Бройля к квантовой механике: монография– М.:МАДИ, 2013. – 232 с. Статьи в журналах, рекомендованных ВАК 1. Смык А.Ф., Уруцкоев Л.И. Великий физик ХХ века – Луи де Бройль (К выходу «Собрания избранных научных трудов Луи де Бройля» в 4-х томах) //Физическое образование в вузах. –2009. –Т.15. – №2. – С. 3-10. 2. Цыганенко А.М., Уруцкоев Л.И., Смык А.Ф. Ради будущего //Высшее образование сегодня. – 2009. – №8. –С. 84-85. 3. Смык А.Ф. Луи де Бройль и история физики ХХ века // История науки и техники. –2011. –№5. –С. 26-38. 4. Смык А.Ф. Взгляды Луи де Бройля на преподавание физики //Физическое образование в вузах. –2011. –№4. –С. 72-77. 5. Смык А.Ф. Доклад Луи де Бройля «Новая динамика кванта» на V Сольвеевском конгрессе //История науки и техники. –2011.–№10.–С. 24-39. 6. Смык А.Ф. Генезис идеи корпускулярно-волнового дуализма Луи де Бройля //Вопросы истории естествознания и техники. –2012.– №2. – С. 22-42. 7. Смык А.Ф. Интервью с Ж. Лошаком: Воспоминания о великом Учителе – Луи де Бройле //История науки и техники. –2012. –№4. –С.8-10. 8. Смык А.Ф. Нематериальные волны материи де Бройля //Физическое образование в вузах. – 2012. – Т.18. – №4. – С. 19-29. 9. Смык А.Ф. Поиск Луи де Бройлем физического смысла корпускулярноволнового дуализма //Вестник РУДН. – 2013. – №2. – С.3-13. 10. Смык А.Ф. Знаменитая и неизвестная диссертация Луи де Бройля // История науки и техники. – 2013. – №3. – С. 13-22. Другие публикации 1. Смык А.Ф. Интервью с Ж.Лошаком: Развивая идеи великого Учителя – Луи де Бройля // Инженерная физика. – 2012. – №1. – С. 3-4. 2. Смык А.Ф. Луи де Бройль и история ранних Сольвеевских конгрессов // Всеобщая история. – 2012. – №1. – С. 72-85. 3. Смык А.Ф. Роль концепции дуализма света в создании квантовой механики /Инженерная педагогика: сборник статей. В 3 т. – М.:МАДИ, 2013. – Вып.15. –Т.3. – С. 166-180. 4. Смык А.Ф. Генезис идеи корпускулярно-волнового дуализма Луи де Бройля /Институт истории естествознания и техники им.С.И. Вавилова. Годичная научная конференция, посвященная 80-летию ИИЕТ РАН, 2012.Ч.1. – М.:Янус-К, 2012. – С.296-300. 46 Подписано в печать: 25.08.2013 Усл. печ. л. 2.1. Тираж 100 экз. Отпечатано в ППП «Типография «Наука» 121099, Москва, Шубинский пер., 6 47
