Журнал «Вокруг Света» №12 за 2005 год

Во многом непонятность и загадочность квантовомеханических картин проистекает из положения дел в современной физике, пока не прояснившей до конца природы элементарных частиц. Гипотезу о корпускулярно-волновом дуализме частиц вещества впервые в 1924 году выдвинул французский ученый Луи де Бройль. Он утверждал, что электроны, атомы и их более сложные сочетания могут проявлять одновременно два свойства: быть волной и частицей. С одной стороны, электроны и атомы ведут себя как частицы: поглощаются и испускаются поштучно, обладают скоростью и импульсом. Но с другой — для них характерны признаки волнового процесса: дифракция и интерференция. В одних условиях проявляются их волновые свойства, в других — корпускулярные.

Эксперименты вскоре подтвердили идею де Бройля, и всем стало ясно, что дуализм — неотъемлемое свойство нашей Вселенной и его следует принять как реальный факт. Кстати, и большим телам можно приписать волну де Бройля, так что журнал, который вы держите в руках, в то же время — немного волна с определенной длиной. Только его волновые свойства могут проявиться на очень малых расстояниях, несоизмеримых с нашими возможностями.

Молекулы сталкиваются всегда и везде. Компьютерная модель изображает этот процесс изнутри: цветными нитями обозначены траектории отдельных атомов, входящих в состав молекул. Частицы летят сверху, сталкиваются в центре и разлетаются вниз, обменявшись энергией и импульсом

Венцом квантовой механики стало знаменитое уравнение, выведенное, а точнее будет сказать, угаданное, австрийцем Эрвином Шредингером в 1926 году. В подобную удачу до сих пор трудно поверить, настолько она невероятна. Уравнение Шредингера само по себе очень сложное, кроме того, у фигурирующей в нем неизвестной пси-функции физическим смыслом обладает лишь ее квадрат. Однако оно имеет фундаментальный характер, описывая свойства частиц, из которых состоит материя: атомов, электронов, протонов, нейтронов. С тех пор разделение всего сущего на частицы и волны потеряло актуальность, коль скоро частицы вещества оказались «немного волнами», а излучение— «немного частицами». Это уравнение описывает массу частных случаев в микромире. Например, состояние связанных электронов в атомах или прохождение свободных электронов через электрическое поле. К тому же уравнение предсказывает необычную форму «орбит» электронов в атомах — в виде облаков, имеющих к тому же волновую структуру. Но жизнь электронных облаков, кружащихся вокруг атомных ядер, принципиально отличается от явлений классической механики, к которым мы привыкли. Здесь уже нельзя говорить об определенной траектории движения частицы. Ее состояние описывают посредством волновой функции, определяющей вероятность обнаружения частицы в той или иной точке пространства, что, собственно, и есть решение уравнения Шредингера. Электроны вроде как «размазаны» внутри атома, причем невозможно в конкретный момент точно определить их скорость и местоположение.

Вверху: Рефракция света. Такие переливы возникают в неоднородной среде, где световые лучи собираются в определенных местах— каустиках, как их называют оптикиВнизу: Проходя через полупроводник, два потока электронов взаимодействуют с его положительно заряженными ядрами и преломляются случайным образом. В результате создается картина ветвления

Еще одно, совершенно удивительное явление микромира — туннельный эффект, заключающийся в возможности частиц проникать через потенциальные барьеры. Решение уравнения Шредингера для волн-частиц, заключенных в «потенциальную яму», то есть связанных силами внутриатомного и внутриядерного взаимодействия, предсказывает их неклассическое поведение. В нашем мире вода, текущая внутри трубы, ни в коем случае не может проникнуть сквозь ее стенки (разумеется, мы предполагаем, что все трубы идеально целые). Но в квантовом мире все наоборот! Частицы, сидящие в потенциальных ямах, могут проникать сквозь барьеры энергетического туннеля. Причем силы их притяжения неимоверно больше, нежели силы, удерживающие воду в трубе.