Избранные научные труды. Т. 1. Становление квантовой физики: работы 1921 - 1934 годов

Луи де Бройль

Избранные научные труды

Том 1

Становление квантовой физики
Работы 1921 – 1934 годов

Москва
Логос
2020

УДК 530.1
ББК 22.3
         Б88

Издано при финансовой поддержке Федерального агентства по печати
и массовым коммуникациям в рамках Федеральной целевой программы «Культура России»

Р е д а к ц и о н н а я   к о л л е г и я

Ж. Лошак (главный редактор), А.А. Рухадзе, Ю.П. Рыбаков, Н.В. Самсоненко, 
А.Ф. Смык, Л.И. Уруцкоев, А.М. Цыганенко (заместитель главного редактора)

Редакционная коллегия выражает благодарность Фонду Луи де Бройля 
за неоценимое содействие в подготовке и выпуске в свет настоящего издания

Б88  
Луи де Бройль. Избранные научные труды. Т. 1. Становление квантовой физики: 
работы 1921 – 1934 годов. – М.: Логос, 2020. – 556 с. 

ISBN 978-5-98704-505-3

Публикуются основополагающие научные труды выдающегося французского ученого, одного 
из создателей квантовой механики Луи де Бройля. Часть работ ученого выходит на русском языке 
впервые. В этот том вошли биография Луи де Бройля «Принц в науке», написанная его другом 
и единомышленником Ж. Лошаком, статьи 1921–1927 годов, книга «Магнитный электрон (теория 
Дирака)», диссертация Луи де Бройля и его Нобелевская лекция, по сей день представляющие большой интерес.
Для ученых-физиков, представителей других естественных и точных наук, философов и науковедов. 
УДК 53
ББК 22.3

ISBN 978-5-98704-505-3 
       © Flammarion, Ж. Лошак «Принц в науке», 1992   
       © Логос, 2020

СОДЕРЖАНИЕ
СОДЕРЖАНИЕ
СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие. Жорж Лошак .............................................................................................................7

Раздел I
Жорж Лошак. Принц в науке
Введение .................................................................................................................................................11
Глава 1. История рода. Детство ....................................................................................................16
Глава 2. Наука – смысл жизни ......................................................................................................33
Глава 3. Война. Эйфелева башня. Улица лорда Байрона. Первые работы ...............49
Глава 4. Работы 1923 года. Диссертация. Волновая механика .......................................60
Глава 5. Первые победы. Первые соперничества. Река удаляется от источника ...76
Глава 6. Триумф индетерминизма. Переворот на Сольвеевском конгрессе...
              Де Бройль отступает перед лагерем противников ..............................................87
Глава 7. Годы славы ........................................................................................................................ 103
Глава 8. Война, опять война. Де Бройль возвращается 
к своим первым идеям ................................................................................................ 120
Глава 9. Разворот ............................................................................................................................. 137
Глава 10. Работать для будущего .............................................................................................. 151
Библиография .................................................................................................................................... 174

Раздел II
Луи де Бройль. Статьи 1921–1927 годов
Об уменьшении частоты кванта в последовательных превращениях 
излучения высокой частоты ....................................................................................................... 181
Излучение абсолютно черного тела и кванты света ........................................................... 184
Об интерференции и теории квантов света ......................................................................... 190
Волны и кванты ................................................................................................................................ 193
Кванты света. Дифракция и интерференция ...................................................................... 196
Кванты, кинетическая теория газов и принцип Ферма ........................................................ 198
О динамике квантов света и интерференции ...................................................................... 201
О собственной частоте электрона ............................................................................................ 203
Об аналогии между динамикой материальной точки и геометрической 
оптикой................................................................................................................................................. 206
Корпускулярная структура вещества и излучения и волновая механика. ............. 215

Содержание

4

Пятимерная Вселенная и волновая механика ................................................................. 217
I. Введение .......................................................................................................................................... 217
II. Точка зрения неволновой механики .................................................................................. 218
III. Точка зрения волновой механики ..................................................................................... 224

Волновая механика и корпускулярная структура вещества 
и излучения ...................................................................................................................................... 228
I. Введение .......................................................................................................................................... 228
II. Непрерывные волны и динамика материальной точки ............................................ 229
III. Переход от старых механик к новой ............................................................................... 242
IV. Случай движения системы материальных точек ....................................................... 244
      Заключение и замечания ....................................................................................................... 248

Раздел III
Луи де Бройль.. Труды периода становления квантовой физики

Исследования по теории квантов. Докторская диссертация ............................... 253
Резюме .................................................................................................................................................. 253
Исторический обзор ....................................................................................................................... 254
Глава I. Фазовая волна ................................................................................................................... 259
Глава II. Принцип Мопертюи и принцип Ферма ............................................................... 268
Глава III. Квантовые условия устойчивости траекторий............................................... 280
Глава IV. Квантование одновременных движений двух электрических центров .... 284
Глава V. Кванты света .................................................................................................................... 290
Глава VI. Рассеяние Х- и γ-лучей ............................................................................................. 300
Глава VII. Статистическая механика и кванты .................................................................. 308
Приложение к главе V ................................................................................................................... 321
Выводы и заключения ................................................................................................................... 323

Магнитный электрон: теория Дирака  ............................................................................ 325

От редакции ....................................................................................................................................... 325
Предисловие ...................................................................................................................................... 326

Часть первая. Успехи и неудачи квантовой теории и волновой механики 
в ее первоначальной форме ........................................................................................................ 327

Глава I. Атомный спектр водорода. Теории Бора и Зоммерфельда .......................... 327
Глава II. Общие понятия о дублетных оптических спектрах и их интерпретация ... 338
Глава III. Спектры рентгеновских лучей и теории Бора и Зоммерфельда ............ 344
Глава IV. Магнитные аномалии и гипотеза о вращающемся электроне ................. 356

Содержание

Глава V. Краткое изложение принципов волновой механики ..................................... 367
Глава VI. Краткое изложение принципов волновой механики (продолжение) ... 378
Глава VII. Релятивистская форма волновой механики с одной волновой 
                  функцией ....................................................................................................................... 388
Глава VIII. Успехи и неудачи волновой механики с одной волновой функцией .... 395

Часть вторая. Теория вращающегося магнитного электрона Дирака. 
Общие принципы ............................................................................................................................ 408

Глава IX. Теория Паули ................................................................................................................. 408
Глава X. Теория Дирака ................................................................................................................ 417
Глава XI. Релятивистская инвариантность уравнений Дирака ................................... 426
Глава XII. Плотности заряда и тока в теории Дирака. Плоские волны .................. 435
Глава XIII. Собственный магнетизм электрона ................................................................. 442
Глава XIV. Тензор «плотности электрического и магнитного моментов»............. 451
Глава XV. Матрицы и первые интегралы в теории Дирака. 
                  Собственный угловой момент электрона ........................................................ 460
Глава XVI. Систематическое резюме полученных результатов ................................. 471

Часть третья. Применения теории Дирака. Критические замечания 
и различные дополнения .............................................................................................................. 486

Глава XVII. Объяснение тонкой структуры при помощи теории Дирака .............. 486
Глава XVIII. Вывод формулы Ланде ....................................................................................... 502
Глава XIX. Собственный и орбитальный угловые моменты. 
                   Поляризация электронных волн ....................................................................... 511
Глава XX. Состояния с отрицательной энергией в теории Дирака .......................... 518
Глава XXI. Шредингеровское «дрожание» .......................................................................... 527
Глава XXII. Несколько замечаний о теории относительности 
                     и новой механике ................................................................................................... 534

Нобелевская лекция, прочитанная в Стокгольме 12 декабря 1929 г. 
Луи де Бройлем. О волновой природе электрона ................................................................541

ПРЕДИСЛОВИЕ

Стендаль начинает свой роман «Пармская обитель» следующими словами: 
«15 мая 1796 года генерал Бонапарт вступил в Милан во главе молодой армии, 
которая перешла через мост у Лоди, показав всему миру, что спустя много столетий у Цезаря и Александра появился преемник».
Хочется по аналогии сказать, что 14 декабря 1900 года, совершая последнее 
открытие XIX века, Макс Планк высказал квантовую гипотезу и тем самым от 
имени будущей молодой армии физиков ХХ века заявил миру, что у Пифагора, 
Галилея, Ньютона и Максвелла появились преемники.
Планк сразу оценил величие своего открытия. Он сказал своему сыну, что 
нашел «нечто подобное закону всемирного тяготения». Но в то время только 
он один понимал это, и никакой армии у него тогда не было. До 1905 года никто за ним не пошел и даже не заметил его открытия, пока не появилась звезда науки ХХ века – Альберт Эйнштейн. Только с него началась новая физика 
и поднялась «великая армия» ученых, чьи имена хорошо известны, но всетаки перечислим их по очереди: Планк, Эйнштейн, Бор, де Бройль, Гейзенберг, 
Шредингер, Паули, Борн и некоторые другие.
Итак, герой настоящей книги влился в эту армию четвертым, когда уже знали закон черного излучения, закон квантов, кванты света (фотоны) и атом Бора. 
Луи де Бройлю предстояло получить следующий великий результат – ввести 
понятие волны для электрона и для всех материальных частиц.
Из-за войны он начал свою научную деятельность довольно поздно, 
в 1920 году, но с самого начала оказался в очень благоприятной среде. Он 
участвовал в семинаре Ланжевена, где царствовала теория относительности, 
и работал в лаборатории своего брата Мориса де Бройля, которая была одной 
из самых передовых в мире в области рентгеновских и гамма-лучей и одной 
из первых, принявшей идею фотона. 
Де Бройль начал свои работы по основам квантовой теории два года спустя, 
в 1922 году. Ему было тридцать лет. Он сразу же взялся за решение коренных 
вопросов: связь между интерференцией и квантами света, связь между корпускулярными спектрами и фотоэффектом, черное излучение и кванты света 
(особенно роль теории относительности); он открыл спин фотона за два года 
до открытия спина электрона и показал, что спин фотона должен быть направлен вдоль светового луча. Все это привело его к идее описать фотон как 
настоящую частицу с массой покоя, и в 1923 году в продолжение этой идеи он 
открыл волновые свойства материи и написал знаменитую формулу для длины волны, связанной с любой материальной частицей. В 1924 году он защитил 
докторскую диссертацию.

Предисловие

Волна материи является одним из самых удивительных и глубоких открытий XX века (во что первоначально, кроме Эйнштейна, никто не верил). Мало 
кому удалось добавить столь новую черту к образу нашего мира. Среди самых 
плодотворных идей эта волна не только вошла в базисы всей квантовой теории, она легла в основы создания электронного микроскопа, транзистора (и тем 
самым всей электроники) и даже лазера, как это подчеркивал Альфред Кастлер. 
Всем известно, что вынужденное излучение открыл Эйнштейн, однако когерентность этого излучения была предсказана не им, а именно де Бройлем в его 
диссертации как следствие общих свойств открытой им волны.
За годы своей деятельной жизни де Бройль написал 240 статей (большинство из них научные, но многие – по философии науки), 37 научных книг, 
10 книг по философии науки; опубликовано 88 его академических выступлений и различных научных лекций. Но известно, что этот список не полный: 
нередко наталкиваются на забытые статьи.
Де Бройль работал во всех областях квантовой теории и волновой механики. 
Трудно их перечислить. Ограничимся главными: основы волновой механики, 
теория квантования, роль потенциальных барьеров, принцип соответствия, 
соотношения Гейзенберга, системы частиц, теория Дирака, теория света 
и всех частиц со спином, как слияния частиц со спином одна вторая (четыре 
книги помимо статей). Гейзенберг сказал, что это открытие такого же значения, как сама волновая механика, квантовая теория поля, квантовая теория 
измерения, теория ядра, теория электронного микро скопа и т. д. К этому следует добавить статьи и книги, касающиеся обобщения квантовой теории. 
Такие обобщения пытались, каждый по-своему, делать и другие создатели 
квантовой физики, в том числе Эйнштейн, Дирак, Гейзенберг, Шредингер, 
Борн.
Я имел счастье быть учеником, позже сотрудником, а затем другом Луи 
де Бройля – одного из великих ученых ХХ века, труды которого опубликованы 
в этой книге.
Если только я могу себе позволить несколько тривиальное выражение, обещаю, дорогие читатели, что с ним вам никогда не будет скучно. Вы будете 
наслаждаться научными взглядами великого автора и элегантностью и простотой мысли человека, который глубоко знал науку и чувствовал, насколько она 
в конце концов «очень маленькая вещь» (по его собственным словам), чтобы 
пытаться улучшить ее с помощью ненужных усложнений. 
Я радуюсь и даже горжусь тем, что это крупное собрание трудов моего учителя впервые появится в России – на родине моих родителей, и специально 
для этого издания написал предисловие на русском языке. И я сердечно благодарю моих старых друзей Леонида Уруцкоева, Николая Самсоненко и Юрия 
Рыбакова, которые приняли в этом деле важное участие.

Жорж Лошак,
президент Фонда Луи де Бройля

Жорж Лошак. 

Принц в науке

В чрезвычайной важности открытия 
невольно убеждаешься, когда видишь, 
что даже самые яростные его противники 
вынуждены им пользоваться.

Ларошфуко

ВВЕДЕНИЕ

Данная книга не является биографией в обычном смысле слова – скорее 
это свидетельство о человеке, которого я знал в течение тридцати последних 
лет его жизни, который был для меня учителем и стал другом, несмотря на 
различия в возрасте, социальном положении и научной значимости. Я прочел 
каждую его работу и имел привилегию на тысячи часов разговоров, благодаря 
которым сумел понять не только суть его главных научных изысканий, но и все 
нюансы его научной мысли, а также вкусы, как научные, так и литературные, 
исторические, художественные. Я познал этого человека и его характер. Все 
это может придать интерес моему свидетельству. Но если я и стараюсь осторожно использовать слово «биография», то потому, что именно дружеские 
чувства мешают держать необходимую дистанцию и я не имею ни вкуса, ни 
способностей для этого неисчерпаемого жанра. Есть вещи, о которых он мне 
не говорил и о которых я не намерен распространяться. Но о некоторых вещах, 
рассказанных им, я умолчу нарочно.
Мое свидетельство будет принципиально научным. Я пишу эту книгу для 
того, чтобы помочь лучше понять работы Луи де Бройля. Именно этого желал 
он сам, ибо, когда однажды, задолго до его смерти, я поделился с ним намерением написать книгу о нем, он сказал: «Надеюсь, что вы не потеряетесь 
в биографических деталях, которые никого не интересуют, и будете касаться 
только науки». На это я ответил: «Уверяю вас, я скажу не больше и не меньше 
того, что вы родились в Дьепе» – и дал почитать отрывок, который он на следующей неделе с похвалой по-дружески прокомментировал. Но я не сдержу 
своего обещания касательно «биографических деталей», потому что вопреки 
мнению де Бройля читатель к ним любопытен и потому что эти детали иногда очень важны, так как помогают через представление о человеке лучше 
понять его творение. Сам Луи де Бройль, конечно же, понимал все это. Его 
отвращение к разговорам о своей персоне определялось такими чертами характера, как стеснительность и скромность, из-за которых он оказался малоизвестным, хотя был безусловной знаменитостью в научной среде. Отчасти – но 
только отчасти – эти качества предопределили его разрыв с физиками своего 
времени.
При жизни Луи де Бройля большинство физиков не испытывали к нему особого расположения, хотя так было не всегда. В наши дни о нем говорят с восхищением, часто – с особой теплотой, как будто желая принести извинения.
Эйнштейн был тоже далеко не всем приятен, но по другой причине. Физика 
была его царством – он доминировал во всех областях, в каждую из которых 
был способен внести свой собственный вклад, по ходу заметив: «Как-то раз

Жорж Лошак. Принц в науке    

12

мышляя над проблемой…» [1]. Никакой другой физик не был до такой степени 
велик и в то же время скромен, чтобы (даже в глубине души) не быть ревнивым 
и раздражительным и не презирать модные научные течения, возглавляемые 
не менее знаменитыми противниками с наивысшей репутацией в деле изучения самой современной теории начала XX века – квантовой механики (в которую, между прочим, он внес вклад больший, чем кто-либо другой). Эйнштейн 
искал истину совершенно иным путем. Физики видели в этом живой вызов их 
сообществу и в предвкушении провала посмеивались над его разочарованиями, забывая о победах, самая малая из которых принесла бы счастье и славу 
любому из них. С другой стороны, ученому многое прощалось; он стал символом своего времени благодаря духу борца и безграничной щедрости, которые позволяли ему свершать грандиозные дела и которыми, как он полагал, 
должен обладать всякий человека Добра. В этом смысле физики признавали 
Эйнштейна за своего и в общем и целом видели в нем только один «недостаток» – сверхинтеллигентность в сочетании с чрезмерной упрямостью. Сегодня 
его ошибки забыты, вспоминают только заслуги, а все разговоры о нем заканчиваются признанием того, что его критика квантовой механики, возможно, 
вполне обоснованна.
Неприятие Луи де Бройля в обществе было более глубоким. Он оказался непонятым, в частности, по той причине, что не принимал участия в общественной 
жизни, уверяя: «Это не моя стихия». Но ученый был действительно как будто из 
иной реальности: по научному мировоззрению, происхождению, воспитанию 
и характеру. Эйнштейн являлся высшим, но неудобным элементом научного 
мира – Луи де Бройль никогда не стремился стать его частью, несмотря на премии и почести, которые ему оказывали, на университетский статус и принадлежность к многочисленным академиям. Казалось бы, за одно только обладание 
престижными наградами и почетными степенями его должны были почитать, 
искренне уважать, но этого не происходило. Да он и не требовал этого.
Очевидная значимость этого человека для истории – по происхождению, 
по месту, которое он занимал в науке, – предполагала наличие в нем высокомерия аристократической касты и научной элиты. И окружающие ожидали от 
него пренебрежительного отношения. Ничем не опровергаемое предубеждение способствовало росту барьера непонимания. Надо признать, что при всех 
возможностях Луи де Бройль ничего не делал для устранения негативного 
отношения к себе. Скромный, поглощенный своими мыслями, на людях он 
скучал, говорил мало, а его отсутствующий вид часто принимали за желание 
выказать превосходство. Но это было совершенно не в его характере. Четко 
осознавая свое место в науке и в жизни, Луи де Бройль не испытывал необходимости самоутверждаться за счет принижения других. Он был по-своему 
внимателен к окружающим, правда, проявлял расположение так незаметно, 
что объекты его заботы иногда только случайно понимали это. Он не обедал 
в городе и почти никогда не принимал гостей, не ходил на спектакли и редко 
путешествовал. Он замыкался в себе, когда громко разговаривали, и не уча