Охотники за частицами

Возьмем в таком случае предмет гораздо более легкий и движущийся с небольшой скоростью, например, камешек, брошенный рукой. Пожалуйста: сопровождающая его волна материи имеет длину порядка 10^–30 сантиметра. Положение по-прежнему совершенно неутешительное!

Выходит, надо де-Бройлю поверить на слово: никакими приборами его волн материи не обнаружить? Нет, мысль де-Бройля можно проверить. Но для этого надо взять самую легкую частицу в природе — электрон. Если его разогнать в электрическом поле с напряжением в 1 вольт (то есть до энергии 1 электрон-вольт), то электрон приобретет довольно солидную скорость. Длина его де-бройлевской волны окажется в пределах 10^–7–10^–8 сантиметра. Это область длин волн рентгеновых лучей.

Итак, по крайней мере в принципе, волны материи можно было бы пытаться обнаружить.

Успех

Но одной принципиальной возможности мало. Ведь волны материи отличаются от всех других известных волн. Чем же их обнаруживать? Глаз воспринимает электромагнитные волны, ухо — звуковые. Все существующие приборы лишь расширяют границы наших органов чувств, но отзываются тоже только на эти виды волн. Волны де-Бройля же ни око не видит, ни ухо не слышит, ни зуб неймет!

А все-таки это волны. Должно найтись какое-нибудь явление, в котором волны материи проявят себя, если они существуют на самом деле. И даже не одно явление.

Например, физики давно пользуются в качестве пробного камня для волн явлением дифракции. Волна, наталкиваясь на своем пути на препятствия, как бы обтекает их и снова смыкается позади них. Но если, например, интенсивность волны до препятствия была по всему фронту одинакова, то за препятствием ее распределение принимает «полосатый» вид. В одних участках волна усиливается, в других — ослабляется. Ровная световая волна, пройдя мимо круглого экрана или через круглое отверстие малого размера, дает изображение в виде чередующихся темных и светлых колец.

Итак, волну материи будут ловить на дифракции. Какие препятствия для нее выбрать? Можно те же, с помощью которых совсем не так давно была открыта дифракция рентгеновых лучей, — атомы кристаллов. Только электроны, в отличие от рентгеновых лучей, в кристаллах очень сильно поглощаются. Поэтому надо работать, как говорят физики, не на просвет, а на отражение. То есть вести наблюдение по ту же сторону кристалла, где располагается источник электронов.

Наконец все додумано. Через три года после появления статьи де-Бройля ставится первый опыт по поимке волн материи. Пучок электронов из раскаленной металлической нити, оформленный диафрагмой, посылается на грань кристалла, отражается от нее и направляется на фотопластинку. Если нет никаких электронных волн, то на пластинке должен получиться четкий контур диафрагмы.

И вот экспозиция закончена. Фотопластинку уносят в темную комнату и кладут в проявитель. Медленно тянутся секунды, медленно проступают контуры снимка. Нетерпеливые исследователи, не дожидаясь конца проявления, извлекают пластинку из воды, подносят к свету…

Есть! Есть дифракционные кольца!

Слабенькие, еле заметные, они бесконечно радуют ученых. Как бесценное сокровище, пересылают эти первые фотопластинки с записью волн материи в крупнейшие физические лаборатории мира. Их придирчиво, внимательно изучают, но сомнений больше нет. Электроны оставили на фотопластинке следы волн.

Поразительно смелая мысль де-Бройля о волнах материи получает блестящее подтверждение.

Слева вы видите рентгенограмму, полученную на образце, состоящем из множества мелких кристалликов. Справа — картина дифракции электронов от подобного вещества. Она называется электронограммой. Такие снимки наряду с рентгенограммами служат для изучения строения кристаллов. Именно электронограмма убедила физиков в существовании электронных волн де-Бройля.

…Открытие волн материи завершает не только историю одной смелой мысли. Оно завершает целую эпоху в физике и открывает в ней новую, еще более глубокую и богатую современную эпоху.

Испокон веку физика различала два не сводимых друг к другу, два в корне различных движения — движение частиц и распространение волн. И законы этих движений были совершенно различными.

Частицы не могут проникать одна в другую, не могут сами по себе перераспределять свои потоки, отклоняться самопроизвольно от прямых путей. Совсем не то — волны: они могут накладываться друг на друга, перераспределять свои интенсивности — интерферировать, искривлять свои пути, заходя в тень за препятствием, — дифрагировать. Частицы имеют определенные размеры, свои границы. Идеальные же волны, которые мы рисуем в виде синусоид, не имеют ни начала, ни конца в пространстве и времени.