Теория БКС

В истории квантовой механики Бора -Крамерса-Слейтера ( БКС ) теория была, пожалуй, последней попыткой понять взаимодействие материи и электромагнитного излучения на основе так называемой старой квантовой теории , в которой квантовые явления трактуются методом наложение квантовых ограничений на классически описываемое поведение. Он был разработан в 1924 году и соответствует классическому волновому описанию электромагнитного поля. Возможно, это была скорее исследовательская программа, чем полная физическая теория, идеи, которые развивались, не разрабатывались количественно. Целью теории БКС было опровергнуть гипотезу Эйнштейна о кванте света .

Один аспект, идея моделирования поведения атомов под действием падающего электромагнитного излучения с использованием «виртуальных осцилляторов» на частотах поглощения и излучения, а не (различных) видимых частотах орбит Бора , значительно побудила Макса Борна , Вернера Гейзенберга и Хендрика Крамерса исследовать математика, которая вдохновила последующее развитие матричной механики , первой формы современной квантовой механики . Провокационный характер теории также вызвал бурную дискуссию и возобновил внимание к трудностям, лежащим в основе старой квантовой теории. Однако физически наиболее провокационный элемент теории, заключающийся в том, что импульс и энергия не обязательно сохраняются при каждом взаимодействии, а только в целом, статистически, вскоре оказался в противоречии с экспериментом.

Вальтер Боте получил Нобелевскую премию по физике в 1954 году за эксперимент Боте-Гейгера, экспериментально опровергший теорию БКС.

Происхождение

Когда Альберт Эйнштейн представил квант света ( фотон ) в 1905 году, научное сообщество встретило сильное сопротивление. Однако, когда в 1923 году эффект Комптона показал, что результаты можно объяснить, если предположить, что световой луч ведет себя как световые кванты и что энергия и импульс сохраняются, Нильс Бор 1922 года. все еще был устойчив к квантованному свету и даже отверг его в своей Нобелевской премии лекция. Итак, Бор нашел способ использовать подход Эйнштейна, не прибегая к гипотезе квантов света, переосмыслив принципы сохранения энергии и импульса как статистические принципы. Так, именно в 1924 году Бор, Хендрик Крамерс и Джон К. Слейтер опубликовали провокационное описание взаимодействия материи и электромагнитного взаимодействия, исторически известное как статья БКС, в которой квантовые переходы и электромагнитные волны сочетались с энергией и импульсом, сохраняющимися только на средний.

Первоначальная идея теории БКС принадлежит Слейтеру. который предложил Бору и Крамерсу следующие элементы теории испускания и поглощения излучения атомами, которые должны были быть разработаны во время его пребывания в Копенгагене:

1. Излучение и поглощение электромагнитного излучения веществом осуществляется в соответствии с фотонной концепцией Эйнштейна;
2. Фотон, испускаемый атомом, направляется классическим электромагнитным полем (ср. Луи де Бройля, опубликованные в сентябре 1923 г.). идеи ) состоящие из сферических волн, что позволяет объяснить интерференцию ;
3. Даже когда переходов нет, существует классическое поле, в которое вносят вклад все атомы; это поле содержит все частоты, на которых атом может испустить или поглотить фотон, причем вероятность такого излучения определяется амплитудой соответствующей фурье-компоненты поля; вероятностный аспект является временным и будет устранен, когда будет лучше известна динамика внутреннего строения атомов;
4. Классическое поле создается не реальными движениями электронов, а «движениями с частотами возможных линий излучения и поглощения » (которые будут называться « виртуальными осцилляторами», создавая поле, которое также будет называться «виртуальным»). .

Этот четвертый пункт возвращается к первоначальному взгляду Макса Планка на его квантовое введение в 1900 году. Планк также не верил, что свет квантован. Он считал, что черное тело имеет виртуальные осцилляторы и что только во время взаимодействия света с виртуальными осцилляторами тела можно рассматривать квант. Макс Планк сказал в 1911 году:

Господин Эйнштейн, было бы необходимо представить… сами световые волны как атомистически устроенные и, следовательно, отказаться от уравнений Максвелла. Мне кажется, это шаг, который, по моему мнению, пока не является необходимым… Я думаю, что прежде всего следует попытаться перенести всю проблему квантовой теории в область взаимодействия вещества и излучения».

Независимо от этого Франц С. Экснер также предположил статистическую обоснованность сохранения энергии в том же духе, что и второй закон термодинамики . Эрвин Шредингер , получивший абилитацию под руководством Экснера, очень поддерживал теорию БКС. Шредингер опубликовал статью, в которой представил свою собственную интерпретацию статистической интерпретации BKS.

с Бором

Главным намерением Слейтера, по-видимому, было примирить две противоречивые модели радиации, а именно. волновые и корпускулярные модели . Возможно, он имел большие надежды, что его идея относительно осцилляторов, колеблющихся на разностях частот вращения электронов (а не на самих частотах вращения), может оказаться привлекательной для Бора, поскольку она решила проблему атомной модели последнего , хотя физический смысл этих осцилляторов был далеко не ясен. Тем не менее, у Бора и Крамерса было два возражения против предложения Слейтера:

1. Предположение о существовании фотонов. Хотя фотонная гипотеза Эйнштейна могла простым способом объяснить фотоэлектрический эффект , а также сохранение энергии в процессах снятия возбуждения атома с последующим возбуждением соседнего атома, Бор всегда неохотно признавал реальность фотонов. его главным аргументом была проблема согласования существования фотонов с явлением интерференции;
2. Невозможность объяснить сохранение энергии в процессе снятия возбуждения атома с последующим возбуждением соседнего. Эта невозможность вытекала из вероятностного предположения Слейтера, не предполагавшего никакой корреляции между процессами, происходящими в разных атомах.

По словам Макса Джаммера , это переориентировало теорию, «чтобы гармонизировать физическую картину непрерывного электромагнитного поля с физической картиной не квантов света, как это предлагал Слейтер, а прерывистых квантовых переходов в атоме». Бор и Крамерс надеялись обойти фотонную гипотезу на основе продолжающихся работ Крамерса по описанию «дисперсии» (в современных терминах неупругого рассеяния ) света посредством классической теории взаимодействия излучения и материи. Но отказавшись от концепции фотона, они вместо этого решили прямо признать возможность несохранения энергии и импульса.

Экспериментальные контрдоказательства

В статье БКС эффект Комптона обсуждался как применение идеи « статистического сохранения энергии и импульса» в непрерывном процессе рассеяния излучения образцом свободных электронов, где «каждый из электронов вносит свой вклад посредством испускания когерентные вторичные вейвлеты». Хотя Артур Комптон уже дал привлекательное описание своего эксперимента на основе фотонной картины (включая сохранение энергии и импульса в отдельных процессах рассеяния), утверждается ли в статье БКС, что «похоже, что при нынешнем состоянии науки вряд ли оправдано отвергнуть формальную интерпретацию как рассматриваемую [т.е. более слабое предположение о сохранении статистических данных ] как неадекватную». Это утверждение, возможно, побудило физиков-экспериментаторов улучшить «нынешнее состояние науки», проверив гипотезу «статистического сохранения энергии и импульса». В любом случае, уже через год теория БКС была опровергнута методом совпадений. изучение корреляций между направлениями испускания излучаемого излучения и электрона отдачи в отдельных процессах рассеяния. Такие эксперименты проводились независимо, с экспериментом по совпадению Боте-Гейгера, проведенным Вальтером Боте и Гансом Гейгером . а также эксперимент Комптона и Альфреда В. Саймона. Они предоставили экспериментальные данные, указывающие на сохранение энергии и импульса в отдельных процессах рассеяния (по крайней мере, было показано, что теория БКС не способна объяснить экспериментальные результаты). Более точные эксперименты, проведенные значительно позже, также подтвердили эти результаты.

Комментируя эксперименты, Макс фон Лауэ считал, что «физика спасена от заблуждения».

с самого начала Вольфганг Паули крайне критически относился к теории БКС, называя ее Копенгагенским путчем ( нем . Kopenhagener Putsch ). В письме Крамерсу Паули заявил, что Бор отказался бы от этой теории, даже если бы эксперимент никогда не проводился, утверждая, что необходимо изменить понятие движения и сил, а не сохранение энергии. Паули не мог не высмеять эту теорию, предложив Институту физики в Копенгаге «приспустить свой флаг в годовщину публикации работ Бора, Крамерса и Слейтера».

Как следует из письма Максу Борну , для Эйнштейна подтверждение сохранения энергии и импульса было, вероятно, даже более важным, чем его фотонная гипотеза:

Мнение Бора о радиации меня очень интересует. Но я не хочу позволить себе отказаться от строгой причинности до тех пор, пока против нее не возникнет гораздо более сильное сопротивление, чем до сих пор. Я не могу вынести мысли, что электрон, подвергшийся воздействию луча, должен своим свободным решением выбирать момент и направление, в котором он хочет отскочить. Если так, то я лучше буду сапожником или даже служащим в игорном доме, чем физиком. Правда, мои попытки придать квантам осязаемую форму снова и снова терпели неудачу, но я еще долго не собираюсь оставлять надежду.

В свете результатов эксперимента Бор сообщил Чарльзу Гальтону Дарвину , что «нет ничего другого, кроме как устроить нашим революционным усилиям как можно более почетные похороны».

Реакция Бора также не была связана в первую очередь с фотонной гипотезой. По словам Вернера Гейзенберга , Бор заметил:

Даже если Эйнштейн отправит мне телеграмму о том, что теперь найдено неопровержимое доказательство физического существования квантов света, это сообщение не сможет дойти до меня, потому что оно должно передаваться с помощью электромагнитных волн.

Для Бора урок, который нужно было извлечь из опровержения теории БКС, заключался не в том, что фотоны действительно существуют, а в том, что применимость классических картин пространства-времени для понимания явлений в квантовой области ограничена. Эта тема станет особенно важной несколько лет спустя при разработке понятия взаимодополняемости . По мнению Гейзенберга, статистическая интерпретация Борна также имеет свои корни в теории БКС. Следовательно, несмотря на свою неудачу, теория БКС все же внесла важный вклад в революционный переход от классической механики к квантовой механике.

Шредингер не отказался от статистической интерпретации и продолжал продвигать эту теорию до конца своей жизни.