Альфред Ланде: вклад в квантовую теорию и эффект Зеемана

Введение

Немецко-американский физик

Альфред Ланде (13 декабря 1888 – 30 октября 1976) — немецко-американский физик, известный своими работами в области квантовой теории. Он установил g-фактор Ланде и дал объяснение эффекту Зеемана.

Жизнь и достижения

Альфред Ланде родился 13 декабря 1888 года в Эльберфельде, Рейнланд, Германия, ныне часть города Вупперталь. В 1913 году Арнольд Соммерфельд, его научный руководитель в Мюнхенском университете, направил Ланде в качестве специального ассистента по физике к Давиду Гильберту в Геттингенском университете, чтобы заменить Пола Питера Эвальда, которого Соммерфельд отправил на ту же должность в 1912 году. Там Ланде также установил тесные контакты с Максом Борном. В физике царила эпоха атомной модели Бора. Среди лидеров готтингенской науки были многие выдающиеся ученые, с которыми Ланде предстояло сотрудничать, включая Гильберта, Эдмунда Ландау, Карла Рунге и Людвига Прандтля (известного теоретика аэродинамики). Нильс Бор и Хендрик Лоренц также часто посещали Геттинген. Ланде получил докторскую степень под руководством Соммерфельда в Мюнхенском университете за две недели до начала Первой мировой войны. Он поступил в Красный Крест и два года служил на Восточном фронте, после чего Макс Борн пригласил его присоединиться к Комиссии по испытаниям артиллерии – одному из немногих научных подразделений армии. Помимо работы над определением местоположения артиллерии с помощью звукового пеленгования, они начали изучать силы сцепления и сжимаемость кристаллов. Эта работа привела к неожиданному выводу, что траектории электронов в атомах не похожи на планетарные орбиты, что в то время было общепринятым представлением об электроне в атоме. В течение следующих семи лет Ланде интенсивно изучал структуру атома. В 1916 году Соммерфельд начал применять новую атомную теорию для формулирования общего правила квантования. Работа Ланде над кубическими и тетраэдрическими электронными траекториями ("кубические атомы") вызвала большой интерес у Соммерфельда, Питера Дебая и Бора. В 1919 году Ланде неожиданно обратился к спектроскопии, хотя наиболее актуальной проблемой того времени оставалось продолжение изучения пространственной ориентации атомов. Он занялся проблемой атомов с несколькими электронами, в частности, простейшим случаем – спектром гелия. Спектроскопия гелия была экспериментально исследована Фридрихом Пашеном, но теоретической интерпретации не существовало. Спектр демонстрировал некомбинирующиеся одинарные и двойные (фактически тройные, как выяснилось позже) термы, из-за чего казалось, что гелий состоит из двух различных веществ (что сегодня объясняется как результат спина электрона). Работа Ланде содержала несколько новых важных идей, включая правило векторного сложения двух квантовомеханических угловых моментов J1 и J2. Его открытия и постулаты впоследствии были подтверждены квантовой теорией. Франкфуртские исследования Ланде (декабрь 1920 года – апрель 1921 года) завершились открытием широко известной формулы Ланде g и объяснением аномального эффекта Зеемана. Фактор Ланде g теперь определяется через mJ – магнитное квантовое число. В 1923 году Ланде сформулировал правило интервалов Ланде, правило, касающееся соотношения между спином электрона и орбитальным угловым моментом. В 1925 году Ральф Крониг, который представил идею спина электрона за несколько месяцев до Джорджа Уленбека и Самуэля Годсмита, работал ассистентом Ланде. В конце 1929 года Ланде был приглашен в Университет штата Огайо в Колумбусе для чтения серии лекций. После второго пребывания (1930–1931) в Колумбусе, штат Огайо, он решил обосноваться в Соединенных Штатах. Ланде был одним из пионеров новой интерпретации квантовой теории, позволяющей делать конкретные физические утверждения об экспериментально проверяемых фактах. Это произошло после первой фазы интерпретации теории, сопровождавшейся известными дискуссиями между Нильсом Бором, Вернером Гейзенбергом и Вольфгангом Паули, которые поддерживали копенгагенскую интерпретацию, которой в разной степени противостояли Эрвин Шредингер, Луи де Бройль и, прежде всего, Альберт Эйнштейн. Квантовая механика предоставляла множество новых предсказаний, которые в то время требовали исследования и подтверждения или опровержения. Возросший интерес проявился в новых экспериментах с использованием новых технических методов, направленных на отдельные квантовые системы, отдельные атомы, электроны и фотоны. Однако после 1950 года (и до конца своей жизни) Ланде активно выступал против копенгагенской интерпретации квантовой теории, требуя, как и Эйнштейн, объективно реального описания физических процессов. Это изменение было вызвано тем, что Ланде считал принцип волново-частичного дуализма ненужным искажением квантовых процессов, которые он вместо этого объяснял, разрабатывая новую унитарную формулировку, основанную на частицах, без дуалистической ссылки на волны. Ланде основывал свою новую формулировку на неквантовых принципах симметрии и инвариантности, используя правило Дуэйна для квантования обмена импульсом с пространственно периодическими структурами и принцип причинно-следственной непрерывности Лейбница для объяснения присущей квантовым процессам вероятностной природы. Интерпретация Ланде считается малым течением в квантовой механике. Ланде умер 30 октября 1976 года в Колумбусе, штат Огайо.

Alfred Landé was born on 13 December 1888 in Elberfeld, Rhineland, Germany, today part of the city of Wuppertal. In 1913 Landé was sent by Arnold Sommerfeld, his thesis advisor at the University of Munich, to be a special assistant for physics to David Hilbert at the University of Göttingen, to replace Paul Peter Ewald, whom Sommerfeld had sent to the same position in 1912. There, Landé also came in close contact with Max Born. In physics, it was the era of the Bohr atom model. The leaders of Göttingen science included many greats that Landé was to come in contact with including Hilbert, Edmund Landau, Carl Runge and Ludwig Prandtl (the noted aerodynamics theoreticist). Also Niels Bohr and Hendrik Lorentz visited Göttingen frequently. Landé obtained his doctorate under Sommerfeld at the University of Munich, two weeks prior to the start of the First World War. He joined the Red Cross and served for two years on the eastern front before being invited by Max Born to join him at the Artillery Testing Commission, one of the few scientific sections of the army. Apart from their work on artillery location by sound ranging, they began to examine the cohesive forces and compressibility of crystals. This work led to the unexpected result that the electron trajectories in atoms were not at all like planetary orbits, which at the time was the usual understanding of the electron in an atom. Landé studied atomic structure intensively for the next seven years. In 1916 Sommerfeld had begun to apply the new atomic theory to form a general quantization rule. Landé's work over cubic and tetrahedral electron trajectories ("cube atoms") became of great interest to Sommerfeld, Peter Debye and Bohr. In 1919 Landé unexpectedly turned to spectroscopy even though the continuation of the study of the spatial orientation of the atoms was the most pressing problem of the time. He turned to the problem of atoms with several electrons, in particular to the simplest case, the spectrum of helium. The spectroscopy of helium had been examined experimentally by Friedrich Paschen, but there did not exist a theoretical interpretation. The spectrum showed non combining single and double (actually triplet, as it turned out later) terms so that it seemed as if helium was made of two different substances (which is explained today as the result of electron spin). Landé's work contained several new important ideas, including the rule of vector addition of two quantum mechanical angular momenta J1 and J2. His findings and postulates were later confirmed by quantum theory. Landé's Frankfurt investigations (December 1920 until April 1921) ended with the discovery of the well known Landé g formula and an explanation for the anomalous Zeeman effect. The Landé g factor is now defined through mJ, the magnetic quantum number. In 1923, Landé stated the Landé interval rule, a rule dealing with the relation between an electron's spin and orbital angular momentum. During 1925 Ralph Kronig, who presented the idea of electron spin some months before George Uhlenbeck and Samuel Goudsmit, was working as an assistant to Landé. In late 1929 Landé was invited to Ohio State University in Columbus, to present a series of lectures. After a second stay (1930 1931) in Columbus, Ohio, he decided to establish himself in the United States. Landé was a forerunner in a phase of new interpretation of quantum theory, from which concrete physical statements about experimentally verifiable facts can be made. This happened, after the first phase of the interpretation of the theory with well known discussions between Niels Bohr, Werner Heisenberg and Wolfgang Pauli who favoured the Copenhagen Interpretation, opposed in varying degrees by Erwin Schrödinger, Louis de Broglie and, most notably, Albert Einstein. Quantum mechanics was providing many new predictions to be investigated and proved or disproved at the time. The renewed interest expressed itself in new experiments with new technical methods, on individual quantum systems, individual atoms, electrons and photons. However, after 1950 (and for the rest of his life), Landé turned energetically against the Copenhagen interpretation of quantum theory, requiring, as did Einstein, an objectively real description of physical processes. This change was driven by Landé's perception that wave particle duality was an unnecessary misrepresentation of quantum processes that he instead explained by developing a new unitary particle formulation, without dualistic reference to waves. Landé based his new formulation upon non quantal principles of symmetry and invariance, with Duane's rule for quantisation of momentum exchange with space periodic structures, and Leibniz's Principle of Cause Effect Continuity to explain the intrinsically probabilistic nature of quantum processes. The Landé interpretation is considered a minority interpretation of quantum mechanics. Landé died on 30 October 1976 in Columbus, Ohio.