Физика на пальцах

Погоревали немного физики да и махнули рукой: эх, ладно, пусть будет околесица! Согласимся, что иногда свет обладает свойствами волны — когда он свободно летит себе и никого не трогает. А иногда свойствами частиц — когда бомбардирует вещество. Пусть у нас будут теперь две взаимоисключающие теории, объясняющие свет, и пусть они счастливо дополняют друг друга, решили физики. Поженили две несовместимые теории и радуются.

Но тут пришел один француз по имени Луи де Бройль, тоже физик, и сказал:

— У меня идея! Если свет, который мы всегда считали волной, теперь обладает свойствами частиц, то быть может, и электроны, которые мы всегда считали частицами, тоже обладают свойствами волн, ну то есть могут интерферировать — складываться друг с другом?

Тоже идея дикая, если задуматься. Электроны — это точно малюсенькие шарики! Давным-давно известна их масса, известен размер — эти характеристики электрона в любом физическом справочнике написаны. Ну, какие волны? Какая интерференция?! Это же горох! Разве может одна горошина сложиться с другой? Бред!

— Ничего, ничего, — успокоил научное сообщество де Бройль. — Давайте проверим.

Проверили…

Помните, как физик Юнг пропускал свет через две параллельные щелки, после прохождения которых световая волна начинала складываться друг с другом, давая на экране полосатую картину? Там, где волны света складывались, были яркие полосы, а там, где они вычитались — темные.

Тот же самый эксперимент, проведенный с электронами, показал: интерференция есть! «Горох» складывается друг с другом! И ладно бы только это! Но ведь выяснилось, что один электрон пролетает через две щели одновременно — так же, как и одинокий фотон может пролететь через две щели одновременно! Одна горошина провалиться через две щели в полу не может. Один автомобиль проехать в два параллельных туннеля не может. Один поезд по двух колеям одновременно ехать не может. А один электрон да через две щели — запросто!

То есть он пролетает через две щели и потом сам с собой интерферирует, то есть складывается волновым образом.

Удивительно. Некоторые свойства электрона, например, спин, о котором мы уже говорили, объясняются вращением электрончика вокруг собственной оси, он крутится как юла или планетка. И это вполне представимо. Но как вокруг своей оси может кружиться волна? Это уже ни в какие ворота воображения не лезет!

Интерференция пучка электронов в двухщелевом эксперименте. Черно-белая фотокартинка изображена справа. Если бы электроны были, как шарики, картина была бы принципиально иной — на экране мы бы видели только две засвеченные полосы — напротив щелей. А их вон сколько!

И не только электрон. В дальнейших опытах была показана интерференция, то есть волновые свойства, протонов, нейтронов. А затем и таких огромных по сравнению с элементарными частицами образований, как атомы и даже целые молекулы! Вещество имеет волновую природу!

Это что же получается? Все наши привычные картины насмарку? Выходит, электрон, как и свет, в свободном полете проявляет свойства волны, а при соударении с препятствием ведет себя, как классическая частица?

Но тогда и модель атома нужно менять! Мы больше не можем представлять себе электрончики как планеты, летающие вокруг атомного ядра по своим орбитам. Потому что у волн нет никаких орбит, волны как бы размазаны в пространстве. Получается, что электроны просто размазаны вокруг атомов и представляют собой нечто вроде электронных облаков.

Электроны вне атомов ведут себя аналогично — не имеют траекторий полета. Хотя с точки зрения классической физики девятнадцатого века должны были бы их иметь. Что такое траектория полета, каждый грамотный пенсионер и юный мальчик представляют прекрасно. Это линия движения. Пуля, которая вылетает из ствола, описывает определенную траекторию. Законы баллистики давно известны, зная скорость и массу пули, всегда можно вычислить, где и в какой момент после вылета окажется пуля и какую скорость она будет иметь. Здесь ничего сложного нет.

А вот если стрельнули электроном, то ничего точно предсказать нельзя. Электрон в полете размазан. Волна! Она везде. И поэтому пролетает одновременно в две дырки. После чего интерферирует сама с собой. А затем врезается в экран уже в виде объекта — крохотного материального шарика, имеющего конкретный размер и точку удара. Все это огромное по сравнению с размерами классического электрона летящее электронное облачко в одно мгновение вдруг схлопывается, стягивается в точку и превращается в привычную нам частицу. Это называется коллапсом или схлопыванием волновой функции.

Сложно себе это представить, ей-богу. Потому физики старой школы долго пребывали в растерянности. И сами виновники торжества, типа Планка и Эйнштейна, долго не хотели соглашаться с тем, чему сами послужили причиной.