Избранные научные труды

Бор Нильс Хенрик Давид

1926

29 ВРАЩАЮЩИЙСЯ ЭЛЕКТРОН И СТРУКТУРА СПЕКТРОВ ^*

^*Spinning Electrons and the Structure of Spectra. Nature, 1926, 117, 265.

У меня была возможность прочитать это интересное письмо Гаудсмита и Уленбека. Я рад добавить несколько слов, которые можно считать дополнением к моей статье об отношении атомной теории к механике, опубликованной в приложении к «Nature» от 5 декабря 1925 г. Как указано в статье, попытки объяснения свойств элементов путём приложения квантовой теории к ядерной модели атома, встретили серьёзные трудности при интерпретации тонкой структуры спектров и смежных вопросов. В статье была высказана мысль, что эти затруднения существенно связаны с ограниченной возможностью представить стационарные состояния атома с помощью механической модели. Однако положение, очевидно, несколько изменилось после того, как была выдвинута гипотеза вращающегося электрона, ибо она, несмотря на неполноту выводов, которые можно извлечь из моделей, обещает дать очень плодотворное дополнение к нашим представлениям о строении атома. Действительно, Гаудсмит и Уленбек пишут, что их гипотеза проливает новый свет на многие трудности, ставившие в тупик на протяжении

последних лет исследователей в этой области. В самом деле, она открывает обнадёживающие перспективы возможно более глубокого объяснения свойств элементов посредством механических моделей, которые, по крайней мере качественно, позволяют применять принцип соответствия. Эту возможность следует тем более приветствовать в настоящее время, когда вырисовывается перспектива количественного подхода к проблемам атома с помощью новой квантовой механики вызванной к жизни работой Гейзенберга, стремящегося к точной формулировке соответствия между классической механикой и квантовой теорией.

20 СЭР ЭРНЕСТ РЕЗЕРФОРД ^*

^*Sir Ernest Rutherford. Nature, Suppl., 1926, 118, 51.

Принимая любезное предложение главного редактора журнала написать несколько слов о значении работ человека, являющегося в настоящее время директором Кавендишской лаборатории, я считаю, что читателей «Nature» не следует утруждать подробным перечислением его достижений. Однако, поскольку я являюсь одним из тех, кому выпало счастье находиться в тесном личном и научном контакте с Эрнестом Резерфордом, я с большим удовольствием попытаюсь описать вкратце то, каким представляем его себе мы, те, кто с гордостью считает себя его учениками.

С Резерфордом я познакомился в то время, когда он после многих лет весьма тесного и плодотворного сотрудничества с Дж. Дж. Томсоном в стенах Кавендишской лаборатории покинул Кембридж и — после пребывания в Мак-Гилле ¹, где работа по радиоактивным веществам определила его дальнейшую судьбу — основал в Манчестере школу по исследованию радиоактивности. Этот центр притягивал к себе молодых учёных из всех стран мира. Весной 1912 г., во время моего первого визита в Манчестер, вся лаборатория была взволнована одним из самых крупных открытий, которое в полной мере являлось плодом стараний Резерфорда. Сам Резерфорд и его ученики были всецело поглощены выяснением следствий, вытекавших из его нового взгляда на ядерное строение атома. Представление о том, насколько сильно мы верили в его суждения, будет неполным, если только сказать, что никто в его лаборатории не допускал и тени сомнения в правильности и фундаментальной важности этой точки зрения, хотя в то время она и очень оспаривалась. Я помню, как вскоре после моего прибытия в Манчестер Хевеши рассказал мне историю, которая была известна всем в лаборатории, о том, как Резерфорд незадолго до этого открытия в разговоре с Мозли высказал мнение, что в результате всех напряжённых исследований предшествовавших лет, в которых ему неустанно помогал Гейгер, можно было бы прийти к достаточно ясному пониманию поведения -лучей, если бы не отражение небольшой доли этих лучей от поверхности вещества, подвергаемого бомбардировке -лучами. Этот эффект, хотя и казавшийся, судя по всему, несущественным, волновал Резерфорда, так как он чувствовал, что его трудно согласовать с основными идеями о строении атома, которые были тогда приняты физиками. Действительно, уже не первый и, заметим, не последний раз критический подход и мощь интуиции Резерфорда приводили к революции в науке, заставляя его отдавать всю свою неисчерпаемую энергию изучению явления, важность которого, возможно, ускользнула бы от других исследователей (настолько малым и недостоверным казался эффект). Эта уверенность в своих суждениях, а также наше восхищение его яркой личностью, составляли основу того вдохновения, которое чувствовал каждый в его лаборатории, и заставляли нас прилагать все усилия для того, чтобы заслужить тот сердечный и неослабевающий интерес, который он проявлял к работе каждого из нас. И как бы ни был скромен полученный результат, одно одобрительное слово, сказанное им, было величайшей поддержкой, о которой каждый мог только мечтать.

¹ Имеется в виду Мак-Гиллский университет в Монреале (Канада). — Прим. ред.

Когда разразилась война, небольшая группа людей, работавших в лаборатории, распалась. Однако поскольку я читал тогда лекции в Манчестере, я имел возможность в последовавшие за этим годы наблюдать непоколебимый дух и неиссякаемую жизнерадостность Резерфорда даже в наиболее тяжёлые времена. Хотя изучение прикладных физических проблем, возникавших в связи с потребностями обороны его родины, отнимало практически всё его время и энергию в те годы, он сумел ещё до окончания войны выделить время для подготовки и полного завершения работы над, возможно, одним из самых больших его научных достижений — превращением элементов при распаде атомных ядер, бомбардируемых -лучами. Можно сказать, что это достижение действительно открывает новую эпоху в физических и химических науках.

Именно в это время Резерфорду как не знающему себе равных преемнику был предложен, в связи с уходом Томсона, пост директора Кавендишской лаборатории. Я помню, как во время моего посещения Манчестера в день перемирия ¹ я слушал речь Резерфорда. Он с большим удовлетворением и воодушевлением говорил о возможности перехода в Кембридж. Но в то же время он выражал опасение, что множество обязанностей, связанных с этим центральным положением в английской физике, не оставят ему тех возможностей для научных исследований, которые он столь хорошо умел использовать в Манчестере. Как известно, последующие годы показали, что эти опасения были безосновательны. Способности Резерфорда никогда не проявлялись более полно, как в годы пребывания его на посту директора Кавендишской лаборатории, славные традиции которой он поддерживал во всех отношениях. В окружении множества полных энтузиазма молодых учёных, работающих под его руководством и вдохновляемых им, под неустанным вниманием учёных всего мира, он находится сейчас в центре активной деятельности по раскрытию тайн в мире атомов с помощью всех тех средств, которые имеются в распоряжении современной науки.

¹ 11 ноября отмечается как день перемирия, положившего конец первой мировой войне в 1918 г. — Прим. ред.

31 К СЕМИДЕСЯТИЛЕТИЮ ДЖ. ДЖ. ТОМСОНА ^*

^*Sir J. J. Thomson's Seventieth Birthday. Nature, 1926, 118, 879.

Я

с большим удовольствием принял приглашение редакции «Nature» участвовать в праздновании семидесятилетия со дня рождения Дж. Дж. Томсона, которому все интересующиеся проблемой строения атома так много обязаны. Не говоря уже о его руководящей роли в открытии электрона, этой общей составной части всех атомов, мы обязаны ему обилием идей, которые были плодотворно испытаны при попытках развить подробную теорию строения атома, основанную на этом фундаментальном открытии. Во времена, когда многие известные физики скептически относились к самому существованию атомов, Томсон имел мужество рискнуть начать исследование внутриатомного мира. Руководимый замечательным воображением, опираясь на новые открытия катодных лучей, лучей Рентгена и радиоактивности, он открыл для науки новый неизведанный мир. Изучая прохождение заряженных частиц и эфирных волн через атомы, он впервые сумел оценить число электронов, содержащихся в атоме, и связывающие их силы, заложив таким путём фундамент для более тщательной теории строения атома, построенной в последние годы объединёнными усилиями большого числа учёных. В его знаменитой попытке объяснить известную периодичность физических и химических свойств элементов при их расположении в порядке возрастания атомного веса мы находим зародыши идей, характерных для современного толкования периодической таблицы. Конечно, учёным молодого поколения, работающим в новом мире, ворота в который открыл Томсон, трудно полностью представить себе величие проблем, с которыми столкнулись первопроходцы.

1928

32 КВАНТОВЫЙ ПОСТУЛАТ И НОВЕЙШЕЕ РАЗВИТИЕ АТОМНОЙ ТЕОРИИ ^{* 1}

^*The Quantum Postulate and the Recent Development of Atomic Theory. Nature, Suppl., 1928, 121, 580-590.

¹ Содержание этой работы в существенном совпадает с лекцией о современном состоянии теории квантов, прочитанной 16 сентября 1927 г. в Комо во время празднования юбилея Алессандро Вольты. Состояние теории непосредственно перед развитием новых методов в этой области изложено в докладе автора «Атомная теория и механика» (статья 28). Быстрое развитие теории с того времени привело к появлению значительного числа публикаций. В настоящей работе мы ограничиваемся только небольшим числом ссылок на новые работы, которые имеют специальное отношение к обсуждаемому здесь вопросу.

В связи с дискуссией о физической интерпретации методов квантовой теории, развитых за последние годы, мне хотелось сделать следующие общие замечания о принципах, лежащих в основе описания атомных явлений. Я надеюсь, что эти замечания помогут согласовать различные, явно расходящиеся взгляды, относящиеся к этой области.

§ 1. Квантовый постулат и причинность

Квантовая теория характеризуется признанием принципиальной ограниченности классических физических представлений в применении к атомным явлениям. Создавшаяся таким образом ситуация очень своеобразна, поскольку наша интерпретация эмпирического материала в существенном покоится именно на применении классических понятий. Но несмотря на затруднения, возникающие при формулировке содержания квантовой теории, её суть, по-видимому, может быть выражена, как мы увидим, в так называемом квантовом постулате. Согласно этому постулату, каждому атомному процессу свойственна существенная прерывность или, скорее, индивидуальность, совершенно чуждая классической теории и выраженная планковским квантом действия.

Этот постулат заключает в себе отказ от причинного пространственно-временного описания атомных процессов. В самом деле, наше обычное описание явлений природы покоится всецело на предпосылке, что рассматриваемое явление можно наблюдать, не оказывая на него заметного влияния. Это ясно проявляется, например, в теории относительности, оказавшейся столь плодотворной для разъяснения классических теорий. Как подчеркнул Эйнштейн, каждое наблюдение или измерение основано в конечном счёте на совпадении двух независимых событий в одной и той же пространственно-временной точке. И эти совпадения не должны зависеть от различий, которые в остальном могут существовать в пространственно-временном описании разных наблюдений. Согласно квантовому постулату, всякое наблюдение атомных явлений включает такое взаимодействие последних со средствами наблюдения, которым нельзя пренебречь. Соответственно этому невозможно приписать самостоятельную реальность в обычном физическом смысле ни явлению, ни средствам наблюдения. Понятие наблюдения, вообще говоря, заключает в себе некоторый произвол, так как оно зависит от того, какие объекты включаются в систему, подлежащую наблюдению. В конце концов всякое наблюдение может быть, конечно, сведено к нашим ощущениям. Но поскольку при интерпретации наблюдений мы должны всегда использовать теоретические представления, в каждом конкретном случае является вопросом удобства тот пункт, где следует вводить понятие наблюдения вместе с квантовым постулатом с присущей последнему иррациональностью.

Такая ситуация влечёт за собой далеко идущие следствия. С одной стороны, определение состояния физической системы в обычном понимании требует исключения всяких внешних воздействий. Но в таком случае, согласно квантовому постулату, всякое наблюдение будет невозможным, и прежде всего понятия пространства и времени теряют свой непосредственный смысл. С другой стороны, если допустить некоторые взаимодействия с соответствующими, не принадлежащими системе средствами наблюдения, чтобы сделать возможным наблюдение, то однозначное определение состояния системы, естественно, становится уже невозможным и не может быть речи о причинности в обычном смысле. Следовательно, в соответствии с самой природой квантовой теории мы должны считать пространственно-временное представление и требование причинности, соединение которых характеризует классические теории как дополнительные, но исключающие одна другую черты описания содержания опыта; эти черты символизируют идеализацию возможностей наблюдения и, соответственно, определения. Так же, как теория относительности учит нас, что удобство резкого разделения пространства и времени основано на том, что обычно встречающиеся скорости малы по сравнению со скоростью света, из квантовой теории мы узнаем, что допустимость нашего обычного причинного пространственно-временного описания полностью обусловлена малым значением кванта действия по сравнению с обычными действиями, проявляющимися в ощущениях. В самом деле, при описании атомных явлений квантовый постулат ставит перед нами задачу развития некой «теории дополнительности», об отсутствии противоречий в которой можно судить, только взвешивая возможности определений и наблюдений.