Волновые свойства частиц
В некоторых ситуациях частицы проявляют волновые свойства, а волны — свойства частиц. Взаимоисключающие в классической физике понятия «волна» и «частица» в квантовой теории оказались не столь простыми.
Если событие, произошедшее в точке A в некоторый момент времени, является причиной события в точке B в последующий момент времени, то это значит, что из точки A в точку B прибыла либо некоторая частица, либо волна.
Волна и частица — понятия классической физики, имеющие вполне определенный смысл. Частица — это локализованный в пространстве объект, перемещающийся с определенной скоростью вдоль некоторой кривой (траектории).
Волна — распространение возмущения состояния некоторой сплошной среды или поля. Волна не обладает определенной локализацией и траекторией (она «размазана» в пространстве).
В микромире деление на волны и частицы оказывается не таким однозначным. Объекты, которые по всем прочим признакам следует считать частицами, проявляют волновые свойства, а возмущения поля, которые в классической физике считались бы волнами, обладают свойствами частиц.
Когда говорят, что частицы проявляют волновые свойства, то под этим понимают следующее.
Исходное представление классической механики о частице как точечном объекте, перемещающемся вдоль определенной траектории, в микромире оказалось неприменимо. В некоторых ситуациях понятие траектория частицы теряет смысл.
Пусть поток частиц (для определенности — электронов), исходящий из удаленного источника, падает на непрозрачный экран с достаточно узкой щелью. За экраном находится другой экран, и на нем регистрируются места попаданий частиц, прошедших через щель (для электронов это может быть экран типа экрана телевизора — при попадании на него электрона происходит точечная световая вспышка).
Проходя через щель, частицы могут рассеиваться, взаимодействуя с краями щели, в результате чего распределение частиц на экране за щелью (яркость свечения в случае электронов) должно иметь вид, представленный на рисунке (на графике изображена величина, пропорциональная числу частиц, попавших на единицу площади экрана в данном месте экрана). Так и получается на самом деле.
Усложним эксперимент. Сделаем две щели.
Классическая физика и здравый смысл предсказывают, что распределения от обеих щелей сложатся, и результирующее распределение будет иметь вид, представленный на рисунке.
На самом деле распределение будет иметь вид, показанный на следующем рисунке. Это распределение замечательно тем, что на экране имеются точки (например, точка A), в которые попадают частицы, пройдя любую щель (при закрытой другой), но при открытых двух щелях не попадают.
Можно предположить, что такое распределение есть результат какого-то взаимодействия между частицами, прошедшими через обе щели. Это предположение может быть проверено экспериментально.
Взаимодействие будет исключено, если поток частиц от источника сделать настолько слабым, что в каждый момент времени в пространстве между щелями и экраном будет находиться не более одной частицы. При этом частицы на экране будут регистрироваться в разных точках (случайных, на первый взгляд), но если отследить достаточно большое число частиц, то получим то же самое распределение!
Распределения от двух щелей не складываются.
Частица, проходя через любую из щелей, попадает в точку A. Но при двух открытых щелях она туда не попадает.
У каждой щели можно поставить устройство (например, микроскоп), позволяющее фиксировать прохождение частицы через щель. Теперь, кроме экрана со щелями имеются устройства, взаимодействующие с частицами в области щели.
И в этом случае если частица обнаруживается в одной щели, то в другой ее нет. Частица не раздваивается. Картина на рисунке похожа на интерференцию волн от двух когерентных источников.
Именно это имеют в виду, когда говорят, что частицы проявляют волновые свойства.
Интерференционные картины от двух щелей в ситуации с электронами (а) и светом (б). (Фото а получено проф. Тюбингенского университета К. Йенссоном.)
Волновые свойства частиц делают неприменимым язык классической механики. В ситуациях, в которых становятся существенными волновые свойства частиц, понятие траектория частицы теряет смысл. В этом случае рушится вся схема классической механики.
Нет траектории — нет скорости, нет скорости — нет ускорения, нет ускорения — не к чему применять второй закон Ньютона.
