«Казка про герцога де Бройла, який відкрив найдивніші хвилі в світі»

Інші наукові казки Нік. Горькавого див. у «Науці і життя» № 11, 2010, № 12, 2010, № 1, 2011, № 2, 2011, № 3, 2011, № 4, 2011, № 5, 2011, № 6, 2011, № 9, 2011, № 11, 2011, № 6, 2012, № 7, 2012, № 8, 2012, № 9, 2012, № 12, 2012, № 2014, № 1, 2013, № 11 №, №

«Космічні сищики» — нова книга письменника, доктора фізико-математичних наук Миколи Миколайовича Горькавого. Її герої знайомі читачам з науково-фантастичної трилогії «Астровітянка» і наукових казок, опублікованих в журналі в 2010-2014 рр. і в № № 1, 4-7, 9 2015 р., № 1 2016 р.

Луї де Бройль. 1929 рік. Фото: Unknown/Wikimedia Commons/PD

Укладаючи дітей спати, Дзінтара, як зазвичай, відкрила книгу і прочитала:

— Що ви думаєте, принц, про квантів пана Планка?

— Я вирішив присвятити всі свої сили з’ясуванню їх справжньої природи, адже глибокий сенс квантів ще мало хто розуміє.

— Це сміливий крок, принц!

Галатея витаращила очі:

— Ти що читаєш? Хіба принци обговорювали квантові проблеми?

— Так, принаймні один з них — Луї де Бройль з династії французьких герцогів. Сім’я була багата і впливова, і Луї, молодшому з п’яти дітей, пророкували велике політичне майбутнє. Після смерті батька в 1906 році він успадкував титул князя (prince) Священної Римської імперії, три роки навчався в престижному ліцеї Жансон-де-Сайі. У 18 років талановитий юнак вступив до Паризького університету, де спочатку вивчав історію і право. Але молодого принца не залучала військова або дипломатична кар’єра, якій присвячували себе чоловіки його роду. Луї почав відвідувати курси зі «спеціальної математики», вивчати матеріали першого Сольвєєвського конгресу, що пройшов у Брюсселі в 1911 році. На конгресі обговорювалися кванти, відкриті за десять років до цього і введені в теоретичну фізику Максом Планком. Прочитавши про них, де Бройль твердо вирішив присвятити себе теоретичній квантовій фізиці.

Мабуть, він порахував це досить аристократичним заняттям! — прокоментував Андрій.

— Сестра Луї де Бройля, графиня де Панж, писала у своїх мемуарах про перетворення принца на науковця: «Доброзичливий і чарівний маленький князь, якого я знала протягом усього дитинства, назавжди зник. З рішучістю і вражаючою сміливістю він поступово, з кожним місяцем перетворював себе на суворого вченого, який веде чернече життя «.

Учасники Сольвіївського конгресу 1927 року. Луї де Бройль — третій справа в другому ряду. Фото: Benjamin Couprie, Institut International de Physigue Solvay, Brussels, Belgium/Wikimedia Commons/PD

Луї закінчив університет у 1913 році, але його заняття фізикою незабаром перервала Перша світова війна. Він служив в армії шість років і тільки потім повернувся до своєї улюбленої науки. У 1924 році де Бройль написав дисертацію «Дослідження теорії квантів», де висловив вражаючу за сміливістю ідею. Ґрунтуючись на тому, що світло має не тільки характеристики хвилі, а й властивості частинок, або квантові властивості, де Бройль припустив, що і матеріальні частинки, наприклад електрони, теж мають не тільки властивості частинок, але і властивості хвиль.

Частинка з властивостями хвилі? — не повірила почутому Галатея.

— Так, причому будь-яка. Вчений довів, що чим більше енергія частинки, тим більше частота її хвилі, а значить, довжина хвилі менше. Тільки хвиля ця не схожа на звичайну електромагнітну. Її нерідко називають «хвилею ймовірності», оскільки вона описує ймовірність знаходження частинки в тій чи іншій точці простору.

— І я теж володію хвилевими властивостями? — здивувався Андрій.

— Так, і ти теж. Але хвиля, яка відповідає такому великому тілу, як твоє, дуже коротка і не може бути вимірена звичайними методами. Зате хвильові властивості електрона виявити можливо.

— Я вважаю, що моя хвиля набагато більша, ніж хвиля Андрія, — заявила Галатея.

— Звичайно, твоя маса менша, — погодився брат.

Нейї-сюр-Сен — район на західній околиці Парижа, де Луї де Бройль прожив з 1928 по 1987 рік. Фото: Moonik/CC-BY-SA-3.0

Дзинтара продовжила читання:

— Жорж Лошак — учень і співробітник де Бройля, писав, що для нього «характерно інтуїтивне мислення за допомогою простих конкретних і реалістичних образів, притаманних тривимірному фізичному простору… Для де Бройля розуміти — значить наочно представляти «.

Дійсно, на початку 20-х років минулого століття дисертація де Бройля виділялася із загального ряду: мінімум математики в поєднанні з геніальним розумінням суті процесу, з наочним уявленням про нього. Це був час, коли теоретична фізика збагатилася складними математичними теоріями на зразок загальної теорії відносності. У середині 1920-х років квантовою механікою зайнялися такі видатні фізики-теоретики, як австрієць Ервін Шредінгер, який скористався висунутою де Бройлем ідеєю для розвитку хвильової теорії електрону, англієць Поль Дірак, німець Вернер Гейзенберг і багато інших. Вони застосовували найрізноманітніші і дуже складні математичні методи. А дисертація де Бройля була, мабуть, останньою науковою роботою в галузі теоретичної фізики, в якій вдалося зробити найважливіші наукові висновки, спираючись на досить скромний математичний апарат у поєднанні зі сміливим науковим мисленням.

Альберт Ейнштейн рекомендував німецькому фізику Максу Борну дисертацію де Бройля в таких виразах: «Прочитайте її! Хоча і здається, що її писав божевільний, написана вона солідно «.

У своїй книзі «Революція у фізиці» де Бройль писав: «… якщо обережність — мати безпеки, то доля посміхається лише відважним». Дійсно, в науковій сміливості французькому вченому не відмовиш. Наукова сміливість де Бройля була певною мірою обґрунтована його фінансовою незалежністю. Хтось з вчених початку XXI століття сказав, що, жив би де Бройль на гранти, чорта з два він сказав би, що частинка — це хвиля!

Вид сніжинки в оптичному (ліворуч) і в електронному (праворуч) мікроскопі, створеному завдяки тому, що електрони, як і світло, мають властивості хвилі

Раз, як припустив де Бройль, електрон — це хвиля, то він повинен бути схильний до дифракції *, типової для світлових хвиль. Його висновок про хвильові властивості частинок в 1926 році підтвердили в експерименті американські фізики Клінтон Джозеф Девіссон і Лестер Хелберт Джермер. Вони показали, що тонкий пучок електронів, падаючи на кристалічну решітку нікелю, відбивається від неї точно так само, як рентгенівське випромінювання з тією ж довжиною хвиль.

Карта кристалічної будови матеріалу, отримана на скануючому електронному мікроскопі завдяки дифракції електронів на кристалічній решітці. Фото: Wikimedia Commons/PD

— Це означає, що довжина хвилі у електрона така ж помітна, як і у рентгенівського випромінювання? — запитав Андрій.

— Так! Наразі вже відомо чимало прикладів прояву хвильових властивостей електронів та інших частинок. Хвилі де Бройля витлумачують як «хвилі ймовірності», які описують розподіл частинки, наприклад електрона в просторі. Але поки ніхто в світі не може стверджувати, що це останнє слово в квантовій механіці. Частина вчених продовжує думати слідом за Ейнштейном, що повинна існувати й інша — детерміністична — теорія руху електрону, позбавлена від принципової випадковості. Ейнштейн вважав, що випадковість присутня в квантовій механіці тільки через нерозуміння глибинних механізмів динаміки квантових систем.

— Що таке детерні… детерміністична теорія? — запитала Галатея.

— Це така теорія, яка дозволяє точно вирахувати майбутнє положення тіл і їх швидкість. Наприклад, небесна механіка — детерміністична теорія, вона дає можливість з великою точністю розрахувати, де будуть розташовуватися планети Сонячної системи через сто або двісті років.

Зліва — герб герцогського роду Бройї. Artist Bruno/Wikimedia Commons/CC-BY-SA-3.0. Праворуч — орден Академічних пальм — нагорода Франції за заслуги в освіті та науці. Де Бройль був призначений цим орденом вищого ступеня. Фото: Fdutil/Wikimedia Commons/CC-BY-SA-3.0

Важко сказати, хто виявиться правий у цій суперечці. Цілком можливо, що квантові випадковості збережуться і на наступному витку розуміння квантової теорії, але зате ми краще зрозуміємо, що таке «хвиля ймовірності», в якому вигляді існує в ній частинка і чому вона з такою легкістю і швидкістю може виринати в будь-якій точці хвилі де Бройля, немов дельфін з морської хвилі. Можливо, щоб відповісти на ці питання, повинен з’явитися новий де Бройль — вчений, який буде здатний не тільки на математичні викладки, але і на більш глибоке і наочне проникнення в суть фізичного процесу.

-може бути… — мріяно відповіла Галатея, і в її палаючих очах зовсім не було сну.

Луї Віктор П’єр Раймон, сьомий герцог де Бройї (1892-1987), більш відомий як Луї де Бройль, французький фізик-теоретик, який висунув концепцію хвильових властивостей матерії, яка стала однією з основ квантової механіки, лауреат Нобелівської премії з фізики 1929 року.

Сольвіївські конгреси з фізики проходять кожні три роки і збирають видатних фізиків і математиків з усього світу. Перший конгрес відбувся в 1911 році з особистої ініціативи і на кошти бельгійського вченого і промисловця Ернеста Сольве (1838-1922). Головне поставлене на ньому запитання — «Чи дійсно потрібно вдаватися до квантового опису світу?» — став поворотним пунктом у розвитку фізики XX століття.

Жорж Лошак (1930) — французький фізик. Голова Фонду де Бройля.

Клінтон Девіссон (1881-1958) — американський фізик. Відкрив дифракцію електронів на кристалічній решітці (досвід Девіссона — Джермера), що підтвердило існування хвиль де Бройля. Лауреат Нобелівської премії з фізики 1937 року.

Лестер Джермер (1896-1971) — американський фізик, у співавторстві з К. Девіссоном відкрив дифракцію електронів.

^* Дифракція — огинання перешкоди хвилями. Завдяки дифракції світло проникає в зони тіні, куди ідеальний прямий промінь проникнути не може.