Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы - Марк Перельман

В фольклоре физиков известен еще и такой «эффект Паули»: стоило ему взглянуть на любой прибор, как тот мгновенно выходил из строя, — поэтому его визитов страшно боялись экспериментаторы.

В день получения Нобелевской премии (1945) Вольфганг Паули вспоминал: «Один из коллег, повстречавший меня, когда я бесцельно бродил по прекрасным улицам Копенгагена, дружески сказал мне: „Вы выглядите очень несчастным". На это я ответил свирепо: „Как можно выглядеть счастливым, думая об аномальном эффекте Зеемана!"».

Паули высказал предположение: есть какая-то особенность, чисто квантовая, которая разрешает двум и только двум электронам быть в одинаковом состоянии, некая двузначность. Но с чем она связана?

И тут, два молодых физика Сэмьюэл Гаудсмит (1902–1979) и Джордж Юджин Уленбек (1900–1974), поддержанные их учителем П. Эренфестом, выдвигают совсем, на первый взгляд, дикую гипотезу: у электрона есть спин (от английского — «крутиться»), собственный момент импульса, и равен он половине постоянной Планка! Но при этом нельзя рассматривать электрон как волчок — этот спин нельзя ни увеличить, ни уменьшить, это неотъемлемая характеристика электрона. Нельзя наклонить спин электрона под произвольным углом — в любом поле он направлен либо по полю, либо против него.

Понятие спина оказалось чрезвычайно важным вот по какой причине. Согласно постулатам Бора, электрон при переходе на верхний уровень поглощает квант света, а опускаясь вниз, должен его излучить. Почему же некоторые электроны (например, третий электрон в атоме лития) остаются на высших уровнях, не опускаясь и не излучая?

Ведь, согласно общим положениям физики, состояние системы тем устойчивее, чем ниже ее потенциальная энергия.

И вот тут на сцену выступает Паули, он выдвигает принцип запрета, носящий его имя: в каждом квантовом состоянии может находиться только один электрон. Именно поэтому на гелиевом уровне находятся только два электрона — они различаются только направлением спинов, но для третьего электрона здесь места уже нет, и он садится на новый уровень, начинает новую оболочку. Таким образом, только принцип Паули создал твердую основу для объяснения строения периодической системы элементов.

Спин, как и обычный механический момент, всегда измеряют в единицах постоянной Планка, но эти слова опускают, говорят просто: спин равен половине, единице, полутора и т. д. Спин — понятие чисто квантовое, поэтому его невозможно описать в классических, привычных нам понятиях. Но очень приблизительно можно сказать так: частица со спином ноль выглядит одинаково со всех сторон, если частицу со спином один повернуть вокруг оси симметрии на 360 градусов, она вернется в исходное состояние, частицу со спином два нужно для этого повернуть только на 180 градусов (их можно изобразить картинками), а вот частицу со спином ½ нужно дважды полностью обернуть вокруг оси — представить ее картинкой уже невозможно!

Отметим также, что между частицами, имеющими такой спин, действуют, согласно Паули, сверхмощные силы, принципиально не позволяющие им достичь минимума потенциальной энергии — это положение, в частности, оказалось очень важным для астрофизики.

Существенно в связи с этой теорией и то, что спин может иметь также и атомное ядро, поэтому оно тоже влияет на расщепление атомных уровней, причем у разных изотопов одного и того же элемента это расщепление может быть разным — из-за разных спинов ядер изотопов. Отсюда, кстати, следует, что и химические свойства изотопов могут различаться, вопреки первоначальному мнению Бора о том, что химия от ядра не зависит. Это различие было использовано, через много лет, в одном из методов разделения радиоактивных изотопов.

Несколько ранее, в 1924 г. Эйнштейн получил странное письмо из Индии: некий Шатьендранат Бозе (1894–1974) просил просмотреть его соображения о том, какой статистике должны подчиняться фотоны и как можно выводить распределение Планка для них. Переведя письмо на немецкий, исправив несколько описок или ошибок и снабдив своим комментарием, Эйнштейн переслал статью в редакцию — и Ш. Бозе навсегда вошел в историю физики (никаких значительных его работ после этого не появлялось). В этой статье и в последующей, самого Эйнштейна, была построена квантовая статистика, т. е. распределение по энергиям (при заданной температуре) частиц с нулевым или целым спином. Теория эта называется статистикой Бозе-Эйнштейна, а все такие частицы с тех пор называются бозонами, газ из них называется бозе-газом и т. д.

Но если у частиц спин равен половине, то и статистика у них должна быть иной: по принципу Паули, они ведь не могут находиться в одинаковом состоянии. Распределение по энергии для них предложили почти одновременно Энрико Ферми и Поль Дирак (1926), оно называется статистикой Ферми — Дирака, а частицы, которые ей подчиняются — фермионами. И только в 1940 г. В. Паули окончательно доказал теорему: все частицы с целым спином подчиняются статистике Бозе — Эйнштейна, а частицы с полуцелым спином — статистике Ферми — Дирака.

Таким образом, все частицы, которые уже известны или только могут быть открыты, делятся на два резко различных класса — фермионы и бозоны. (Сейчас обсуждается так называемая теория — точнее гипотеза — суперсимметрии, которая как бы пренебрегает этими различиями и рассматривает то общее, что может проявиться у фермионов и бозонов при очень больших энергиях. Но теория эта пока весьма далека от завершения.)

Бозе-конденсат можно передвигать как целое — весь вместе. И вот в 1995 г. Эрик Корнелл и Карл Виман смогли создать его из атомов рубидия и т. п. в разреженном газе при температуре 0,17 микрокельвин: в нем все атомы абсолютно одинаковы, находятся в абсолютно одинаковом состоянии и могут двигаться как нечто целое (Нобелевская премия 2001). Множество новых и неожиданных свойств такого конденсата сейчас активно исследуется.

Отметим здесь только одну особенность бозевской статистики: в соответствии с ней любое число частиц может иметь одинаковую энергию (можно сказать, что бозоны — «коллективисты», а фермионы — «индивидуалисты», так как в каждом состоянии они могут находиться лишь поодиночке). В частности, любое число бозонов может иметь энергию, точно равную нулю. Такое состояние называется бозевским конденсатом, и в отличие, скажем, от конденсации водяного пара, когда молекулы собираются вместе (координаты почти совпадают), конденсация по Бозе — Эйнштейну означает, что у них одинаковые, равные нулю импульсы, т. е. они полностью неподвижны. Образование бозе-конденсата является фазовым переходом (второго рода), при котором резко меняется энтропия системы.

К свойствам ансамблей частиц мы еще вернемся — ими объясняются сверхтекучесть, сверхпроводимость и т. д., а пока нужно рассмотреть ход развития квантовой теории.

5. Луи де Бройль

Следующий этап развития квантовой теории связан с именем принца Луи де Бройля. Он с ранних лет помогал брату, участнику первого Сольвеевского конгресса, редактору его трудов, и, следуя интересам брата, увлекся изучением свойств электрона, а также квантовой гипотезой. Во время Мировой войны Луи де Бройль служил радистом в действующей армии и там, на фронте, по его воспоминаниям, задумался над тем, почему фотоны представимы — в разных процессах — то как волны, то как частицы: нельзя ли предположить существование такого же корпускулярно-волнового дуализма (двойственности) и у других объектов?

Напомним сначала истоки этого дуализма. X. Гюйгенс принимал, что свет распространяется в виде волн, Ньютон предложил корпускулярную теорию света. При исследовании многих явлений выводы обеих теорий совпадают, и связано это с такой особенностью математических уравнений: картину распространяющихся волн можно заменить на картинку, где каждой волне соответствует перпендикуляр к ее поверхности (нормаль), а изменение и распространение этих векторов-нормалей как раз и описывает лучевую картину. Таким образом, для многих явлений математические описания в обеих теориях совершенно одинаковы.

На примере семьи де Бройль любопытно проследить, как менялись приоритеты в течение последних веков. Франсуа-Нари, 1-й герцог де Бройль (1671–1745) — маршал Франции при Людовиках XIV и XV, командующий армией в Войне за Австрийское наследство. Виктор, 2-й герцог (1718–1814) — маршал Франции, эмигрант во время революции. 3-й герцог, тоже Виктор (1785–1870) — уже не военный, дипломат Наполеона, затем пэр Франции, премьер-министр в 1835–1836 гг., а после переворота Наполеона III мемуарист и писатель, член Французской академии. Альберт (1821–1901), 4-й герцог — премьер-министр Третьей республики, затем историк, член Французской академии. Морис, 6-й герцог (1875–1960) — сначала морской офицер, затем физик, он оборудовал домашнюю лабораторию, в которой измерил (1908) заряд электрона, открыл метод фокусировки рентгеновских лучей, создал на этой основе спектрограф, вел работы по рентгеновской спектроскопии. Луи (1892–1987, Нобелевская премия 1929 г.), брат Мориса де Бройля, при его жизни принц де Бройль, с 1960 г. носил титул 7-го герцога де Бройль.