Андрей Гришаев - Этот «цифровой» физический мир

Вспомним, что термин «корпускулярно-волновой дуализм» теоретики придумали, чтобы прикрыть им своё бессилие объяснить противоречивые свойства фотонов ( 3.5). Конечно, такое положение дел вызывало у теоретиков некоторую неудовлетворённость. Поэтому сама постановка вопроса о том, что корпускулярно-волновой дуализм может оказаться универсальным принципом – если у частиц вещества обнаружатся волновые свойства – встретила бурное одобрение.

Идею о том, что частицам вещества присущи волновые свойства, проталкивал Луи де Бройль. «Каждой частице, - твердил он, - можно сопоставить волну. Чтобы найти длину этой волны, следует постоянную Планка разделить на импульс частицы, т.е. на произведение её массы на скорость. Тогда всё сойдётся!» Увы, сходилось не всё. Мало того, что физический смысл волн де Бройля до сих пор не ясен, и, соответственно, их приемлемая физическая модель до сих пор отсутствует. И мало того, что имеет место очевидная сингулярность при скорости частицы, равной нулю – когда длина волны де Бройля должна быть бесконечной. Проблема была ещё и в том, что в разных системах отсчёта скорость частицы различна – а, значит, различна и её длина волны де Бройля. А это прямо противоречило принципу относительности, делая различимыми два случая: частица налетает на неподвижную дифракционную решётку (при этом дифракция есть), или решётка налетает на неподвижную частицу (при этом, из-за бесконечной длины волны у частицы, дифракции нет).

«Но кто там будет задумываться над этой чепухой, - прикидывали теоретики, - если волновые свойства у частиц вещества обнаружатся на опыте?!» Вот почему обнаружение этих свойств было очень, очень востребовано. Первыми частицами, у которых усмотрели волновые свойства, стали электроны. В «Фейнмановских лекциях по физике» описан потрясающий опыт с прохождением электронов сквозь две щели. Мол, если не мешать им пролетать сквозь эти щели, то на сцинтилляционном экране за щелями получаются дифракционные полосы. Перекроешь одну из щелей – полосы пропадают. Попытаешься проследить, через какую щель пролетает электрон – полосы тоже пропадают… На впечатлительных читателей это сильно действует. Они же не знают, что никто и никогда таких опытов не делал. Ведь у электрона дебройлевская длина волны маленькая: щелью для неё является зазор между атомными плоскостями. Прикиньте: как можно, для электронов, сделать экран всего с двумя щелями? Как можно перекрывать только одну из них?

Дэвиссон и Джермер делали совсем другое [Д1] – вполне возможное. Они направляли низковольтный пучок электронов ортогонально на полированный срез монокристалла никеля (с никелем у них особенно здорово получилось), и исследовали угловое распределение электронов, рассеиваемых кристаллом в обратную полусферу – за вычетом центрального створа, затенённого электронной пушкой. Детектор настраивался так, чтобы отсекались электроны с малой энергией и регистрировались только те, которые испытали упругое или почти-упругое рассеяние. Выводы о картинах рассеяния делались на основе величины тока с детектора в зависимости от трёх параметров: энергии падавших электронов и двух углов, определявших направления рассеяния.

И вот, авторы представили резонансные пики рассеяния, которые интерпретировали как результаты брэгговского отражения «электронных волн» от систем параллельных атомных плоскостей, наклонённых к поверхности среза. Эти пики соответствовали брэгговскому режиму как по геометрии расположения параллельных атомных плоскостей в монокристалле, так и по резонансным длинам отражаемых волн, которые с точностью до нескольких процентов совпадали с длинами дебройлевских волн электронов при соответствующих ускоряющих напряжениях в электронной пушке. Казалось бы – вот они, волновые свойства у медленных электронов! Ибо их рассеяние хорошо объясняется в терминах дифракции волн де Бройля – аналогично тому, как объясняется дифракция рентгеновского излучения с теми же длинами волн! Но этот вывод основан на далеко не полной картине того, что наблюдалось в действительности.

Прежде всего, авторы сообщили не о всех пиках рассеяния, которые у них обнаружились. Самым сильным был широкий пик зеркального рассеяния, который имел место всегда – при любых энергиях пучка – и, значит, он не мог быть порождением брэгговской дифракции. Да и под другими углами рассеяния были «лишние» пики рассеяния [Л1,К3,Р1]. Далее, концепция брэгговского отражения (см., например, [С1]) подразумевает объёмное взаимодействие волн с трёхмерной атомной решёткой. Однако, имеются свидетельства о том, что у Дэвиссона и Джермера рассеяние электронов было обусловлено не объёмным их взаимодействием с монокристаллом, а поверхностным. Перечислим самые, на наш взгляд, показательные: