Теория БКС - BKS theory

В Теория Бора – Крамерса – Слейтера (Теория BKS) была, пожалуй, последней попыткой понять взаимодействие вещества и электромагнитного излучения на основе так называемого старая квантовая теория, в котором квантовые явления рассматриваются путем наложения квантовых ограничений на классически описываемое поведение.[1][2][3][4] Он был усовершенствован в 1924 году и придерживается классический волновое описание электромагнитного поля. Возможно, это была больше исследовательская программа, чем полноценная физическая теория, а развиваемые идеи не были проработаны количественно.[5]:236

Один из аспектов, идея моделирования поведения атомов при падающем электромагнитном излучении с использованием «виртуальных осцилляторов» на частотах поглощения и излучения, а не на (различных) видимых частотах орбит Бора, значительно привела к Родившийся, Гейзенберг и Крамерс изучить математику, которая сильно вдохновила последующее развитие матричная механика, первая форма современного квантовая механика. Провокационность теории также вызвала широкую дискуссию и возобновила внимание к трудностям в основах старой квантовой теории.[6] Однако физически самый провокационный элемент теории, что импульс и энергия не обязательно должны сохраняться в каждом взаимодействии, а только в целом, статистически, вскоре оказался в противоречии с экспериментом.

Происхождение

Первоначальная идея теории BKS возникла в Slater,[7] кто сделал предложение Бор и Крамерс следующие элементы теории излучения и поглощения излучения атомами, которые будут разработаны во время его пребывания в Копенгагене:

  1. Излучение и поглощение электромагнитного излучения веществом осуществляется в соответствии с Эйнштейн с фотон концепция;
  2. Фотон, испускаемый атомом, направляется классическим электромагнитным полем (ср. де Бройль идеи опубликованы в сентябре 1923 г.[8]) состоящий из сферических волн, что позволяет объяснить вмешательство;
  3. Даже когда нет переходов, существует классическое поле, в которое вносят вклад все атомы; это поле содержит все частоты, на которых атом может излучать или поглощать фотон, вероятность такого излучения определяется амплитудой соответствующего Фурье-компонента поля; вероятностный аспект носит временный характер, и его следует исключить, когда динамика внутренней части атомов станет более известной;
  4. Классическое поле создается не реальными движениями электронов, а движениями с частотами возможных линии излучения и поглощения ' (быть позванным 'виртуальный осцилляторы ', создавая поле, которое также называется `` виртуальным' ').

Разработка с Бором и Крамерсом

Похоже, что главным намерением Слейтера было примирить две конфликтующие модели излучения, а именно. то модели волн и частиц. Он мог надеяться, что его идея относительно осцилляторов, вибрирующих на различия частот вращения электронов (а не самих частот вращения) может быть привлекательным для Бора, поскольку решает проблему последнего атомная модель, 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 гипотеза Эйнштейна о фотонах могла бы просто объяснить фотоэлектрический эффект, а также сохранение энергии в процессах де-возбуждение атома с последующим возбуждением соседнего атома, Бор всегда отказывался признать реальность фотонов, его главным аргументом была проблема согласования существования фотонов с явлением вмешательство;
  2. Невозможность учесть сохранение энергии в процессе девозбуждения атома с последующим возбуждением соседнего. Эта невозможность вытекала из вероятностного предположения Слейтера, которое не предполагало никаких корреляция между процессами, происходящими в разных атомах.

В качестве Макс Джаммер По его словам, это переориентировало теорию, «чтобы согласовать физическую картину непрерывного электромагнитного поля с физической картиной, но не для квантов света, как предполагал Слейтер, а для прерывистых квантовых переходов в атоме».[6] Бор и Крамерс надеялись избежать гипотезы фотонов на основе продолжающейся работы Крамерса по описанию "дисперсии" (в современных терминах неупругое рассеяние ) света с помощью классической теории взаимодействия излучения и вещества. Но отказавшись от концепции фотона, они вместо этого решили прямо согласиться с возможностью несохранения энергии и импульса.

Экспериментальные контрдоказательства

В статье БКС Эффект Комптона обсуждалось как применение идеи "статистический сохранение энергии и импульса »в непрерывном процессе рассеяния излучения на образец свободных электронов, где «каждый из электронов вносит свой вклад через излучение когерентных вторичных всплесков». Хотя Комптон уже дал привлекательный отчет о своем эксперименте на основе фотонной картины (включая сохранение энергии и импульса в индивидуальный процессов рассеяния), утверждается ли в документе BKS, что «при нынешнем состоянии науки вряд ли можно оправдать отказ от формальной интерпретации как рассматриваемой [то есть более слабого предположения о статистический сохранение] как неадекватное ". Это утверждение могло побудить физиков-экспериментаторов улучшить" нынешнее состояние науки "путем проверки гипотезы" статистического сохранения энергии и импульса ". В любом случае уже через год теория BKS была опровергнута экспериментами изучение корреляции между направлениями испускаемого излучения и электрона отдачи в отдельных процессах рассеяния. Такие эксперименты были независимо выполнены Боте и Гейгера,[9][10] а также Комптон и Саймон.[11][12] Они предоставили экспериментальные доказательства, указывающие на направление сохранения энергии и импульса в отдельных процессах рассеяния (по крайней мере, было показано, что теория BKS не способна объяснить экспериментальные результаты). Более точные эксперименты, проведенные намного позже, также подтвердили эти результаты.[13][14]

Как было предложено в письме к Родившийся,[15] для Эйнштейна подтверждение сохранения энергии и импульса было, вероятно, даже более важным, чем его гипотеза о фотоне: «Мнение Бора об излучении меня очень интересует. Но я не хочу, чтобы меня заставили отказаться от строгой причинности до того, как это произойдет. гораздо более сильное сопротивление против него, чем до сих пор. Я не могу смириться с мыслью, что электрон, подвергшийся воздействию луча, должен по своему собственному свободному решению выбрать момент и направление, в котором он хочет отскочить. Если это так, я бы предпочел быть сапожником или даже служащим в игорном доме, чем физиком. Это правда, что мои попытки придать квантам ощутимую форму снова и снова терпели неудачу, но я не собираюсь терять надежду еще долго ».

Реакция Бора тоже не была связана в первую очередь с фотонной гипотезой. В соответствии с Гейзенберг,[16] Бор заметил: «Даже если Эйнштейн пришлет мне телеграмму о том, что теперь было найдено неопровержимое доказательство физического существования световых квантов, сообщение не может до меня дойти, потому что оно должно передаваться электромагнитными волнами». Для Бора урок, который следует извлечь из опровержения теории BKS, заключался не в том, что фотоны действительно существуют, а в том, что применимость классических пространственно-временных картинок для понимания явлений в квантовой области ограничена. Эта тема станет особенно важной через несколько лет в развитии понятия взаимодополняемость. По словам Гейзенберга, Статистическая интерпретация Борна также имеет свои корни в теории BKS. Следовательно, несмотря на свою неудачу, теория BKS все же внесла важный вклад в революционный переход от классической механики к квантовая механика.

Рекомендации

  1. ^ Бор, Нильс (1984). Возникновение квантовой механики (в основном 1924-1926 гг.). Собрание сочинений Нильса Бора. 5. Амстердам: Северная Голландия. п. 3-216. ISBN  978-0-444-86501-4. OCLC  225659653.
  2. ^ Дж. Мера и Х. Рехенберг, Историческое развитие квантовой теории, Springer-Verlag, Нью-Йорк, и др., 1982, Vol. 1. Часть 2. С. 532-554.
  3. ^ Bohr, N .; Крамерс, Х.А.; Слейтер, Дж. (1924). «LXXVI. Квантовая теория излучения». Лондонский, Эдинбургский и Дублинский философский журнал и научный журнал. Informa UK Limited. 47 (281): 785–802. Дои:10.1080/14786442408565262. ISSN  1941-5982.
  4. ^ Bohr, N .; Kramers, H.A .; Слейтер, Дж. К. (1924). "Über die Quantentheorie der Strahlung". Zeitschrift für Physik (на немецком). ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа". 24 (1): 69–87. Дои:10.1007 / bf01327235. ISSN  1434-6001.
  5. ^ Авраам Паис (1991). Времена Нильса Бора: в физике, философии и политике. Издательство Оксфордского университета. ISBN  0-19-852049-2.
  6. ^ а б Макс Джаммер, Концептуальное развитие квантовой механики, 2д, 1989, с.188
  7. ^ Письма Дж. К. Слейтера, ноябрь, декабрь 1923 г., перепечатано в Ref. 1. С. 8, 9.
  8. ^ Л. де Бройль, Comptes Rendues 177, 507-510 (1923).
  9. ^ Bothe, W .; Гейгер, Х. (1924). "Ein Weg zur Experimentellen Nachprüfung der Theorie von Bohr, Kramers und Slater". Zeitschrift für Physik (на немецком). ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа". 26 (1): 44–44. Дои:10.1007 / bf01327309. ISSN  1434-6001.
  10. ^ Bothe, W .; Гейгер, H .; Fränz, H .; Kallmann, H .; Варбург, Отто; Тода, Сигэру (1925). "Zuschriften und vorläufige Mitteilungen". Die Naturwissenschaften (на немецком). ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа". 13 (20): 440–443. Дои:10.1007 / bf01558823. ISSN  0028-1042.
  11. ^ Комптон, А. Х. (1 мая 1925 г.). «О механизме рассеяния рентгеновских лучей». Труды Национальной академии наук. Труды Национальной академии наук. 11 (6): 303–306. Дои:10.1073 / pnas.11.6.303. ISSN  0027-8424.
  12. ^ Комптон, Артур Х .; Саймон, Альфред В. (1 августа 1925 г.). «Режиссер Кванта рассеянного рентгеновского излучения». Физический обзор. Американское физическое общество (APS). 26 (3): 289–299. Дои:10.1103 / Physrev.26.289. ISSN  0031-899X.
  13. ^ Хофштадтер, Роберт; Макинтайр, Джон А. (1 марта 1950 г.). «Одновременность в эффекте Комптона». Физический обзор. Американское физическое общество (APS). 78 (1): 24–28. Дои:10.1103 / Physrev.78.24. ISSN  0031-899X.
  14. ^ Кросс, Уильям Дж .; Рэмси, Норман Ф. (15 декабря 1950 г.). «Сохранение энергии и импульса в комптоновском рассеянии». Физический обзор. Американское физическое общество (APS). 80 (6): 929–936. Дои:10.1103 / Physrev.80.929. ISSN  0031-899X.
  15. ^ Письмо от 29 апреля 1924 г. в: Письма Борна-Эйнштейна, Переписка между Альбертом Эйнштейном и Максом и Хедвигой, родившейся с 1916 по 1955 год, с комментариями Макса Борна, Уокера и компании, Нью-Йорк, 1971.
  16. ^ Интервью с Мехрой, цитируемое в Ref. 2, стр. 554