Частицы материи также являются волнами
В течение первых десятилетий XX в. многие крупнейшие физики‑теоретики
неустанно трудились над разработкой математически строгой и физически
обоснованной теории, объясняющей остававшиеся доселе неведомыми свойства
микромира. Так, под руководством Нильса Бора был достигнут значительный
прогресс в объяснении свойств света, излучаемого атомами водорода при высокой
температуре. Однако эта и другие работы, выполненные до середины 1920‑х гг.,
представляли собой скорее временный союз идей XIX столетия с впервые
полученными концепциями квантовой механики, а не гармоничную систему понимания
мироздания. По сравнению с ясными и логичными системами ньютоновских законов
движения или электромагнитной теории Максвелла, разработанная только частично
квантовая механика находилась в хаотическом состоянии.
В 1923 г. молодой французский аристократ, князь Луи де
Бройль, добавил новый элемент в квантовую мешанину, который вскоре помог
разработать математический аппарат современной квантовой механики и принес ему
Нобелевскую премию 1929 г. по физике. Вдохновленный цепочкой рассуждений,
восходящих к специальной теории относительности Эйнштейна, де Бройль
предположил, что корпускулярно‑волновой дуализм применим не только к свету, но
и к веществу. Его аргументы, если опустить детали, состоят в том, что
эйнштейновское уравнение Е = тс2 связывает массу с энергией; но с другой
стороны, Планк и Эйнштейн связали энергию с частотой волн. Объединяя эти два
факта, можно прийти к выводу, что масса должна иметь и волновое воплощение.
После долгих размышлений де Бройль предположил, что так же, как свет является
волновым явлением, которое, как показывает квантовая теория, имеет равно
обоснованное корпускулярное описание, так и электрон, который мы обычно считаем
частицей, может иметь равно обоснованное волновое описание. Эйнштейн сразу
принял идею де Бройля, поскольку она была естественным развитием его
собственного вклада в теорию относительности и теорию фотонов. Однако без
экспериментального подтверждения все равно нельзя было обойтись. Такое подтверждение
было вскоре получено в работах Клинтона Дэвиссона и Лестера Джермера.
В середине 1920‑х гг. Дэвиссон и Джермер, физики‑экспериментаторы
из лаборатории телефонной компании Белл, исследовали рассеяние электронов на
атомах никеля. Для нас их исследования интересны тем, что кристаллы никеля в
этих экспериментах действовали во многом подобно щелям в опыте, описанном и
проиллюстрированном в предыдущем разделе. На самом деле можно считать
эксперименты практически идентичными, за исключением того, что вместо луча
света использовался пучок электронов. Дэвиссон и Джермер исследовали электроны,
пропуская их через две щели, сквозь которые они могли попадать на
фосфоресцирующий экран, оставляя на нем светящиеся точки, точно так же, как на
экране телевизора, и обнаружили поразительное явление. На экране появлялась
картина, очень похожая на ту, которая показана на рис. 4.8. Эксперимент, таким
образом, показывал, что электроны создают интерференционную картину, которая
является неоспоримым признаком волн. В темных точках на фосфоресцирующем экране
электроны каким‑то образом «нейтрализовали» друг друга, совсем как при
наложении гребней и впадин волн, распространяющихся по поверхности волны. Даже
если «сжать» пучок электронов до такой степени, что один электрон будет
излучаться один раз в десять секунд, отдельные электроны по‑прежнему будут
образовывать яркие и темные полосы — по одному пятну за один раз. Как и фотоны,
отдельные электроны каким‑то образом «интерферируют» сами с собой в том смысле,
что с течением времени отдельные электроны воссоздают интерференционную
картину, которая ассоциируется с волнами. Мы с неизбежностью вынуждены
заключить, что наряду с более привычным описанием на языке частиц каждый
электрон проявляет и волновые свойства.
Описанные выше эксперименты относятся к электронам, однако
схожие эксперименты позволяют сделать вывод о том, что все вещество имеет
волновые свойства. Но как это согласуется с нашим повседневным опытом,
говорящем о том, что вещество — это нечто сплошное и твердое, и уж никак не
похожее на волны? Де Бройль предложил формулу для длины волны частиц вещества,
которая показывает, что длина волны пропорциональна постоянной Планка h. (Если
говорить более точно, длина волны определяется как частное от деления на
импульс материального тела.) Поскольку величина очень мала, длина волны также
является очень малой по обычным масштабам. Именно по этой причине волновые
характеристики материи становятся наблюдаемыми только в высокоточных
микроскопических исследованиях. Точно так же, как большая величина скорости
света с скрывает истинные свойства пространства и времени, малость маскирует
волновые свойства материи в окружающем нас мире.
|
