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DESCOBERTAS CIENTÍFICAS MAIS IMPORTANTES
Mecânica quântica. História e essência da descoberta científica
Diretório / As descobertas científicas mais importantes Quando a emoção dos primeiros sucessos passou A teoria de Bohr, todos de repente perceberam uma verdade simples: o esquema de Bohr é contraditório. Não havia onde se esconder de tal fato, e isso explica o então pessimismo Einstein, bem como o desespero de Pauli. Os físicos foram convencidos repetidamente de que um elétron, ao se mover em um átomo, não obedece às leis da eletrodinâmica: não cai sobre o núcleo e nem irradia se o átomo não estiver excitado. Tudo isso era tão incomum que não cabia na cabeça: o elétron, que "se originou" da eletrodinâmica, de repente saiu do controle de suas leis. Em qualquer tentativa de encontrar uma saída lógica desse círculo vicioso, os cientistas sempre chegaram à conclusão: o átomo de Bohr não pode existir. Descobriu-se que o movimento de um elétron em um átomo obedece a algumas outras leis - as leis da mecânica quântica. A mecânica quântica é a ciência do movimento dos elétrons em um átomo. Foi originalmente chamado assim: mecânica atômica. Heisenberg - o primeiro dos que tiveram a sorte de criar esta ciência. Werner Karl Heisenberg (1901–1976) nasceu na cidade alemã de Würzburg. Em setembro de 1911, Werner foi enviado para um prestigioso ginásio. Em 1920, Heisenberg entrou na Universidade de Munique. Depois de se formar, Werner foi nomeado professor assistente Max Nascido na Universidade de Göttingen. Born tinha certeza de que o microcosmo atômico é tão diferente do macrocosmo descrito pela física clássica que os cientistas nem deveriam pensar em usar os conceitos usuais de movimento e tempo, velocidade, espaço e uma certa posição das partículas ao estudar a estrutura do átomo. A base do micromundo é quanta, que não deveria ter sido tentada para ser entendida ou explicada a partir das posições visuais de clássicos ultrapassados. Essa filosofia radical encontrou uma resposta calorosa na alma de seu novo assistente. De fato, o estado da física atômica naquela época parecia uma espécie de pilha de hipóteses. Agora, se alguém pudesse provar por experiência que o elétron é realmente uma onda, ou melhor, uma partícula e uma onda. Mas não houve tais experiências até agora. E se sim, então era incorreto partir apenas das suposições sobre o que é um elétron, de acordo com o pedante Heisenberg. É possível criar uma teoria na qual haverá apenas dados experimentais conhecidos sobre o átomo, obtidos pelo estudo da luz emitida por ele? O que você pode dizer sobre essa luz com certeza? Que tem tal e tal frequência e tal e tal intensidade, não mais... Em junho de 1925, o doente Heisenberg foi descansar na ilha de Helgoland, no mar Báltico. Ele não conseguiu descansar - de repente percebeu uma verdade inesperada: não se pode imaginar o movimento de um elétron em um átomo como o movimento de uma pequena bola ao longo de uma trajetória. É impossível, porque o elétron não é uma bola, mas algo mais complexo, e é impossível traçar o movimento desse "algo" tão simplesmente quanto o movimento de uma bola de bilhar. L. Ponomarev escreve em seu livro: "Heisenberg argumentou: as equações com as quais queremos descrever o movimento no átomo não devem conter quaisquer quantidades além daquelas que podem ser medidas experimentalmente. E dos experimentos seguiu-se que o átomo é estável , consiste em núcleo e elétrons, e pode emitir raios se for retirado do equilíbrio. Esses raios têm um comprimento de onda estritamente definido e, segundo Bohr, aparecem quando um elétron salta de uma órbita estacionária para outra. esquema não disse nada sobre o fato de que acontece com o elétron no momento do salto, por assim dizer "em vôo" entre dois estados estacionários. E todos, incluindo Heisenberg, por hábito procuraram uma resposta para essa mesma pergunta. Mas em algum momento ficou claro para ele: o elétron não existe "entre" estados estacionários, ele simplesmente não possui tal propriedade! O que é aquilo? Há algo para o qual ele ainda nem sabia o nome, mas estava convencido de que deveria depender apenas de para onde o elétron foi e de onde. Até então, os físicos vinham tentando encontrar uma trajetória hipotética para um elétron em um átomo, que depende continuamente do tempo e que pode ser dada por uma série de números que marcam a posição do elétron em determinados pontos no tempo. Heisenberg argumentou que não existe tal trajetória no átomo e, em vez de uma curva contínua, há um conjunto de números discretos, cujos valores dependem dos números dos estados inicial e final do elétron. Ele apresentou o estado do átomo na forma de um tabuleiro de xadrez sem fim, em cada quadrado do qual números são escritos. Naturalmente, os valores desses números dependem da posição do quadrado no "tabuleiro atômico", ou seja, do número da linha (estado inicial) e do número da coluna (estado final), na interseção da qual o número fica . Se os números X de uma espécie de registro do "jogo atômico" são conhecidos, então tudo o que é necessário sobre o átomo é conhecido para prever suas propriedades observáveis: o espectro do átomo, a intensidade de suas linhas espectrais, o número e a velocidade de elétrons expulsos do átomo por raios ultravioleta e muito mais. Os números X não podem ser chamados de coordenadas de um elétron em um átomo. Eles os substituem, ou, como se disse mais tarde, os representam. Mas o que essas palavras significam - a princípio, o próprio Heisenberg não entendeu. Porém, imediatamente com a ajuda de Max Born (1882-1970) e Pascual Jordan, foi possível compreender que a tabela dos números não é apenas uma tabela, mas uma matriz. "Matrizes", observa L.I. Ponomarev, "são tabelas de quantidades para as quais existem operações de adição e multiplicação estritamente definidas. Em particular, o resultado da multiplicação de duas matrizes depende da ordem em que são multiplicadas. Esta regra pode parecer estranha e suspeito , mas não contém nenhuma arbitrariedade em si. Em essência, é essa regra que distingue as matrizes de outras quantidades. Não temos o direito de alterá-la por nosso capricho - a matemática também tem suas próprias leis inabaláveis. Essas leis, independentes da física e todas as outras ciências fixam na linguagem dos símbolos todas as conexões lógicas concebíveis na natureza, e não se sabe de antemão se todas essas conexões são realizadas na realidade. É claro que os matemáticos conheciam as matrizes muito antes de Heisenberg e sabiam como trabalhar com elas. No entanto, foi uma surpresa completa para todos que esses objetos estranhos com propriedades incomuns correspondam a algo real no mundo dos fenômenos atômicos. O mérito de Heisenberg e Born reside no fato de que eles superaram a barreira psicológica, encontraram uma correspondência entre as propriedades das matrizes e as características do movimento dos elétrons no átomo e, assim, fundaram uma nova mecânica atômica, quântica, matricial. Atômica - porque descreve o movimento dos elétrons em um átomo. Quantum - porque o papel principal nesta descrição é desempenhado pelo conceito de quantum de ação. Matriz - porque o aparato matemático necessário para isso são as matrizes. Na nova mecânica, cada característica de um elétron: coordenada, momento, energia - correspondia às matrizes correspondentes. Em seguida, as equações de movimento, conhecidas da mecânica clássica, foram escritas para eles. Heisenberg estabeleceu ainda algo mais: descobriu que as matrizes de coordenadas e de momento da mecânica quântica não são matrizes em geral, mas apenas aquelas que obedecem à relação de comutação (ou permutação). Na nova mecânica, essa relação de comutação desempenhava exatamente o mesmo papel que a condição de quantização de Bohr na antiga mecânica. E assim como as condições de Bohr destacaram as órbitas estacionárias do conjunto de todas as possíveis, a relação de comutação de Heisenberg seleciona apenas as da mecânica quântica do conjunto de todas as matrizes. Não é por acaso que em ambos os casos - tanto nas condições de quantização de Bohr quanto nas equações de Heisenberg - a constante de Planck deve estar presente. A constante de Planck necessariamente entra em todas as equações da mecânica quântica e, por esse recurso, elas podem ser distinguidas inequivocamente de todas as outras equações. As novas equações encontradas por Heisenberg não eram nem as equações da mecânica nem as da eletrodinâmica. Do ponto de vista dessas equações, o estado de um átomo é completamente dado se as matrizes de coordenadas ou momentos forem conhecidas. Além disso, a estrutura dessas matrizes é tal que o átomo não irradia no estado não excitado. De acordo com Heisenberg, o movimento não é o movimento de uma bola de elétrons ao longo de qualquer trajetória ao redor do núcleo. O movimento é uma mudança no estado do sistema no tempo, que descreve as matrizes de coordenada e momento. Juntamente com as questões sobre a natureza do movimento de um elétron em um átomo, a questão da estabilidade do átomo também desapareceu. Do novo ponto de vista, em um átomo não excitado, o elétron está em repouso e, portanto, não deve irradiar. A teoria de Heisenberg era internamente consistente, o que faltava tanto no esquema de Bohr. Ao mesmo tempo, levou aos mesmos resultados que as regras de quantização de Bohr. Além disso, com sua ajuda, finalmente foi possível mostrar que a hipótese de Planck sobre os quanta de radiação é uma consequência simples e natural da nova mecânica. Deve-se dizer que a mecânica matricial apareceu muito oportunamente. As idéias de Heisenberg foram retomadas por outros físicos e logo, nas palavras de Bohr, adquiriu "uma forma que, em sua completude lógica e generalidade, poderia competir com a mecânica clássica". No entanto, havia uma circunstância deprimente no trabalho de Heisenberg. Segundo ele, ele não conseguiu derivar um espectro simples de hidrogênio a partir da nova teoria. E qual foi sua surpresa quando, algum tempo depois da publicação de seu trabalho, como ele escreveu, “Pauli me deu uma surpresa: a mecânica quântica completa do átomo de hidrogênio. teoria do átomo de hidrogênio e quão grande é minha surpresa que você tenha sido capaz de desenvolvê-lo tão rapidamente"". Os físicos saudaram o aparecimento da mecânica matricial de Heisenberg com grande alívio: "A mecânica de Heisenberg me devolveu a alegria da vida e a esperança. Embora não resolva o enigma, acredito que agora é possível avançar novamente", escreveu Pauli em 9 de outubro de 1925. Ele logo justificou sua fé. Ao aplicar a nova mecânica ao átomo de hidrogênio, ele obteve as mesmas fórmulas que Niels bohr com base em seus postulados. É claro que surgiram novas dificuldades, mas essas eram as dificuldades do crescimento, e não a desesperança de um beco sem saída. Autor: Samin D. K.
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