Вселенная в электроне

В этом есть нечто общее с тем, как поток электронов проходит сквозь щели в экране. Каждый электрон тоже ведь пролетает сквозь какую-то одну щель, и при этом он тоже как будто знает о своих собратьях, которые взаимодействуют с экраном до и после него и располагаются на фотопластинке так, чтобы в целом получилась единая интерференционная, волновая картина. Более того, каждый следующий электрон может испускаться и проходить сквозь щели в экране уже после того, как предыдущий поглотился фотопластинкой. И все равно связывающий их коллективный эффект остается: на пластинке опять образуются отчетливые интерференционные просветы и пятна. Каждый из электронов каким-то образом ухитряется провзаимодействовать со своими уже умершими и с еще неродившимися собратьями.

Размышляя над странной аналогией в поведении электронов и частиц световой волны, французский физик Луи де Бройль пришел к мысли о том, что любой микрочастице, независимо от ее природы, сопутствует некая «волна материи». Подобно мифическому кентавру, полулошади-получеловеку, микрочастица, по мнению де Бройля, тоже объединяет в себе, казалось бы, несовместимое — является гибридом волны и корпускулы. Де Бройль предположил, что не только у фотона, но и во всех других случаях длина «волны материи» обратно пропорциональна энергии связанных с нею частиц. И хотя физическая природа этих волн (их стали называть дебройлевскими) оставалась загадочной, они хорошо описывали сложные интерференционные узоры в опытах с электронами, а позднее и с более тяжелыми частицами — протонами и даже молекулами. Перед физиками встала интригующая задача — понять и объяснить происхождение этих загадочных волн.

Интересно, что первым, задолго до де Бройля, еще в конце прошлого века, идею о волнах материи высказал русский ученый Б. Б. Голицын. И это была не просто гениальная догадка-озарение, свой вывод Голицын основывал на анализе экспериментального материала по выбиванию электронов светом из металлических пластин. В этих опытах впервые были получены указания на дискретные свойства световой волны. Три десятилетия спустя их использовал и Луи де Бройль. Однако русский ученый слишком опередил свое время. В конце XIX века была еще слишком велика вера во всемогущество классических законов Ньютона. Большинство ученых было уверено, что основные законы природы уже открыты и физика близка к своему завершению, остались лишь небольшие доделки. На этом фоне идея о волнах материи выглядела совершенно несерьезной и фантастической. Против нее резко выступил известный московский физик А. Г. Столетов, тот самый, кто выполнил опыты по выбиванию электронов светом, ставшие в дальнейшем одним из краеугольных камней квантовой теории. Это могло бы выглядеть историческим курьезом, но для Столетова все обернулось трагедией. Дело в том, что Б. Б. Голицын был не только талантливым физиком, но обладал еще и княжеским титулом, а это в дореволюционной России было очень важным обстоятельством. У Столетова стали возникать служебные неприятности, а он, будучи человеком принципиальным, не мог поступиться своими научными убеждениями. Все больше сил уходило на бесплодную борьбу. Закончилось это тяжелым сердечным приступом и последовавшей вскоре за этим смертью Столетова, а замечательная идея Голицына была похоронена заживо и не оказала никакого влияния на последующее развитие физики. Де Бройль ничего не знал об этой идее.

Александр Григорьевич Столетов родился во Владимире в старой купеческой семье, которая при Иване Грозном была выслана из Москвы за крамолу и вольнодумство. Во Владимире именем Столетова названа улица. Он внес большой вклад в развитие физической науки в России, некоторые из его студентов стали известными учеными. У Столетова учился физике основоположник отечественной авиации Н. Е. Жуковский. И вместе с тем он своим авторитетом «задавил» идею, которая, став широко известной физикам, значительно бы ускорила развитие науки. В жизни подчас бывают парадоксальные ситуации…

История «волн материи» говорит также о том, насколько осторожным следует быть с научными идеями. Не зря некоторые физики предлагают создать специальный журнал, который бы печатал «материал к размышлению» — не признанные, но и не опровергнутые идеи.

Волны вероятности

Успех дебройлевской идеи о волнах материи, позволившей объяснить многие противоречивые явления микромира, сразу поставил ее в центр внимания физиков. Ее обоснованием занялись экспериментаторы и теоретики. И вскоре выяснилось, что хотя эти волны и называли «волнами материи», материального в них мало. Они описывают распределение не материи, а вероятности — вероятности обнаружить частицу в той или иной точке пространства.

Будем бросать монету и считать, сколько раз выпадет «герб» или «решка». Отношение числа случаев с «гербом» к полному числу бросаний — вероятность выпадания «герба». Аналогично определяется вероятность выпадания «решки». Что выпадет в каждом конкретном случае, точно не известно. Это может быть «герб», а может быть «решка». Но при большом числе бросаний вероятности выпадания «герба» и «решки» одинаковы и равны 50%. (Иногда говорят: пятьдесят шансов из ста.)

Если монета погнута или испорчена каким-либо другим образом, вероятности выпадения «герба» и «решки» будут различными — например, 40% для «герба» и 60% для «решки». Зная эти числа, можно заранее оценить, в скольких случаях мы выиграем.

Теория вероятностей была создана в связи с азартными играми, но в дальнейшем оказалась чрезвычайно полезной во многих областях науки и техники. Артиллеристы стали использовать ее для оценки точности стрельбы, страховые компания с ее помощью стали оценивать степень риска. Она оказывается незаменимой во всех случаях, когда имеют дело со сложными явлениями, где действуют сразу очень много независимых факторов. Например, как описать движение миллиардов частиц газа? Даже если бы и удалось написать для них систему уравнений, она была бы такой громоздкой и сложной, что решить ее не смогла бы ни одна ЭВМ! Вот тут и нужна теория вероятности.

Так вот, выяснилось, что отдельно взятый электрон может находиться в любой точке пространства, у него нет определенной траектории. Но если опыт повторить много-много раз, то выявится статистическая, усредненная картина его движения. Оказывается, что в некоторых участках пространства он, в среднем, бывает чаще, чем в других. Интенсивность дебройлевской волны как раз и характеризует вероятность — относительную частоту пребывания электрона в различных точках. То же самое для фотонов. Эти частицы чаще появляются там, где больше интенсивность их дебройлевской волны. В этих местах наибольшая освещенность и наибольшая амплитуда световой волны. Движение отдельного фотона настолько сложное и прихотливое, что с определенной вероятностью его можно обнаружить в различных точках пространства. Строгие закономерности, так же как при бросании монеты, проявляются лишь при рассмотрении большого числа фотонов. И вот статистически в среднем световые частицы распределяются в пространстве таким образом, что их поведение выглядит как распространение световой волны. Получается так, что поодиночке каждый из фотонов — корпускула, а в совокупности они обнаруживают волновые свойства. Для того чтобы сделать картину нагляднее, иногда говорят, что микрочастицы двигаются по нечетко определенным, размазанным траекториям, а размазка имеет форму волны. Это очень упрощенное описание того, что происходит в природе, но некоторое представление о характере явления отсюда получить можно.

С точки зрения Ньютона, мир, образно говоря, похож на четко вычерченную сеть железных дорог, по которым строго, в соответствии с расписанием движутся поезда-частицы. В микромире эта картина размывается, становится нечеткой, расплывчатой, как будто мы разглядываем ее в плохо сфокусированный бинокль. О движении частиц там можно говорить лишь с определенной вероятностью.