Техника - молодёжи 1947-01, страница 17

я не уничтожаются. Нет, они остаются прежними отдельными электронами. Но по какой-то неведомой причине вылетают они из тонкой пластинки металла, поставленной на их пути не как попало, не во все стороны, а так, что попадают потом на экран только а некоторых,- строго определенных местах. И с поразительной точностью всегда получается^ так, что именно в этих местах должны упасть волны, дифрагированные кристаллической решеткой металла.

По диаметру колец на экране можно высчитать длину этой предполагаемой «электронной волны», как бы управляющей электронным полетом. Оказывается, эта длина зависит от скорости электронов и выражается в ангстремах или долях ангстрема.

Много опытов проделали физики всего мира с дифрагирующими электронами после открытия этого нового явления. Они заставляли их проходить через тонкие пластинки из самых различных веществ. Они изучали законы их отражения от всевозможных металлов. И всегда получалось, что электроны вылетали из вещества только так, как это предписывали им правила дифракций волн. Они не желали лететь иначе!

И тогда дерзкие идеи овладели учеными в лабораториях. Если могут дифрагировать электроны, то почему бы не дифрагировать и другим частицам материи—атомам, молекулам?

И происходило невероятное: частицы, которые тяжелее в тысячи раз электрона — атомы и молекулы, дифрагировали, отражаясь от вещества. Они вели себя, как волны. Они переставали подчиняться законам обычной механики, управляющей полетом частиц. Они проявляли свойства, несовместимые сих обычной природой. | <

И все же они оставались частицами! Дифрагированный поток молекул водорода можно было поймать в сосуд и обнаружить в нем самый обыкновенный газ — водород. Этот водород можно было сжать под, поршнем, и его давление и объем менялись, конечно, по закону Бойля-Мариотта, известному всякому школьнику»

Мало-помалу из опытов с электронами родился новый способ исследования строения вещества — электронография. В самом деле, не вдаваясь в объяснения всех этих чудес, можно было воспользоваться дифракцией электронов для изучения кристаллических решеток веществ с таким же успехом, как и применяя рентгеновские лучи. Так возник в лабораториях новый физический прибор — электронограф.

Ну, а объяснение?

Оно не запоздало. Мало того, оказалось, что оно было уже налицо в той отрасли современной теоретической физики, которая называется квантовой физикой. Но оно было таким смелым, это объяснение, таким странным, что прозвучало для многих лишь как новая загадка. И многие ученые, чтобы освоиться с ним в полной мере, должны были длительно к «ему привыкать. Посмотрим, что это за объяснение.

Наука о микромире

П редставим себе курицу, высидевшую утиные яйца.

Материнское ослепление долго не дает ей заметить, каких уродов произвела она на свет. Она не видит, что у них вместо острых клювов — широкие, как долото, носики, что на их лапках — перепонки. В ней не зарождается и тени сомнений в цыплячьей природе своего суетливого выводка. Она учит их разгребать мусор и немного огорчается, что они так непонятливы. Ее слегка удивляет, что они не пищат по-цыплячьи. Но ничего, привыкнут! И вот семейство проходит мимо лужи. Только что мамаша собирается обстоятельно объяснить деткам, с какой осторожностью надо подходить к воде, чтобы напиться, как весь выводок внезапно кидается в воду. Миг-—и весь десяток уже плывет, ныряет, барахтается в воде... А несчастная мать, кудахтая и хлопая в отчаянии крыльями, мечется вокруг лужи. Бедная курица!

А ведь положение физики с ее частицами-волнами даже хуже, чем у этой курицы с ее необычайными цыплятами. В своем материнском горе курица сумеет, быть может, утешиться мыслью, что истина, хотя бы и горькая, дороже в конце концов приятного заблуждения. Она думала, что ее дети — цыплята, оказалось, что они утята. Это грустно, но вполне объяснимо.

Но физика, увы, лишена подобного утешения. Она никак не может сказать про свои атомы, электроны, молекулы, что это вовсе не частицы; а волны, что ученые попросту до сих пор ошибались, принимая их за частицы. А камера Вильсона? А опыты, в которых удается точно измерить заряд и массу одного электрона? Ведь настоящая волна не имеет заряда. Волна не имеет и массы. Нет, это частицы, это цыплята, а не утята!

А все-таки они ведут себя, как утята! — говорит физик, рассматривая фотографию электронных колец» полученную в электронографе. — Они умеют плавать —они дифрагируют. Нет, это не частицы, а какие-то волны!

И в этом безнадежном споре одинаково достоверных фактов нельзя даже утешиться предположением, что электроны— это волны и частицы одновременно, своеобразная помесь того и другого, какая-то новая порода цыплят с утиным

носом, умеющих плавать. Нет, и это не так. Там, где они частицы, в них нет решительно ничего волнового, а там, где они ведут себя, словно волны, в них не найти ничего от частиц. Это или цыплята, или утята — смотря по обстоятельствам.

Вот так загадка! Эти электроны прямо какие-то оборотни!

Совершенно верно. Это именно «оборотни», умеющие прикидываться то тем, то другим. Это не цыплята и не утята. Это не частицы и не волны. Электроны лишь могут принимать их обличья, проявлять их свойства, не будучи ни тем, ни другим. В этом есть разгадка тайны электрона. А чтобы она не прозвучала лишь новой загадкой, нужно несколько разъяснений.

Мы установили неоспоримый факт: электроны могут »выказывать признаки частиц, иногда — волн. После этого мы начинаем спор: волны они или частицы?

Но что, в конце концов, означают эти понятия — частица, волна? Откуда они у нас появились?

Как и всякие понятия, они взяты из нашего опыта, они пришли к нам из мира вокруг.

'А мы живем в мире больших вещей. Мы измеряем наши комнаты метрами, покупки в магазине мы вешаем килограммами. В нашем мире волны — это бегущие водяные валы во время шторма на море, ia частицы —это летящая пуля, брошенный камень или вертящийся мяч на футбольном поле. Эти волны и частицы большого мира двигаются в нем по законам механики — науки, с помощью которой мы строим дома, рассчитываем полет аэроплана или изобретаем новый мотор. И эти открытые нами законы ^механики — результат нашего опыта в мире больших вещей.

И вот, вооруженные этим опытом повседневности, мы приступаем к изучению мира атомов и электронов — мира непостижимой малости, где десятимиллионная доля миллиметра — солидное расстояние. Беда, если мы входим в этот невидимый мир с предвзятой уверенностью, что в нем все обстоит точно так же, как и в нашегй видимом мире! Этим самым мы навязываем этому малому миру — микромиру —- понятия и законы физики больших вещей. - И мы совершаем роковую ошибку — мы преступаем границы разумного применения этих законов- и¹ этих понятий.

Эта догадка о неподвластности микромира законам и понятиям обычной физики есть великое достижение ученых XX века, открывших дифракцию электронов и целую цепь подобных же «странных» явлений.

Из этой догадки и этих открытий родилась новая наука — наука о микромире. Ее называют квантовой физикой У нее свои законы — законы микромира» свои правила и понятия.

Величайшей заслугой ученых XX века является то, что они не "испугались странных и чудесных законов квантовой физики. Они открыли и приняли их как подлинные з?аконы природы, управляющие миром малых вещей. И как только был сделан в науке этот революционный шаг, как только утвердилась эта блистательная победа человеческого разума, так перестала казаться непонятной и дифракция электронов,

Она нашла себе полное объяснение в одном из главных законов квантовой физики, именуемом «принципом неопреде* ленности». И, зная этот закон, современный ученый не удивляется, что электроны, прошедшие через кристаллическую решетку металла, не похожи на град камней, пролетевших через чугунную решетку садовой ограды. Его не поражает, что «частица ведет себя, как волна», потому что он знает, что в микромире не может быть волн и частиц в обычном значении этих понятий, и эта фраза — только описание некоторых свойств электрона на языке привычных нам образов. И современный ученый может дать вполне ясный ответ на вопрос, что же такое, в конце концов, электрон: это попросту предмет нашего изучения, обладающий такими-то и такими-то свойствами и подчиняющийся законам квантовой физики.

Из этих законов как раз и следует, что «частицы» микромира— электроны и атомы — обладают свойствами, которые для нас проявляются, как волновые: мы можем предсказать их движение в веществе, пользуясь правилами распространения волн. Есть и другое следствие. Оно утверждает, что свет или рентгеновские лучи — это не всегда только электромагнитные волны: иногда они ведут себя, как поток «частиц»— фотонов или квантов энергии. Но рассказ о фотонах должен уже составить предмет отдельной статьи,

is

Снимок дифракции электронов от золотой фольги