Волновые свойства вещества

 

     Начнём рассуждения о волновых свойствах вещества с нескольких интересных цитат.

     «Известный физик-теоретик Ричард Фейнман как-то заметил, что хотя квантовая механика существует уже более полувека, её до сих пор не понимает ни один человек в мире. И тут же добавил: он может утверждать это вполне смело.
     С первого взгляда это кажется просто невероятным! Как же так? Ведь с помощью квантовых законов рассчитываются тончайшие явления микромира и выводы подтверждаются опытом с огромной точностью, иногда до миллиардных долей процента!
     Более того, квантовая механика уже давно используется на практике – например, лазер был изобретён, рассчитан и создан на основе квантовых законов. Эти законы управляют работой электронных микроскопов, используются при проектировании многих полупроводниковых приборов, с их помощью объясняют явление сверхпроводимости. Квантовая механика нашла применение в химии, и даже биологии. Как же можно говорить, что никто её не понимает?
    И тем не менее в утверждении Фейнмана есть большая доля истины.» (В.Барашенков «Понимаем ли мы квантовую механику?» Знание – Сила №4/1983г. стр.9)

     «Удивителен и непонятен следующий факт. Представим себе, что электрон попадает на поглощающий экран, в котором проделаны два отверстия. Электрон пройдёт через одно из этих отверстий и оставит точечный след на фотопластинке за экраном. Повторяя многократно этот опыт, мы должны получить на фотопластинке наложение картин от электронов, прошедших через одно отверстие, и электронов «воспользовавшихся» вторым отверстием. Казалось бы, это – единственно возможный результат, другого и быть не может. Так вот, ничего подобного! На пластинке получается отчётливая интерференционная картина – как от столкновения двух волн на воде. Но ведь электроны направлялись на экран по очереди, один за другим, так что сквозь экран каждый раз проходил только один электрон, поэтому столкнуться и интерферировать он мог лишь… сам с собой. Другими словами, он каким-то образом должен стать «один в двух лицах» и ухитриться пройти сразу сквозь два далеко отстоящих друг от друга отверстия.
     Невероятный вывод! Может быть, электрон распадается на какие-то куски? Но тогда, закрыв одно из отверстий, можно было бы «поймать» кусочек электрона, который прошёл сквозь оставшееся отверстие. Опыт показал, что никаких кусков от электрона не откалывается и сквозь отверстие каждый раз проходит вполне нормальный, совершенно целый электрон.
     Этот результат кажется просто невозможным, противоречащим самой элементарной логике, - всё равно что войти в зал с двумя дверями и столкнуться лбом с самим собой! И тем не менее никакого другого объяснения наблюдаемому ходу событий с точки зрения ньютоновской механики дать нельзя: точно известно, что электрон прошёл через одно отверстие, а фотопластинка говорит, что он раздваивался. Как будто мы имеем дело с электроном и с его двойником – призраком!
     Необъяснимое, «противоестественное» поведение микрочастиц многими физиками воспринималось как конец их науки, которая, казалось им, добралась до исходного, «первозданного микрохаоса», «праматерии», где уже нет никаких законов. Знаменитый голландский физик Лоренц в 1924 году с горечью писал: «Где же истина, если о ней можно делать взаимно исключающие друг друга утверждения? Способны ли мы вообще узнать истину и имеет ли смысл заниматься наукой? Я потерял уверенность, что моя научная работа вела к объективной истине, и я не знаю, зачем жил; жалею только, что не умер пять лет назад, когда мне всё ещё представлялось ясным». Было от чего прийти в отчаяние.
     Как шутили в то время физики, по чётным дням недели им приходилось пользоваться уравнениями Ньютона, а по нечётным – доказывать, что эти уравнения неверны». (В.Барашенков «Понимаем ли мы квантовую механику?» Знание – Сила №4/1983г. стр.9)

     «Теоретическая путаница возникала и при попытках понять природу света. Что это – частица или волна – ещё триста лет назад ожесточённо спорили Ньютон и Гук. Фольклорное эхо донесло до наших дней немало пикантных подробностей словесных баталий, то и дело выходивших далеко за рамки научных дискуссий. Говорят, что после одного из споров, в котором темпераментный и не стеснявшийся в выборе выражений Роберт Гук превзошёл самого себя в язвительной критике ньютоновской теории световых частиц и её автора, последний решил вообще не публиковать своих трудов по оптике, пока жив Гук. Но главной причиной была, конечно, не полемическая страстность и необузданный характер Гука, а сила приводимых им фактов. Только с помощью волновых представлений можно было объяснить, почему прибавление света к свету может не только увеличить, но и уменьшить освещённость, порождая сложные интерференционные картины, или почему, например, свет огибает мелкие препятствия и на краях тени всегда есть заметная полутень.
     В течении трёх веков физики были убеждены, что свет – это волновое движение какой-то сверхтонкой, заполняющей всё пространство материи. Однако, начиная с конца 19 века, стали быстро накапливаться факты, для объяснения которых пришлось допустить, что свет – это поток отдельных не связанных между собой частиц. Сталкиваясь с электронами атомов вещества, эти частицы – их стали называть фотонами – рассеиваются подобно бильярдным шарикам. В тех случаях, когда их энергии недостаточно для полного отрыва электрона от атома, электрон переходит на большую орбиту – атом возбуждается, но вот что удивительно: во всех этих процессах энергия световой частицы каждый раз оказывается обратно пропорционально длине световой волны, то есть определяется каким-то непонятным коллективным эффектом. Фотон хотя и не связан с другими фотонами, но всё же «чувствует» их присутствие, и все вместе они составляют световую волну. Получается так, как будто фотон несёт гребень какой-то таинственной нематериальной волны. И чем больше энергия фотона, тем короче волна.
     Это очень похоже на то, как поток электронов проходит сквозь щели в экране. Каждый электрон тоже ведь пролетает сквозь какую-то одну щель, и здесь он также как будто знает о своих собратьях, которые взаимодействуют с экраном до и после него, и располагается на фотопластинке так, чтобы в целом получилась единая интерференционная, волновая картина.
     Французского физика Луи де Бройля аналогия в поведении электронов и частиц световой волны навела на мысль о том, что любой микрочастице, независимо от её природы, сопутствует некая «волна материи». Подобно мифическому сфинксу, полульву – получеловеку, микрочастица, по мнению де Бройля, тоже объединяет в себе, казалось бы, несовместимое – волну и корпускулу. Де Бройль предположил, что не только у фотона, но и во всех других случаях длина «волны материи» обратно пропорциональна энергии связанных с ней частиц. И хотя физическая природа этих волн (их стали называть дебройлевскими) оставалась загадочной, они хорошо описывали сложные интерференционные узоры в опытах с электронами, а позднее и с более тяжёлыми частицами – протонами и даже молекулами. Перед физиками встала интригующая задача – понять и объяснить происхождение удивительных волн». (В.Барашенков «Понимаем ли мы квантовую механику?» Знание – Сила №4/1983г. стр.9)

     Теперь можно приступить к рассуждениям о том, что же скрыто за волнами де Бройля и какова их природа. Ведь до сих пор нет внятного непротиворечивого ответа о физической природе этих волн, и что же придаёт микрочастицам волновые свойства. Иногда говорят, что волны де Бройля – это волны вероятности.
     Опираясь на предыдущие рассуждения, напрашивается вывод, что волны де Бройля – это магнитное поле движущихся частиц, то есть их кинетическая энергия. В случае с фотонами можно сказать, что они частицы, так как существуют отдельно друг от друга, то что они на 100% являются кинетической энергией придаёт им явно выраженные волновые характеристики. В случае с частицами, имеющих как потенциальную энергию (гравитационную массу), так и кинетическую (магнитное поле), волновые свойства как раз зависят от кинетической энергии частицы.
     Теперь обратимся к электрону и двум отверстиям. Наличие второго отверстия он может «почувствовать» магнитным полем, окружающим его при движении и неразрывно с ним связанным. (Более того – энергия магнитного поля окружающего электрон при движении является его кинетической энергией и поэтому является его неотъемлемой частью). На это явление накладывается то, что при одинаковом направлении движения электронов, расположение их магнитных полюсов, на плоскости перпендикулярной движению различно, так как зависит от первоначальных условий движения электрона (То есть все испускаемые электроны совсем не одинаковы как мы себе представляем). И тогда сила Лоренца, сдвигающая электрон, будет направлена для каждого электрона согласно расположению его магнитных полюсов. Но и это ещё не всё. Края отверстия состоят из атомов, и тогда магнитное поле пролетающих электронов может взаимодействовать с магнитным полем электронов в атомах поглощающего экрана. Тогда магнитные полюса пролетающих электронов могут сдвигаться. Электроны пролетают последовательно, и взаимодействовать друг с другом они не могут. Но атомы поглощающего экрана никуда не денутся (особенно важны атомы экрана, которые и составляют поверхность отверстий). И тогда каждый последующий, как и предыдущий электрон могут с ними взаимодействовать с помощью магнитного поля. И поэтому получается сложная интерференционная картина на фотопластинке.
     С точки зрения нашего предположения, волновые свойства частиц получают объяснение. Получается довольно простая, легко воображаемая картина. И нет никакого запрета на использование законов «классической» физики. Необходимо только делать поправку на законы электричества и магнетизма.
     Так же получает объяснение физическая природа волн де Бройля. Волны де Бройля – это магнитное поле окружающее движущиеся заряженные частицы. Зная характеристики этого волнового процесса (магнитное поле находится в движении) можно в какой-то мере рассчитать вероятность событий. Но сами волны де Бройля волнами вероятности не являются. Кто-нибудь может себе представить волны вероятности? Вероятность – это возможность осуществления чего-нибудь, и поэтому это понятие скорее информационное или математическое.