Охотники за частицами

На левом рисунке изображена обычная стрелковая мишень. Если сосчитать число пробоин между окружностями на мишени и отложить эти числа на графике в зависимости от номера окружности, то получится лесенка. Если ее сгладить, то тогда на графике появится кривая Гаусса. На правом рисунке показано, что получилось бы, вздумай мы стрелять по такой мишени электронами. Можно увидеть сразу две интересные особенности. Во-первых, электронные пробоины вышли за заштрихованный контур диафрагмы (она как бы дуло электронного ружья). А во-вторых, показанная внизу кривая не похожа на Гауссову — она спадает волнообразно.

Взгляните на полученный график.

И сравните его с другим. Это график электронного «стрелка». Он получится, если подсчитать так же, как и выше, число электронных «пробоин» на фотопленке. Графики похожи только в одном: кривые спадают по мере удаления от центра. Но вместо монотонного спадания кривой «случайностей» электронная кривая спадает волнообразно.

Вот эту-то волну Борн и предложил считать волной де-Бройля.

Как? Эта «бумажная» волна и есть то, что гордо названо волной материи?

Да, говорит Борн. Волновые свойства электрона должны проявляться тоньше, чем это мыслилось де-Бройлю. Волна теперь «ведет» частицу лишь в том смысле, что электрон взаимодействует с атомами кристалла по «волновому» закону (он и изображен на рисунке).

А этот закон уже дает волновую дифракционную картину электронов на фотопластинке.

Конечно, все это гораздо сложнее, чем вначале полагал де-Бройль. Но волновая картина проявляется на фотопластинке не сразу. Если бросить на кристалл какой-нибудь десяток электронов и затем обработать снимок, то на графике их попаданий никакой закономерности обнаружить не удается.

Что ж, нечего удивляться. Обычная мишень с десятком пулевых пробоин также не позволила бы прийти к закону «случайностей». И тот, и другой — законы статистические, они проявляются тем четче, чем больше число одинаковых явлений.

Все же на нашем снимке можно обнаружить любопытное обстоятельство. Казалось бы, электроны могут попадать лишь в те точки фотопластинки, которые не заходят в «тень» от диафрагмы, поставленной на пути пучка электронов. Вот она заштрихована на рисунке. Однако мы видим, что электроны все же заходят в «запретную» область.

Это очень существенно! Отсюда немедленно следует, что движение электронов подчиняется не старому классическому, а волновому закону. Классический электрон ни в коем случае не нарушил бы строгого запрета и не вышел бы за пределы, очерченные контуром диафрагмы на фотопластинке.

А вот волновой закон, как оказывается, разрешает электрону выходить за эти рамки. Но, правда, с небольшой вероятностью. Однако, какова бы ни была эта вероятность, если только она не равна нулю, то не этот, так другой электрон рано или поздно использует ее.

Это означает, что и сам электрон обладает какими-то необычными, с точки зрения старой физики, свойствами. Свойства эти таковы, что в массе распределение электронов в описываемом явлении оказывается волнообразным.

Что же это за свойства? О них опять же придется отложить разговор. К ним науке тех лет предстоит еще долгий путь.

Единственное, о чем сейчас можно сказать, это то, что новые свойства электрона не позволяют говорить о точном законе движения данного, выбранного для наблюдения электрона. Они не позволяют заранее точно предсказать, в какое место фотопластинки попадет данный электрон. Это можно указать лишь с некоторой степенью вероятности.

Например, в темные кольца на снимке электрон попадает с большей вероятностью, чем в светлые. Эту вероятность новая теория позволяет подсчитать. И при большом числе «попаданий» расчет действительно отлично согласуется с опытом.

Итак, вероятностный закон вместо точного закона классической физики. Не назад ли пошла физика, вместо того, чтобы двигаться вперед?

Вероятное — точнее точного

Нет, недоуменный вопрос не имеет под собой почвы. Если уж говорить об этом, то те «точные» предсказания, которыми старая физика пыталась описывать движение электронов и других микрочастиц, были не более чем миражем.

Классическая физика самонадеянно считала, что она может описать любое явление, любое движение любой частицы в любых условиях. Задай только положение и скорость частицы в некий момент времени и действующие на нее силы, и можно будет сказать все о движении частицы в последующие моменты времени, хоть через миллион лет.