Главная загадка квантовой механики

Согласно, едва ли, не самому удивительному физическому принципу, всё во Вселенной, в том числе фотоны, электроны и атомы, проявляют одновременно свойства как частиц, так и волн. У многих в голове сейчас сидят заумные термины из квантовой физики: Кот Шрёдингера, Бог, играющий в кости, квантовая сцепленность. Так вот, всё это прямые следствия принципа корпускулярно-волнового дуализма. Кому-то он покажется бредом и, в самом деле, вот волны на воде, вот камни. Спрашивается, что между ними общего и кому пришла в голову мысль их объединить?

Теория о двойственной природе всего сущего возникла у физиков не на ровном месте. Она стала результатом долгого и кропотливого процесса сбора отдельных фактов в цельную картину, подобно составлению головоломки из отдельных кусочков. Эйнштейн, который в 1905 году впервые поставил всерьез вопрос о двойственной природе света, исходил из более ранней гипотезы Макса Планка. Этот ученый, который искал объяснение изменению цвета нагреваемых тел, наподобие спирали в лампочке, неизбежно приходил к парадоксальному выводу. Каждое такое тело состоит из излучающих объектов, испускающих свет не непрерывно, а отдельными порциями, энергия которых определяется частотой света. Планка такое объяснение не устраивало. А вот Эйнштейн ухватился за него моментально. Он распространил умозаключение Планка на сам свет, сделав вывод: свет, который до этого считался волной, на самом деле, поток частиц, несущих энергию отдельными порциями. Эту теорию, объясняющую испускание электроном металлической поверхностью под воздействием света, Эйнштейн называл единственным своим революционным открытием. Даже те, кто встретил теорию в штыки, не могли не признать, что она работает.

Далее эстафету перехватил английский физик Эрнест Резерфорд. В 1909 году его сотрудники Эрнст Марсден и Ганс Гейгер, изучавшие происхождение альфа частиц через золотую фольгу, обнаружили неожиданный эффект. Иногда частицы от неё отражались. Это говорило о том, что основная масса атома сосредоточена в крохотном ядре. Модель атома Резерфорда, в которой электроны вращаются вокруг ядра, проходят в начальной школе до сих пор. Недостаток этой модели заключается в том, что она не работоспособна. Согласно представлениям классической физики, вращающиеся электроны испускают электромагнитные волны, к которым относятся радиоволны и рентгеновские лучи. Согласно модели Резерфорда, электрон за короткое время, высвободив всю свою энергию, должен был по спиральной траектории упасть на ядро. Как резонно заметил Нильс Бор, сотрудничавший с Резерфордом, датский физик-теоретик, наличие атомов отрицать нельзя, а значит законы физики нуждаются в пересмотре. По гипотезе Бора электроны в атоме движутся по определенным орбитам, не выделяя при этом энергии. Ее излучение или поглощение происходит только в момент перехода с одной орбиты на другую, причём в виде квантов, что соответствует гипотезе Планка-Эйнштейна. Модель Бора устранила недостаток модели Резерфорда, заодно объяснив дискретный характер излучения атомов. Спектр частот, излучаемых тем или иным атомом, определяется его набором электронных орбит.

Но был у теории Бора и свой недостаток. Она не объясняла причин наличия выделенных орбит. Здесь на сцену вышел французский физик Луи де Бройль, который замкнул круг рассуждений, указав, что если свет, который до этого считался волной, ведет себя как частица, то и электрон, который до этого считался частицей, может вести себя как волна. Приняв эту гипотезу, объяснить наличие выделенных орбит в модели Бора становится проще простого. Однако гипотеза о волновом поведении электрона требовала экспериментальных подтверждений. Английские и американские ученые получили, через несколько лет лабораторных опытов, простой и наглядный эксперимент по демонстрации двойственной природы электронов. Заключается он в обстреле одиночными электронами двухщелевой мишени. В присутствии детекторов, определяющих, через какую щель пролетает электрон, он ведет себя как частица. Но, если детекторов нет, ряд повторений эксперимента даст характерную волновую картину распределения. Физическая теория, гласящая, что частицы могут вести себя как волны и наоборот, сколь трудна для понимания, столь и плодотворна. Как гласит знаменитое высказывание Ричарда Фейнмана: двухщелевой эксперимент - главная загадка квантовой механики. Но именно он позволил собрать воедино фрагменты когда-то неразрешимой головоломки.