Реникса (второе издание) (с илл.)

Если законен подход к атому как к любой машине, то почему бы не спросить: какого цвета электрон? Вопрос как будто правильно поставлен. Но на самом деле он бессмыслен. Дело в том, что цветность связана с движениями электрона. Следовательно, понятие цвета к электрону неприменимо. Говорить о цвете электрона столь же бессмысленно, как рассуждать о слаженности футбольной игры одного-единственного игрока, тренирующегося на поле.

Уже на этом примере становится ясно, что суждения, вполне содержательные по отношению к большим предметам, могут стать бессмысленными в отношении микрочастиц.

Казалось бы, вполне осмысленная фраза: «Электрон прошел через отверстие в экране в таком-то направлении и, проходя через отверстие, имел такую-то скорость».

До того как было обнаружено на опыте, что все частицы обладают волновыми и корпускулярными свойствами, ни у кого не возникло сомнения, что этими словами можно описывать поведение электрона с тем же успехом, как, скажем, поведение маленькой горошинки.

Но на рубеже второй четверти нашего века было показано, что поток электронов, проходящих через отверстия в экране, создает интерференционную картину так же, как и свет.

Это касается всех элементарных частиц. У более сложных и тяжелых частиц волновые свойства становятся тем менее заметными, чем больше их масса. Когда речь идет о больших молекулах, разговор на уровне горошинок становится оправданным.

Напомним, что интерференционные картины возникают лишь в волновых процессах и демонстрируют их в школе с помощью водяной ванны. Волны на воде складываются по простому закону: если в какую-нибудь точку обе волны приходят в фазе гребня, они усиливают друг друга, а если впадина одной волны накладывается на; гребень другой, то в этом месте будет ровная водяная поверхность. Впрочем, не будем описывать школьные уроки. Бросьте в пруд близко друг от друга два камня и изучайте законы сложения волн.

Поведение водяных волн превосходно моделирует интерференцию света или потока электронов. Представьте себе экран с двумя близкими отверстиями. Волна доходит до плоскости экрана, проникает сквозь отверстия, и за экраном отверстия сами становятся источниками круговых волн. На другом экране — приемнике — возникает картина из чередующихся темных и светлых полос. Светлые там, где волны усиливают друг друга, а темные в тех местах, куда они приходят в противоположных фазах.

С точки зрения волновых представлений все ясно, все как на ладони. Понятно и со светом — это поток электромагнитных волн, а поток электронов — это поток электронов (шариков, как мы условились). Если один электрон прошел через одно отверстие, а другой через другое, то вроде бы им не положено знать про поведение друг друга, и на экране они должны дать однотонную картину! А если они, так сказать, незнакомы, то как можно объяснить на корпускулярном языке такую согласованность в их отклонениях, которая приводит к закономерному чередованию темных и светлых полос? Ведь если одну диафрагму загородить, то интерференционная картина исчезнет! Значит, оттого, что мы мешаем электронам проходить через одну диафрагму» меняется характер их прохождения через вторую и, может быть, они сами меняются! А это уж ни в какие ворота не лезет.

Итак, нельзя объяснять интерференцию электронов, говоря об этих частицах как о горошинках. Но, с другой стороны, ведь можно же физическими приборами проследить за движением одной частички и выяснить, через какое из отверстий она прошла? Можно! А тогда получается, что и нельзя и можно говорить о частицах на корпускулярном языке. Парадокс?

Мы уже предупреждали читателя: если использовать слова и логику для рассуждения об опытных фактах, то такие противоречия не могут возникнуть. Парадоксы появляются тогда, когда мы выходим за рамки эксперимента.

Объяснить, в чем тут дело, удалось одному из величайших физиков нашего века, Нильсу Бору. Путем рассмотрения различных мысленных опытов Бор показал, что невозможно в принципе одновременно следить за траекторией частицы и наблюдать интерференционную картину. Если начнем следить за движением электрона — разрушим (размажем) интерференционную картину. Будем разглядывать чередование полос на экране — ничего не сможем сказать о том, как двигались электроны.

«Оказалось, — пишет Бор, — невозможно провести резкую границу между поведением атомных объектов самих по себе и их взаимодействием с измерительными приборами, которые определяют самые условия возникновения явлений».

Разговор об электроне как о горошинке оказался лишенным смысла. Мы не можем предложить в принципе такой опыт, который помог бы установить одновременно положение и скорость элементарной частицы. Таким образом, вопрос о том, чему равна скорость частицы, проходящей какую-то точку пространства, столь же бессмыслен, как и вопрос о том, кто ходит вниз головой — мы или наши антиподы.