Интерференция электронов.

Для человека, который понимает – что такое интерференция, и еще не очень хорошо понимает – что такое электрон, словосочетание «интерференция электронов» звучит как «соленый сахар». Так как мы не понимаем пока ни того, ни другого, разберемся для начала с интерференцией. Это просто. Бросим в воду школьный учебник физики. От него во все стороны пойдет волна – равномерные колебания. Теперь изменим опыт: на некотором расстоянии друг от друга бросим в воду не только учебник физики, но еще и учебник химии. От каждого из них пойдут одинаковые волны. Измерения высоты этих волн (то есть амплитуды) покажет, что максимальная высота волны над линией горизонта составит 5 сантиметров. Но что случится, когда эти волны дойдут друг до друга и начнут пересекаться? Если в некоторую точку поверхности воды обе волны придут на своем максимуме, это означает, что их энергия сложится, и если в этом месте будет плавать медуза, она подпрыгнет высоко – на 10 сантиметров. Особенно приятной ей будет так воспарить, когда ее соседка окажется на том месте, где сойдутся минимумы волн – та нырнет аж на 10 сантиметров вместе с «прогнувшейся» в этом месте поверхностью волны. Но все это будет мало трогать третью медузу, которая так выбрала место своего задумчивого пребывания, что максимум одной волны в этой точке совпадет с минимум другой, и в итоге они сложатся и погасят друг друга – медуза не сдвинется с места несмотря на то, что вокруг нее все будет прыгать вверх и вниз!

Посмотри на фотографию: там как раз показано распространение волн от двух источников. Чередование светлых и темных полос – это и есть типичная интерференционная картина. Светлая полоса находится там, где совпали или максимум или минимумы интенсивностей волн – о таком случае говорят, что волны пришли в эту точку в одной фазе. Темная полоска там, где максимум пришелся на минимум и они погасили друг друга – то есть волны пришли в противофазе. Удивительно, да? Свет + свет иногда дает тьму!

Можно поставить интересный опыт. Поставим рядом друг с другом два динамика, из которых «изливается» звук одной и той же высоты (то есть одинаковой частоты звуковой волны, так как именно частота звуковой волны ответственна за высоту звука, который мы слышим). Если мы включим их по очереди, мы услышим этот звук определенной громкости. Если мы включим их одновременно, громкость удвоится. Но если теперь один из динамиков мы начнем приближать к нам, оставив второй на месте, то громкость начнет… ослабевать, пока совсем почти не затухнет – это случится в тот момент, когда максимум одной звуковой волны совпадет с минимумом другой.

Интерференционная картина – характерное свойство волн. И в конце XIX века экспериментаторы обнаружили к своему изумлению, что если сквозь две щели пропускать электроны, а не свет, то на экране мы тоже обнаружим интерференционную картину. Но электроны – не волны! Это частицы, мы точно это знаем. Исходя из наших знаний о том, что электрон – это частица, мы построили уже кучу теорий, провели множество расчетов, вычислений масс, энергий, мы построили уже приборы и эти приборы работают, мы расщепляем ядра и получаем результат, совпадающий с прогнозами. Электрон – точно частица! А значит – не может быть в принципе никакой интерференции. А она есть.

Представь себе, что ты стоишь перед бетонной стеной. В ней – две вертикальные узкие щели. Ты стреляешь в нее из автомата. Позади стены – экран. Ты целый день стреляешь в бетон, и как ты думаешь – что ты увидишь, если заглянешь за стену и посмотришь на экран? Совершенно ясно – в экране будут узкие щели-дырки – в тех местах, куда попадали пули, пролетающие сквозь щели в стене. И уж конечно – этих щелей будет тоже ровно две – каждая напротив соответствующей щели в бетонной стене. Это потому что пули – частицы. А если мы сделаем то же самое с электронами, то вместо двух щелей на экране мы увидим множество щелей – типичная интерференционная картина. И это противоречит здравому смыслу.

Но еще не все потеряно. А что если электроны ударяются в края щелей в бетонной стене, разлетаются в стороны… нет, тогда было бы равномерное рассеяние, но никак не четкие ряды освещенных полосок, расположенных через равные промежутки. А что, если электроны друг с другом как-то сталкиваются… чтобы закончить с этим, был проведен удивительнейший эксперимент, и когда ученые его провели, они почувствовали шевеление волос на голове. Они решили стрелять в бетонную стену одиночными электронами при открытых обеих щелях. Выпустили один электрон и посмотрели – а куда он упал? Можно свихнуться, но он упал НЕ напротив щели, а в сторону, туда, где пролегает одна из множества интерференционных полос при двух открытых щелях при массовом обстреле электронами – на экране эти полосы выглядят как освещенные участки. А что если мы… закроем вторую щель и оставим одну? Клёвая идея. Закрыли. Электрон стал падать В ТОЧНОСТИ в одну единственную полоску напротив той, в которую он влетал. То есть он стал вести себя как стопроцентная частица, как пуля. Приоткрыли вторую щель – бац – и снова одиночные электроны перестали ложиться строго за щелями. Он что, каким-то образом «знает» о том, что вторая щель открыта?? Если электрон был бы частицей, он пролетал бы сквозь одну из щелей по той же самой траектории независимо от наличия или отсутствия второй щели.

В дальнейшем ученые столкнулись еще раз с тем, что одну из самых неразрешимых проблем можно решить только в том случае, если мы скажем, что электрон – это волна. И получилось противоречие невозможное. А решилось оно простым выводом: электрон (как и любая другая элементарная частица) – это НЕ частица и НЕ волна. Соломоново решение. И оно безусловно верное. Описание электрона как частицы мы дополнили описанием его, как волны. В этом суть «принципа дополнительности», введенного Нильсом Бором. Элементарная частица – это некоторый непостижимо устроенный объект, который иногда проявляет себя как частица, и тогда мы можем с успехом описывать его поведение, как поведение частицы, делать предсказания, строить теории и приборы на основании этих теорий и эти приборы будут работать. А иногда он ведет себя в точности как волна, и мы будем описывать его поведение как волны, и строить теории и приборы и они тоже будут работать. То, что ты сейчас говоришь по мобильному телефону, возможно только потому, что этот прибор построен с учетом и того, что электрон это частица, и того, что он волна. И оно работает.

Можно сказать еще и так: при некоторых способах наблюдения мы видим электрон как частицу, а при других – как волну.

Итак – необходимо твердо усвоить: электрон (или любая другая элементарная частица) – это не «частица и волна одновременно» - такого быть не может, частица это частица, а волна это волна. Это некий загадочный объект, который в некоторых условиях ведет себя в точности как частица, так что мы для простоты говорим, что сейчас он и есть частица, а в некоторых условиях он ведет себя в точности как волна, и мы для простоты так и говорим, что сейчас он является волной.

И если электрон – не частица, то это означает, что у него нет свойств частицы, например у него НЕТ траектории. Он не движется по траектории и не имеет определенной скорости в определенной точке, он даже и не находится в определенной точке. Электрон иногда ведет себя так, что нам удобно представить, как будто у него есть траектория, но на самом деле траектории у него нет, так как он не частица.

Пролетая сквозь кристалл, электрон взаимодействует одновременно со всеми миллионами атомов, расположенных в тысячах слоев – именно так можно объяснить возникающую картину дифракции. Представить это трудно. Мы еще к этому вернемся.