Матвей Петрович Бронштейн
Шрифт:
К тому времени построение нерелятивистской квантовой механики было завершено, шел интенсивный процесс приложения ее принципов к решению конкретных задач. Главным достижением релятивистской квантовой теории было уравнение Дирака. Но наряду с замечательным следствием этого уравнения — описанием магнитного момента электрона, другие выводы представлялись парадоксальными. Один из них — что энергия свободных электронов в однородном магнитном поле квантуется — сделал в 1928 г. Раби [256] на основе формального решения уравнения Дирака. Раби ограничился констатацией этого факта, не проанализировав его экспериментальных следствий. Его работа была математически безупречна и, с современных позиций, не требовала перепроверок и обоснований. Иначе обстояло дело в то время. Вспоминая о нем, Ландау в 1958 г. писал: «Я еще помню, как в 1930—31 гг. все физики, включая самого Дирака,
в 1932 г.).
В первом абзаце статьи Френкеля и Бронштейна примечательна фраза: «Для того чтобы убедиться, что дискретный ряд уровней энергии свободного электрона, движущегося в магнитном поле, не является одним из парадоксов, связанных с уравнением Дирака, а соответствует реальному физическому явлению, хотя еще и не обнаруженному экспериментально, полезно показать, что такое квантование неизбежно возникает во всякой форме квантовой теории — как в "полуквантовой" механике Бора, так и в волновой механике Шредингера и Дирака».
Квантуя вращательное движение электрона в магнитном поле с помощью боровского постулата mvr=nh, а затем с помощью «более правильного» условия [mv — (e/c)A]r=nh (А — вектор-потенциал магнитного поля H), они получают равноотстоящие уровни энергии W=nh(uL и W=2nhcoL ((йь=еН/2тс — частота Лармора).
Решение соответствующей задачи квантовой механики подтвердило и уточнило вторую формулу для спектра W=(2n+1)hcoL, дав энергию основного состояния Wo=h(j)L. Авторы установили правила отбора, показав, что при переходах возможн4 о излучение только одной длины волны X = 7tc/coL= 104 (Гс/H) см. Это первое указание на резонансный характер взаимодействия квантовых электронов с излучением — процесса, который играет важную роль в современной магнитооптике твердого тела (экспериментально циклотронный резонанс в металлах и полупроводниках наблюдался в начале 50-х годов).
В 1930 г. такое излучение было недосягаемо для эксперимента, и авторы обращают внимание на другой эффект — «тенденцию свободных электронов к спонтанному переходу в основное состояние с минимальной вращательной энергией Wo». Эту тенденцию авторы назвали весьма парадоксальной, но не заметили, что от найденного ими спектра открывался путь к предсказанию нового явления — диамагнетизма электронов в металлах.
Такое предсказание сделал другой физтеховец, Ландау, в работе [213], которая вышла в свет практически одновременно со статьей Френкеля—Бронштейна. Весной 1930 г. Ландау в качестве рокфеллеровского стипендиата находился в Англии. Стимулом к его размышлениям, по-видимому, послужили обсуждения с П. Л. Капицей аномальных свойств электропроводности висмута в сильных магнитных полях (эффект Капицы). А их итогом стала теория диамагнетизма Ландау. В первой части своей работы Ландау решает ту же задачу, что и Френкель с Бронштейном, и получает, естественно, тот же энергетический спектр.
Любопытно отметить, что за четыре месяца до статьи Раби в том же журнале была помещена статья В. А. Фока о квантовании гармонического осциллятора в магнитном поле. Осциллятор с частотой со=0 можно рассматривать как свободный электрон. Формулы для квантования его энергии в магнитном поле в пределе со—<ю следуют из фоковских формул для осциллятора, однако это осталось незамеченным [253].
3.4. «Новый кризис в теории квант»
Первым крупным научным собранием, в котором участвовал Бронштейн, был Всесоюзный съезд физиков. Так назвали седьмой съезд, проводившийся
Для Одессы съезд был большим событием. Пленарные заседания проходили в здании горсовета, открытие транслировалось по радио. Городские власти позаботились об участниках съезда, предоставив лучшие гостиницы, а для физической молодежи — комнаты в лучшем студенческом общежитии. Забавная подробность: делегаты имели право бесплатного проезда в трамваях. Было организовано бюро по обслуживанию делегатов: билеты в театры, кино, на экскурсии. Впрочем, наибольшей популярностью в свободные часы между утренними и вечерними заседаниями пользовались знаменитые одесские пляжи, особенно — в Лузановке .
15
Р. Пайерлс, приезжавший в июне 1985 г. в СССР, во время доклада в ЛфТИ показал несколько фотографий 55-летней давности. Судя но выражению лиц, Паули, Френкель, Тамм и Саймон, запечатленные в живописных купальных костюмах, продолжали научные дискуссии и на пляже. А, как свидетельствуют другие фотографии, молодые физики на пляже не только вели ученые разговоры, но и развлекались вовсю: при участии героя нашей книги разыгрывали сценки, дружно подкреплялись кукурузой и просто дурачились.
Учитывая, что съезду предшествовала работа Бронштейна о квантовании свободных электронов в магнитном поле, можно было бы думать, что из шести секций съезда для него наиболее интересна была Секция электронной теории металлов. Тем более, что доклады на этой секции делали А. Зоммерфельд (о влиянии магнитного поля на электропроводность), И. Е. Тамм и С. П. Шубин (о селективном фотоэффекте), Л. В. Шубников.
Однако есть свидетельство, что наибольшее внимание Бронштейна тогда привлекал «Новый кризис теории квант». Так он озаглавил статью [64], написанную в августе—сентябре 1930 г. и опубликованную в журнале «Научное слово» [16] .
16
Этот научно-популярный журнал, называвший себя центральным органом научной информации в СССР, был рассчитан на высокий уровень читателя. В редколлегию входили А. Ф. Иоффе, В. Ф. Каган, Э. В. Шпольский, О. Ю. Шмидт (отв. редактор). В 1931 г. на смену этому журналу пришел больший по объему журнал «Сорена» (Социалистическая реконструкция и наука).
Мастерскими штрихами обрисовав эволюцию физической науки, автор особое внимание обращает на то, что для физики, выходящей за пределы макромира, недостаточно представлений, «заимствованных из опыта дикаря, из опыта детской комнаты, короче говоря, из макроскопического опыта». И затем выразительно рисует состояние «нового» кризиса в квантовой физике, связанного с необходимостью квантово-релятивистской теории. («Старый» кризис разрешился в середине 20-х годов заменой теории Бора на квантовую механику.) У нового кризиса были различные проявления, из которых Бронштейн упоминает «±-трудность» уравнения Дирака (состояния с отрицательной энергией), бесконечность собственной энергии электрона, загадку устройства атомного ядра (прежде всего проблему « внутриядерных электронов»).
Для всех этих загадок были характерны расстояния порядка размеров электрона и ядер ~10– 13 см. К этому добавлялись соображения о принципиальной неточности измерений, порожденной атомизмом вещества. Поэтому вполне разумным представлялось мнение, что для преодоления возникших трудностей квантовая механика «должна быть переделана таким образом, чтобы принципиальная невозможность измерять длины "внутриэлектронного порядка" нашла в теории адекватное выражение». Из статьи видно, что автор глубоко продумал возникшую ситуацию и понимает предварительность этих соображений. Но все же он с явным сочувствием пишет о том, что «у целого ряда физиков, прежде всего у Гейзенберга (Лейпциг), затем независимо от него у Иваненко (Харьков) и Амбарцумяна (Пулково), возникла идея "проквантовать пространство", т. е. построить такую теорию, в которой фигурировала бы "наименьшая возможная длина", нечто вроде "атома длины" (длины, которые меньше, чем этот "атом длины", не должны иметь никакого смысла)».