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.
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.
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.