В данной статье, открывающей серию публикаций, затрагивающую некоторые вопросы из области квантовой механики, фразеологизм «камень преткновения» используется не в сакральном, а в своем обыденном значении некоторого препятствия на пути достижения какой-либо цели. В ходе построения квантовой механики таким препятствием для физиков, на мой взгляд, стало допущение наличия волновых свойств у частиц вещества, помимо того, что свойствами волны изначально были наделены только частицы излучения.
До недавнего времени выше упомянутый «камень» выглядел настолько подходящим на роль краеугольного камня, что тогда, в начале прошлого века, его без каких бы то ни было колебаний, сразу определили в один из «углов» фундамента возводимого здания квантовой механики. Однако значительно позже сложилось и противоположное мнение о том, что этого делать было нельзя, поскольку допущение двойственной корпускулярно-волновой природы вещественных объектов, в конце концов, вызвало превращение изначально стройной теории в подобие покосившейся пизанской башни.
Проследим за ходом физической мысли, приведшим к нынешнему положению дел в квантовой механике, которое весьма сложно назвать хотя бы удовлетворительным. Тем более что подавляющее большинство заинтересованных лиц такое положение вполне устраивает, как это следует, например, из опубликованной пять лет назад в «Нью-Йорк Таймс» статьи с прямо-таки «кричащим» заголовком-откровением:
Даже весьма далеким от физики людям, известно, что в начале XX века в центре внимания науки оказались явления и процессы, происходящие на уровне атомов вещества. Попытки их объяснения с позиций классической механики и электродинамики были тщетными. Из противоречия существующих теорий результатам экспериментов, многие «революционно» настроенные выдающиеся ученые того времени (в том числе и такие как Шредингер,
де Бройль, Бор, Гейзенберг, Борн) сделали вывод о необходимости фундаментального изменения основных классических представлений и физических законов.
Уточним, какие именно «представления и законы» должны были затронуть эти «фундаментальные» изменения. Для чего откроем, например, том III «Квантовая механика» Ландау и Лифшица, в первом же параграфе первой главы которого сразу же «спотыкаемся» о тот самый «камень преткновения», о котором идет речь в данной статье:
Оказывается, что каждая из некоторой совокупности частиц (локализованных в пространстве, единичных объектов) «в некоторых условиях» проявляет свойства волны (периодического процесса, протекающего в протяженной области пространства и охватывающего всё занимающее эту область множество частиц).
Интересно, а с какого это перепуга делается такое, по меньшей мере, неожиданное утверждение о волновых свойствах частиц вещества? Совершенно непонятное утверждение, тем более что появилось оно задолго до реализации упомянутого в приведенной выше цитате точного аналога оптического опыта Юнга с двумя щелями (эксперименты Дэвиссона-Джермера косвенно демонстрирующие волновое поведение электронов здесь не в счет).
В связи с этим, весьма показательно эмоциональное замечание Ричарда Фейнмана, в котором он пишет об упомянутом выше, но тогда еще не состоявшемся, а всего лишь «мысленном» эксперименте с прохождением электронов сквозь щели непрозрачного экрана: «В этой главе мы займемся непосредственно базовым элементом мистического поведения микрообъектов в его самой странной форме. Мы выберем для исследования невероятное явление, абсолютно немыслимое в рамках классической физики, представляющее собой сердце квантовой механики. В самом деле, это – тайна. Мы не можем раскрыть ее, объяснив, как это работает. Мы только расскажем, как это происходит …».
Несколько обескураживающее заявление для ученого, и даже с нотками пессимизма, не правда ли? Почему это, вдруг, мы не можем раскрыть тайну поведения микрообъектов? Потому что тайна интереснее? Вообще, два классических представления – частица и волна – как-то не стыкуются друг с другом, ни в рамках какого-либо третьего синтетического классического объекта, ни в рамках какой бы там ни было принципиально новой квантовой сущности. Последняя уже начинает уводить физику, с заявленного первоначально пути изменения старых представлений, в лабиринт формирования новых весьма спорных понятий и представлений. Тем временем, Ландау и Лифшиц продолжают:
Стоп, очередная заминка: а почему «этот результат никоим образом не может быть совмещен с …», и вообще, причем тут интерференция? Ведь интерференция проявляется в том, что при наложении волн (и не только электромагнитных) после прохождения ими щелей может происходить как их усиление, так и ослабление, вплоть до полного «гашения», но в данном случае через щели проходит поток частиц, и никаких волн, ни поблизости, ни на горизонте не наблюдается. Тем не менее, налицо характерная «картина маслом», состоящая из чередующихся полос разной степени освещенности, очень похожая на дифракционную картину, полученную в начале XIX века английским физиком Юнгом в экспериментах со светом, проходящим через две узкие прорези в непрозрачном экране.
И что тут голову ломать, когда вот же она – подходящая причина для последовавших из наблюдаемого подобия картинок выводов! Например, вот, как выглядят результаты экспериментов в случае дифракции на двух щелях электронов (а) и света (б). Первая фотография несколько увеличена, по сравнению со второй:
Действительно, даже с поправкой на разный масштаб изображений, очевидно, что и электроны, и фотоны «рисуют» практически одно и то же – нечто напоминающее «зебру» для перехода пешеходов через дорогу.
Понятно, что дальше, для сторонников волновой концепции света все пошло в масть: продолжатели дела Юнга и приверженцы взглядов Гюйгенса и Френеля, всего лишь на основании такого поразительного внешнего сходства изображений, не колеблясь ни минуты, объявили о наличии волновых свойств у частиц вещества.
Однако не стоит забывать, что видимость весьма обманчива. Перефразируя известный афоризм Козьмы Пруткова, можно сказать, что слон никогда не станет буйволом, тем более, только от того, что на его клетке сделана надпись «буйвол».
Наблюдаемая в эксперименте с электронами картина вполне может быть не тождественной, а лишь похожей на дифракционную картину, формирующуюся в результате наложения световых волн, что вовсе не означает обязательного наличия способности к интерференции также и у каждой отдельно взятой частицы. Не думаю, что с самого начала никто не пробовал объяснить наблюдаемое на экране за щелями распределение частиц какой-нибудь иной причиной. Да, вот только слово корпускулярной оптики, как тогда ничего не значило против слова волновой оптики, так и сейчас ничего не значит, хотя корпускулярное описание явления дифракции, как света, так и электронов не менее эффективно, чем его волновая интерпретация (об этом в статье «Оптический угорь» Гримальди-Ньютона).
Однако, так или иначе, но дело было сделано – корпускулярной теории света указали на дверь … О том, как развивались события в описываемом противостоянии в дальнейшем, поговорим подробнее в следующей статье на заявленную тему.