Дополнительность корпускулярной и волновой картин

Вернемся теперь к самому основному вопросу: как электрон может быть одновременно и волной и частицей? Дать простое объяснение здесь очень трудно. Как показала неожиданная двойственная характеристика вещества, наши обычные представления о движении частиц не годятся для описания того, что происходит в мире атомов. В конце концов, эти понятия возникли в результате опыта человека, полученного при изучении видимых предметов, которые во много миллиардов раз больше атомных частиц.

Для того чтобы понять, что происходит в этом микромире, надо быть готовым оставить привычный способ мышления и заменить его новыми понятиями, навязанными нам природой.

Одна из черт классической физики, которую надо исследовать в связи с атомными явлениями, относится к их «делимости». Существует представление, что каждый физический процесс можно мысленно разложить на последовательность отдельных частных процессов. Согласно этому представлению, каждый процесс можно проследить шаг за шагом в пространстве и во времени, по крайней мере теоретически. Орбиту электрона вокруг ядра мы представляем себе как последовательность малых перемещений. Совместимо ли такое описание с тем, что на самом деле находится в атоме?

Согласно нашему обычному взгляду на вещи, электрон должен быть либо частицей, либо волной. Он не может быть одновременно и тем и другим. Внимательно следя за электроном вдоль всего его пути, мы должны решить этот вопрос и отнести электрон к одной или к другой категории. Вот здесь и возникает проблема делимости атомных явлений. Можно ли осуществить такую слежку? При этом возникают и технические трудности. Для того чтобы тщательно «рассмотреть» детали строения орбиты, следует применять свет с очень малыми длинами волн, ибо можно увидеть лишь такие объекты, размер которых значительно больше длины волны используемого для наблюдения света. Однако свет с такой малой длиной волны отвечает весьма большой частоте, т. е. очень большому кванту энергии. Действительно, у света с длиной волны порядка диаметра атомной орбиты квант энергии настолько велик, что его более чем достаточно, чтобы выбить электрон из атома. Попадая на электрон, он столкнет его с орбиты и разрушит самый объект нашего исследования.

Этот результат характерен не только для тех случаев, когда при исследовании электронных орбит применяется свет. В самом общем случае все результаты измерений, на основе которых должно быть вынесено решение о волновой или корпускулярной природе электрона (или протона, или любой другой частицы), обладают тем же свойством. Если произвести такое измерение, объект полностью изменит свое состояние вследствие самого этого действия, и полученный результат будет относиться не к исходному состоянию, а к тому, в котором оказался объект благодаря измерению. Однако это последнее состояние имеет столь большую энергию, что больше не проявляет волновых свойств.

Квантовая природа, или зернистость, света и всех других средств наблюдения не позволяет отличить волновую картину от корпускулярной. Она не дает возможности разделить орбиту на последовательность перемещений, независимо от того, идет ли речь о смещениях частиц или о волновых колебаниях. Если мы насильственно подразделим интересующий нас процесс и попытаемся посмотреть на волну более пристально, чтобы увидеть, где «на самом деле» находится электрон, то мы где-то обнаружим его как реальную частицу, но разрушим при этом неуловимую индивидуальность квантового состояния. Волновая его природа исчезнет, а с нею вместе исчезнут и характерные свойства атома. В конце концов, ведь именно эта волновая природа обусловливает типичные свойства квантовых состояний: простую форму, возвращение к первоначальной форме после возмущения и все другие специфические свойства атомов.

Утверждение о волновой природе электрона сделано на основании представления о неделимости квантовых состояний. Весьма важное новое понимание квантовой физики состоит в признании того, что индивидуальные квантовые состояния образуют неделимое целое, которое существует только до тех. пор, пока на него не воздействуют проникающие средства наблюдения. В своем квантовом состоянии электрон не является ни волной, ни частицей в старом понимании. Квантовое состояние — это форма существования предоставленного самому себе электрона в условиях, характеризующихся малой энергией. Он является некоторой определенной индивидуальностью, конфигурация которой отвечает волновому движению со всеми его особыми свойствами, распространяющимися на ограниченную область пространства. Любая попытка увидеть детали этой волны путем прямого наблюдения неизбежно разрушит ее, так как средства наблюдения сообщат системе столь большое количество энергии, что условие малости последней перестанет быть справедливым.

На данной стадии нашего обсуждения становится вполне естественным вывод, что предсказание атомных явлений иногда должно носить лишь вероятностный характер. В качестве примера этого положения попытаемся предсказать точное место, в которое должен попасть электрон после разрушения его квантового состояния под действием излучения большой энергии. Если квантовое состояние исследовалось тонким пучком света, то можно сказать, что электрон будет находиться где-то в области соответствующей ему волны, но нельзя точно предсказать его место. В таком случае можно делать только вероятностные предсказания, например, можно сказать, что с наибольшей вероятностью электрон будет находиться там, где соответствующая ему волна обладает наибольшей интенсивностью[38].

Квантовая механика дала нам неожиданный, но чудесный ответ на очень важный вопрос. С одной стороны, атомы суть малые частицы вещества; считается, что они неделимы и наделены всеми характерными свойствами вещества, частицами которого они являются. С другой стороны, атомы имеют какую-то определенную структуру; они состоят из электронов и ядер, которые обязательно должны совершать механические движения, похожие на движения, совершаемые планетами вокруг Солнца. Следовательно, трудно себе представить, чтобы атомы обладали указанными выше свойствами.

Ответ на этот вопрос был получен после открытия квантовых состояний, которые до известной степени удовлетворяют первому требованию. Волновые свойства наделяют атом свойствами тождественности, целостности и специфичности, но область, в которой сохраняются эти характеристики, ограничена. Только если атомы подвержены воздействию, меньшему некоего характеристического порога, они сохранят свою тождественность и свои специфические свойства. При более сильном воздействии они теряют свои типично квантовые свойства и их поведение становится нетипичным, а именно таким, какого следовало бы ожидать, исходя из механических свойств их внутренней структуры.

Квантовые состояния нельзя описать в рамках механической модели. Это новое состояние материи, отличное от того, которое дает нам опыт с крупными объектами. Оно обладает особым свойством ускользать от обычных наблюдений, так как подобные наблюдения обязательно изменяют условия существования квантовых состояний. Великий датский физик Нильс Бор, который сделал больше всех для разъяснения этих представлений, ввел для описания создавшейся ситуации специальный термин — дополнительность. Два описания атома — подобное волне квантовое состояние, с одной стороны, к планетарная модель, с другой, — являются дополнительными описаниями, причем каждое из них одинаково правильно, но применимо в различных условиях.

Квантовые состояния могут существовать только до тех пор, пока атом свободен от внешних воздействий или пока энергия этих воздействий меньше квантового порога. Тогда атом находится в состоянии, характерном только для него, и ведет себя, как неделимое целое. Так обстоит дело, когда наше вещество находится в нормальных условиях. Однако, если мы попытаемся рассмотреть детали квантового состояния при помощи какого-либо точного инструмента, мы обязательно сообщим атому слишком большое количество энергии. При этих условиях атомы ведут себя так, как если бы они находились при весьма высокой температуре, т. е. в виде плазмы. Тогда мы увидим, что электроны превратились в обычные частицы, движущиеся под действием силы притяжения ядра, без каких-либо квантовых явлений, в точности так, как можно было бы ожидать, имея дело с обычными «старомодными» частицами.

Атомные явления представляют нам действительность гораздо более богатой, чем мы привыкли видеть ее в классической, макроскопической физике. Волновые свойства квантовых состояний, неделимость таких состояний, тот факт, что мы не можем полностью описать атом при помощи привычных понятий и объектов, например частиц или классических волн, — со всем этим нам не приходится сталкиваться в макромире. Поэтому описание атома не может быть в такой же степени отделено от процесса его наблюдения, как и описание классическое. Мы можем описать атомную реальность, только честно сказав, что происходит, когда мы наблюдаем явление различными способами, хотя непосвященному может показаться невероятным, что один и тот же электрон ведет себя так различно, если его наблюдают в двух взаимно дополнительных ситуациях. Но эти свойства не делают электрон менее реальным, чем что-либо, наблюдаемое в природе. Квантовые состояния электрона — это основа реальности, которую мы видим вокруг себя.