Диссертации Феликса Блоха и Рудольфа Пайерлса ознаменовали начало современной физики твердого тела, основанной на изучении квантовой динамики электронов в периодической решетке положительных ионов. Гейзенберг не публиковал статей в соавторстве со студентами: он ограничивался предложениями, советами и критикой. Ученый внес важный вклад в решение задачи о ферромагнетизме, о которой мы поговорим далее. Существуют материалы, к примеру железо, кобальт и никель, которые становятся постоянными магнитами, если их поместить в магнитное поле или потереть о магнит. Законы электромагнетизма, открытые в XIX веке, позволили понять, что электрический ток может порождать магнитное поле (это свойство используется в электромагнитах), а магнитное поле в движении порождает электрический ток (это свойство используется при выработке электричества на электростанциях). Магнитные свойства материалов обусловлены электрическими токами, вызванными движением электронов, однако до появления квантовой механики физики не могли объяснить магнетизм.

Официальная церемония вручения Гейзенбергу Нобелевской премии по физике прошла 10 декабря 1933 года, однако сама премия была присуждена ему годом ранее.

Вернер Гейзенберг и Элизабет Шумахер поженились 29 апреля 1937 года, меньше чем через три месяца с момента первой встречи.

Участники конференции, прошедшей в копенгагенском Институте теоретической физики в 1930 году.

В первом ряду, слева направо: Клейн, Бор, Гейзенберг, Паули, Гамов и Ландау.

Как было сказано выше, спин электрона связан с его магнитными свойствами: электроны ведут себя подобно крохотным компасам или магнитам, однако в действительности их поведение несколько сложнее, так как речь идет о квантовых объектах. Если у множества электронов вещества спин будет направлен в одну сторону, возникнет общее магнитное поле, то есть вещество намагнитится. Будут ли магнитные свойства вещества постоянными, зависит от взаимодействия между электронами и от структуры материала.

Теперь напомним, как именно Гейзенберг разгадал загадку парагелия и ортогелия. Волновая функция двух электронов антисимметрична, то есть меняет знак, когда электроны или их спины меняются местами. Это гарантирует, что два электрона не будут находиться в одинаковых квантовых состояниях, как того и требует принцип Паули. Гейзенберг показал, что для атома гелия существует два типа волновых функций: в одной из них спиновая часть антисимметрична (для парагелия), в другой – симметрична (для ортогелия). Какое отношение это имеет к магнетизму? Чтобы материал сохранял состояние намагниченности длительное время, все спины электронов должны быть направлены в одну сторону, поэтому спиновая часть волновой функции симметрична: при смене двух любых спинов она будет оставаться неизменной. Следовательно, пространственная часть волновой функции должна быть антисимметричной и при смене положения двух электронов менять знак. Гейзенберг доказал, что в расчетах энергии взаимодействия электронов согласно закону Кулона используется то же выражение, что и при использовании законов классической физики, а также новое выражение, имеющее исключительно квантовую природу и связанное с антисимметричностью волновой функции. В физике это новое выражение называется обменным оператором и играет ключевую роль в изучении магнитных свойств материалов.

С марта по октябрь 1929 года Гейзенберга приглашали выступать на конференциях в университетах США, Индии и Японии. Он воспользовался случаем и посетил Великие озера, национальный парк «Йеллоустоун», Большой каньон, объездил Японию и Китай. Курс, прочитанный Гейзенбергом в Чикагском университете, был издан в виде книги под названием «Физические принципы квантовой теории», о которой мы уже упоминали в предыдущей главе. Эта книга стала самым популярным пособием по квантовой механике и продолжает издаваться до сих пор.

Ядерная физика

Вскоре после открытия атомного ядра Резерфорд выдвинул первые гипотезы о его структуре. Ядро атома водорода образовано протоном – положительно заряженной частицей, масса которой намного больше, чем масса электрона. Резерфорд предположил, что более тяжелые ядра образованы электронами и протонами. В то время считалось, что внутри ядра происходит электромагнитное взаимодействие, и если бы ядро состояло только из протонов, оно распалось бы под действием сил отталкивания. Кроме того, гипотеза Резерфорда позволяла дать самое простое объяснение бета-излучению, которое представляло собой поток электронов, испускаемый радиоактивными ядрами. Физик предположил, что внутри ядра электроны могут образовывать пары с протонами. Разумеется, он говорил не об атоме водорода – его размер в сто тысяч раз больше, чем размер ядра, – а о новой частице, которую назвал нейтроном. Сегодня мы знаем, что гипотеза Резерфорда была ошибочной, однако она лишний раз доказывает, что основой научных открытий часто служат более или менее логичные, но необязательно верные гипотезы.

В марте 1932 года англичанин Джеймс Чедвик с незначительными изменениями повторил эксперимент, проведенный Вальтером Боте и Гербертом Бекером в Берлине и супругами Жолио-Кюри в Париже. При облучении бериллиевой мишени потоком альфа-частиц, которые представляют собой ядра атомов гелия, наблюдался пучок нейтральных частиц. Их масса примерно в 1,007 раза превышала массу протона, и эти новые частицы могли выбить протоны из поглотителя – парафина. Это подобно лобовому столкновению бильярдных шаров, когда первый шар останавливается, а второй начинает движение с той скоростью, с которой до этого двигался первый. Чедвик пришел к выводу: наблюдаемая частица была тем самым нейтроном, о котором говорил Резерфорд. Он попытался описать структуру атомного ядра, хотя не вполне четко представлял, как это сделать.

Бор считал, что квантовая теория объясняет явления, происходящие на атомном уровне, но для описания явлений на уровне ядер атомов, то есть на расстояниях примерно в сто тысяч раз меньше, необходима новая теория. Гейзенберг показал, что законы квантовой механики достаточно применить к системе из протонов и нейтронов. Так как положительно заряженные протоны отталкиваются, должна существовать сила, удерживающая протоны и нейтроны внутри ядра. Эта сила должна действовать только на малых расстояниях – в противном случае размер атомного ядра будет намного больше, чем показывали эксперименты. О нейтроне было известно лишь то, что он существует, и велись споры о том, был ли нейтрон особым видом связи протона и электрона или новой элементарной частицей.

Атом водорода имеет изотоп под названием дейтерий, ядро которого состоит из нейтрона и протона. Гейзенберг начал изучать ядро дейтерия под названием дейтрон и заметил его сходство с молекулой ионизированного водорода Щ, состоящей из двух протонов и электрона. Стабильность молекулы была вызвана тем, что два протона обмениваются электроном между собой, а энергия взаимодействия тратится на поддержание стабильности молекулы. Напомним, что Паули не удалось описать эту молекулу в рамках старой квантовой теории. Первым подробный анализ молекулы H*2 с помощью законов квантовой механики провел Эдвард Теллер.