АВОГАДРО Амедео
(Avogadro A.)
(9.VIII 1776 - 9.VII 1856)
Итальянский физик и химик, член Туринской академии наук (с 1819 г.). Родился в Турине. Окончил юридический факультет Туринского университета (1792 г.). С 1800 самостоятельно изучал математику и физику. В 1809 - 1819 гг. преподавал физику в лицее г. Верчелли. В 1820 - 1822 и 1834 - 1850 гг. - профессор физики Туринского университета.Научные работы относятся к различным областям физики и химии.
В 1811 г. заложил основы молекулярной теории, обобщил накопленный к тому времени экспериментальный материал о составе веществ и привел в единую систему противоречащие друг другу опытные данные Ж. Гей-Люссака и основные положения атомистики Дж. Дальтона.
Открыл (1811 г.) закон, согласно которому в одинаковых объемах газов при одинаковых температурах и давлениях содержится одинаковое количество молекул (закон Авогадро).
Именем Авогадро названа универсальная постоянная - число молекул в 1 моль идеального газа.
Создал (1811 г.) метод определения молекулярных масс, посредством которого по экспериментальным данным других исследователей первым правильно вычислил (1811-1820 г.) атомные массы кислорода, углерода, азота, хлора и ряда других элементов.
Установил количественный атомный состав молекул многих веществ (в частности, воды, водорода, кислорода, азота, аммиака, оксидов азота, хлора, фосфора, мышьяка, сурьмы), для которых он ранее был определен неправильно.
Указал (1814 г.) состав многих соединений щелочных и щелочноземельных металлов, метана, этилового спирта, этилена.
Первым обратил внимание на аналогию в свойствах азота, фосфора, мышьяка и сурьмы - химических элементов, составивших впоследствии VA-группу Периодической системы.
Результаты работ Авогадро по молекулярной теории были признаны лишь в 1860 г. на I Международном конгрессе химиков в Карлсруэ.
В 1820-1840 гг. занимался электрохимией, изучал тепловое расширение тел, теплоемкости и атомные объемы; при этом получил выводы, которые координируются с результатами позднее проведенных исследований Д. И. Менделеева по удельным объемам тел и современными представлениями о строении вещества.
Издал труд "Физика весовых тел, или же трактат об общей конструкции тел" (т. 1-4, 1837 - 1841 гг.), в котором, в частности, намечены пути к представлениям о нестехиометричности твердых тел и о зависимости свойств кристаллов от их геометрии.
По материалам биографического справочника "Выдающиеся химики мира" (авторы Волков В.А и др.) - Москва, "Высшая школа", 1991 г.
Андре-Мари АМПЕР (Ampère)
(22.01.1775 - 10.06.1836)
Андре-Мари Ампер - французский физик, математик и химик.
Он родился в Лионе в семье коммерсанта. В прекрасной библиотеке его отца были произведения известных философов, ученых и писателей. Юный Андре мог целыми днями просиживать там с книгой, благодаря чему он, никогда не посещавший школу, сумел приобрести обширные и глубокие знания. В 11 лет он уже принялся за чтение знаменитой 20-томной "Энциклопедии" Дидро и Д'Аламбера и за три года проштудировал ее всю. Юношу интересовала изящная словесность, и он даже писал стихи, но физико-математические науки оказались гораздо привлекательнее.
Когда книг отца стало недостаточно, Андре Ампер начал посещать библиотеку Лионского колледжа. Однако многие труды великих ученых были написаны на латинском языке, которого он не знал. В течение несколько месяцев Андре самостоятельно изучил латынь, и произведения классиков науки XVII-XVIII вв. стали ему доступны.
И вот результат упорных занятий. К 12 годам Ампер самостоятельно разобрался в основах высшей математики -- дифференциальном исчислении, научился интегрировать, а в возрасте 13 лет уже представил свои первые работы по математике в Лионскую академию!
В 1793 г. в Лионе вспыхнул мятеж, который был жестоко подавлен. За сочувствие бунтовщикам был казнен и отец Андре Ампера. Имущество семьи было конфисковано, и юноша стал зарабатывать на жизнь частными уроками математики. Чтобы продолжать научные занятия, ему приходилось работать, начиная с четырех часов утра.
В 1802 г. Андре Амперу исполнилось 27 лет. Он начинает преподавать физику и химию - сначала в Лионе, а через два года - в знаменитой Политехнической школе (Эколь политехник) в Париже. Еще через 10 лет Ампер избирается в Парижскую академию наук, а с 1824 г. он - профессор Нормальной школы (Эколь нормаль) - главного высшего учебного заведения Парижа.
Начиная с 1820 года, когда приобрело известность открытие Эрстедом действия тока на магнитную стрелку, Ампер всецело посвящает себя проблемам электродинамики. В том же году он открывает магнитное взаимодействие токов, устанавливает закон этого взаимодействия (позднее названный законом Ампера) и делает вывод, что "все магнитные явления сводятся к чисто электрическим эффектам". Согласно гипотезе Ампера, любой магнит содержит внутри себя множество круговых электрических токов, действием которых и объясняются магнитные силы.
Прошло еще два года, и Ампер открыл магнитный эффект катушки с током - "соленоида". Именно Амперу принадлежит заслуга введения в науку терминов "электростатика", "электродинамика", "электродвижущая сила", "напряжение", "гальванометр", "электрический ток" и даже… "кибернетика". Ампер предложил принять за направление постоянного электрического тока то, в котором перемещается "положительное электричество".
Классический труд Ампера "Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта" (1826 г.) внес огромный вклад в науку об электричестве. Вот почему Ампера впоследствии стали называть "Ньютоном электричества".
В последние годы жизни Ампер увлекся геологией и биологией, активно участвовал в дискуссиях об эволюции в мире живых организмов. На вопрос одного из собеседников, действительно ли он считает, что человек произошел от улитки, Ампер ответил: "Я убедился в том, что человек возник по закону, общему для всех животных".
Ампер умер от воспаления легких в возрасте 61 года. На его надгробном памятнике высечены слова: "Он был так же добр и так же прост, как и велик".
Единица силы электрического тока, введенная в 1881 г., названа ампер (А) в честь Андре-Мари Ампера.
Доминик-Франсуа АРАГО (Arago)
(26.2.1786 - 2.10.1853)
Доминик-Франсуа Араго, французский астроном, физик и политический деятель, член Парижской АН (с 1809). Родился в Париже в 1786 г., учился в Политехнической школе в Париже. С 1805 г. работал секретарем Бюро долгот в Париже. В 1809-31гг. Араго -- профессор Политехнической школы, с 1830 г. -- непременный секретарь Парижской АН и директор Парижской обсерватории. В 1830-48 гг. Араго был членом палаты депутатов, примыкал к буржуазной республиканской оппозиции. После Февральской революции 1848 г. он вошёл в состав Временного правительства и занял пост морского министра. Высказывался за подавление Июньского восстания 1848 года. В 1852 году отказался от присяги правительству Наполеона III.
Араго оказал большое влияние на французскую науку. По его указаниям У. Леверье произвёл математический анализ неправильностей движения планеты Уран, приведший к открытию Нептуна, а И. Физо и Л. Фуко измерили скорость света и получили первые фотографии Солнца и др.
Научные труды Араго относятся к астрономии, оптике, электромагнетизму, метеорологии. Он изобрёл полярископ и исследовал поляризацию света, впервые получил искусственного магниты из стали. В 1824 г. Араго открыл "магнетизм вращения" - действие вращающейся металлические пластинки на магнитную стрелку, установил связь между полярными сияниями и магнитными бурями.
Анри БЕККЕРЕЛЬ (Becquerel)
Беккерель получил среднее образование в лицее Людовика Великого, а в 1872 г. поступил в Политехническую школу в Париже. Через два года он перевелся в Высшую школу мостов и дорог, где изучал инженерное дело, преподавал, а также проводил самостоятельные исследования.
В 1875 г. он приступил к изучению воздействия магнетизма на линейно поляризованный свет, а в следующем году начал свою педагогическую карьеру в качестве лектора в Политехнической школе. Он получил ученую степень по техническим наукам в Высшей школе мостов и дорог в 1877 г. и стал работать в Национальном управлении мостов и дорог. Через год Беккерель стал ассистентом своего отца в Музее естественной истории, продолжая одновременно работать в Политехнической школе и в Управлении мостов и дорог.
Беккерель сотрудничал со своим отцом на протяжении четырех лет, написав цикл статей о температуре Земли. Закончив свои собственные исследования линейно поляризованного света в 1882 г., Беккерель продолжил исследования своего отца в области люминесценции, нетеплового излучения света.
В середине 1880-х гг. Беккерель также разработал новый метод анализа спектров, совокупностей волн различной длины, испускаемых источником света.
В 1888 г. он получил докторскую степень, присужденную ему на факультете естественных наук Парижского университета задиссертацию о поглощении света в кристаллах.
В 1892 г., через год после смерти отца, Беккерель стал его преемником в качестве заведующего кафедрой физики в Консерватории искусств и ремесел, а также аналогичной кафедрой в Музее естественной истории в Париже. Спустя два года Беккерель стал главным инженером в Управлении мостов и дорог, а в 1895 г. получил кафедру физики в Политехнической школе.
В 1895 г. немецкий физик Вильгельм Рентген открыл излучение, обладающее большой энергией и проникающей способностью, известное сегодня как рентгеновские лучи, которые возникают, когда катодные лучи (электроны), испускаемые отрицательным электродом (катодом) электронно-вакуумной лампы, ударяют в другую часть лампы во время высоковольтного разряда. Поскольку падающие катодные лучи вызывают также люминесценцию, когда они ударяют в лампу, то ошибочно предполагалось, что и люминесценция, и рентгеновские лучи образуются посредством одного и того же механизма и что люминесценция может сопровождаться рентгеновскими лучами.
Заинтересовавшись этим, Беккерель решил выяснить, может ли люминесцентный материал, активированный светом, а не катодными лучами, также испускать рентгеновские лучи. Он поместил на фотографические пластинки, завернутые в плотную черную бумагу, люминесцентный материал, имевшийся у него под рукой - сульфат уранил-калия (одна из солей урана),- и в течение нескольких часов подвергал этот пакет воздействию солнечного света. После этого он обнаружил, что излучение прошло сквозь бумагу и воздействовало на фотографическую пластинку, что, очевидно, указывало на то, что соль урана испускала рентгеновские лучи, а также и свет после того, как была облучена солнечным светом. Однако, к удивлению Беккерель , оказалось, что то же самое происходило и тогда, когда такой пакет помещали в темное место, без облучения солнечным светом. Беккерель , по-видимому, наблюдал результат воздействия не рентгеновских лучей, а нового вида проникающей радиации, испускаемой без внешнего облучения источника.
На протяжении нескольких последующих месяцев Беккерель повторял свой опыт с другими известными люминесцентными веществами и обнаружил, что одни лишь соединения урана испускают открытое им самопроизвольное излучение. Кроме того, нелюминесцентные соединения урана испускали аналогичное излучение, и, следовательно, оно не было связано с люминесценцией. В мае 1896 г. Беккерель провел опыты с чистым ураном и обнаружил, что фотографические пластинки показывали такую степень облучения, которая в три-четыре раза превышала излучение первоначально использовавшейся соли урана. Загадочное излучение, которое совершенно очевидно являлось присущим урану свойством, стало известно каклучи Беккереля.
В течение нескольких последующих лет благодаря исследованиям Беккереля и других ученых было, помимо прочего, обнаружено, что мощность излучения, по-видимому, не уменьшается со временем. В 1900 г. Беккерель пришел к выводу, что эти лучи частично состоят из электронов, открытых в 1897 г. Дж. Томсоном в качестве компонентов катодных лучей.
Ученица Беккереля, Мари Кюри открыла, что торий также испускает лучи Беккереля, и переименовала их в радиоактивность. Она и ее муж, Пьер Кюри, после тщательных исследований открыли два новых радиоактивных элемента - полоний(названный так в честь родины Мари Кюри - Польши) и радий.
Беккерель и супруги Кюри получили в 1903 г. Нобелевскую премию по физике. Сам Беккерель был особо упомянут "в знак признания его выдающихся заслуг, выразившихся в открытии самопроизвольной радиоактивности". В приветственной речи, которую произнес от имени Шведской королевской академии наук X.Р. Тернеблад, трем лауреатам ставилось в заслугу то, что они доказали: "те особые виды излучения, которые до сих пор были известны лишь по электрическим разрядам в разреженном газе, являются естественными и широко распространенными явлениями". Тернеблад добавил, что в результате были получены "новые методы, позволяющие при определенных условиях изучать существование материи в природе. Наконец, найден новый источник энергии, полное истолкование которого еще впереди".
Беккерель женился в 1874 г. на Люси-Зоэ-Мари Жамен, дочери профессора физики. Через четыре года его жена умерла во время родов, произведя на свет сына Жана, их единственного ребенка, который впоследствии стал физиком. В 1890 г. Беккерель женился на Луизе-Дезире Лорье. После получения Нобелевской премии он продолжал вести преподавательскую и научную работу. Беккерель скончался в 1908 г. в Ле-Круазик (Бретань) во время поездки с женой в ее родовое поместье.
Помимо Нобелевской премии, Беккерель был удостоен многочисленных почестей, в том числе медали Румфорда, присуждаемой Лондонским королевским обществом (1900 г.), медали Гельмгольца Берлинской королевской академии наук (1901 г.) и медали Барнарда американской Национальной академии наук (1905 г.). Он был избран членом Французской академии наук в 1899 г., а в 1908 г. стал одним из ее непременных секретарей. Беккерель являлся также членом Французского физического общества, Итальянской национальной академии наук, Берлинской королевской академии наук, американской Национальной академии наук, а также Лондонского королевского общества.
Источник информации:
"Лауреаты Нобелевской премии: Энциклопедия". Пер. с англ. - М.: Прогресс, 1992.
Роберт БОЙЛЬ
(25.I. 1627 - 30.XII. 1691)
Он родился 25 января 1627 года в Лисморе (Ирландия), а образование получил в Итонском колледже (1635-1638) и в Женевской академии (1639-1644). После этого почти безвыездно жил в своем имении в Столбридже, там и проводил свои химические исследования в течение 12 лет. В 1656 году Бойль перебирается в Оксфорд, а в 1668 году переезжает в Лондон.
Научная деятельность Роберта Бойля была основана на экспериментальном методе и в физике, и в химии, и развивала атомистическую теорию. В 1660 году он открыл закон изменения объема газов (в частности, воздуха) с изменением давления. Позднее он получил имя закона Бойля-Мариотта: независимо от Бойля этот закон сформулировал французский физик Эдм Мариотт.
Бойль много занимался изучением химических процессов -- например, протекающих при обжиге металлов, сухой перегонке древесины, превращениях солей, кислот и щелочей. В 1654 году он ввел в науку понятие анализа состава тел. p> Одна из книг Бойля носила название "Химик-скептик". В ней были определены элементы - как "первоначальные и простые, вполне не смешанные тела, которые не составлены друг из друга, но представляют собой те составные части, из которых составлены все так называемые смешанные тела и на которые последние могут быть в конце концов разложены".
А в 1661 году Бойль формулирует понятие о "первичных корпускулах" как элементах и "вторичных корпускулах" как сложных телах.
Он также впервые дал объяснение различиям в агрегатном состоянии тел. В 1660 году Бойль получил ацетон, перегоняя ацетат калия, в 1663 году обнаружил и применил в исследованиях кислотно-основный индикатор лакмус в лакмусовом лишайнике, произрастающем в горах Шотландии. В 1680 году он разработал новый способ получения фосфора из костей, получил ортофосфорную кислоту и фосфин...
В Оксфорде Бойль принял деятельное участие в основании научного общества, которое в 1662 году было преобразовано вЛондонское Королевское общество (фактически это английская Академия наук).
Роберт Бойль умер 30 декабря 1691 года, оставив будущим поколениям богатое научное наследие. Бойлем было написано множество книг, некоторые из них вышли в свет уже после смерти ученого: часть рукописей была найдена в архивах Королевского общества...
БОР Нильс-Хенрик-Давид
(7.Х 1885 - 18.XI 1962)
Датский физик, член Датского королевского общества наук (с 1917 г.), его президент в 1939 г. Родился в Копенгагене. Окончил Копенгагенский университет (1908 г.). В 1911-1912 гг. работал под руководством английского физика Дж. Дж. Томсона в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета, в 1912 - 1913 гг. - в лаборатории Э. Резерфорда в Манчестерском университете. С 1916 г. - профессор Копенгагенского университета и одновременно с 1920 г. - директор созданного им Института теоретической физики.Научные работы Бора, относящиеся к теоретической физике, вместе с тем заложили основы новых направлений в развитии химии.
Создал (1913 г.) первую квантовую теорию атома водорода, в которой:
Рассчитал спектр атома водорода, показав полное совпадение расчетных данных с эмпирическими. Построил (1913-1921 гг.) модели атомов других элементов Периодической системы, охарактеризовав движение электронов в них посредством главногоn и побочного l квантовых чисел.
Заложил (1921 г.) основы первой физической теории Периодической системы элементов, в которой связал периодичность свойств элементов с формированием электронных конфигураций атомов по мере увеличения заряда ядра. Обосновал подразделение групп периодической системы на главные и побочные. Впервые объяснил подобие свойств редкоземельных элементов. Сформулировал (1918 г.) важный для атомной теории принцип соответствия. Многое сделал для становления и интерпретации квантовой механики, в частности предложил (1927 г.) имеющий большое значение для ее понимания принцип дополнительности. Внес значительный вклад в ядерную физику. Развил (1936 г.) теорию составного ядра, является одним из создателей капельной модели ядер (1936 г.) и теории деления ядер (1939 г.), предсказал явление спонтанного деления ядер урана.
Создал большую школу физиков-теоретиков.
Член многих академий наук и научных обществ. Иностранный член АН СССР (с 1929 г.). Нобелевская премия по физике (1922 г.).
По материалам биографического справочника "Выдающиеся химики мира" (авторы Волков В.А и др.) - Москва, "Высшая школа", 1991 г.
Макс БОРН (Born Max)
(1882 - 1970)
Макс Борн - немецкий физик, удостоенный в 1954 г. Нобелевской премии по физике за фундаментальные исследования по квантовой механике.
Родился 11 декабря 1882 г. в Бреслау (ныне Вроцлав, Польша), был старшим из двух детей профессора анатомии и талантливой пианистки. В 1901 г. поступил в университет Бреслау, где намеревался выучиться на инженера, но по совету отца прослушал самые разные курсы. Вскоре увлекся математикой и физикой и провел два летних семестра в университетах Гейдельберга и Цюриха. В 1904 г. поступил в Гёттингенский университет, где его профессорами были прославленные математики Д.Гильберт, Ф.Клейн и Г.Минковский. В 1905 г. стал ассистентом Гильберта, в 1907 г. защитил диссертацию, посвященную теории устойчивости упругих тел.
По окончании университета был призван на военную службу, но вскоре был демобилизован по состоянию здоровья. Однако короткий опыт военной службы навсегда заронил в нем неприязнь к милитаризму.
В 1907 Борн посещал лекции Дж.-Дж.Томсона в Кембридже, а вернувшись в Бреслау, занялся теорией. Ему удалось, соединив идеи Эйнштейна с математическим подходом Минковского, создать упрощенный метод вычисления массы электрона. По приглашению Минковского он вернулся в Гёттинген, где занялся исследованиями свойств кристаллов и совместно с Т. фон Карманом разработал точную теорию зависимости теплоемкости от температуры, до сих пор являющуюся основой физики кристаллического состояния. В 1915 г. Борн стал ассистент-профессором теоретической физики у М.Планка в Берлинском университете.
Несмотря на свое отвращение к милитаризму, в годы Первой мировой войны проводил исследования по звукометрии по заказу военного ведомства и выступал в качестве эксперта при оценке изобретений в области артиллерии. В это время началась его многолетняя дружба с Эйнштейном, с которым кроме физики его объединяла любовь к музыке - они составляли вполне профессиональный дуэт, в котором партию скрипки исполнял Эйнштейн, а партию фортепьяно - Борн.
После войны Борн продолжал исследования кристаллов и совместно с Ф.Габером развил аналитическую технику, известную под названием цикла Борна - Габера. В 1919 г. он временно поменялся постами с М. фон Лауэ и стал профессором физики и директором Института теоретической физики во Франкфуртском университете. В 1921 г. вернулся в Гёттинген, возглавив там Физический институт. Продолжая исследования кристаллов, Борн начал разрабатывать математические основы квантовой теории. Он мечтал создать общую теорию, охватывающую все квантовые эффекты. В 1926 г. Борн со своим ассистентом В.Гейзенбергом и студентом П.Иорданом разработал математическое обоснование квантовой механики, а затем ему удалось дать статистическую интерпретацию волновой функции, введенной Э.Шрёдингером, и показать, что квадрат ее амплитуды равен вероятности нахождения частицы в данной точке. Борн также разработал метод решения квантовомеханических задач о столкновениях частиц (борновское приближение), оказавшийся крайне важным для физики высоких энергий; ввел (совместно с Н.Винером) понятие оператора в квантовой механике; в 1927 г. разработал (совместно с Р.Оппенгеймером) теорию строения двухатомных молекул.
После прихода к власти Гитлера Борн в 1933 г. эмигрировал в Англию. Три года он читал лекции в Кембридже, а в 1936 г. занял пост профессора натурфилософии в Эдинбургском университете, где преподавал и проводил исследования до своей отставки в 1953 г. Вернувшись в Гёттинген, продолжил научную работу, готовил свои труды к публикации и активно выступал с лекциями об ответственности ученых в связи с исследованиями в области создания оружия массового уничтожения. В 1955 г. Борн и еще 15 Нобелевских лауреатов выступили с заявлением, осуждающим дальнейшую разработку и использование ядерного оружия.
Помимо Нобелевской премии, Борн был награжден медалью Макса Планка Германского физического общества (1948 г.), медалью Хьюза Лондонского королевского общества и др.; он являлся членом многих научных обществ и академий.
Умер Борн 5 января 1970 г. в Гёттингене.
Великие физики
Вернер ГЕЙЗЕНБЕРГ (Heisenberg)
(5.XII. 1901 - 1.II. 1976)
Немецкий физик Вернер-Карл Гейзенберг родился в Дуйсбурге в семье Августа Гейзенберга, профессора древнегреческого языка Мюнхенского университета, и урожденной Анни Веклейн.
Детские годы Гейзенберга прошли в Дуйсбурге, где он учился в гимназии Максимилиана. В 1920 г. он поступил в Мюнхенский университет, где изучал физику под руководством знаменитого Арнольда Зоммерфельда.
Гейзенберг был выдающимся студентом и уже в 1923 г. защитил докторскую диссертацию. Она была посвящена некоторым аспектам квантовой теории. Следующий год он провел в Геттингенском университете ассистентом у Макса Борна, а затем, получив стипендию Рокфеллеровского фонда, отправился к Нильсу Бору в Копенгаген, где пробыл до 1927 г., если не считать продолжительных визитов в Геттинген.
Наибольший интерес у Гейзенберга вызывали нерешенные проблемы строения атома и все возраставшее несоответствие модели, предложенной Бором, экспериментальным и теоретическим данным. В 1925 г., во время кратковременного отдыха после приступа сенной лихорадки Гейзенберг в порыве вдохновения увидел совершенно новый подход, позволяющий применить квантовую теорию к разрешению всех трудностей в модели Бора.
Через несколько недель он изложил свои идеи в статье. Макс Планк положил начало квантовой теории в 1900 г. Он объяснил соотношение между температурой тела и испускаемым им излучением, выдвинув гипотезу, согласно которой энергия испускается малыми дискретными порциями. Энергия каждой такой порции, или кванта, как предложил называть ее Альберт Эйнштейн, пропорциональна частоте излучения. Понятие кванта энергии было радикально новым, поскольку еще в прошлом столетии было доказано, что излучение, например свет, распространяется в виде непрерывных волн.
В 1905 г. Эйнштейн воспользовался квантами для объяснения фотоэлектрического эффекта - испускания электронов металлической поверхностью, освещаемой ультрафиолетовым светом. Более интенсивное излучение приводит к увеличению числа испущенных поверхностью электронов, но не их энергии.
Эйнштейн высказал предположение, согласно которому каждый квант (света или любой другой лучистой энергии), получивший впоследствии название фотона, передает энергию одному электрону. Некоторая доля энергии затрачивается на высвобождение электрона, а остальная переходит в кинетическую энергию, т.е. проявляется в виде скорости электрона. Поток падающего на поверхность металла более интенсивного излучения содержит большее число фотонов, которые высвобождают и большее число электронов, но энергия каждого фотона остается фиксированной, чем и устанавливается предел скорости электронов.
Около 1913 г. Бор предложил свою модель атома: вокруг плотного центрального ядра по орбитам различного радиуса обращаются электроны. Используя квантовую теорию, он показал, что атом, возбужденный при горении вещества или электрическим разрядом, излучает энергию на некоторых характерных частотах. По Бору, разрешались только вполне определенные электронные орбиты. Когда электрон "перепрыгивает" с одной орбиты на другую, с меньшей энергией, излишек ее преобразуется в квант испускаемого излучения с частотой, определяемой, по теории Планка, разностью энергий между уровнями. Модель Бора сначала пользовалась большим успехом, но вскоре в нее понадобилось вводить поправки для устранения расхождений между теорией и экспериментальными данными. Многие ученые указывали на то, что, несмотря на кажущуюся простоту, она не может служить основой для последовательного подхода к решению многих задач квантовой физики.
Блестящая идея, пришедшая в голову Гейзенберга, состояла в том, чтобы рассматривать квантовые события как явления на совершенно ином уровне, чем в классической физике. Он подошел к ним как к явлениям, не допускающим точного наглядного представления, например с помощью картины обращающихся по орбитам электронов. Вместо наглядных образов Гейзенберг предложил абстрактное, чисто математическое представление, основанное на использовании "принципиально наблюдаемых" величин, таких, как частоты спектральных линий. В выведенные Гейзенбергом уравнения входили таблицы наблюдаемых величин: частот, пространственных координат и импульсов. Он указал правила, позволяющие производить над этими таблицами различные математические операции. Борн распознал в таблицах Гейзенберга давно известные математикам матрицы и показал, что операции над ними можно производить по правилам матричной алгебры - хорошо разработанной области математики, но малоизвестной в то время физикам.
Борн, его студент Паскуаль Джордан и Гейзенберг развили эту концепцию в матричную механику и создали метод, позволяющий применять квантовую теорию в исследованиях структуры атома. Через несколько месяцев Эрвин Шредингер предложил другую формулировку квантовой механики, описывающей эти явления на языке волновых понятий.
Подход Шредингера берет начало в работах Луи де Бройля, высказавшего гипотезу о так называемых волнах материи: подобно тому, как свет, традиционно считавшийся волнами, может обладать корпускулярными свойствами (фотоны, или кванты излучения), частицы могут обладать волновыми свойствами. Позднее было доказано, что матричная и волновая механики, по существу, эквивалентны. Взятые вместе, они образуют то, что ныне называется квантовой механикой. Вскоре квантовая механика была расширена Полем Дираком, включившим в волновое уравнение элементы теории относительности Эйнштейна.
В 1927 г. Гейзенберг стал профессором теоретической физики Лейпцигского университета. В том же году он опубликовал работу, содержащую формулировку принципа неопределенности. Свой принцип Гейзенберг вывел как следствие умножения матриц. При умножении обычных чисел порядок сомножителей несуществен, а при умножении матриц он очень важен. При вычислении операции умножения над некоторыми парами величин, например импульсом частицы и ее пространственной координатой, ответ в матричной механике будет зависеть от того, какая из величин (импульс или пространственная координата) стоит на первом месте. Понятие упорядоченности величин оказалось весьма глубоким. Оно означало, что точное определение одной величины влияет на значение другой, поэтому значения двух величин одновременно невозможно знать с абсолютной точностью.
Физические величины обычно становятся известны в результате измерений. Каждое измерение содержит некоторую погрешность, но экспериментатор всегда надеется уменьшить ее с помощью лучшего оборудования или более совершенной методики. Принцип неопределенности устанавливает предел для точности измерений. Он утверждает, что произведение погрешностей измерений двух величин не может быть меньше некоторого фиксированного числа - постоянной Планка. Это число буквально пронизывает всю квантовую теорию, поскольку энергия кванта излучения равна произведению постоянной Планка и частоты.
Когда погрешности измерения обеих величин относительно велики, как в повседневной жизни, принцип неопределенности малоэффективен, но на атомном уровне он очень важен. Например, чем точнее может быть зафиксировано положение электрона в пространстве, тем более неопределенной становится его скорость. Даже теоретически электрону нельзя приписать одновременно абсолютно точно известную пространственную координату и абсолютно точно известную скорость. Гейзенберг предложил следующий поясняющий пример: чтобы "увидеть" электрон в гипотетический сверхмикроскоп, на него следует направить "свет" с длиной волны, сравнимой с размерами электрона.
Из квантовой теории следует, что квант такого света должен обладать столь большой энергией, что при столкновении с электроном он отбросит его в сторону. Наблюдение вносит возмущения и изменения в то, что наблюдается.
Согласно "копенгагенской" интерпретации (названа так в честь Нильса Бора, интенсивно занимавшегося этой проблемой в Копенгагене), получившей наибольшее признание в современной физике, принцип неопределенности ограничивает квантово-механическое описание утверждениями об относительных вероятностях исходов экспериментов и не предсказывает точные численные значения измеряемых физических величин.
Еще одним успехом новой квантовой механики стало предсказание существования двух форм молекулы водорода. В обычном водороде каждая молекула состоит из двух связанных атомов (ядро каждого атома состоит из одного протона). Предполагается, что ядро вращается вокруг собственной оси, как волчок (квантовая механика отвергает столь простую картину, но сохраняет такое понятие, как спин, или угловой момент, характеризующий вращение ядра вокруг собственной оси).
Поскольку протон несет положительный электрический заряд, его спин имеет характер электрического тока и порождает магнитное поле, взаимодействующее с другими заряженными частицами и магнитными полями. В одной форме молекулы водорода спины двух ядер направлены одинаково (по часовой стрелке или против нее). В другой же спины яд