Глава 2
ЦАРСТВО ХАОСА
2.4 Сразу везде
Электрон внутри атома – это не движущаяся точка, а облако, имеющее форму и размеры. Но как это представить себе? Как понять “размазанность” крошечной частицы? И как она вообще образуется? Пытаясь понять природу облака, я невольно рисовала в своём воображении такую картину: электрон был воздухом внутри прозрачного воздушного шарика. Причём, этот шарик не был надут до предела. Он был достаточно мягким и податливым. Я могла по-всякому мять его, и под моими руками он принимал самые разные формы. Я могла зажать его посередине. В результате он превращался в два маленьких шарика, которые представляли собой половинки исходного шара и практически никак не были связаны друг с другом, то есть воздух из одной половинки не мог перетечь во вторую, и наоборот.
Из такого воздушного шарика можно сделать самые разные причудливые фигуры. И всё потому, что воздух может изменять не только форму, но и объём. Если его нагреть, то шарик увеличится. Если охладить (это можно сделать, поместив шар в морозильник), уменьшится.
Но ведь электрон – не шарик с воздухом!
Воздух внутри объёма состоит из миллиардов молекул, которые беспорядочно движутся. У каждой молекулы сложнейшая запутанная траектория. А электрон внутри облака только один. Он не состоит, подобно воздуху, из других более мелких частиц. Электрон – неделимый. Но почему тогда он существует не в виде точки, а в виде облака? Почему он имеет объём и может принимать разные формы? Какой он внутри? Что позволяет ему быть таким, какой он есть?
Все эти вопросы не могли меня не волновать. И, естественно, с ними я вновь и вновь подходила к Василию, пытаясь получить ответы. Однако я не слышала того, что могло бы меня удовлетворить. Василий отмахивался, когда я в сотый раз задавала ему одни и те же вопросы.
“Электрон движется хаотически", – говорил он. “Что значит хаотически?” – спрашивала я тут же. “Это значит, что он движется беспорядочно, прыгает внутри своего облака”. – “Если он прыгает, значит, от точки, где начинается прыжок, до точки, где он заканчивается, можно провести линию? Я правильно тебя поняла?” – “Нет, внутри облака электрон не может двигаться по линии, потому что наличие линии, или траектории, характерно для непрерывного движения”. – “Тогда я тебя ещё больше не понимаю. Я совсем не понимаю, что такое “прыжок электрона”. – “Внутри облака электрон движется по-другому, не так, как обычные тела. Но как именно, никто не знает. Человеческое воображение пока не в состоянии представить себе такое движение”.
Всё же я раззадорила Василия своими вопросами. И вот как-то, оставив меня работающей за компьютером, он отправился в ближайший магазин за шоколадкой к чаю. Вернулся с едва скрываемой улыбкой: “Я, кажется, понял, как движется электрон внутри своего облака”.
Я оторвалась от монитора: “Ну и как?” – “Электрон движется дискретно: исчезает из одной точки и появляется в другой. Дискретное движение – разрывное. Нельзя провести линию между точками, где находился электрон. Этот тип движения принципиально отличается от непрерывного перемещения. Поначалу я не мог понять, каким образом очень маленький электрон умудряется заполнить собой гораздо большую по сравнению с его объёмом область. Ведь для этого он должен двигаться со скоростью, намного превышающей световую. А электрон перемещается медленнее света. Поэтому нужно было выяснить, как, двигаясь с маленькой скоростью, он может облететь все точки своего облака за очень-очень маленькое время. Я понял – для этого нужно сделать кардинальный шаг. Представлений, имеющихся в физике, не достаточно, чтобы объяснить уникальный феномен образования электронного облака. Нужно ввести принципиально новое понятие”.
“А ты уверен, – спросила я, – что дискретное движение – не фантазия, что оно действительно возможно?” – “Это легко проверить. Если новый тип движения поможет решить какие-то проблемы в науке, то его введение в физику вполне оправдано. Например, используя его, можно описать, как образуется электронное облако. Я думаю, с помощью этого понятия легко объяснить и другие загадочные явления субатомного мира”. – Василий стал ходить взад-вперед по комнате и пытался объяснить мне (и себе в том числе) парадоксы квантового мира.
Мне эти объяснения сразу понравилось. Они были понятными, почти очевидными. Наверно, слишком долго мы обсуждали парадоксы поведения элементарных частиц и никак не могли объяснить их, используя понятия, которые имелись в физике. Явно не хватало чего-то радикально нового, которое позволило бы ответить на ряд важных вопросов фундаментальной науки.
Остановимся чуть подробнее на новом понятии и, используя его, попытаемся понять, так как же электрон движется внутри своего облака.
Электрон – очень беспокойная частица. Ему чрезвычайно трудно “усидеть” на одном месте. Он всё время движется внутри области, называемой электронным облаком. Внутри него точечная частица находится везде, буквально в каждой точке. В одних точках он бывает чаще, то есть вероятность найти электрон в них выше. А в других – реже, вероятность найти там частицу ниже. Но в любом случае электрон находится как бы во всех точках одновременно, создавая эффект присутствия везде внутри облака. Получается, электрон как бы “размазан” внутри своей области. Такая “размазанность” объясняется тем, что эта частица имеет заряд. Если бы электрон вдруг стал точечным, он бы имел бесконечную энергию, потому что энергия электрона обратно пропорциональна размеру облака, в котором частица “размазана”. Выходит, чем меньше размер облака, тем большей энергией обладает электрон.
Внутри облака электрон движется дискретно. Исчезает из одной точки и появляется во второй. Затем исчезает из второй и появляется в третьей. И так далее. Исчезновения и появления происходят так быстро, что, можно сказать, мгновенно.
Для удобства представим электронное облако большим, например с комнату. Это сделать нетрудно, потому что в своём сознании мы всё равно очень маленькое увеличиваем до размеров, которые нам легко представить. Поэтому увеличим и электрон, поселив его в комнате (рисунок 6). Предположим, что в этой комнате идеальный вакуум и ничто не мешает частице двигаться.
В каждое мгновение (точнее, за очень маленькое время) электрон успевает побывать во всех точках комнаты и создать эффект присутствия везде внутри объёма. Он вездесущий в этой области. И между точками исчезновения и появления электрона нельзя провести прямую линию. И тем более такую эфемерную линию нельзя назвать частью сложнейшей траектории, по которой якобы движется точечный электрон. Движение электрона внутри облака дискретное, а, значит, не имеющее траектории.
Мы описали совершенно новый тип движения, которое совершает электрон внутри той области, которую он занимает. Это движение не похоже на беспорядочное движение, совершаемое, скажем, молекулами воздуха. Это движение – разрывное в каждой точке.
Также дискретное движение – ещё и ключ к разгадке тайн странного поведения частиц микромира.
Теперь мы начнём постепенно раскрывать эти тайны.