Тридцять років, що потрясли фізику

[Кувалда]

George Gamow. Thirty Years that Shook Physics: The Story of Quantum Theory. Reprint Edition (1966). Dover Publications, 1985. 272 pages.
Георгій Гамов. Тридцять років, що потрясли фізику: Історія квантової теорії (з авторськими ілюстраціями)
Захопливий, точний вступ до розвитку квантової теорії простежує історію предмета від Планкового революційного відкриття квантів і моделі атома Нільса Бора до античастинок, мезонів і ядерних досліджень Енріко Фермі. Численні штрихові малюнки. Видання 1966 року.
«Доктор Гамов, фізик і талановитий автор, намалював захопливий портрет науковців і зіткнення ідей, які звершили квантову революцію». «Крістіен саєнс монітор»

• Вичерпний історичний огляд: досліджує фундаментальні прориви у квантовій теорії з 1900 по 1930 роки, наголошуючи на ключових еволюціях у фізиці, починаючи з квантових пакетів Макса Планка.
• Погляд зсередини: Написана Георгієм Гамовим, фізиком, який не лише був свідком квантової революції, але й активно долучився до створення її ключових теорій.
• Доступні пояснення: спрощує складні поняття, такі як принцип невизначеності Гайзенберґа, атомна модель Бора та хвилі-пілоти де Бройля, для читачів без поглиблених наукових знань.
• Гуманізована наука: захопливі особисті анекдоти та рідкісні подробиці з життя видатних фізиків, вірогідне і щире зображення їхніх досягнень.
• Ексклюзивний контент: містить рідкісного «Блегдамсвайського Фауста», розважальну сатиричну п'єсу студентів Бора, що дає читачам унікальний культурний погляд на епоху революційних відкриттів.
• Позачасова актуальність: демонструє тривалий вплив квантової теорії на сучасну науку і технології, сприяючи розумінню того, як ці досягнення сформували наше сучасне розуміння Всесвіту.
Завдяки чарівній розповіді Гамова, «Тридцять років, що потрясли фізику» робить складну тему одночасно доступною і принадною. Ця книжка обов'язкова до прочитання для всіх, хто прагне зрозуміти революційні ідеї, що змінили фізику і продовжують впливати на наукові пошуки сьогодні.
У 1900 році німецький фізик Макс Планк постулював, що світло, або промениста енергія, може існувати лише у вигляді дискретних пакетів або квантів. Це глибоке прозріння, разом з не менш важливою теорією відносності Айнштайна, повністю перевернуло уявлення людини про матерію, енергію та природу самої фізики.
У цьому доступному вступі до квантової теорії видатний фізик і відомий популяризатор науки простежує розвиток квантової теорії від початку століття до приблизно 1930-х років — від основоположної концепції Планка до античастинок, мезонів і ядерних досліджень Енріко Фермі. Гамов був не просто глядачем теоретичних проривів, які докорінно змінили наше уявлення про Всесвіт, він був активним учасником, який зробив власний важливий внесок. Цей «інсайдерський» погляд надає особливої ваги його ретельним, доступним поясненням принципу невизначеності Гайзенберґа, моделі атома Нільса Бора, хвиль-пілотів Луї де Бройля та інших проривних ідей.
Крім того, Гамов розповідає безліч відвертих особистих анекдотів, які надають сердечного людського виміру багатьом гігантам фізики 20-го століття. Він завершує книжку «Блегдамсвайським Фаустом», чудовою п'єсою, яку написали в 1932 році студенти та колеги Нільса Бора, щоб взяти на сміх епохальні події, які революціонізували фізику. Ця знаменита п'єса доступна лише в цьому виданні.
Написана чітким, живим стилем і доповнена 12 фотографіями (зокрема спонтанними знімками Резерфорда, Бора, Паулі, Гайзенберґа, Фермі та інших видатних особистостей), книжка «Тридцять років, що потрясли фізику» пропонує як науковцям, так і нефахівцям легкий вступ до геніальних концепцій, які допомогли розкрити багато таємниць енергії та матерії і заклали основу для майбутніх відкриттів.

ЗМІСТ
Біографічна передмова
Передмова
Вступ
I. М. Планк і кванти світла
Статистична механіка і теплове випромінювання — Макс Планк і квант енергії — Кванти світла і фотоефект — Ефект Комптона
II. Н. Бор і квантові орбіти
Резерфордова теорія атомного ядра — Квантування механічної системи — Зомерфельдові еліптичні орбіти — Інститут Бора
III. В. Паулі і принцип виключення
Квоти для електронних рівнів — електрон, що крутиться — Паулі та ядерна фізика — Нейтрино
IV. Л. де Бройль і хвилі-пілоти
Шредінґерове хвильове рівняння — Застосування хвильової механіки
V. В. Гайзенберґ і принцип невизначеності
Відмова від класичних лінійних траєкторій
VI. П. А. М. Дірак і античастинки
Об'єднання теорії відносності та квантової теорії — Фізика античастинок
VII. Е. Фермі та перетворення частинок
Сили, що стоять за β-перетворенням — Використання законів взаємодії Фермі — Дослідження Фермі у сфері ядерних реакцій
VIII. H. Юкава і мезони
IX. Чоловіки за роботою
Додаток. «Блегдамсвайський Фауст»
Індекс

БІОГРАФІЧНА ПЕРЕДМОВА
«Тридцять років, що потрясли фізику» демонструє художній дар доктора Гамова, а також його вміння викладати науку мовою нефахівців. Сам д-р Гамов визнав Сандро Ботічелі своїм майстром у малюванні портретів, і для всіх студентів-мистецтвознавців, яким трапиться ця книжка, буде цікавою додатковою вправою знайти вплив Ботічелі в дослідженнях Макса Планка (стор. 6) та Нільса Бора (стор. 29). Подальший зв'язок стилю доктора Гамова з поп-артом, який нещодавно набув неабиякої популярності, стане очевиднішим. Філософськи налаштованим людям може здатися знаменним, що спадкоємність у потоці мистецтва від італійського Відродження до Медісон-авеню середини ХХ століття знайшла своє вираження в роботах фізика-математика, відомого своїм розробленням теорії Великого вибуху, що пояснює створення космосу.
Навіть якби вони могли писати зі схожим смаком і так само добре володіли складною наукою, мало хто (якщо взагалі хтось) із сучасних фізиків зміг би написати книжку, подібну до цієї. Це ретроспективний погляд на вирішальний період інтелектуального розвитку, написаний тим, хто був там і брав у ньому активну участь. Великі імена, які ви знайдете на подальших сторінках, були для доктора Гамова більше, ніж просто іменами; ці наукові гіганти, які переробили Всесвіт у свідомості людини, були його вчителями, друзями та колегами. Завдяки космополітичним обставинам його життя, йому дуже пощастило бути серед тих, хто був учасником багатьох важливих подій тридцятирічної давнини, які потрясли фізику.
Доктор Гамов народився 4 березня 1904 року в Одесі, Російська імперія. В ранній юності він звернувся до науки і провів рік, вивчаючи палеонтологію. Цей досвід, за його словами, допоміг йому «відрізняти динозавра від кішки за формою мізинців на ногах». Він вступив до Ленінградського університету, де здобув у 1928 році ступінь доктора філософії, і провів рік у Гетінгенському університеті в Німеччині за стипендією для подорожі за кордон. У 1928—29 роках працював з Нільсом Бором у Копенгагені, а в 1929—30 роках — з Ернестом Резерфордом у Кавендіській лабораторії в Кембриджі, Англія.
Докторові Гамову було двадцять чотири роки, коли він зробив свій перший великий внесок у фізичну теорію. Одночасно, але незалежно, він, з одного боку, та американський фізик Е. У. Кондон і британський фізик Р. В. Ґерні — з іншого пояснили випромінювання альфа-частинок з радіоактивних атомів, застосувавши до цього процесу нові на той час методи хвильової механіки. Через два роки, у 1930 році, він зробив успішне передбачення, що протони будуть корисніші, ніж альфа-частинки, в експериментах, відомих під назвою «розбивання атомів», і того ж року запропонував модель рідинної краплі для ядер важких елементів. У 1929 році він співпрацював з Р. Аткінсоном і Ф. Гоутермансом у формулюванні теорії про те, що сонцеве тепло і світло — результат термоядерних процесів, а його теорія походження хемічних елементів через захоплення нейтронів домінувала в космологічному мисленні протягом певного періоду в 1940-х роках. Він також зробив внесок в основи біології, припустивши, що чотири нуклеотиди молекули ДНК утворюють код, різні комбінації якого діють як шаблони в організації різних молекул амінокислот.
Особисті характеристики доктора Гамова майже такі ж величезні, як і його творчі досягнення. Велетень, метр дев’яносто і понад 100 кілограмів, він схильний до грубуватого гумору, про що добре знають читачі його фантазій про містера Томпкінза. Коли він і його студент Р. Алфер підписали свої імена під попередніми розрахунками своєї роботи. «Походження хемічних елементів» у 1948 році, Гамов прокоментував: “Чогось не вистачає”, і, заочно зарахувавши до авторів Ганса Бете, поставив підпис “Алфер, Бете і Гамов”. Він розмовляє шістьма мовами і частий та популярний лектор із сильним акцентом, який змусив його друга зауважити, що всі шість мов просто різні діалекти однієї — «гамовської». Сліди гамовської мови час від часу проникають у його літературний стиль, але редактор, який би їх безжально викреслював, був би педантом найгіршого ґатунку, нечутливим до індивідуального збагачення мови.
Здібності доктора Гамова як лінгвіста, хоч би там як, відображають той шлях, який він пройшов у своїй професійній кар'єрі. Після навчання в Бора і Резерфорда він повернувся до Росії працювати в Академії наук у Ленінграді, але в 1933 році назавжди залишив рідну землю. Читав лекції в Парижі та Лондоні, а також у літній школі Мічиганського університету, потім приєднався до професорсько-викладацького складу Університету Джорджа Вашингтона у Вашингтоні, де був професором фізики з 1934 по 1956 рік. Він став громадянином Сполучених Штатів у 1940 році і працював консультантом ВМФ, армії, ВПС сил та Комісії з атомної енергії під час і після Другої світової війни. З 1956 року він працює викладачем в Університеті Колорадо в Боулдері.
Доктор Гамов написав багато технічних статтей і одну технічну книгу «Атомне ядро» (Atomic Nucleus) (видавництво Оксфордського університету, 1931 р., перероблену в 1937 і 1949 рр.). До його науково-популярних праць належать численні статті в журналі «Саєнтіфік Амерікен» і такі книжки:
Mr. Tompkins in Wonderland, Cambridge University Press, 1939
Mr. Tompkins Explores the Atom, Cambridge University Press, 1943
Mr. Tompkins Learns the Facts of Life, Cambridge University Press, 1953
Atomic Energy in Cosmic and Human Life, Cambridge University Press, 1945
The Birth and Death of the Sun, Viking Press, 1941
Biography of the Earth, Viking Press, 1943
One, Two, Three... Infinity, Viking Press, 1947
Creation of the Universe, Viking Press, 1952
Puzzle-Math (with M. Stem), Viking Press, 1958
The Moon, H. Schuman, 1953
Matter, Earth and Sky, Prentice-Hall, 1958 (2nd Edition, 1965)
Physics: Foundation and Frontiers (with J. Cleveland), Prentice-Hall, 1960
Atom and Its Nucleus, Prentice-Hall, 1961
Biography of Physics, Harper and Brothers, 1961
A Star Called the Sun, Viking Press, 1965
A Planet Called the Earth, Viking Press, 1965
Він взявся до ілюстрування другої книжки «Містер Томпкінз», коли Друга світова війна перервала зв'язок між ним та англійським художником, який працював з ним над попередньою книжкою серії. У 1956 році він отримав премію Калінґи від ЮНЕСКО за популярну інтерпретацію науки для читачів-неспеціалістів.
Доктор Гамов був членом Академії наук СРСР, поки, як він каже, його «звідти не вигнали після від'їзду з Росії». Він член Королівської данської академії наук та Національної академії наук США.
Джон Г. Дюрстон

ПЕРЕДМОВА
Дві великі революційні теорії змінили обличчя фізики в перші десятиліття ХХ століття: теорія відносності та квантова теорія. Перша була, по суті, творінням однієї людини, Альберта Айнштайна, і відбулася у двох частинах: спеціальна теорія відносності, опублікована в 1905 році, і загальна теорія відносності, опублікована в 1915 році. Теорія відносності Айнштайна закликала до радикальних змін у класичній ньютонівській концепції простору і часу як двох незалежних сутностей в описі фізичного світу і привела до єдиного чотиривимірного світу, в якому час розглядається як четверта координата, хоча і не зовсім еквівалентна трьом просторовим. Теорія відносності внесла важливі зміни в трактування руху електронів в атомі, руху планет у Сонцевій системі та руху зоревих галактик у Всесвіті.
Квантова теорія, з іншого боку, — результат творчої роботи кількох великих науковців, починаючи з Макса Планка, який першим ввів у фізику поняття кванта енергії. Теорія пройшла багато еволюційних етапів і сьогодні дає нам глибоке розуміння будови атомів і атомних ядер, а також тіл, звичних для нашого повсякденного досвіду розмірів. На сьогодні квантова теорія ще не завершена, особливо в її зв'язку з теорією відносності та проблемою елементарних частинок, бувши зупиненою (тимчасово) величезними труднощами, що виникли на шляху її подальшого розвитку.
Саме про розвиток квантової теорії йтиметься в цій книжці. Автор вперше познайомився з ідеєю квантів та атомною моделлю Бора у вісімнадцятирічному віці, коли вступив на навчання до Ленінградського університету, а згодом, у двадцять чотири роки, йому пощастило стати учнем Бора в Копенгагені. У ті пам'ятні роки на Блегдамсвайській вулиці (адреса Інституту Бора) він мав можливість зустрітися з багатьма науковцями, які зробили внесок у ранній розвиток квантової теорії, і взяти участь у їхніх дискусіях. Розповідь, що йде далі, — результат цього досвіду, зосередженого на великій і привабливій постаті Нільса Бора. Автор сподівається, що нове покоління фізиків знайде цікаву інформацію на дальших сторінках.
Січень 1965 Георгій Гамов

ВСТУП
Початок двадцятого століття ознаменував безпрецедентну еру переусвідомлення та переоцінення класичної теорії, яка керувала фізикою з доньютонівських часів. Виступаючи 14 грудня 1900 року на засіданні Німецького фізичного товариства, Макс Планк заявив, що парадокси, які переслідують класичну теорію випромінювання і поглинання світла матеріальними тілами, можна усунути, якщо припустити, що промениста енергія може існувати лише у вигляді дискретних пакетів. Планк назвав ці пакети квантами світла. П'ять років потому Альберт Айнштайн успішно застосував ідею квантів світла для пояснення емпіричних законів фотоефекту, тобто емісії електронів з металевих поверхонь, опромінених фіолетовим та ультрафіолетовим світлом. Ще пізніше Артур Комптон провів свій класичний експеримент, який показав, що розсіювання рентґенівських променів вільними електронами відбувається за тим же законом, що і зіткнення двох пружних кульок. Отже, за кілька років нова ідея квантування променистої енергії міцно утвердилася як у теоретичній, так і в експериментальній фізиці.
У 1913 році данський фізик Нільс Бор поширив Планкову ідею квантування променистої енергії на опис механічної енергії електронів в атомі. Ввівши специфічні «правила квантування» для механічних систем атомних розмірів, він досяг логічної інтерпретації планетарної моделі атома Ернеста Резерфорда, яка спиралася на міцну експериментальну базу, але, з іншого боку, перебувала в різкій суперечності з усіма фундаментальними поняттями класичної фізики. Бор розрахував енергії різних дискретних квантових станів атомних електронів і інтерпретував випромінювання світла як викид кванта світла з енергією, що дорівнює різниці енергій між початковим і кінцевим квантовими станами атомного електрона. Завдяки своїм розрахункам він зміг детально пояснити спектральні лінії водню та важчих елементів — проблему, яка десятиліттями ставила в глухий кут спектроскопістів. Перша стаття Бора про квантову теорію атома привела до катастрофічного розвитку подій. Протягом десятиліття, завдяки спільним зусиллям фізиків-теоретиків та фізиків-експериментаторів з багатьох країн, оптичні, магнетні та хемічні властивості різних атомів були детально вивчені. Але з роками ставало дедалі зрозуміліше, що, хоч би якою успішною була теорія Бора, вона все ж не була остаточною, бо не могла пояснити деякі речі, які були відомі про атоми. Наприклад, вона не змогла повністю описати процес переходу електрона з одного квантового стану в інший, і не було способу обчислити інтенсивність різних ліній в оптичних спектрах.
У 1925 році французький фізик Луї де Бройль опублікував статтю, в якій дав досить несподівану інтерпретацію борівських квантових орбіт. Згідно з де Бройлем, рухом кожного електрона керують якісь таємничі хвилі-пілоти, швидкість поширення і довжина яких залежать від швидкості відповідного електрона. Припустивши, що довжина цих хвиль-пілотів обернено пропорційна швидкості електрона, де Бройль зміг показати, що різні квантові орбіти в моделі атома водню Бора були такі, що могли вмістити ціле число хвиль-пілотів. Отже, модель атома стала схожа на своєрідний музичний інструмент з основним тоном (внутрішня орбіта з найнижчою енергією) і різними обертонами (зовнішні орбіти з вищою енергією). Через рік після публікації ідеї де Бройля розширив і привів до точнішої математичної форми австрійський фізик Ервін Шредінґер, чия теорія стала відома як хвильова механіка. Пояснюючи всі атомні явища, для яких теорія Бора вже працювала, хвильова механіка також пояснювала ті явища, для яких теорія Бора не працювала (наприклад, інтенсивність спектральних ліній тощо), і, крім того, передбачала деякі нові явища (наприклад, дифракцію електронного струменя), про що навіть не мріяли ні в класичній фізиці, ні в квантовій теорії Планка — Бора. Фактично хвильова механіка давала повну і абсолютно несуперечливу теорію всіх атомних явищ, і, як показано наприкінці двадцятих років, могла пояснити також явища радіоактивного розпаду і штучних ядерних перетворень.
Одночасно зі статтею Шредінґера з хвильової механіки з'явилася стаття молодого німецького фізика В. Гайзенберґа, який розробив підхід до розв’язання квантових проблем, використовуючи так звану «некомутативну алгебру» — математичну дисципліну, в якій a × b не обов'язково дорівнює b × a. Одночасна поява статтей Шредінґера і Гайзенберга у двох різних німецьких журналах («Ann. der Phys.» і «Zeitsch. der Phys.») вразила світ теоретичної фізики. Ці дві статті виглядали такими різними, як тільки це було можливо, але привели до абсолютно однакових результатів щодо структури та спектрів атомів. Минув рік з лишком, перш ніж з'ясувалося, що ці дві теорії були фізично ідентичні, за винятком того, що вони були виражені у двох абсолютно різних математичних формах. Це було десь так, якби Америку відкрили Колумб, пливучи на захід через Атлантичний океан, і якийсь не менш відважний японець, пливучи на схід через Тихий океан.
Але в короні квантової теорії все ще залишалася одна гостра колючка, і вона болісно давала про себе знати щоразу, коли хтось намагався квантувати механічні системи, які через дуже високі швидкості (близькі до швидкості світла) вимагали релятивістського трактування. Було багато невдалих спроб об'єднати теорію відносності з теорією квантів, поки, нарешті, у 1929 році британський фізик П. А. М. Дірак не написав своє знамените релятивістське хвильове рівняння. Розв'язки цього рівняння давали ідеальний опис руху атомних електронів зі швидкостями, близькими до швидкості світла, і автоматично, як несподіваний бонус, пояснювали їхні лінійні та кутові механічні моменти, а також магнетні моменти. Деякі формальні труднощі, пов'язані з опрацюванням цього рівняння, змусили Дірака припустити, що поряд зі звичайними негативно зарядженими електронами мусять існувати також позитивно заряджені антиелектрони. Його передбачення було блискуче підтверджене через кілька років, коли антиелектрони знайшли в космічних променях. Теорія античастинок була поширена на елементарні частинки, відмінні від електронів, і сьогодні ми маємо антипротони, антинейтрони, антимезони тощо.
Отже, до 1930 року, лише через три десятиліття після значної заяви Планка, квантова теорія набула остаточної форми, яку ми тепер знаємо. За десятиліття, що минули після цих приголомшливих подій, досягнуто дуже мало теоретичного прогресу. З іншого боку, ці останні роки були досить плідні в галузі експериментальних досліджень, особливо в дослідженні численних нещодавно відкритих елементарних частинок. Ми все ще чекаємо на прорив крізь суцільну стіну труднощів, які заважають нам зрозуміти саме існування елементарних частинок, їхні маси, заряди, магнетні моменти та взаємодії. Навряд чи є сумніви, що коли такий прорив станеться, він буде пов'язаний з концепціями, які будуть такі ж відмінні від сьогоднішніх, як сьогоднішні концепції відрізняються від концепцій класичної фізики. У дальших розділах зроблена спроба описати зростання квантової теорії енергії та матерії протягом перших тридцяти років її бурхливого розвитку, з підкресленням концептуальних відмінностей між «старою доброю» класичною фізикою і тим новим поглядом, якого фізика набула у двадцятому столітті.

[Andriy]

спонтаними
книжи
вперше познайомився

(от для кого я LanguageTool робив?? )

[Кувалда]

Редактор має сам перевіряти, а то перетвориться на математика, який множить у межах таблички множення калькулятором

[Кувалда]

вперше познайомився — най буде