Волновые свойства частиц

Проведём мысленный эксперимент. Пусть у нас имеется экран, в экране щель, на эту щель падает поток частиц (для определённости электронов),2) на пути этого пучка ставим непрозрачный экран со щелью, а за ним ставим другой экран, на котором регистрируются попадания электронов.3) Если пучок достаточной интенсивности, то мы будем наблюдать вот такое распределение интенсивности свечения (рис.1.а). Если электроны пускать поштучно, наберём статистику, получим такое же распределение.

Ставим две щели. От одной щели получаем такое распределение, от другой тоже, они накладываются, и ожидаемая картина такая (рис.1.b).

Что тут удивительного? А удивительно вот что: в эту точку 1) от одной открытой щели они попадают, если её закрыть, другую оставить, от другой они сюда тоже попадают, открываем две щели – не попадают. От каждой попадают, от двух щелей не попадают, это, конечно, уже удивительное обстоятельство. Можно подумать, что эти пучки электронов от двух щелей как-то хитро взаимодействуют друг с другом. Можно проверить взаимодействуют или нет: пучок электронов можно сделать очень слабым, ну, поштучно пропускать (один пустили и ждём, другой пустили и ждём…), тогда мы будем регистрировать на экране одиночные акты попадания (тут выпала точка, тут выпала точка…). Будет следующее: если они летят поштучно при открытой верхней щели, а нижней закрытой, мы получим, набрав статистику, вот такое распределение (рис.1.a), закроем верхнюю щель, откроем нижнюю, получим такое же распределение, откроем обе щели – опять такое (рис.1.с).

Он летит один, – если открыты две щели, он сюда (см. примечание 1) никогда не попадёт, открыта одна щель, он сюда попадёт. Тогда спрашивается, откуда он знает, что делается со второй щелью, открыта она или закрыта она, или он проходит одновременно через две щели, раздваивается? Тоже можно проверить, как проверить? В принципе, можно наблюдать прохождение частицы через щель (грубо говоря, в микроскоп). Посадим двух наблюдателей, начнём поштучно пропускать электроны, тогда, если один наблюдатель кричит «есть», то другой молчит, у него нет, – электрон не раздваивается. Опять встаёт тот же вопрос, откуда он знает о второй щели? И ответ такой: вопрос снимается сам собой! Если мы здесь поставим этих наблюдателей, которые фиксируют прохождение электронов либо здесь, либо здесь, вот эта вся картина (рис.1.c) разрушается, получается вот такая (рис.1.b). Вот таково поведение частиц, и именно вот это поведение выражается словами частицы обладают волновыми свойствами. Почему волновыми? Да, потому что это типичная картина интерференции от двух щелей.

Если мы имеем две щели, то мы должны считать, что на эти щели падает волна, получается интерференционная картина. Если мы имеем две щели с микроскопами, частица ведёт себя как частица и никакой интерференции не происходит. Это резюмируем так, что в определённых ситуациях частицы проявляют волновые свойства, то есть демонстрируют вот такую интерференционную картину, в других определённых ситуациях они ведут себя как нормальные частицы.

Тот факт, что открыты две щели или открыта одна щель влияет на распределение частиц на экране, говорит о том, что понятие траектории неприменимо, потому что, когда идёт такое распределение, нельзя приписать электрону определённую траекторию. Потому что траектория должна была бы проходить либо здесь, либо здесь, она не может пройти одновременно через две щели, а он ведёт себя так, как будто он знает про вторую щель. Значит, понятие траектории не применимо, ну и соответственно рушится тогда вообще вся схема, которую мы изучали (классическая механика).

Для описания поведения частицы в атомарных масштабах пришлось создать совершенно другую науку. В начале девятисотых годов начало появляться такое неуютное ощущение, что с физикой что-то не в порядке, она не справляется с проблемами, и вот за четверть века всё это было решено.

Волновая функция

Рассмотрим, как были решены эти проблемы. Состояние частицы в классической механике задаётся радиус-вектором и импульсом. Что означает задать состояние? Это означает на столько охарактеризовать объект, чтобы дальше соответствующий раздел науки мог предсказать, как этот объект будет развиваться. Понятно, что смысл этих слов в различных разделах физики различен. Вот, мы недавно электричество рассматривали, что значит дать исчерпывающее описание объекта с точки зрения электричества? Надо дать распределение плотности заряда и плотности тока. Что значит задать состояние объекта с точки зрения теоретической механики? Это значит задать распределение масс, то есть плотность обычную, и напряжения. В квантовой механике мы не можем задать вот эти переменные.

Состояние частицы в квантовой механике задаётся волновой функцией , то есть функцией координат и времени, заданной в каждой точке пространства, это комплексная функция. Значит, что вы должны уловить: в классической механике мы задаём координаты и импульс частицы, в квантовой механике этого сделать нельзя, а вот когда мы хотим охарактеризовать состояние частицы, мы должны задать вот такую функцию.

Волновая функция содержит исчерпывающую информацию о состоянии частицы, то есть она позволяет дать ответы на все разумные вопросы относительно характеристик частицы. Слово «разумные» я употребил тут не ради красного словца, а со смыслом. Дело в том, что те вопросы, которые в рамках классической механике выглядят и являются разумными, не являются разумными в квантовой механике. Ну, сейчас проиллюстрируем это дело. Волновая функция имеет такой смысл: это прежде всего комплексная функция, и - это есть вероятность того, что частица будет обнаружена в окрестности точки , в элементе объёма . Первое важное обстоятельство: предсказания в квантовой механике носят принципиально вероятностный характер, это означает, что законы природы на фундаментальном уровне носят вероятностный характер.

Это надо прокомментировать. Скажем, вопрос, где находится частица, является неразумным, на него не может быть дан ответ, потому что само понятие частица находится в какой-то точке оказывается лишённым смысла. Вот, молекулы воздуха тут летают, тоже вводится вероятностное описание (просто мы не можем уследить за каждой из этих молекул), мы знаем, что она где-то есть, но мы не знаем где она. Поставим ящик, мы можем рассчитать вероятность того, что она находится в ящике. Там вероятность это мера нашего незнания, в квантовой механике эта вероятность чисто реальная: пока мы частицу не обнаружили, она потенциально находится всюду, не то, что она где-то есть, а мы не знаем где, само представление, что она где-то есть, лишено смысла. Она потенциально находится всюду, где волновая функция отлична от нуля. А когда мы локализуем это (экран поставили, там электроны обнаруживаются), вот только в этом акте измерения это потенциальное нахождение всюду оно актуализируется. Есть разница в представлениях, что она где-то есть и мы не знаем где, и тем, что она потенциально всюду, пока мы её не поймали в этой точке. Все фундаментальные законы носят вероятностный характер. - это вероятность того, что частица будет обнаружена в элементе объёма в окрестности точки . Волновая функция задана на всём пространстве, и вероятность обнаружения частицы в разных точках различна. В квантовой теории предсказания носят принципиально вероятностный характер, это связано не с тем, что частица по теории вероятности обнаружится, а с тем, что частица где-то есть, а мы не знаем где. Ситуация более драматичная: частица потенциально есть всюду, где , и потом где-то она обнаруживается (что-то такое происходит, где-то там частица провзаимодействовала с чем-то).1)

Если волновая функция частицы известна, то, очевидно, известно всё, что можно знать. Волновая функция исчерпывающе описывает состояние частицы, то есть может дать ответы на все разумные вопросы.