1982 г. Июнь Том 137, вып. 2 УСПЕХИ ФИЗИЧЕСКИХ НАУК ФИЗИКА НАШИХ ДНЕЙ 539.184.5 СИЛЬНО ВОЗБУЖДЕННЫЕ АТОМЫ*) Д. Елеппнер, М. Литтман, М. Циммерман Эти слабосвязанные нестабильные атомы обладают гигантскими в масштабах микромира размерами.Некоторые из них достигают почти сотой доли миллиметра, что в 100 000 раз больше диаметра атома в основном состоянии.Эмблема планетарной модели атома, предложенной в 1913 г.Нильсом Бором, стала символом нашего времени.Начиная с тридцатых годов, когда эту эмблему стали использовать даже скульпторы и архитекторы, привычная картина электронов, вращающихся вокруг атомного ядра, остается неизменным символом научного познания и прогресса.Живучесть этого широко распространенного символа, возможно, объясняется его происхождением.Атомная теория Бора отчасти напоминает планетарную теорию Ньютона, и эмблема атома может сойти за абстрактное изображение солнечной системы.Какова бы ни была причина, удивительное сочетание традиционных и современных идей, которые лежат в основе теории Бора, обеспечили ей замечательную жизнеспособность.Дух и язык атомной модели продолжают питать мысль физиков спустя много лет, после того как адекватность этой модели получила всеобщее признание (в том числе и признание самого Бора).Первоначальная боровская теория атома водорода прожила чуть более десятилетия.Создание квантовой механики в середине двадцатых годов нашего столетия заставило отказаться от этой теории.Однако в последующие годы на стыке классической физики XIX века и квантовой механики XX века возникло новое направление атомной физики, идущее от первых работ Бора.Это -физика возбужденных атомов, в которых один из электронов находится на необычно высоком энергетическом уровне.Интерес к изучению сильно возбужденных атомов прежде всего связан с тем, что они демонстрируют неразрывность представлений классической и квантовой физики.Сильно возбужденные атомы часто называют ридберговскими атомами, по имени шведского физика-спектроскописта -Йоханнеса Ридберга.
1982 г. Июнь Том 137, вып. 2 УСПЕХИ ФИЗИЧЕСКИХ НАУК ФИЗИКА НАШИХ ДНЕЙ 539.184.5 СИЛЬНО ВОЗБУЖДЕННЫЕ АТОМЫ*) Д. Елеппнер, М. Литтман, М. Циммерман Эти слабосвязанные нестабильные атомы обладают гигантскими в масштабах микромира размерами.Некоторые из них достигают почти сотой доли миллиметра, что в 100 000 раз больше диаметра атома в основном состоянии.Эмблема планетарной модели атома, предложенной в 1913 г.Нильсом Бором, стала символом нашего времени.Начиная с тридцатых годов, когда эту эмблему стали использовать даже скульпторы и архитекторы, привычная картина электронов, вращающихся вокруг атомного ядра, остается неизменным символом научного познания и прогресса.Живучесть этого широко распространенного символа, возможно, объясняется его происхождением.Атомная теория Бора отчасти напоминает планетарную теорию Ньютона, и эмблема атома может сойти за абстрактное изображение солнечной системы.Какова бы ни была причина, удивительное сочетание традиционных и современных идей, которые лежат в основе теории Бора, обеспечили ей замечательную жизнеспособность.Дух и язык атомной модели продолжают питать мысль физиков спустя много лет, после того как адекватность этой модели получила всеобщее признание (в том числе и признание самого Бора).Первоначальная боровская теория атома водорода прожила чуть более десятилетия.Создание квантовой механики в середине двадцатых годов нашего столетия заставило отказаться от этой теории.Однако в последующие годы на стыке классической физики XIX века и квантовой механики XX века возникло новое направление атомной физики, идущее от первых работ Бора.Это -физика возбужденных атомов, в которых один из электронов находится на необычно высоком энергетическом уровне.Интерес к изучению сильно возбужденных атомов прежде всего связан с тем, что они демонстрируют неразрывность представлений классической и квантовой физики.Сильно возбужденные атомы часто называют ридберговскими атомами, по имени шведского физика-спектроскописта -Йоханнеса Ридберга.
1983 г. Апрель Том 139, вып. 4 УСПЕХИ ФИЗИЧ ЕС КИ X HAVE ФИЗИКА НАШИХ ДНЕЙ 530.145СТАБИЛИЗАЦИЯ АТОМАРНОГО ВОДОРОДА*) А. Ф. Силъвера, Ю. Валравеи В обычных условиях газ взрывоподобно рекомбинирует, образуя молекулярный водород.Новая методика, замедляющая эту реакцию, позволяет изучать некоторые свойства квантового газа.В области очень малых величин все подчиняется законам квантовой механики.Но, тем не менее, квантовомеханические эффекты редко заметны в макроскопических масштабах, и вещество, в котором они проявляются, обладает свойствами, сильно отличающимися от свойств обыкновенной материи.До сих пор одним нз самых поразительных квантовых веществ был гелий, превращающийся в квантовую жидкость при низких температурах.В фазе квантовой жидкости гелий не обладает вязкостью и проводит тепло во много раз лучше, чем самые хорошие металлические проводники тепла; более того, какой бы низкой ни была температура, гелий не замерзает при наличии давления.Теперь получено еще одно вещество с макроскопическими квантовыми свойствами: это газ из атомов водорода.Действительно, свойства атомарного водорода при низких температурах могут оказаться еще необычнее, чем свойства гелия.Например, он напоминает гелий тем, что не замерзает при низких температурах, но он также и не сжижается.Так как квантовая теория предсказывает, что атомарный водород останется в газообразном состоянии и при температуре абсолютного нуля, его называют квантовым газом.Водород, конечно, является распространенным элементом, но не в атомарной форме; газ, образованный из отдельных атомов водорода, не стабилен в условиях, преобладающих на пбверхности Земли.Водород обычно встречается крепко связанным с другими элементами, в виде химических соединений, таких, как вода, углеводороды и другие органические вещества.Два атома водорода могут также образовать стабильную двухатомную молекулу (Н 3 ).Хотя газ двухатомного водорода и обнаруживает некоторые квантовые свойства, он все же сжижается, а затем замерзает при сильном охлаждении.Уже давно стало возможным расщепление молекул водорода в лабораторных условиях, но получаемые в результате атомы рекомбинируют менее чем через тысячную долю секунды, образуя новые молекулы.В последние годы мы и наши коллеги из университета в Амстердаме создали способ замедления рекомбинации даже при относительно высокой *) S i I v e r a I. F., Walraven J.The Stabilization of Atomic Hydrogen.-
1975 г.Август Том 116, вып. 4 УСПЕХИ ФИ ЗИ ЧЕСКИ X НАУК БИБЛИОГРАФИЯ 530.145(087.5X049.3)В СТРАНЕ КВАНТОВ Л. И. Пономарев.По ту сторону кванта.(Серия «Эврика».)М., «Молодая Гвардия», 1971, 303 с.Популяризацией науки заняты, как правило, не те люди, которые пишут научные статьи.Нашу потребность в информации утоляют, в основном, журналисты или литераторы, интересующиеся наукой: функции, как и положено в наше время, в развитом современном (?) обществе, разделены.Вообще говоря, сочетание в едином лике исследовательского таланта и литературного дарования противоречит принципу дополнительности, утверждающему, что невозможен опыт по созданию] книги, которая была бы занимательна по форме и глубока по содержанию.Бо вот перед нами книжка о квантовой механике «По ту сторону кванта», по мере чтения которой убеждаешься, что здесь мы столкнулись с нарушением этого принципа.Дело не только в том, что специалист-физик, один из пионеров мезонной химии, написал книгу четким, внятным, лаконичным языком, какому позавидовал бы профессионал-литератор; дело и не в легкости и остроумии стиля, делающих книгу доступной самому широкому кругу читателей.Дело также не в богатстве фактического материала, помещенного в книгу: не во всяком руководстве по истории физики мы найдем такое обилие исторических фактов, биографических сведений, описаний опытов, цитат из оригинальных статей.Главное достоинство книги в удачном решении той основной задачи, которую поставил перед собой автор.По мере чтения становится ясно: автор не просто захотел дать связное изложение квантовой механики «для пешеходов», он решил донести до читателя те изменения, которые происходят в сознании физика, занятого изучением микромира.Каждому человеку, привыкшему к здравому смыслу классической фишки приходится переживать ломку привычных представлений, когда он изучает квантовую механику в вузе; и создавать на руинах новое строение, когда он принимается сам работать над проблемами микромира.Кажется положительно невозможным рассказать об этой мучительной процедуре тем, кто не прошел через нее.К чести Л. И. Пономарева он с блеском справляется с этой задачей.Ему удается объяснить понятия квантовой физики, не пользуясь формулами и уравнениями, отыскать свою систему образов, которые доносят до читателя ту сложность понятий, которую обычно мы черпаем из уравнений квантовой механики.Это -основная удача книги.По существу перед нами крупное достижение в области методики изложения квантовой механики.Книга Л. И. Пономарева облегчит работу преподавателям, читающим в вузах курс физики, и будет способствовать повышению уровня преподавания физики в школе.Книга педагогически построена очень умело.Она разделена на три части: «факты», «Идеи», «Размышления», и материал по мере чтения постепенно усложняется.Но не всякий читатель в состоянии непрерывно следить за развитием мысли, поэтому в каждой главе каждой части имеется раздел «Вокруг кванта», в котором коллекционируются всякие житейские факты, помогающие усвоить и, так сказать, очеловечивающие основное содержание главы.Вслед за автором читатель плывет по трем руслам развития физики (которые автор кратко называет: «атомы», «лучи», «кванты»), отдыхая при чтении разделов «Вокруг кванта».На его глазах эти три потока фактов сливаются в одну проблему: как отгадать законы микромира?А затем встает новая задача: как сформулировать их непротиворечивым образом?как увязать их с законами макромира?и с законами обычной логики?Начинается самое трудное: объяснение квантовых законов и квантовой логики.Оно изобилует поиски счастливыми находками (таково, например, сравнение уравнения Шрёдингера с гербом города Парижа).Проблемы, которые раскрывает перед читателем автор
1977 г.Август Том 122, вып. 4 УСПЕХИ ФИЗИЧЕСКИХ НАУК 530.145.06(09 ) РОЖДЕНИЕ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ*) Дж. МехраМне доставляет огромное удовольствие выступать на этом известномколлоквиуме, и я нахожу особенно волнующим то, что это собрание посвящено памяти Вернера Гейзенберга.Гейзенберг внес важный вклад в развитие многих разделов квантовой физики: в атомную и молекулярную физику, физику ядер и элементарных частиц, в квантовую теорию поля -но именно с открытием квантовой механики неразрывно связано его имя.Рождение квантовой механики подарило нам один из наиболее замечательных эпизодов в истории науки; он также богат, сложен, драматичен и трогателен, как и все в истории, человеческой мысли
Р. А. АРОНОВ ... Два мира есть у человека:
Один, который нас творил,
Другой, который мы от века
Творим по мере наших сил. ... Н. Заболоцкий ... Эти слова Н. Заболоцкого, разумеется, многозначны. Что понимать под миром, который нас творил, - ту область объективной действительности, ту область природы, в которой в процессе фило- и онтогенеза формируется человек, ее классические законы и свойства, или же другую область объективной действительности, другую область природы, в которой реализуются качественно иные, неклассические квантовые законы и свойства? Что понимать под миром, который мы от века творим по мере наших сил, - сознание человека, его законы и свойства или же законы и свойства объективной действительности, законы и свойства природы, которые формируются под воздействием человека (в соответствии с так называемым телесным подходом в эпистемологии) [1]? ... Развитие науки, прежде всего физики, физиологии и психологии свидетельствует о том, что речь идет о первых вариантах этих альтернатив - об области объективной действительности, области природы, в которой в процессе фило- и онтогенеза формируется человек, об ее классических законах и свойствах и соответственно о сознании человека, его законах и свойствах, формирующихся под воздействием именно этой среды. А это значит, что человек имеет дело в объективной действительности, в природе не с одним миром, а с двумя - непосредственно с классическим миром, в котором реализуются неквантовые, классические законы и свойства, и опосредованно - с квантовым миром, в котором реализуются неклассические, квантовые законы и свойства. ... Анализ физических и философских оснований квантовой механики свидетельствует о том, что она может быть последовательно интерпретирована как теория, описывающая такие формы объективной действительности, для которых характерна относительность, специфическая связь некоторых фундаментальных свойств материальных объектов и взаимоотношений между ними, выступающая как корреля- ... стр. 83 ... ция соответствующих альтернатив, таких как корпускулярные и волновые свойства квантовых объектов, как пространственно-временные и причинные отношения между ними [2]. ... Особенность измерения такого рода свойств квантовых объектов и взаимоотношений между ними, осуществляемого познающим субъектом-наблюдателем с помощью соответствующего прибора, состоит в том, что его результатом являются не значения физических величин, характеризующие эти свойства до акта их измерения познающим субъектом-наблюдателем, а нечто отличное от них - их неквантовые, классические проекции на прибор, которые, естественно, не являются квантовыми корреляциями соответствующих альтернатив, а по необходимости реализуют в каждом конкретном случае лишь какую-то одну из этих альтернатив. ... Эта особенность квантовых измерений на протяжении всего XX столетия являлась предметом острых дискуссий, которые продолжаются до сих пор. Характерна в этом отношении статья [3], в которой предлагается иная интерпретация того, что происходит с такого рода свойствами квантовых объектов и взаимоотношений между ними в квантовом измерении, принципиально отличная от той, о которой шла речь выше. Последний этап в описании квантового измерения, заключающийся в выборе одного из множества альтернативных результатов измерения, оказывается для самой квантовой механики чужеродным, - говорится в ней. - По своей природе этот этап является классическим по той причине, что сознание наблюдателя, воспринимающее в конечном счете результат измерения, оперирует только классическими образами [3. С. 64]. ... По своей природе этот этап действительно является классическим, но отнюдь не из-за того, что сознание познающего субъекта-наблюдателя оперирует только классическими образами. Это утверждение М. Б. Менского, как мне представляется, основано на явном недоразумении. История науки, религии и многочисленных отклонений от них с несомненностью свидетельствует о том, что сознание познающего субъекта-наблюдателя оперирует не только классическими образами. Достаточно сослаться хотя бы на создание квантовой механики, чтобы убедиться в этом, а именно в том, что сознание познающего субъекта-наблюдателя оперирует не только классическими, но также и качественно отличными от них неклассическими, квантово-механическими образами. ... Напомню здесь лишь об одном из таких неклассических, квантово-механических образов, которым оперирует сознание познающего субъекта-наблюдателя и в соответствии с которым квантовая механика описывает квантовые объекты и взаимоотношения между ними с помощью так называемых некоммутативных величин, для которых от перемены мест сомножителей произведение меняется: UV - VU ≠ 0. В области применимости классической физики ничего подобного, как известно, нет: все объекты и взаимоотношения между ними в этой области описываются при помощи коммутативных величин, для которых UV не отличается от VU. ... Исторически процесс изучения свойств материальных объектов и взаимоотношений между ними в области применимости квантовой механики, естественно, начался с экстраполяции на нее коммутативной парадигмы классической физики.
К столетнему юбилею квантовой теории (несколько замечаний) *) В.Л.Гинзбург 14 декабря 1900 г.Макс Планк сделал в Берлине доклад «К теории распределения энергии излучения нормального спектра», который обоснованно считается актом рождения квантовой теории.В настоящее время, через сто лет, квантовая теория (и особенно ее нерелятивистский вариант -квантовая механика) лежит в фундаменте всего естествознания.Квантовая механика представляет собой, как известно, обобщение классической (ньютоновской) механики на область атомных (микроскопических) явлений.Другое, второе великое обобщение классической механики, в этом случае на область движений с большими скоростями -это теория относительности.При этом релятивистская теория гравитации и, в частности, ее простейший вариант -общая теория относительности Эйнштейна (ОТО) является неквантовой теорией, т.е.не учитывает квантовых эффектов.Обобщение ОТО (или, возможно, более общей классической релятивистской теории гравитации) на квантовую область является важнейшей, быть может главной задачей современной теоретической физики.Эта проблема осознана уже довольно давно, но попытки ее решить в прошлом веке не увенчались успехом -она «перешла» на новое столетие.Квантовое обобщение ОТО очевидным образом необходимо для исследования космологических вопросов и, вообще, областей пространства-времени вблизи сингулярностей, присутствующих в ОТО (помимо космологической сингулярности речь идет о черных дырах и некоторых топологических «дефектах»).Впрочем, область сверхсильных гравитационных полей представляет актуальный интерес и в теории *) Статья для сборника «100 лет квантовой теории (история, физика, философия)».
А.А. Гриб квантовый индетерминизм и свобода волиКак известно, одной из особенностей квантовой физики, отличающей ее от классической физики, является квантовый индетерминизм, или отсутствие лапласовского детерминизма.Споры по поводу квантового индетерминизма возникли уже в 1927 г., когда Эйнштейн предложил свой знаменитый двухщелевой эксперимент с электронами и заявил, что он не верит, что «Бог играет в кости».Суть двухщелевого эксперимента, поставленного значительно после предложения Эйнштейна, состоит в следующем.Имеется источник электронов.Электроны летят один за другим в некотором направлении и попадают на экран с двумя щелями.Если электрон пролетит через какую либо из щелей в этом экране, то он летит дальше и наталкивается на второй экран, где и регистрируется.Квантовая механика описывает электрон с помощью волновой функции, определяющей вероятность попадания электрона в ту или иную точку второго экрана.Характерной особенностью этого описания является экспериментальное предсказание интерференции электронов, проявляющейся в том, что максимумы вероятностей оказываются не только напротив отверстий в первом экране, как это имеет место для пуль, но и посередине между ними, как это происходит для световых волн.Волновая функция определяет вероятность поведения электрона.В те точки, где она равна нулю, электрон не попадает вообще.В тех точках, где она больше, частота попадания многих электронов с такой же волновой функцией больше.