Я расскажу историю о том, как могла бы создаваться квантовая механика. В реальности, конечно, она создавалась не так, но мне, хотелось бы рассказать ее именно так, как будто бы это делал один ученый, чтобы подчеркнуть, как развивается научный процесс. Мы будем иметь в виду какого-нибудь основательного ученого, который основательно подходит к изучению предмета. На эту роль хорошо подходит Вильгельм Рентген, как это ни странно звучит, потому что обычно считается, что он случайно открыл свои электромагнитные волны — рентгеновское излучение. На самом деле он их не только открыл действительно случайно, но он их еще и столь основательно изучил, что в течение двадцати лет, пока его излучение не стали рассеивать на кристаллах, ничего нового про них сказать не могли. Даже при жизни Резерфорда Рентген считался лучшим экспериментатором человечества. Помимо этого, он известен был своей скромностью, и это связано с его основательностью.

Представьте себе, что Рентген знает о планковском спектре излучения абсолютно черного тела. Знает о том, что для того, чтобы интерпретировать этот спектр, нужно предположить, что свет поглощается и излучается квантами. А помимо этого, он знает об эйнштейновской интерпретации фотоэффекта.

В чем заключается фотоэффект? Представьте себе поверхность металла. Представьте себе разность потенциалов между металлом и какой-то подложкой. Понятно, что, так как это воздух в промежутке между металлом и подложкой, никакого тока нет. Вы можете направить на металл электромагнитные волны, например свет. И вы видите следующее явление: если вы зафиксируете частоту этого света, не меняете его частоту, но меняете его интенсивность, то ток не появляется, если частота достаточно маленькая. Потом вы, вместо того чтобы наращивать интенсивность, фиксируете интенсивность, начинаете наращивать частоту и видите, что начиная с некоторой частоты появляется ток. При этом если вы при этой частоте начнете увеличивать интенсивность, то и интенсивность тока повышается. То есть ток начинает течь начиная с какой-то частоты.

Интерпретацию этого явления дал Эйнштейн, и заключается она в том, что электромагнитные волны состоят из потока частиц, каждая из которых несет энергию, пропорциональную ее частоте. Начиная с определенной частоты фотоны могут сообщить электронам в металле определенную энергию, а электроны начиная с какой-то энергии (у них есть порог) способны вылетать из металла, поэтому появляется ток.

С этой интерпретацией, несмотря на объяснения, Эйнштейн пошел дальше: он считал, что электромагнитные волны состоят из квантов. Но с этой интерпретацией не был согласен даже Планк (и много кто другой). Когда Нобелевскую премию Эйнштейну фактически давали за фотоэффект, Планк специально оговаривал, что несмотря на то, что это ересь, Эйнштейн все равно заслуживает этого. Это было уже в 1920-е годы.

Представьте себе, что Рентген решил проверить этот спор между Эйнштейном и Планком — кто из них прав, действительно ли электромагнитные волны состоят из отдельных частиц, квантов. Значит, он знает, что свет проявляет свои волновые свойства в интерференционном эксперименте.

В чем заключается этот эксперимент, известно со времен Ньютона, который поставил его следующим образом. Он использовал дневной, то есть солнечный, свет — тогда ламп не было. Солнечный свет белый, он не монохроматичный, не когерентный, поэтому на нем интерференционную картину не построишь. Но если его пропустить через цветное стеклышко, то у вас получается почти когерентный свет с какой-то характерной частотой. Например, вы можете через красное или зеленое стеклышко пропустить.

После этого свет пропускается через экран, в котором сделаны две маленькие, близко расположенные дырочки, а на экране, на котором вы наблюдаете интерференционную картину, видно следующее: концентрические кольца. У вас там светлое пятно, потом кольцо темное. Темное, светлое, темное, светлое, соответствующего цвета. Идеальность картины зависит от монохроматичности, размера дырок и достаточно близкого их расположения. А так как идеальной монохроматичности достичь невозможно, то картина всегда приблизительно размытая. Чем ближе к идеальности, тем более четкая она. Здесь свет проявляет свои волновые свойства. Какие тут могут быть вопросы? Где здесь частицы, вообще непонятно.

Допустим, Рентген умеет понижать интенсивность этого света. Он говорит: «Если свет состоит из частиц, то я, понижая интенсивность, добьюсь того, что у меня свет будет состоять из отдельных — одной, двух, трех — частиц». Вот он добился очень низкой интенсивности. И пусть у него экран достаточно чувствительный, что он может видеть отдельные фотоны, чувствовать отдельные фотоны. Это значит, что чувствительность экрана в десять раз превышает чувствительность человеческого глаза. Тогда что он видит? Он видит не цельную интерференционную картину с концентрическими кольцами, а отдельные всплески. Действительно, выглядит так, будто бы отдельная частица пролетела через дырку и попала туда.

Рекомендуем по этой теме:
2174
Квантовая оптика

Но при этом он видит достаточно странную картину. Действительно, свет состоит из частиц. Казалось бы, можно остановиться на этом. Но если бы он состоял просто из частиц, получалась бы следующая картина: частицы пролетают через дырку, он бы видел два пятна. Но он не это видит! То есть он видит, что фотоны попадают не в эти конкретные области, в которых два пятна должны быть. А фотоны попадают в более-менее любую точку на экране. Соответственно, Рентген, как человек основательный, говорит: «Давайте посмотрим, какая картина наберется, если подождать достаточно долго». Пусть у него экран может записывать, куда попали фотоны. И потихонечку он набирает из точек буквально эти же концентрические кольца, как были от сплошного потока электромагнитной волны. То есть, с одной стороны, действительно, свет состоит из частиц, но каждая из этих частиц ведет себя как волна. То есть она как бы интерферирует сама на себе на этих двух дырках.

Но даже на этом Рентген не останавливается и задается вопросом, что есть другое проявление свойств света. Известно, что свет рассеивается на заряженных частицах. Как это рассеяние происходит? Это не дифракция. У вас есть точечная заряженная частица, на нее налетает электромагнитная волна, которая воздействует на эту заряженную частицу, начинает колебать. Колеблет она ее с той же частотой, с какой упала. Частица движется с ускорением, излучает, рождает электромагнитные волны с той же частотой, только во всех направлениях. Так как они с той же частотой, они монохроматичны или когерентны с падающей волной. Соответственно, можно построить интерференционную картину из этих двух волн.

Если прибор достаточно чувствительный, видно, что интерференционная картина размывается. Размывание связано с тем, что рассеянная волна несет частоту меньшую, чем падающая. И выглядит так, как будто бы не электромагнитная волна упала на электрон и его «зашатала», а как будто бы частица ударила по электрону, сообщила ему энергию, сама потеряла, соответственно, частота уменьшалась, и она рассеялась. Падающий свет и рассеянный имеют различные частоты, поэтому не интерферируют друг с другом.

Но даже на этом Рентген не останавливается. Он человек основательный, ему не надо писать гранты, он известный на весь мир за счет своего рентгеновского излучения, он спокоен, уверен в себе и продолжает дальше исследовать. Он пытается посмотреть на интерференционную картину еще глубже. Допустим, он может не просто менять стеклышко, как Ньютон, а подстраивать частоту электромагнитного излучения. И он видит следующую картину: когда он увеличивает частоту, все ближе и ближе становится к двум просто окружностям. Если частота очень высокая, то есть длина волны очень короткая, свет ведет себя четко как частицы, просто пролетая через эти две дырки и практически не интерферируя на них. Когда очень маленькая частота, то есть эти дырки большие по сравнению с ней.

Параллельно идут опыты Резерфорда, которые убеждают человечество в том, что атом — это маленькое ядро, окруженное электронной оболочкой, ― в том смысле, что электроны, как планеты вокруг Солнца, вращаются вокруг ядра. Тогда они не знали, что это не совсем так, они предполагали, что это так. Тогда возникал вопрос: что же это такое, как электрон может вращаться и не излучать? Потому что если он вращается, он движется с ускорением и должен излучать, должен терять энергию и со временем упасть на ядро. Но этого не происходит.

Попутно с этим возникает предположение Нильса Бора о том, что энергии электронов могут только квантоваться. То есть они могут приобретать конкретные значения, а не все значения, не произвольные значения. Воспользовавшись этой идеей, он получает спектры атомов. Просто теоретически предсказывает те спектры атомов, которые наблюдаются на эксперименте. Однако непонятно, почему электрон может иметь только этот дискретный набор уровней энергии. Безусловно, идея Нильса Бора была инспирирована квантами Эйнштейна, Планка или Рентгена (Рентген в данном случае, конечно, не исторический, а вымышленный персонаж). Бор предположил, что электроны могут приобретать определенные дискретные энергии, а не произвольные. Не очень понятно почему.

Помимо этого, попутно с электронами ставятся эксперименты. У света мы в повседневной жизни с легкостью видим волновые свойства. А чтобы увидеть странные свойства частиц у света, мы должны изощряться, придумывать какой-то эксперимент, специально создавать условия, чтобы эти свойства увидеть.

У электронов все наоборот. Если мы их видим в повседневной жизни, они с легкостью проявляют свои частичные свойства, а чтобы они проявляли волновые свойства, нужно исхитриться, поставить какой-то эксперимент. Люди поставили эксперимент, в котором видна интерференционная картина на электронах ― они ведут себя как волны тоже. Этот клубок приводит к тому, что открывается уравнение, которое описывает волновые свойства электронов, и это уравнение Шрёдингера. Решением этого уравнения являются спектры атома водорода. Это уже развитая теория, это уже не догадки.

С другой стороны, непонятно, волны чего электроны и фотоны. Потихонечку приходит понимание, что это волны вероятности. Потому что у вас есть волна вероятности, что фотон может пройти с какой-то вероятностью через одну или через другую дырку, и есть интерференция между этими двумя амплитудами вероятности, которая приводит к интерференционной картине для фотонов. Но это уже интерпретационные вещи, безусловно. Я вам рассказал то, что наблюдается, а интерпретационная вещь так устроена, что пишется какой-то математический аппарат, при помощи этого математического аппарата не качественно, а точно, количественно описываются эксперименты. И вследствие количественного совпадения утверждается, что это математическое описание описывает природу, а не просто измышления из головы. Так развиваются события с созданием квантовой механики.

Я рассказал сказку о том, как создавалась квантовая механика, и не отдал должное, безусловно, тем выдающимся людям, которые в создании этой квантовой механики участвовали, пусть они меня простят за это. Но просто сделал это, чтобы подчеркнуть, как происходит процесс познания природы.