Глеб Анфилов - Искусственное Солнце

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.

Как мы теперь видим, квантовая механика — не что иное, как наука о вероятностях микропроцессов. И итоги ее дали физикам ключ к четкому пониманию многих странностей микромира. С нею мы можем наконец уяснить противоречивую сущность света. Не будет ошибкой сказать: в микромире свет есть поток частиц, фотонов, но проходящий через узкую щель по волновым вероятностным законам.

Волны вероятности — хозяева атома. Это они указывают разрешенные орбиты электронам, устанавливают «фотонное меню», командуют ионизацией. А сейчас мы расскажем о самой, пожалуй, любопытной сфере их деятельности.

Давайте опять займемся спортом — на этот раз лыжным и даже горнолыжным.

Спортсмен скатывается с горы. Лыжи скользят отлично, и он птицей слетает вниз. Но впереди еще гора — более высокая. Лыжник с разгону поднимается до половины ее высоты, однако в конце движется все медленнее. Энергия разгона иссякает. Вот он остановился. Видимо, ему придется подниматься до перевала собственными усилиями?

Ничего подобного!

Он вдруг словно входит в гору, просачивается через нее насквозь и спустя мгновение тихонько съезжает вниз по ее противоположному склону!

Что это, волшебство?

Нет. Лыжная прогулка совершается в микромире, а там подобные чудеса разрешены законами природы, выводами квантовой механики.

Все дело снова в волнах вероятности.

Взамен классической вполне достоверной невозможности появляется неполная невозможность, маловероятность. Оказаться по ту сторону горы, не поднимаясь на ее вершину, для микролыжника примерно то же самое, что электрону, прошедшему сквозь узенькое окошко, оказаться на дифракционной картине где-то сбоку, в месте, недопустимом для «классической» пули.

Словом, если вы примете гражданство микромира и ваши микросограждане попросят вас перепрыгнуть через четырехэтажный дом, то вы не сможете заявить: «Я не сумею перепрыгнуть».

Вам придется сформулировать ответ так:

«Я, вероятно, не сумею...»

И с какой-то долей вероятности вы все-таки перепрыгнете — причем без больших усилий, как бы плавно перенесетесь через дом. Ради наглядности мы говорим «перенестись через дом», «просочиться сквозь гору» и т. д. На самом деле квантовая механика не занимается тем, как преодолевается непреодолимое. Устанавливается лишь самый этот факт.