Гипотеза де Бройля. Волны материи

Как отмечалось в предыдущем параграфе, в результате углубления представлений о природе света выяснилось, что в оптических явлениях обнаруживается корпускулярно-волновой дуализм: в одних явлениях (интерференция, дифракция, поляризация) электромагнитное излучение ведет себя как волна, в других (тепловое излучение, фотоэффект, эффект Комптона) – как поток квантов. Луи де Бройль (1924) выдвинул гипотезу, согласно которой дуализм не является особенностью только оптических явлений, а имеет универсальное значение. Каждому микрообъекту можно поставить в соответствие волновой процесс, длина волны которого определяется так же, как и для фотонов:

l=h/p=h/mV. (2.8.1)

Гипотеза де Бройля была впервые подтверждена экспериментально в опытах К. Дэвиссона и Л. Джермера (1927) по отражению электронов от монокристаллов никеля. И позже она подтверждалась экспериментально наблюдавшейся дифракционной картиной при прохождении электронного пучка через металлическую фольгу (Г.П. Томсон, 1927; В.А. Фабрикант и др., 1949). В этих опытах было показано, что волновые свойства присущи каждому отдельному электрону.

По современным представлениям всякий микрообъект представляет собой образование особого рода, сочетающее в себе свойства и частицы, и волны (это “частица-волна”). Отличие микрообъекта от волны заключается в том, что он всегда проявляет себя как неделимое целое (например, никто никогда не наблюдал полэлектрона). Электрон, как и все другие микрочастицы, всегда обнаруживается как целое, с присущей ему массой, зарядом и другими характерными свойствами. В то же время волну можно разделить оптическими методами на части и воспринимать затем каждую часть в отдельности. Отличие микрообъекта от обычной макрочастицы заключается в том, что он не обладает одновременно определенными значениями координаты и импульса, вследствие чего понятие траектории применительно к микрообъекту утрачивает смысл. Таким образом, даже очень маленький шарик (макроскопическая частица) не может служить прообразом микрочастицы. С уменьшением размеров начинают проявляться качественно новые свойства, отсутствующие у макрочастиц.

Современная трактовка корпускулярно-волнового дуализма может быть выражена словами советского физика-теоретика В.А. Фока: “Можно сказать, что для атомного объекта существует потенциальная возможность проявлять себя, в зависимости от внешних условий, либо как волна, либо как частица, либо промежуточным образом. Именно в этой потенциальной возможности различных проявлений свойств, присущих микрообъекту, и состоит дуализм волна-частица. Всякое иное, более буквальное, понимание этого дуализма в виде какой-нибудь модели неправильно”.

2.8.3 Корпускулярно-волновой дуализм – универсальное свойство материи

Формами существования материи являются вещество и поле. Напомним, что под веществом обычно понимают различные частицы и тела, которым присуща масса покоя. Поле (физическое) – особая форма материи, связывающая частицы вещества в единые системы и передающая с конечной скоростью действие одних частиц (тел) на другие. Поля и их кванты массы покоя не имеют, хотя обладают энергией, импульсом и некоторыми другими свойствами. В классической физике поле и вещество противопоставлялись друг другу как два вида материи, у первого из которых структура дискретная, а у второго – непрерывная. Квантовая физика внесла идею о двойственной корпускулярно-волновой природе любого микрообъекта. Поле и вещество нельзя противопоставлять друг другу. Поля входят в структуру вещества: во всех системах внутреннее пространство ”занято” полями, на долю собственно частиц приходится ничтожно малая часть общего объема системы. В свою очередь, квантами полей выступают частицы, относящиеся к веществу. В этой неразрывной взаимосвязи частиц и полей проявляется единство прерывности и непрерывности в структуре материи.

Частицы обладают относительной прерывностью и локализованностью в пространстве, тогда как поля непрерывно распределены в нем. При этом поля не являются абсолютно континуальными средами. При излучении и поглощении они проявляются дискретно – в виде квантов: фотонов, мезонов и др. Кванты полей взаимодействуют с частицами вещества как дискретные образования. Частицы вещества тоже нельзя представить в виде микроскопических шариков с абсолютно резкими гранями. Частицы неотделимы от полей и нельзя указать, где кончается собственно частица и начинается ее внешнее поле. Микрообъекты также обладают волновыми свойствами.

Таким образом, современные представления о материи основываются на том, что между двумя формами существования материи – веществом и полем – нет резкой границы. Корпускулярно-волновой дуализм является универсальным свойством материи, которая обладает потенциальной возможностью вести себя либо как поле (излучение), либо как совокупность частиц.