Интерференция и волновая механика

Почему мы говорим, что электроны ведут себя подобно волнам? Потому что их узор «да/нет» на экране носит периодический характер. Все мы знаем, что значит для вещей быть периодичными во времени. Они колеблются от дня к ночи, от зимы к весне, лету и осени. Периодичность в пространстве означает волноподобный характер, похожий на волны на воде. Если мы представляем себе волнистую линю, то видим высокие гребни и глубокие впадины. Поведение электронов на экране после прохождения через две щели выглядит периодическим и напоминает нам волны.

Все волны обладают интересным свойством, которое ученые называют интерференцией. Когда встречаются две волны, они складываются там, где совпадают их высокие участки, и вычитаются или погашаются там, где высокий участок одной волны встречается с низким участком другой. Это сложение и погашение называется интерференцией. Например, пересекающиеся волны воды в одних местах становятся очень большими, а в других местах мешают друг другу и выглядят маленькими.

Я представляю себе, что когда отец волновой механики Эрвин Шредингер смотрел на картину электронов на экране, он говорил: «На экране наблюдается поведение типа «да/нет». Это напоминает мне то, как ведут себя известные волны, когда происходит взаимодействие двух или более волн, – они интерферируют друг с другом. Мы постоянно наблюдаем интерференции звуковых волн и волн на воде. Назовем квантовую механику волновой механикой». Подобно известным волнам звука или воды, электроны интерферируют друг с другом. Они создают паттерн «да/нет» там, где они взаимно складываются или вычитаются.

Вы можете наблюдать интерференцию в своей кухонной раковине или ванне. Наполните раковину водой. Подождите, пока она успокоится так, что поверхность станет гладкой, а затем капните в раковину каплю воды из крана и наблюдайте, как волны распространяются концентрическими кругами. Потов капните вторую каплю на расстоянии нескольких сантиметров от первой и наблюдайте распространение волн из этого второго места. Наконец посмотрите, что происходит в середине водной поверхности, когда вы одновременно капаете две капли в разных местах. В одних местах волны от двух мест сливаются, создавая большую волну, а в других взаимно вычитаются или погашаются, так что кажется, что там вообще нет волн. В результате получается красивый переплетающийся узор из перекрещивающихся волн. Этот узор обусловлен интерференцией.

Физики рассуждали, что электроны, проходящие через две щели, должны быть волнами материи. Нильс Бор называл их волнами вероятности. Гейзенберг говорил, что волны вероятности нельзя измерить или увидеть, можно видеть только волноподобное изображение квантовых объектов на экране после их прохождения через две щели. Поэтому мы не можем называть электроны или другие квантовые объекты волнами материи – или вообще любыми волнами, – поскольку мы не можем видеть, что происходит, когда электроны находятся в полете. Самое большее, можно говорить, что эти результаты могли бы быть вызваны волнами. Непокорный Шредингер говорил, что независимо от того, можно ли в действительности видеть волны, все равно возможно использовать основные формулы для видимого движения воды и звука для описания невидимого электрона.

Полученное уравнение для всех видов квантовых объектов было названо волновым уравнением, хотя никому и никогда не удавалось увидеть сами волны. Физики используют волновые уравнения потому, что математика столь хорошо соответствует картине, получающейся на экране. Математика согласуется со следами, которые электроны оставляют на экране, и была очень полезной для демонстрации паттернов всех других квантовых объектов в разнообразных условиях. Иными словами, как бы мы ни называли эту область физики – волновой механикой, квантовой механикой или квантовой физикой, – она достигла больших успехов в описании паттернов субатомных частиц.

Волновое уравнение не отвечает на интересующий многих вопрос о фундаментальной реальности квантовых объектов. Что они собой представляют после того, как они вылетают из пушки, и до того, как они появляются на экране? Некоторые физики до сих пор думают, что материя – это своего рода вибрационный или волновой паттерн, в то время как другие придерживаются более общепринятой концепции частиц. Однако почти все соглашаются с тем, что материя состоит из квантовых объектов, которые, в зависимости от проводимых с ними экспериментов, проявляют волноподобные или корпускулярные свойства. То, какой аспект материи проявляется – волна или частица, – зависит от решения наблюдателя (то есть того, кто использует одну или две щели). Мы должны помнить, что и волна, и частица представляют собой описания невидимого мира, принадлежащие к общепринятой реальности. Оба описания вместе взятые считаются дополнительными; для приближения к измеримым качествам и количествам материи необходимы оба термина ОР.