Чарльз Дарвін Галтон: биография

Квантова теорія

Працюючи в Манчестері, Дарвін був безпосереднім свідком зародження квантової теорії будови атома. До того ж він перебував під великим враженням від ідей Анрі Пуанкаре, який вказав, що ідея квантів веде до відмови від класичного детермінізму на користь імовірнісних уявлень. Проте перший серйозний внесок у розробку квантової тематики він вніс лише після війни, в 1919 році. Він перевірив проведені Арнольдом Зоммерфельдом розрахунки тонкої структури водневого спектра та з метою більш повного врахування релятивістських ефектів запропонував використовувати запізнюється потенціал для опису взаємодії електрона з ядром.

Мабуть, Дарвін одним з перших усвідомив необхідність подальшої відмови від класичних уявлень з метою побудови послідовної квантової теорії. У неопублікованої статті 1919 року він писав:

n

n

Я давно вже вважав, що фундаментальні основи фізики знаходяться в жахливому стані. Великі досягнення квантової теорії весь час підкреслювали не тільки її значення, але й істотні суперечності, що лежать в її основі ... Може статися, що буде потрібно фундаментально змінити наші уявлення про час і простір, або відмовитися від збереження речовини та електрики, або навіть як останньої можливості приписати електрону свободу волі.

n

n

Ці міркування привели Дарвіна до ідеї про трактування закону збереження енергії як статистичного (а не точного) закону, яку він використовував в 1922 році для побудови теорії оптичної дисперсії. Незабаром він зустрівся з серйозними труднощами на цьому шляху. Хоча подолати їх не вдалося, він дуже близько підійшов до усвідомлення ключової ролі корпускулярно-хвильового дуалізму та необхідності створення нової концептуальної схеми, яка об'єднала б квантові уявлення і хвильове опис електромагнітної теорії. Втім, його думки в той час залишилися непоміченими науковим співтовариством.

Після переїзду до Единбурга Дарвін зайнявся деякими питаннями магнітооптики, зокрема теорією ефекту Зеемана, який він спочатку трактував з класичних позицій, а потім за допомогою дисперсійного теорії Крамерса - Гейзенберга, заснованої на принципі відповідності. Після появи хвильової механіки він розглянув ефект Зеемана на основі рівняння Шредінгера. У тій же роботі 1927 року була побудована математична схема (одночасно з Вольфгангом Паулі), що дозволила ввести спін електрона в квантову механіку.

У тому ж 1927 році Дарвін зробив спробу побудувати квантовомеханічної теорії електрона, представивши останній у вигляді двокомпонентної хвилі (своєрідного "вектора"). Він вивів відповідні хвильові рівняння і розрахував на їх основі спектр водню, однак у подальшому виникли серйозні проблеми з інтерпретацією результатів через неінваріантна теорії щодо повороту осей координат, в яких будуються «вектори». Після появи на початку 1928 року статті Поля Дірака з його релятивістським рівнянням електрона, описуваного чотирьохкомпонентної хвильової функцією, з'ясувалося, що теорія Дарвіна є лише деяким наближенням теорії Дірака. Дарвін відразу ж зайнявся одержанням наслідків рівняння Дірака, переписавши його на більш зрозумілою для інших фізиків мовою диференціальних рівнянь. Він показав, що це рівняння дає вірні результати не тільки в першому, а й у вищих наближеннях, розрахував тонку структуру спектра водню і обчислив магнітний момент електрона.

У багатьох наступних робіт Дарвін докладно і на прикладах роз'яснював нові ідеї (зокрема, співвідношення невизначеностей і принцип додатковості) і їх наслідки, що було особливо корисно для фізиків-експериментаторів. Велику популярність набула його книга «Сучасне уявлення про матерію» (The New Conceptions of Matter), написана за результатами курсу лекцій, прочитаного в Америці.