Квантовые волны

Как можно объяснить, что электрон, проходящий сквозь одну щель, «знает» о другой? В качестве подсказки рассмотрим более подробно картинку, показанную на рис. 8.2 в. Эта картинка с чередующимися полосами по типу «светлая — темноватая — тёмная» хорошо знакома любому физику. Она говорит нам — нет, она кричит — волны! Если вы когда-нибудь бросали в воду два камешка и потом наблюдали, как возникающие волны разбегаются и накладываются друг на друга, вы поймёте, что я имею в виду. Там, где гребень одной волны накладывается на гребень другой, результирующая волна высока; там, где впадина одной волны совпадает со впадиной другой волны, также впадина и у результирующей волны; но самое главное происходит, когда гребень одной волны пересекается со впадиной другой волны — тогда волны гасят друг друга и поверхность воды остаётся гладкой. Всё это проиллюстрировано на рис. 8.3. Если бы мы положили экран детектора на картинку, на которой отражён уровень волнения в каждой точке — чем сильнее волнение, тем ярче, — то результат предстал бы на экране в виде чередующихся ярких и тёмных областей. Там, где волны усиливают друг друга, что приводит к повышению уровня воды, находятся яркие области; тёмные области соответствуют самому низкому уровню воды там, где волны гасят друг друга. Физики говорят, что накладывающиеся волны интерферируют друг с другом, и называют чередование тёмных и светлых полос интерференционной картиной.

Рис. 8.3. Когда две волны на поверхности воды накладываются, они «интерферируют», образуя чередование областей с бо́льшим и меньшим волнением, что называется интерференционной картиной

Сходство с рис. 8.2 в совершенно очевидно, поэтому глядя на данные по рассеянию электронов, мы начинаем думать о волнах. Хорошо. Это уже кое-что. Но детали происходящего по-прежнему остаются неясными. Что за волны? Откуда они? И как они связаны с частицами, такими как электроны?

Следующую подсказку даёт эксперимент, о котором я упомянул вначале. Собранные данные о движении частиц показывают, что полученные закономерности носят исключительно статистический характер. Проведя точно такие же измерения над идентично приготовленными частицами, мы увидим, что частицы, вообще говоря, окажутся в других местах; однако проведя большое количество таких измерений, мы обнаружим, что частицы в среднем обладают одинаковой вероятностью оказаться в любом заданном месте. В 1926 году немецкий физик Макс Борн, собрав воедино эти две подсказки, выдвинул неожиданную идею, которая спустя почти три десятилетия привела его к Нобелевской премии. Итак, есть экспериментальное подтверждение, что волны здесь как-то при чём. Есть экспериментальное подтверждение, что и вероятность здесь как-то при чём. Возможно, предположил Борн, волна, связанная с частицей, является волной вероятности.

Это была поразительно оригинальная идея. Суть в том, что анализируя движение частицы, не стоит представлять её как камешек, летящий отсюда туда. Наоборот, следует думать о ней как о волне, бегущей отсюда туда. Там, где значения волны велики, у её гребней или впадин, обнаружить частицу наиболее вероятно. Там, где значения малы, обнаружить частицу маловероятно. В тех местах, где значения равны нулю, частица оказаться не может. По мере того, как волна катится вперёд, значения меняются, возрастая в одних местах и уменьшаясь в других. Поскольку мы интерпретируем осциллирующие значения как осциллирующие вероятности, такая волна по праву называется волной вероятности.

Для уточнения картины рассмотрим, как это объясняет данные эксперимента с двумя щелями. Квантовая механика говорит нам, что движение электрона по направлению к пластинке на рис. 8.2 в следует считать бегущей волной, как на рис. 8.4. Когда волна падает на пластинку, из щелей выходят два фрагмента волны, которые движутся далее по направлению к экрану детектора. А дальше происходит очень важное явление. Подобно перекрывающимся волнам на поверхности воды, волны вероятности, выходящие из двух щелей, перекрываются и интерферируют, приводя к картине, как на рис. 8.3. Распределение больших и малых значений отражает, согласно квантовой механике, распределение больших и малых вероятностей для положений, в которых может оказаться электрон. Электроны, испущенные друг за другом, дают суммарную картину попаданий, которая согласуется с такой вероятностной картинкой. Большинство электронов попадает туда, где вероятность велика, совсем немного оказывается там, где она мала, и ни одного электрона в тех местах, где вероятность равна нулю. В итоге возникают тёмные и светлые полосы, показанные на рис. 8.2 в. 91

Рис. 8.4. Описание движения электрона с помощью бегущей волны вероятности объясняет загадочный интерференционный узор в эксперименте с двумя щелями

Именно так квантовая теория объясняет полученные данные. То, что каждый электрон действительно «знает» о двух щелях, становится при таком описании явным, поскольку волна вероятности каждого электрона проходит сквозь обе щели. Именно объединение двух таких парциальных волн определяет вероятность того, куда попадёт электрон. Именно поэтому само наличие второй щели влияет на конечный результат.