Вот вам основной закон — «конституция» микромира.
Как же все-таки объяснить необычное поведение электрона?
Много лет бьется наука над этой загадкой. Немало было горячих дискуссий, высказывались самые различные предположения.
Идеалистически настроенные ученые выдвигали нелепейшие домыслы: о принципиальной непознаваемости взаимодействия электрона с регистрирующим его прибором, о «свободе воли» частицы, ее мнимой способности «скрывать» свое состояние и самостоятельно выбирать путь движения. Все это, разумеется, не решает задачу, а ведет попросту к отказу от решения. Наука подменяется мистикой.
Не мудрено, что физики-идеалисты и здесь заходят в тупик, докатываются даже до разговоров о границах познания, о божественной таинственности микромира.
Подлинно научные причины своеобразия поведения электронов ищут ученые-материалисты.
Ни у кого не вызывает сомнений, что микрочастицы по сущности своей мало похожи на крупные тела, знакомые нам из повседневной жизни, — такие, скажем, как артиллерийские снаряды. Снаряд мыслится совершенно независимым от пространства, в котором он находится. Движение его может быть целиком определено первоначальным толчком. Дальше ему ничто не мешает — во всяком случае, в пространстве, освобожденном от воздуха.
Иное дело — электрон. Как и любая микрочастица, он, очевидно, теснейшим образом связан с окружающим пространством. Такое воззрение в последние годы нашло веские подтверждения и в теории и на опыте. Найдены доказательства того, что в природе вообще не существует абсолютной пустоты. Реальное пространство, пусть даже совершенно лишенное вещества, представляет собой наслоение всякого рода силовых полей и, как показывают тончайшие измерения, словно непрерывно трепещет. «Пустота, вакуум, — пишет советский физик Д. И. Блохинцев, — это не покой, а вечное движение, подобное зыби на поверхности моря».
Но если так, то микрочастицы просто невозможно изолировать от воздействия среды, как мы охраняли от посторонних толчков стрелу в нашей тихой комнате. Да и сами микрочастицы представляют собой, вероятно, неотъемлемую часть этой среды, «возбуждения» реального физического пространства. Используя меткий образ одного физика, можно сказать, что микрочастицы, двигаясь и взаимодействуя в пространстве, не въезжают в готовую квартиру, а сами строят себе дом. Видимо, где-то здесь и скрыта причина их необычного поведения.
Изложенный взгляд многим материалистически настроенным ученым представляется наиболее правдоподобным. Справедлив ли он на самом деле, покажет грядущее развитие науки. Нет никакого сомнения в том, что своеобразное поведение микрочастиц найдет со временем исчерпывающее истолкование. А пока наука принимает бесспорные экспериментальные факты и строит на их основе дальнейшие выводы.
Итак, выстрелив электроном по мишени, мы не сумеем заранее вычислить, в какое именно место цели он попадает. Частица может оказаться и в центре мишени, и с краю, и даже в самых, казалось бы, неподходящих местах — например, где-нибудь далеко сбоку.
Попробуйте-ка представить себе охотника, который, прицелившись в летящую утку, убивает крота в норе.
Немыслимо!
Между тем нечто подобное допускается законами микромира.
Но тогда уместен вопрос: какие же это законы? Ведь это сплошная случайность, какая-то анархия природы!
Нет, это все-таки вполне надежные законы, но законы вероятностные. Принципиально не располагая точными начальными условиями, квантовая механика знает и учитывает своеобразие их неточности. Эту возможность ведь и открывает соотношение неопределенностей. А дальше следуют вычисления возможных путей процесса. Одни оказываются более вероятными, другие — менее вероятными, третьи—вообще практически запрещенными.
Такой метод приложим, в частности, и к «стрельбе» электронами. Квантово-механическим расчетом можно предсказать, куда частица попадет с определенной вероятностью. И если электронов очень много (а так всегда и бывает), то удается весьма точно предвидеть, как они распределятся по цели при «стрельбе».
И вот что интересно: квантовомеханические вероятности весьма мало похожи на те, с которыми мы встречаемся в обыденной жизни, — скажем, при учете случайных ошибок в стрельбе по мишени.
Вот характерный пример.
Послав пулеметную очередь в маленькое окно (отвесно к стене), мы убеждены, что пули с самой большой вероятностью попадут в противоположную стену как раз против окна. С меньшей вероятностью они окажутся чуть-чуть рядом и т. д.
А как поведут себя не пули, а электроны, пущенные отвесным пучком в подобное окно (разумеется, достаточно маленькое)?
Электроны распределятся по противоположной стене на первый взгляд совершенно непонятным образом — концентрическими кругами! Правда, скорее всего, они, как и пули, ударятся о стенку точно против окна. Но немного подальше от центрального пятна появится кольцо, в котором не будет ни одного электрона. Зато потом следует резкое увеличение вероятности попадания, затем снова провал ее, опять подъем, опять провал и т. д. Получится картина, которую физики называют кольцами электронной дифракции. Подобным способом проходят через узкие отверстия и электроны, и протоны, и нейтроны, и фотоны—все «граждане» микромира.
Меняя энергию частиц в пучке, мы изменяем размещение кругов. Чем выше энергия, тем круги резче и компактнее собраны; при малой же энергии они как бы разъезжаются и размазываются.
Изучив картину «простреленной» микрочастицами мишени, мы заметим одно удивительное сходство: оказывается, подобными же концентрическими кругами распространяются, пройдя через маленькую дырочку, обыкновенные упругие волны — например, ультразвуковые. Но с волнами положение ясное. За дырочкой они в разных местах то гасят друг друга, то складываются и усиливаются — создают так называемую дифракционную картину.
Получается, что к давно подмеченному нами факту своеобразия света, который ведет себя то как волны, то как частицы, добавляется новый факт: частицы ведут себя словно волны.
Как это понять, что это за волны?
Принимая во внимание сказанное несколькими строками выше, мы можем ответить: специфика микромира заключается в том, что наши квантовомеханические вероятности распределяются подобно распространению волн. Микрочастицы движутся, послушные волнам вероятности!
Это заключение подтверждается огромной совокупностью экспериментов, наблюдений. На нем же строится математическая логика сложной и тонкой квантовой теории.
