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DESCUBRIMIENTOS CIENTÍFICOS MÁS IMPORTANTES
Mecánica cuántica. Historia y esencia del descubrimiento científico.
Directorio / Los descubrimientos científicos más importantes. Cuando la emoción de los primeros éxitos ha pasado la teoria de bohr, todos se dieron cuenta de repente de una simple verdad: el esquema de Bohr es contradictorio. No había dónde esconderse de tal hecho, y explica el pesimismo de entonces. Einstein, así como la desesperación de Pauli. Los físicos se han convencido una y otra vez de que un electrón, al moverse en un átomo, no obedece a las leyes de la electrodinámica: no cae sobre el núcleo y ni siquiera irradia si el átomo no está excitado. Todo esto era tan insólito que no cabía en mi cabeza: el electrón, que "se originó" de la electrodinámica, de repente se salió de control de sus leyes. En cualquier intento de encontrar una salida lógica a ese círculo vicioso, los científicos siempre han llegado a la conclusión: el átomo de Bohr no puede existir. Resultó que el movimiento de un electrón en un átomo obedece a otras leyes: las leyes de la mecánica cuántica. La mecánica cuántica es la ciencia del movimiento de los electrones en un átomo. Originalmente se llamaba así: mecánica atómica. Heisenberg - el primero de los que tuvo la suerte de crear esta ciencia. Werner Karl Heisenberg (1901–1976) nació en la ciudad alemana de Würzburg. En septiembre de 1911, Werner fue enviado a un prestigioso gimnasio. En 1920, Heisenberg ingresó a la Universidad de Munich. Después de graduarse, Werner fue nombrado profesor asistente. max nacido en la Universidad de Gotinga. Born estaba seguro de que el microcosmos atómico es tan diferente del macrocosmos descrito por la física clásica que los científicos ni siquiera deberían pensar en utilizar los conceptos habituales de movimiento y tiempo, velocidad, espacio y cierta posición de las partículas al estudiar la estructura del átomo. La base del micromundo son los cuantos, que no se deberían haber intentado entender o explicar desde las posiciones visuales de los clásicos obsoletos. Esta filosofía radical encontró una calurosa respuesta en el alma de su nuevo asistente. De hecho, el estado de la física atómica en ese momento parecía una especie de montón de hipótesis. Ahora, si alguien pudiera probar por experiencia que el electrón es realmente una onda, o mejor dicho, tanto una partícula como una onda. Pero no ha habido tales experiencias hasta ahora. Y si es así, entonces era incorrecto partir únicamente de las suposiciones de lo que es un electrón, según el pedante Heisenberg. ¿Es posible crear una teoría en la que solo se conozcan datos experimentales sobre el átomo, obtenidos mediante el estudio de la luz emitida por él? ¿Qué puedes decir sobre esta luz con seguridad? Que tiene tal y tal frecuencia y tal y tal intensidad, no más... En junio de 1925, el enfermo Heisenberg se fue a descansar a la isla de Helgoland en el Mar Báltico. No logró descansar; allí, de repente, se dio cuenta de una verdad inesperada: uno no puede imaginar el movimiento de un electrón en un átomo como el movimiento de una pequeña bola a lo largo de una trayectoria. Es imposible, porque el electrón no es una bola, sino algo más complejo, y es imposible seguir el movimiento de este "algo" tan simplemente como el movimiento de una bola de billar. L. Ponomarev escribe en su libro: "Heisenberg argumentó: las ecuaciones con las que queremos describir el movimiento en un átomo no deben contener otras cantidades que no sean las que se pueden medir experimentalmente. Y de los experimentos se deduce que el átomo es estable , consta de núcleo y electrones y puede emitir rayos si se le perturba el equilibrio. Estos rayos tienen una longitud de onda estrictamente definida y, según Bohr, surgen cuando un electrón salta de una órbita estacionaria a otra. Al mismo tiempo, el esquema de Bohr no No digo nada sobre el hecho de que le sucede al electrón en el momento del salto, por así decirlo "en vuelo" entre dos estados estacionarios. Y todos, incluido Heisenberg, por costumbre buscaban una respuesta a esta misma pregunta. Pero en algún momento punto quedó claro para él: el electrón no existe " entre "estados estacionarios, ¡simplemente no tiene tal propiedad! ¿Lo que está ahí? Hay algo para lo que ni siquiera sabía el nombre todavía, pero estaba convencido de que debería depender solo de adónde fue el electrón y de dónde. Hasta ese momento, los físicos habían estado tratando de encontrar una trayectoria hipotética para un electrón en un átomo, que depende continuamente del tiempo y que puede estar dada por una serie de números que marcan la posición del electrón en ciertos puntos en el tiempo. Heisenberg argumentó que no existe tal trayectoria en el átomo, y en lugar de una curva continua hay un conjunto de números discretos, cuyos valores dependen de los números de los estados inicial y final del electrón. Imaginó el estado del átomo como un tablero de ajedrez sin fin con números escritos en cada cuadrado. Naturalmente, los valores de estos números dependen de la posición del cuadrado en el "tablero atómico", es decir, del número de fila (estado inicial) y el número de columna (estado final), en cuya intersección se encuentra el número. . Si se conocen los números X de una especie de registro del "juego atómico", entonces se sabe todo lo necesario sobre el átomo para predecir sus propiedades observables: el espectro del átomo, la intensidad de sus líneas espectrales, el número y velocidad de electrones eliminados del átomo por los rayos ultravioleta, y mucho más. Los números X no pueden llamarse las coordenadas de un electrón en un átomo. Los reemplazan o, como se dijo más tarde, los representan. Pero lo que significan estas palabras, al principio, el propio Heisenberg no lo entendió. Sin embargo, inmediatamente con la ayuda de Max Born (1882-1970) y Pascual Jordan, se pudo entender que la tabla de números no es solo una tabla, sino una matriz. "Matrices", señala L. I. Ponomarev, "son tablas de cantidades para las que existen operaciones de suma y multiplicación estrictamente definidas. En particular, el resultado de multiplicar dos matrices depende del orden en que se multiplican. Esta regla puede parecer extraña y sospechoso , pero no contiene ninguna arbitrariedad en sí mismo. En esencia, es esta regla la que distingue a las matrices de otras cantidades. No tenemos derecho a cambiarlo a nuestro antojo: las matemáticas también tienen sus propias leyes inquebrantables. Estas leyes, independientes de la física. y todas las demás ciencias fijan en el lenguaje de los símbolos todas las conexiones lógicas concebibles en la naturaleza, y no se sabe de antemano si todas estas conexiones se realizan en la realidad. Por supuesto, los matemáticos conocían las matrices mucho antes que Heisenberg y sabían cómo trabajar con ellas. Sin embargo, fue una completa sorpresa para todos que estos extraños objetos con propiedades inusuales correspondan a algo real en el mundo de los fenómenos atómicos. El mérito de Heisenberg y Born radica en el hecho de que superaron la barrera psicológica, encontraron una correspondencia entre las propiedades de las matrices y las características del movimiento de los electrones en un átomo y, por lo tanto, fundaron una nueva mecánica matricial cuántica atómica. Atómico - porque describe el movimiento de electrones en un átomo. Quantum: porque el papel principal en esta descripción lo desempeña el concepto de cuanto de acción. Matriz: porque el aparato matemático necesario para esto son las matrices. En la nueva mecánica, cada característica de un electrón: coordenada, momento, energía, correspondía a las matrices correspondientes. Luego se escribieron para ellos las ecuaciones de movimiento, conocidas de la mecánica clásica. Heisenberg estableció incluso algo más: descubrió que las matrices mecánicas cuánticas de coordenadas y momentos no son matrices en general, sino solo aquellas que obedecen a la relación de conmutación (o permutación). En la nueva mecánica, esta relación de permutación desempeñaba exactamente el mismo papel que la condición de cuantización de Bohr en la mecánica antigua. Y así como las condiciones de Bohr seleccionaron las órbitas estacionarias del conjunto de todas las posibles, la relación de conmutación de Heisenberg selecciona solo las mecánicas cuánticas del conjunto de todas las matrices. No es casualidad que en ambos casos, tanto en las condiciones de cuantización de Bohr como en las ecuaciones de Heisenberg, la constante de Planck deba estar presente. La constante de Planck entra necesariamente en todas las ecuaciones de la mecánica cuántica, y por esta característica pueden distinguirse inequívocamente de todas las demás ecuaciones. Las nuevas ecuaciones que encontró Heisenberg no eran ni las ecuaciones de la mecánica ni las de la electrodinámica. Desde el punto de vista de estas ecuaciones, el estado de un átomo está completamente dado si se conocen las matrices de coordenadas o momento. Además, la estructura de estas matrices es tal que el átomo no irradia en estado no excitado. Según Heisenberg, el movimiento no es el movimiento de una bola de electrones a lo largo de una trayectoria alrededor del núcleo. El movimiento es un cambio en el estado del sistema en el tiempo, que describe las matrices de coordenadas y momento. Junto con las cuestiones sobre la naturaleza del movimiento de un electrón en un átomo, también desapareció la cuestión de la estabilidad del átomo. Desde el nuevo punto de vista, en un átomo no excitado, el electrón está en reposo y, por lo tanto, no debería radiar. La teoría de Heisenberg era internamente consistente, algo que tanto faltaba en el esquema de Bohr. Al mismo tiempo, condujo a los mismos resultados que las reglas de cuantización de Bohr. Además, con su ayuda, finalmente fue posible demostrar que la hipótesis de Planck sobre los cuantos de radiación es una consecuencia simple y natural de la nueva mecánica. Hay que decir que la mecánica de matrices apareció muy oportunamente. Las ideas de Heisenberg fueron retomadas por otros físicos y pronto, según Bohr, adquirieron "una forma que, en su integridad lógica y generalidad, podía competir con la mecánica clásica". Sin embargo, hubo una circunstancia deprimente en el trabajo de Heisenberg. Según él, no pudo obtener un espectro simple de hidrógeno a partir de la nueva teoría. Y cuál fue su sorpresa cuando, tiempo después de la publicación de su obra, como escribió, “Pauli me dio una sorpresa: la mecánica cuántica completa del átomo de hidrógeno, la teoría del átomo de hidrógeno y qué grande es mi sorpresa que me lo hayas dicho. capaz de desarrollarlo tan rápido"". Los físicos recibieron con gran alivio la aparición de la mecánica matricial de Heisenberg: "La mecánica de Heisenberg me devolvió de nuevo la alegría de vivir y la esperanza. Aunque no resuelve el enigma, creo que ahora es posible avanzar de nuevo", escribió Pauli en 9 de octubre de 1925. Pronto justificó su fe él mismo. Aplicando la nueva mecánica al átomo de hidrógeno, obtuvo las mismas fórmulas que Niels Bohr en base a sus postulados. Por supuesto, surgieron nuevas dificultades, pero estas eran las dificultades del crecimiento, y no la desesperanza de un callejón sin salida. Autor: Samin D.K.
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