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DÉCOUVERTES SCIENTIFIQUES LES PLUS IMPORTANTES
Mécanique quantique. Histoire et essence de la découverte scientifique
Annuaire / Les découvertes scientifiques les plus importantes Quand l'excitation des premiers succès est passée La théorie de Bohr, tout le monde a soudainement réalisé une vérité simple : le schéma de Bohr est contradictoire. Il n'y avait nulle part où se cacher d'un tel fait, et cela explique le pessimisme d'alors Einstein, ainsi que le désespoir de Pauli. Les physiciens ont été convaincus à maintes reprises qu'un électron, lorsqu'il se déplace dans un atome, n'obéit pas aux lois de l'électrodynamique : il ne tombe pas sur le noyau et ne rayonne même pas si l'atome n'est pas excité. Tout cela était si inhabituel que cela ne rentrait pas dans la tête: l'électron, qui "est issu" de l'électrodynamique, a soudainement perdu le contrôle de ses lois. Dans toute tentative de trouver une issue logique à un tel cercle vicieux, les scientifiques sont toujours arrivés à la conclusion : l'atome de Bohr ne peut pas exister. Il s'est avéré que le mouvement d'un électron dans un atome obéit à d'autres lois - les lois de la mécanique quantique. La mécanique quantique est la science du mouvement des électrons dans un atome. À l’origine, cela s’appelait ainsi : mécanique atomique. Heisenberg - le premier de ceux qui ont eu la chance de créer cette science. Werner Karl Heisenberg (1901-1976) est né dans la ville allemande de Würzburg. En septembre 1911, Werner est envoyé dans un prestigieux gymnase. En 1920, Heisenberg entre à l'Université de Munich. Après avoir obtenu son diplôme, Werner a été nommé professeur adjoint Max Né à l'Université de Göttingen. Born était sûr que le micromonde atomique est si différent du macromonde décrit par la physique classique que les scientifiques ne devraient même pas penser à utiliser les concepts habituels de mouvement et de temps, de vitesse, d'espace et d'une certaine position des particules lorsqu'ils étudient la structure de l'atome. La base du micromonde est constituée de quanta, qu’il ne faut pas tenter de comprendre ou d’expliquer du point de vue visuel de classiques dépassés. Cette philosophie radicale trouva une réponse chaleureuse dans l'âme de son nouvel assistant. En effet, l’état de la physique atomique à cette époque ressemblait à une sorte de tas d’hypothèses. Maintenant, si seulement quelqu’un pouvait prouver expérimentalement qu’un électron est réellement une onde, ou plutôt à la fois une particule et une onde. Mais de telles expériences n’ont pas encore eu lieu. Et si c'est le cas, alors il était incorrect de partir de simples hypothèses sur ce qu'est un électron, selon le pédant Heisenberg. N'est-il pas possible de créer une théorie dans laquelle il n'existerait que des données expérimentales connues sur l'atome obtenues en étudiant la lumière qu'il émet ? Que peut-on dire avec certitude de cette lumière ? Qu'il a telle fréquence et telle intensité, pas plus... En juin 1925, Heisenberg, malade, partit se reposer sur l'île d'Heligoland, dans la mer Baltique. Il n'a pas pu se reposer - là, il a soudainement réalisé une vérité inattendue : on ne peut pas imaginer le mouvement d'un électron dans un atome comme le mouvement d'une petite boule le long d'une trajectoire. C'est impossible, car un électron n'est pas une boule, mais quelque chose de plus complexe, et il est impossible de retracer le mouvement de ce « quelque chose » aussi simplement que le mouvement d'une boule de billard. L. Ponomarev écrit dans son livre: "Heisenberg a soutenu: les équations avec lesquelles nous voulons décrire le mouvement dans un atome ne doivent pas contenir d'autres quantités que celles qui peuvent être mesurées expérimentalement. Et des expériences, il s'ensuit que l'atome est stable , se compose d'un noyau et d'électrons et peut émettre des rayons s'il est perturbé par son équilibre. Ces rayons ont une longueur d'onde strictement définie et, selon Bohr, surviennent lorsqu'un électron saute d'une orbite stationnaire à une autre. En même temps, le schéma de Bohr n'a ne rien dire sur le fait qu'il advient de l'électron au moment du saut, pour ainsi dire "en vol" entre deux états stationnaires. Et tout le monde, y compris Heisenberg, par habitude a cherché une réponse à cette même question. Mais à certains point il lui est devenu clair : l'électron n'existe pas « entre » états stationnaires, il n'a tout simplement pas une telle propriété ! Qu'y a-t-il ? Il y a quelque chose dont il ne connaissait même pas encore le nom, mais il était convaincu que cela ne devait dépendre que de la destination et de la provenance de l'électron. Jusqu'à cette époque, les physiciens essayaient de trouver une trajectoire hypothétique pour un électron dans un atome, qui dépende continuellement du temps et qui puisse être donnée par une série de nombres marquant la position de l'électron à certains moments dans le temps. Heisenberg a fait valoir qu'il n'y a pas une telle trajectoire dans l'atome et qu'au lieu d'une courbe continue, il existe un ensemble de nombres discrets, dont les valeurs dépendent des nombres des états initial et final de l'électron. Il a imaginé l'état de l'atome comme un échiquier sans fin avec des nombres écrits sur chaque case. Naturellement, les valeurs de ces nombres dépendent de la position du carré sur le "tableau atomique", c'est-à-dire du numéro de ligne (état initial) et du numéro de colonne (état final), à l'intersection desquels se trouve le nombre . Si les nombres X d'une sorte d'enregistrement du "jeu atomique" sont connus, alors tout ce qui est nécessaire est connu sur l'atome pour prédire ses propriétés observables : le spectre de l'atome, l'intensité de ses raies spectrales, le nombre et la vitesse de électrons expulsés de l'atome par les rayons ultraviolets, et bien plus encore. Les nombres X ne peuvent pas être appelés les coordonnées d’un électron dans un atome. Ils les remplacent ou, comme ils commencèrent à le dire plus tard, les représentent. Mais au début, Heisenberg lui-même ne comprit pas ce que signifiaient ces mots. Cependant, immédiatement avec l'aide de Max Born (1882-1970) et de Pascual Jordan, il a été possible de comprendre que le tableau des nombres n'est pas seulement un tableau, mais une matrice. "Les matrices", note L.I. Ponomarev, "sont des tableaux de quantités pour lesquels il existe des opérations d'addition et de multiplication strictement définies. En particulier, le résultat de la multiplication de deux matrices dépend de l'ordre dans lequel elles sont multipliées. Cette règle peut paraître étrange et suspect, mais ne contient aucun arbitraire. Essentiellement, c'est cette règle qui distingue les matrices des autres quantités. Nous n'avons pas le droit de la modifier à notre guise - les mathématiques ont aussi leurs propres lois immuables. Ces lois, indépendantes de la physique et de toutes les autres les sciences, consacrent dans le langage des symboles toutes les connexions logiques imaginables dans la nature. De plus, on ne sait pas à l'avance si toutes ces connexions se réalisent dans la réalité. Bien entendu, les mathématiciens connaissaient les matrices bien avant Heisenberg et savaient comment les utiliser. Cependant, ce fut une surprise totale pour tout le monde que ces objets étranges aux propriétés inhabituelles correspondent à quelque chose de réel dans le monde des phénomènes atomiques. Le mérite de Heisenberg et Born réside dans le fait qu'ils ont surmonté la barrière psychologique, trouvé une correspondance entre les propriétés des matrices et les caractéristiques du mouvement des électrons dans un atome, et ainsi fondé une nouvelle mécanique matricielle, atomique, quantique. Atomique – car il décrit le mouvement des électrons dans un atome. Quantique - parce que le rôle principal dans cette description est joué par le concept de quantum d'action. Matrice - parce que l'appareil mathématique nécessaire à cela est une matrice. Dans la nouvelle mécanique, chaque caractéristique d’un électron : coordonnées, impulsion, énergie – avait des matrices correspondantes. Ensuite, les équations du mouvement connues de la mécanique classique ont été écrites pour eux. Heisenberg a même établi quelque chose de plus : il a découvert que les matrices de position et de quantité de mouvement de la mécanique quantique ne sont pas du tout des matrices, mais seulement celles qui obéissent à la relation de commutation (ou commutation). Dans la nouvelle mécanique, cette relation de permutation jouait exactement le même rôle que la condition de quantification de Bohr dans l'ancienne mécanique. Et tout comme les conditions de Bohr distinguaient les orbites stationnaires de l'ensemble de toutes les orbites possibles, la relation de commutation de Heisenberg ne sélectionne que les orbites mécaniques quantiques de l'ensemble de toutes les matrices. Ce n'est pas un hasard si dans les deux cas - tant dans les conditions de quantification de Bohr que dans les équations de Heisenberg - la constante de Planck est nécessairement présente. La constante de Planck est certainement incluse dans toutes les équations de la mécanique quantique et, sur cette base, elles peuvent être distinguées sans équivoque de toutes les autres équations. Les nouvelles équations trouvées par Heisenberg ne différaient ni des équations de la mécanique, ni des équations de l’électrodynamique. Du point de vue de ces équations, l'état de l'atome est complètement précisé si les matrices de coordonnées ou de quantité de mouvement sont connues. De plus, la structure de ces matrices est telle que l’atome n’émet pas à l’état non excité. Selon Heisenberg, le mouvement n’est pas le mouvement d’une boule d’électrons le long d’une trajectoire autour du noyau. Le mouvement est un changement d'état du système dans le temps, qui décrit les matrices de coordonnées et de quantité de mouvement. Parallèlement aux questions sur la nature du mouvement d'un électron dans un atome, la question de la stabilité de l'atome a également disparu. Du nouveau point de vue, dans un atome non excité, l'électron est au repos, et ne doit donc pas rayonner. La théorie de Heisenberg était cohérente en interne, ce qui manquait au projet de Bohr. En même temps, cela conduit aux mêmes résultats que les règles de quantification de Bohr. De plus, grâce à son aide, il a finalement été possible de montrer que l'hypothèse de Planck sur les quanta de rayonnement est une conséquence simple et naturelle de la nouvelle mécanique. Il faut dire que la mécanique matricielle est apparue très opportunément. Les idées de Heisenberg ont été reprises par d'autres physiciens et bientôt, selon Bohr, elles ont acquis "une forme qui, dans sa complétude logique et sa généralité, pourrait rivaliser avec la mécanique classique". Cependant, il y avait une circonstance déprimante dans le travail de Heisenberg. Selon lui, il n'a pas réussi à dériver un spectre simple de l'hydrogène à partir de la nouvelle théorie. Et quelle ne fut pas sa surprise lorsque, quelque temps après la publication de son ouvrage, comme il l'écrivait, « Pauli m'a fait une surprise : la mécanique quantique complète de l'atome d'hydrogène, la théorie de l'atome d'hydrogène et quelle est ma surprise que vous ayez été capable de le développer si rapidement"". Les physiciens ont accueilli avec un grand soulagement l'apparition de la mécanique matricielle de Heisenberg : « La mécanique de Heisenberg m'a redonné la joie de vivre et l'espoir. Bien qu'elle ne résolve pas l'énigme, je crois qu'il est maintenant possible d'avancer à nouveau », écrit Pauli sur 9 octobre 1925. Il a bientôt justifié lui-même sa foi. En appliquant la nouvelle mécanique à l'atome d'hydrogène, il obtient les mêmes formules que Niels Bohr sur la base de leurs postulats. Bien sûr, de nouvelles difficultés ont surgi, mais c'étaient les difficultés de la croissance, et non le désespoir d'une impasse. Auteur : Samin D.K.
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