Охотники за частицами

Но вот несоединимому предстояло соединиться. И еще задолго до гипотезы де-Бройля. Виновник этого соединения — свет. А непосредственный исполнитель, как мы помним, Альберт Эйнштейн: он вводит фотон.

Фотон — это частица света, обладающая свойствами волны. Фотон — это электромагнитная волна, обладающая свойствами частицы. Так в физике появилась первая двуликая сущность.

Каким ликом обернется фотон, зависит от явления, в котором он принимает участие. В одних явлениях, скажем, в дифракции, он выказывает волновую сущность. В других, например, в фотоэффекте, он обнаруживает сущность частиц.

Де-Бройль открывает, что подобная двуликость — удел не только света, но вообще всех частиц вещества. Мир атомов оказывается двуликим везде и во всем.

«Волна-пилот» — пережиток старины?

Старое живуче. Классическая физика прокрадывается в теорию Бора и «портит» ее достижения. Она же проникает и в теорию де-Бройля.

Как связаны свойства волны и свойства частицы? Де-Бройль высказывает мысль о «волне-пилоте». Но что это, как не механическое сочетание волны и частицы? Под таким сочетанием, несмотря на всю его необычность, классическая физика может охотно подписаться.

Действительно, этот образ составлен из двух обычных классических представлений — частицы и волны. То, что эти представления скомпонованы не классически, ничего, в сущности, не меняет.

Де-Бройль и сам это сознает. Надо отдать предпочтение чему-то одному, нашептывает старая привычка в часы долгих раздумий. И де-Бройль решается выбросить из игры частицу. Частицы, как таковой, не существует, заявляет он. Частица — это образование из волн материи, «волновой пакет», как говорят физики.

Так, в виде «подушки», составленной из волн, физики и представляют себе волновой пакет. Видно, что высота волн быстро уменьшается по мере удаления от середины пакета. Это и позволяет говорить о том, что пакет компактен.

Чем-то он напоминает ударную волну. Такая волна, оставаясь волной, может высаживать стекла не хуже, чем удар снаряда, она компактна. Образно говоря, волна материи — какое-то цунами микромира. То самое цунами, что в открытом море лишь качает корабли, а на берегу производит страшные разрушения.

Поначалу этому предположению не отказывают в убедительности. Но уже спустя короткое время математический расчет выносит ей строгий приговор. Оказывается, волновые пакеты, даже в абсолютной пустоте, должны очень быстро расплываться, словно дымовые кольца в воздухе. Даже если долю секунды назад вот здесь была частица — «пакет», то теперь ее уже нет: она размазалась по пространству, как кусок масла, опущенный в кипяток. Однако наука не стоит на месте, безучастно наблюдая, как де-Бройль тщетно пытается наделить голую мысль плотью и кровью. Не проходит и года, как идея де-Бройля дает ростки в целом ряде физических центров мира.

В 1925 году профессор Геттингенского университета в Германии Макс Борн высказывает мысль, что волна де-Бройля — это «волна вероятности». Она определяет вероятность того, что электрон, отразившись от кристалла, попадает в данное место фотопластинки. Она вообще определяет вероятности любых событий, происходящих с электронами и с другими частицами в мире атомов.

Но события не с каждым электроном в отдельности, а с очень большими их группами. Иными словами, волна материи определяет некий статистический закон поведения электронов.

Так ли это? В жизни мы наблюдаем множество статистических закономерностей. Они описывают результаты большого числа одинаковых явлений. При этом несущественно, тысячу раз повторяется явление с одним предметом, или же тысяча предметов один раз демонстрирует это явление.

Можно выпустить тысячу одинаковых пуль по одной мишени одновременно, а можно произвести по той же мишени тысячу выстрелов подряд. Так или иначе, результат окажется почти совершенно одинаковым.

Этот результат состоит в том, что пулевые пробоины распределятся на мишени по вполне определенному закону. Если нет ветра, если пули во всем одинаковы, если у идеального стрелка не дрожит рука, то все пули лягут в десятку. Но, конечно, всегда есть слабые потоки воздуха, две пули всегда в чем-то слегка различны, рука стрелка всегда совершает мелкие непроизвольные движения, которые невозможно точно учесть, столь они случайны. И пули попадут на мишень по закону распределения случайностей.

Этот закон можно изобразить на рисунке. Для этого по одной оси графика надо отложить расстояние от центра мишени до пробоин, а по другой — соответствующие числа пробоин.