Дао физики

Восточный образ мышления более склонен к кружению вокруг объекта созерцания… многостороннему, т. е. многомерному восприятию, создаваемому путем наложения отдельных картин, полученных из разных точек зрения[146].

Чтобы понять, как в атомной физике можно переключаться между концепциями частиц и волн, рассмотрим понятие волны и частицы подробнее. Волна — модель колебаний в пространстве и времени. Рассматривая ее на определенном отрезке времени, мы увидим систематический пространственный шаблон (рис. 16). Характеристики этого шаблона — амплитуда А и длина волны L, расстояние между двумя соседними гребнями.

Рис. 16. Волновые колебания

Можно изучать и другие характеристики волны, например движение определенной точки. Тогда мы увидим колебания определенной частоты (она определяется числом целых колебаний за секунду). Представим себе частицу. По классическим представлениям, она в любой момент имеет вполне определенное местоположение, а ее состояние движения может быть описано в терминах скорости и энергии.

Частицы, двигающиеся с высокой скоростью, обладают высокой энергией. Физики для описания движения частицы редко пользуются категорией «скорость», заменяя ее величиной, которая называется «импульс» и равна произведению массы частицы на ее скорость.

Итак, квантовая теория связывает свойства вероятностной волны со свойствами соответствующей частицы, а амплитуду волны в определенной точке — с вероятностью существования частицы в ней. Если амплитуда вероятностной волны большая, то велика вероятность того, что в этой точке мы найдем частицу. Там, где амплитуда вероятностной волны невелика, найти частицу маловероятно. Амплитуда волны, изображенной на рис. 16, одинакова на всем ее протяжении, поэтому частица может с равной вероятностью находиться в любой точке волны[147].

Движение частицы может быть охарактеризовано частотой и длиной волны. Последняя обратно пропорциональна импульсу частицы: волна меньшей длины соответствует частице, имеющей больший импульс (а следовательно, при равной массе, и большую скорость). Частота волны прямо пропорциональна импульсу частицы. Так, фиолетовый свет характеризуется высокой частотой и малой длиной волны, состоит из фотонов с высокой энергией и высоким импульсом. А красный характеризуется низкой частотой и большой длиной волны, его фотоны обладают низкой энергией и небольшим импульсом.

Волна, распространяющаяся в пространстве, как в нашем примере, немного сообщает нам о местонахождении соответствующей частицы. С одинаковой вероятностью она может быть обнаружена в любой точке. Но очень часто местонахождение частиц приблизительно известно, как, например, при описании электрона внутри атома. Тогда вероятность существования частицы в разных точках должна быть ограничена определенной областью атома. За ее пределами вероятность равна нулю. Этого можно достичь при условии существования волны, представленной на рис. 17. Здесь вероятность существования частицы ограничена областью Х. Такие модели называются волновыми пакетами[148]. Это совокупность волн с разными длинами. Интерферируя, они взаимокомпенсируют друг друга за пределами области Х, и амплитуда волны, а следовательно, и вероятность обнаружить там частицу равна нулю. Волны внутри области Х показывают, что частица находится где-то в ней, но не позволяют определить ее местонахождение точно. Мы можем только подсчитать вероятность нахождения частицы для каждой точки X. (Скорее всего, она где-то в середине, так как там амплитуда выше всего; менее вероятно, что частица расположена у края волнового пакета, поскольку там амплитуда колебаний мала.) Следовательно, размер волнового пакета — показатель неопределенности местонахождения частицы.

Рис. 17. Волновой пакет, соответствующий положению частицы в зоне Х