Особенно тягостное положение создалось в теории света. Эйнштейн в своей классической работе 1917 г. о световых квантах сделал дальнейший шаг в сторону корпускулярной теории света. Он предположил, что атом излучает, «выстреливая» квант света в том или ином направлении (игольчатое излучение). При этом квант света обладает всеми свойствами материальной частицы: энергией Е = hv, массой
Эта идея нашла блестящее подтверждение в открытии, сделанном американским физиком Артуром Комптоном (и, по-видимому, П. Дебаем). В 1922 г. Комптон (1892-1962), изучая рассеяние рентгеновских лучей веществом, содержащим слабо связанные электроны (графитом), установил, что частота (длина волны) рассеянных рентгеновских лучей изменяется в зависимости от угла рассеяния. С увеличением угла рассеяния она уменьшается (длина волны увеличивается), излучение становится более «мягким». В 1927 г. Комптону была присуждена Нобелевская премия за открытие этого эффекта.
В 1923 г. А. Комптон и независимо от него П. Дебай дали теорию «эффекта Комптона». Теория была основана на идее Эйнштейна: квант света сталкивается с электроном по закону упругого удара. Применяя законы сохранения энергии и импульса, Комптон и Дебай получили формулу для изменения длины волны рассеянного излучения:
(комптоновская длина волны). Дебай написал эту формулу в несколько измененном виде. Это простое и наглядное объяснение эффекта в сильной степени способствовало укреплению представления о кванте света как частице, для которой Комптоном был предложен термин «фотон», ставший общеупотребительным.
К 1924 г. в науке о свете создалось тягостное положение, которое очень наглядно охарактеризовал О. Д. Хвольсон в своем докладе на IV съезде физиков в Ленинграде. Разделив мелом доску на две части А и В, он вписал на одной стороне факты, объясняемые волновой теорией света, на другой — факты, объясняемые квантовой теорией. «Ни волновая, ни квантовая теории, — говорил в связи с этим принимавший участие в съезде Эренфест, — не в состоянии охватить все области световых явлений». Всеобъемлющей теории света, как это констатировал Хвольсон, не было Однако эффект Комптона и опыт А ф. Иоффе и Н. И.Добронравова, о котором было сообщено на съезде, как будто перевешивали чашу весов в пользу квантовой теории. Эренфест в своем докладе рассказал о попытке построить квантовую теорию дифракционной решетки.
В 1924 г. Бор совместно с Г. Крамерсом и Дж. Слэтером написал статью «Квантовая теория излучения», опубликованную в 1924 г.
В поисках выхода из тяжелого положения авторы предложили даже отказаться от требования применения закона сохранения энергии к отдельным актам излучения и поглощения света атомом. Закон сохранения энергии должен выполняться лишь статистически, в среднем. Они ввели представление о виртуальном поле, индуцирующем квантовые переходы, и, полностью сохраняя волновые представления, пытались построить теорию квантовых эффектов. Однако гипотеза Бора, Крамерса и Слэтера была опровергнута экспериментами, в которых доказывалось, что каждый акт взаимодействия света с веществом подчиняется закону сохранения энергии. Выход, таким образом, Бором и его сотрудниками еще не был найден.
Рис. 76. Явление Комптона по снимку Комптона и Симона
Идеи де Бройля
В 1923 г. в докладах Парижской Академии наук были опубликованы три статьи французского физика Луи де Бройля: «Волны и кванты», «Кванты света, дифракция и интерференция», «Кванты, кинетическая теория газов и принцип ферма», в которых выдвигалась совершенно новая идея, переносящая дуализм в теории света на сами частицы материи.
Де Бройль рассматривает некоторый волновой процесс, связанный с телом, движущимся со скоростью v = βс. Эта волна обладает частотой, определяемой соотношением Е = hν = m(с)2, и движется в направлении движения тела со скоростью u = c/β «Мы будем рассматривать ее лишь как фиктивную волну, связанную с перемещением движущегося тела». Де Бройль показывает далее, что для электрона, движущегося по замкнутой траектории с постоянной скоростью, меньшей скорости света, траектория будет устойчива, если на ней укладывается целое число таких волн Условие это совпадает с квантовым условием Бора: mvR = nh/2π. Скорость частицы v = βс является скоростью группы волн, обладающих частотами, мало отличающимися друг от друга и соответствующими частоте m(с)2/h Эта волна, которую де Бройль называл «волной фазы», пилотирует движение частицы, несущей энергию mс2, сама же фазовая волна энергии не несет. Гипотеза де Бройля позволяет «осуществить синтез волнового движения и квантов». Де Бройль утверждает наличие в природе волновых явлений и для частиц вещества. Он пишет: «Дифракционные явления обнаруживаются в потоке электронов, проходящих сквозь достаточно малые отверстия. Быть может, экспериментальное подтверждение наших идей следует искать в этом направлении».
Де Бройль указывает, что его новая механика относится к прежней механике, классической и релятивистской, «так же как волновая оптика относится к геометрической». Он пишет, что предложенный им синтез «представляется логическим венцом совместного развития динамики и оптики со времени XVII в.
25 ноября 1924 г. де Бройль защитил диссертацию «Исследования по теории квантов». Это время некоторые авторы считают началом возникновения идей волновой механики. Де Бройль впоследствии возражал, указывая, что он открыл волновую механику еще в 1923 г., «поскольку в своей диссертации лишь развил идеи, содержащиеся в моих статьях, написанных в сентябре — октябре 1923 г.». За открытие волновой природы электронов де Бройль был удостоен в 1929 г. Нобелевской премии.
Но тогда эти статьи не вызвали сразу широкого отклика. Содержащееся в них указание на дифракцию электронов прошло мимо экспериментаторов. Дифракция электронов была открыта через 5 лет после появления статей де Бройля вне всякой связи с ними и до известной степени случайно. Но на идеи де Бройля обратили внимание теоретики — Эйнштейн и Шредингер, с успехом развившие их в своих работах.
В своей статье «Кванты, кинетическая теория газов и принцип ферма» де Бройль, опираясь на исследования, проводимые в 1911—1913 гг. Планком, Нернстом, а также Саккуром и Тетроде, разрабатывает статистику газов и световых квантов. Саккур и Тетроде, начав в 1911—1912 гг. применение идей квантовой теории к газам, предложили считать элементарный фазовый объем газа равным h3. Планк подхватил эту идею и связал ее с теоремой Нернста, квантовый характер которой установил впервые он. Теперь де Бройль, используя свое представление о волнах материи, выводит закон распределения Максвелла для газов и формулу Планка для квантов света.
Возникновение квантовой статистики
2 июля 1924 г. индийский физик Шатьендранат Бозе (1894—1974) направил из Дакки (ныне столица Бангладеш) в немецкий журнал «Zeitschrift fur Physik» статью «Закон Планка и гипотеза световых квантов». Используя представление Эйнштейна о квантах как частицах, обладающих импульсом hv/c, гипотезу Саккура — Тетроде (эти имена ни де Бройль, ни Бозе не упоминают) и величину элементарного фазового объема, Бозе вводит новый метод статистического подсчета распределения объектов (в данном случае световых квантов) по состояниям. Бозе подсчитывает распределение не самих квантов, которые неразличимы, а ячеек, не содержащих ни одного кванта, содержащих один, два и т. д. квантов. Число таких распределений выражается формулой:
ячеек, p1 - число ячеек, содержащих один квант, р2 - число ячеек, содержащих два кванта, и т.д.
Статья Бозе заинтересовала Эйнштейна, и он сопроводил ее публикацию своим примечанием, помещенным в конце статьи: «Вывод формулы Планка, предложенный Бозе, является, по моему мнению, большим достижением. Использованный им метод дает также квантовую теорию идеального газа, которую я изложу в другом месте».
Эренфест рассказывал своим друзьям, что, начав читать статью Бозе, он отнесся к ней весьма неодобрительно. Но, прочитав в конце примечание Эйнштейна, он сказал себе: «Пауль, ты чего-то не понял». Эйнштейн же выполнил свое обещание и опубликовал в 1924—1925 гг. ряд статей по квантовой теории идеального одноатомного газа. Вклад, внесенный Эйнштейном в развитие статистики Бозе, оказался столь существенным, что ныне эту статистику называют статистикой Бозе — Эйнштейна. Из этих статей видно, с каким трудом пробивали дорогу новые идеи. Эйнштейн указывал, что «Эренфест и другие коллеги порицают теорию излучения Бозе и мою теорию идеального газа», и отвечал на критику, уточняя и развивая новую теорию. Пря этом Эйнштейн, который еще в 1909 г. рассматривал интерференционные флюктуации светового поля, вводит представление о таких флюктуациях и в теорию газа, считая, что «здесь речь идет не только о простой аналогии».
