Больше информации на эту тему на сайте http://top-formula.net
Глава 2
ЦАРСТВО ХАОСА
2.8 Когда частица становится волной?
Мы примерно уяснили, что такое электрон. Постарались понять, как виртуальная частица совершает дискретные движения, создавая таким образом эффект присутствия во всех точках занимаемого объёма (который по сути есть электрон в обычном для нас понимании). Этот объём можно разделить на две и более частей, при этом один и тот же электрон может находиться сразу во всех этих частях.
Получается, электрон практически точечный. И в то же время он занимает некий объём, в котором эта точечная частица совершает дискретные движения.
Мы даже не заметили, как вплотную подошли к загадочному и такому характерному для микромира явлению корпускулярно-волнового дуализма. С одной стороны, электрон – частица, с другой – волна.
Но почему волна? Во-первых, потому что электрон имеет объём. Во-вторых, этот объём может расщепляться. И каждая расщеплённая часть способна двигаться в любом направлении и находиться хоть на огромных расстояниях от других частей. Всё это как раз свойственно волнам. Причём любым. Например, обыкновенную рябь на воде также можно разделить перегородкой вдоль движения на две части. И каждая такая часть продолжит течь независимо от другой.
А ещё волны могут интерферировать, то есть взаимодействовать друг с другом. Поставим на пути водяной ряби пластину с двумя отверстиями. В этом случае одна и та же волна пройдёт сразу через обе щели. И за пластиной мы увидим характерную интерференционную картину, на которой минимумы амплитуды сменяют максимумы. Подобное явление опять характерно только волнам.
А могут ли электроны интерферировать? Запросто. Более того, один и тот же электрон может интерферировать сам с собой. На первый взгляд это кажется невероятным. Ведь для этого частица должна пройти через все отверстия на перегородке одновременно. А за перегородкой должна появиться интерференционная картина, как и в случае с водяной волной. Для этого электрон вынужден расщепиться так, чтобы каждая его часть прошла через какое-то отверстие. Но нас этим уже не удивить. Мы-то знаем, что электрон может расщепиться хоть на сколько частей, и каждая часть может двигаться в каком угодно направлении и находиться на каком угодно расстоянии от других своих «собратьев».
Вспомним теперь эксперимент, в котором электроны проявляли свойства частиц (при одних условиях проведения эксперимента) и свойства волн (при других условиях эксперимента).
Из источника по одному вылетают электроны. На их пути стоит перегородка с двумя отверстиями. А за перегородкой находится детектор – устройство, которое ловит электроны.
Эксперимент проводили при трёх различных условиях. Первое условие: отверстие 1 открыто, отверстие 2 закрыто. Второе условие: отверстие 1 закрыто, отверстие 2 открыто. Третье условие: оба отверстия открыты.
Что происходило в первом случае, когда первое отверстие открыто, а второе закрыто? А происходило следующее. После того как из источника по одному вылетело некоторое количество электронов, за перегородкой детектор зарегистрировал распределение частиц, пролетевших через первое отверстие. Это распределение показано на рисунке 16.
Из рисунка видно, что больше всего электронов было зарегистрировано напротив открытого отверстия.
Затем условие проведения эксперимента изменили. Первое отверстие закрыли, второе – открыли. И так же, как и в первом случае, проходящие через отверстие электроны распределялись таким образом, что самое большое количество их было зарегистрировано напротив открытого отверстия. Это распределение показано на рисунке 17.
Затем открыли оба отверстия. Как же электроны распределялись за перегородкой в этом случае? По аналогии с первым и вторым случаем можно предположить, что самое большое количество частиц должно было быть зарегистрировано также напротив отверстий. То есть, это распределение должно выглядеть как на рисунке 18.
Однако всё оказалось не так просто. Электроны не хотели распределяться согласно нашему представлению. Им по душе была другая картина. Наибольшее количество частиц оказывалось не напротив отверстий, а между ними! А в стороны от этого главного максимума электроны распределялись, как показано на рисунке 19.
Обратите внимание, максимумы резко сменяли минимумы. Но это же типичная интерференционная картина, характерная как раз для волн! Выходит, каждый электрон подобно волне проходил сразу через два отверстия и интерферировал сам с собой!
Итак, в случае, когда открыто только одно отверстие, электрон ведёт себя как частица. Но когда открыты два отверстия, он проходит сразу через оба, то есть ведёт себя как волна. Вот так проявляется одно из самых загадочных явлений микромира – корпускулярно-волновой дуализм.
Но если знать способы движения электрона, то можно понять, почему он обладает двойственной природой. С одной стороны, электрон – точечный, то есть частица, и движется дискретно. С другой, само электронное облако не способно перемещаться дискретно. Оно движется обычно, то есть непрерывно. Точки, которые оно проходит на своём пути, можно соединить одной линией, называемой траекторией движения частицы. И двигаться такое облако может не быстрее света. Лишь в редких случаях электроны способны мчаться стремительнее фотонов (эффект Вавилова-Черенкова), но это уже другая тема.
Мы также знаем, что электронное облако может расплываться, схлопываться, расщепляться. В том случае, когда в эксперименте открыто только одно отверстие, электрон проскакивает через него, как частица. Но когда открыты оба отверстия, электрон подходит сразу к двум отверстиям в виде облака и делится на две части. Первая часть проходит через первое отверстие, вторая – через второе (рисунок 20). Электрон расщепляется на две части и, продолжая дискретно двигаться сразу в обеих этих частях, подлетает к детектору и образовывает на нём интерференционную картину. Правда, для этого одного электрона недостаточно. Нужно, чтобы к детектору один за другим прилетело много частиц, которые и нарисуют «накопительную» интерференционную картину. Но в любом случае электроны прилетят по одному, и каждый будет интерферировать только сам с собой.
Всё, что мы говорили об электроне, относится и к фотону. А вот более тяжёлые частицы, например протон и нейтрон, свойства корпускулярно-волнового дуализма проявляют слабее, потому что они обладают меньшей неопределённостью в движении. Хаос действует на них в меньшей степени, чем на лёгкие частицы. Мы уже говорили, что чем тяжелее тело, тем оно слабее чувствует Хаос. Поэтому, говоря о странностях микромира, в основном имеют в виду лёгкие частицы, как фотон, электрон.
Вспомним эксперимент, изображённый на рисунке 5. Было непонятно, как фотон, пройдя через светоделитель, мог «предчувствовать», поставят экспериментаторы дополнительный детектор или нет.
Всё просто, если опять-таки знать про дискретное движение. Помните комнату, в которой дискретно прыгал точечный электрон (рисунок 6)? Мы её разделили перегородкой и затем стали удалять друг от друга образовавшиеся части (рисунки 10, 11 и 12). Электрон не заметил манипуляции над ним и продолжал дискретно двигаться сразу в двух объёмах. Если в какую-то часть затем влетал энергичный фотон, электрон, столкнувшись с ним, схлопывался именно в той части бывшей цельной комнаты, куда влетел фотон. А другая при этом навсегда оставалась пустой, вернее исчезала.
Также и сейчас фотон, разделившись светоделителем на две части, подобно двум частям комнаты, двигался сразу по двум путям. И если ничто не препятствовало ему, части фотона попадали на основной детектор, создавая интерференционную картину. То есть, фотон, как волна, летел сразу по двум направлениям. Но если на пути появлялся дополнительный детектор, происходило схлопывание фотона: он взаимодействовал или с дополнительным детектором, или с основным, то есть начинал вести себя как частица.