Текст книги "Вселенная в электроне"

Автор книги: Владилен Барашенков

сообщить о нарушении

Текущая страница: 13 (всего у книги 18 страниц)

Гибрид волны и частицы

Вскоре был установлен еще один удивительный факт: во всех процессах энергия световой частицы каждый раз оказывается обратно пропорциональной длине световой волны, то есть определяется каким-то непонятным коллективным эффектом. Получается, что хотя фотон и не связан с другими своими братьями (все они совершенно независимые частицы), но он все же как-то чувствует их присутствие, и они все вместе составляют световой поток. Внешне это выглядит так, как будто частицу-фотон несет гребень какой-то таинственной нематериальной волны. И чем больше его энергия, тем короче, «жестче» эта волна.

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.

Когда физики говорят, что электрон вращается вокруг атомного ядра по определенной орбите, это означает, что электрон чаще всего находится в ее точках, но с некоторой вероятностью его можно обнаружить и вдали от ядра. Представьте, что было бы, если бы так себя вели вращающиеся вокруг Солнца планеты! Аналогия между атомом и Солнечной системой на поверку оказывается весьма отдаленной.

Но что порождает такое различие? Ведь и планеты и электроны движутся в пустом пространстве. Почему же в одном случае движение происходит по точным траекториям, а в другом частицы, как пьяные, исполняют «броуновскую пляску» вокруг своих траекторий? Что является ее причиной?

Что размазывает траекторию

Физики пока не могут однозначно сказать, отчего это происходит. Можно думать, что причина этому – взаимодействия микрочастицы с окружающим ее фоном. Ведь частица никогда не бывает полностью изолированной, она постоянно испытывает случайные возмущающие воздействия неисчислимого количества других микрообъектов. Прежде всего атомов и молекул, из которых состоят окружающие тела. Если частица медленная и легкая, то возмущающие толчки резко изменяют ее скорость и этим, хотя бы отчасти, можно объяснить, почему, казалось бы, одни и те же начальные условия – одинаковые экраны, щели, каналы и так далее – приводят к различным последствиям. Дополнительные возмущения вносят атомы, из которых состоят регистрирующие приборы. Все эти толчки и пинки на атомном уровне размазывают движение частицы, делают его неконтролируемым.

Но самое главное возмущение происходит от частиц и античастиц, во множестве рождающихся и быстро аннигилирующих в окружающем вакууме.

Идея абсолютной пустоты, вакуума, пришла к нам из далекого прошлого. Само представление о мире часто ассоциируется у нас с образом безграничного пустого пространства с отдельными зернами материальных вкраплений. Мы привыкли к мысли, что пустота – это исходное, самое простое, не требующее никаких объяснений состояние окружающей природы, синоним полного «ничто». Однако квантовая теория говорит о том, что вокруг каждой точки кажущегося нам абсолютно пустым пространства непрерывно происходят сложнейшие материальные процессы. Если бы существовал микроскоп с увеличением в миллиарды раз, можно было бы увидеть, что пространство густо пропитано курящимся «смогом» микрочастиц, где все вибрирует, обменивается импульсами, распадается и вновь объединяется в новых комбинациях. В отличие от воздуха, этот смог нельзя вычерпать из пространства. Микрочастицы появляются из ничего и мгновенно обращаются в ничто.

Если бы был жив Ньютон, то всплески вещества в вакууме ему, наверное, показались бы похожими на привидения, которые неожиданно возникают и, прежде чем мы успеваем определить, материальны они или же всего только мираж, так же внезапно исчезают. Однако опыт убеждает нас, что это – вполне реальные процессы, а заполненный ими вакуум ведет себя, как некая материальная среда, не имеющая осязаемой плотности и не мешающая движению физических тел. Ньютон назвал бы ее всепроникающим эфиром.

Подобно частичкам взвеси в жидкости, движущаяся в пустом пространстве микрочастица все время испытывает толчки частиц вакуумного смога, и это сказывается на ее траектории.

Итак, микрочастица погружена в невообразимо сложное переплетение связей, на ее движение влияет огромное количество различных факторов. Можно думать, что это как раз и делает его «размазанным», вероятностным. Так же как нельзя построить точной теории, описывающей поведение всех частиц газа, невозможно создать и точную, основанную на ньютоновских законах теорию движения микрочастицы в вакууме. Но это только одна сторона дела.

Хотя точной теории движения всех частиц в облаке газа создать нельзя, к ней, в принципе, можно приблизиться как угодно близко: сначала построить теорию для двух частиц, потом для трех и так далее. Трудности здесь только технические, и, если бы мы располагали сверхмощной ЭВМ, задача была бы решена. В микромире положение принципиально иное. Постепенно наращивая число учитываемых связей, можно надеяться объяснить «броуновскую пляску» микрочастицы, но факт прохождения ее сразу через две щели и интерференцию с уже исчезнувшими и еще неродившимися частицами объяснить не удастся, сколько бы связей мы ни учли. Для этого нужны какие-то совершенно новые законы, выходящие за рамки ньютоновской физики. В квантовой механике факт интерференции не объясняется, он просто берется из опыта и считается постулатом, таким же, например, как аксиомы геометрии. Только они кажутся нам совершенно очевидными, мы ежеминутно встречаем подтверждение им в повседневной жизни, а постулат квантовой теории нам совершенно непривычен, требуется детальное знакомство со свойствами микропроцессов, чтобы с ним согласиться.

Было предпринято много попыток построить «всем понятную» теорию микропроцессов, в которой вероятностные законы квантовой механики получались бы в результате постепенного усложнения «заквантовой» теории с точными траекториями частиц. Этой проблемой занимались многие выдающиеся ученые. В частности, Эйнштейн до конца своей жизни был убежден в том, что такая «заквантовая» теория обязательно должна существовать. В своих статьях он писал, что квантовая механика – это всего лишь временная постройка, некое приближенное, размытое изображение истинной, скрытой пока от нас картины явлений. И пока она не найдена, задача физики микромира, по мнению Эйнштейна, остается невыполненной. Но все попытки оказались безуспешными. Опыт показывает, что, чем глубже в недра микромира мы уходим, тем более важными становятся там вероятностные законы. Сегодня большинство физиков уверены в том, что любая «заквантовая» теория будет основана на законах вероятности. Так уж устроен мир. Но почему он так устроен? Ведь должно же быть какое-то объяснение этому…

С течением времени, по мере того как накапливаются знания, любой постулат переходит в разряд теорем и выводится из более глубоких принципов. Когда-нибудь так будет и с постулатами квантовой механики. У них тоже должна быть какая-то причина. Но сегодня, научившись хорошо пользоваться квантовой механикой, физики еще не могут объяснить происхождение ее удивительных законов. Энергию электронов в атоме квантовая механика рассчитывает с точностью до миллиардных долей процента, но вот что размазывает орбиты электронов в атоме, каков конкретный механизм этой размазки – на эти вопросы она ответить не может. В то же время опыт хорошо подтверждает все ее выводы. Несмотря на все старания физиков, никаких отклонений от ее вероятностных законов не обнаружено.

Тем не менее у неуязвимой квантовой механики все же есть ахиллесова пята, которая, возможно, послужит отправным пунктом для построения «заквантовой» теории. И вот тут мы подходим к самому трудному и «темному» месту теории, вокруг которого уже более полувека, с тех пор как была создана квантовая механика, не утихают споры физиков и философов.

Как выглядит частица, когда на нее никто не смотрит?

Казалось бы, ответ очевиден – так же, как и в случае, когда ее наблюдают. Ведь частица существует сама по себе, независимо от того, смотрят на нее или нет. В физике, основанной на законах Ньютона, это действительно так, а вот в квантовой механике дело сложнее.

Чтобы подчеркнуть независимость от нашей личной точки зрения какого-нибудь утверждения, мы часто говорим, что это – экспериментальный факт, то есть непосредственный результат наблюдения, так сказать, «кусок» независящего от нас внешнего мира. Мы часто повторяем, что «факт есть факт», что «факты – это упрямая вещь». Однако в действительности совершенно «чистых», независящих от нас фактов не бывает. Наблюдая явления природы, наш мозг, наше сознание всякий раз имеет дело не с внешним миром самим по себе, а с его воздействием на наши органы чувств и их продолжения – физические приборы. Другими словами, мы всегда имеем дело как бы с отдельными «проекциями» внешнего мира. Слух дает нам его звуковую проекцию, зрение – его изображение в световых лучах. Физические приборы предоставляют нам еще более детальные и разносторонние срезы окружающей нас действительности. Однако, имея дело с проекциями, мы неизбежно искажаем и огрубляем наблюдаемое явление, чем-то пренебрегаем, что-то домысливаем. Каждый человек воспринимает мир по-своему. Бывает, что для одного происходящие явления – совершенно независимые между собой факты, а другой сразу усматривает их взаимозависимость.

Мир не существует точно в том виде, как он воспринимается нашими органами чувств. Картину мира мы воссоздаем с помощью мышления, и этот процесс всегда зависит от того, какими знаниями уже «заряжено» наше сознание. Если оно достаточно не подготовлено, мы можем вообще не заметить некоторых фактов, они для нас как бы не существуют. Например, если бы человек каменного века увидел надпись на скале, он едва ли придал бы ей какое-либо значение, для него это были бы всего только случайные подтеки и пятна, которые бы просто скользнули мимо его сознания.

Животные тоже слышат, видят и чувствуют внешний мир, зачастую значительно лучше нас, но воссозданная их мозгом картина окружающей обстановки ни в какое сравнение не идет с картиной мира в мозгу человека.

Хотя любое наше представление о мире является приближенным, по мере накопления и корректировки знаний оно постепенно уточняется и становится все менее зависящим от нашего мнения и наших личных точек зрения. Мы выделяем из воспринимаемых нами проекций, вылущиваем из них то, что не связано со способом наблюдений, и из этих очищенных элементов строим образ независящего от нас мира. Например, один прибор измеряет координату частицы, другой – ее скорость, а мы в уме или на бумаге строим единый график движения, с помощью которого в любой момент времени можем сразу узнать координату и скорость частицы. Физика Ньютона подтверждала возможность такого постепенного «испарения» личного, или, как говорят философы, субъективного, элемента из наших знаний о природе. Казалось очевидным, что, совершенствуя приборы, их возмущающее влияние можно сделать как угодно малым и изучать явления в чистом виде, без всякого влияния наблюдателя. Физики были твердо уверены, что трудности на этом пути чисто технические, а не принципиальные. Образно говоря, каждый прибор – это невод, с помощью которого мы выуживаем знания из многоводной реки по имени Природа. И чем он тоньше и деликатнее, тем богаче улов.

Но вот в квантовой механике все оказалось по-другому. Поскольку у микрочастицы нет определенной траектории и она как бы размазана по всему пространству, нельзя одновременно узнать ее координату и скорость. Если мы определим точку, в которой находится частица, то в следующий момент она может находиться в любой другой точке, и мы не сможем вычислить ее скорость. Наоборот, мы можем знать скорость частицы, но тогда неизвестно ее местоположение. Какими бы деликатными и тонкими ни были приборы, они все равно не смогут одновременно определить координату и скорость микрочастицы. Чем точнее измеряется одна из этих величин, тем сильнее «размазывается» вторая, и, как бы мы ни старались, измерить координату и скорость у одной и той же микрочастицы нам не удастся. В одних условиях проявляется координата частицы, в других – скорость. Одна из этих величин обязательно остается неопределенной. Какая – это зависит от того, как ставится эксперимент.

Каковы бы ни были причины вероятностной размазки микроявлений, все физики согласны в том, что квантовая механика описывает не отдельную частицу саму по себе, так, как она есть, а частицу на фоне окружающей ее обстановки. Подобно тому как о цвете хамелеона можно говорить лишь применительно к окружающему фону, так и свойства микрочастицы оказываются связанными с ее окружением. Микрочастица никогда не демонстрирует сразу всех своих свойств. Часть из них она «показывает» на одном фоне, другую часть – совсем на другом, и никогда все вместе. Спрашивать квантовую механику о том, каковы свойства микрочастицы самой по себе, безотносительно к окружающей ее обстановке, так же бессмысленно, как и задавать вопрос о скорости тела до выбора системы координат, – в каждой системе отсчета она своя.

В японском городе Киото есть знаменитый сад камней. Небольшая песчаная площадка в старинном парке, на которой выложены шестнадцать камней, но выложены так искусно, что как бы ни смотреть, всегда можно увидеть только пятнадцать из них. С каждой новой точки зрения – свой пейзаж. Воплощенная в камне идея о том, что все в мире имеет много сторон и аспектов; все они ограничены и в чем-то даже противоречат друг другу. Однако это не мешает составить точное представление о всей композиции в целом и увидеть ее мысленным взором. Может, так и с микрочастицей – в современной квантовой механике она всегда связана с окружающим фоном, но в будущей теории, объединяя различные «приборные проекции», возможно, удастся получить ее точную, ни от чего постороннего не зависящую картину? Ведь считал же Эйнштейн, что физика не выполнит задачу объяснения мира до тех пор, пока не научится описывать частицы и происходящие с ними явления в чистом виде, независимо от всех внешних обстоятельств! Если так, то квантовая механика – только переходный этап, временные строительные леса на пути к такой «очищенной» теории, и главная задача физиков – поскорее создать эту теорию.