Все атомы, обладающие одинаковым количеством электронов, характеризуются одинаковыми очертаниями электронных орбит и одинаковым расстоянием между ними. Поэтому такие атомы абсолютно идентичны. Например, приходя в возбужденное состояние, атомы кислорода, сталкиваясь в воздухе друг с другом, неизбежно возвращаются в одно и то же состояние. Именно волновая природа электронов обуславливает идентичность атомов одного химического элемента и их высокую механическую устойчивость.
Тем не менее орбиты электронов значительно отличаются от орбит планет Солнечной системы вследствие их волновой природы. Атом нельзя уподобить маленькой планетарной системе. Мы должны представить себе не частицы, вращающиеся вокруг ядра, а вероятностные волны, распределенные по орбитам.
Однако успехи теории Бора, как и предыдущие успехи квантовой теории, были достигнуты за счет нарушения логической цельности: с одной стороны, использовалась механика Ньютона, с другой – привлекались чуждые ей искусственные правила квантования, к тому же противоречащие классической электродинамике.
Кроме того, теория Бора оказалась не в состоянии объяснить движение электронов в сложных атомах (даже в атоме гелия), возникновение связи между атомами, приводящей к образованию молекулы, не могла ответить на вопрос, как движется электрон при переходе с одного уровня энергии на другой.
Дальнейшая разработка вопросов теории атома привела ученых к убеждению, что движение электронов в атоме нельзя описывать в понятиях классической механики (как движение по определенной траектории, или орбите), что вопрос о движении электрона между уровнями несовместим с характером законов, определяющих поведение электронов в атоме, и что необходима новая теория, в которую входили бы только величины, относящиеся к начальному и конечному стационарным состояниям атома.
Окончательное формирование квантовой механики как последовательной теории с ясными физическими основами и стройным математическим аппаратом произошло после работы В. Гейзенберга (1927), в которой было сформулировано соотношение неопределенностей – важнейшее соотношение, освещающее физический смысл уравнений квантовой механики и ее связь с классической механикой (4).
Итак, ранее эксперименты Резерфорда обнаружили, что атомы не являются твердыми и неделимыми, а состоят из незаполненного пространства, в котором движутся очень маленькие частицы, а теперь квантовая теория утверждала, что эти частицы, из которых состоят атомы, обладают, подобно свету, двойной природой. Их можно рассматривать и как волны, и как частицы.
Это свойство материи и света очень необычно. Кажется совершенно невероятным, что что-то может одновременно быть частицей – величиной чрезвычайно малого объема – и волной, способной распространяться на большие расстояния. Это противоречие породило большую часть тех парадоксов, что легли в основу квантовой теории. Очевидное противоречие между свойствами волн и частиц разрешилось совершенно непредвиденным образом, поставив под вопрос саму основу механистического мировоззрения – понятие реальности материи. И прежде всего полностью трансформировались представления о материи как о незыблемой тверди.
О «реальности» материи
Шаг в мир атомов был первым и самым важным шагом в путешествии в мир бесконечно малого. В поисках мельчайших «строительных кирпичиков» было доказано существование атомов, открыты составляющие их ядра и электроны, а несколько позднее компоненты ядра – протоны, нейтроны и множество других субатомных частиц. Сложные, чуткие приборы современной экспериментальной физики сумели проникнуть в глубины субмикроскопического мира, в области, удаленные от нашей макроскопической среды, и позволили нам косвенно «наблюдать» свойства атомов и других частиц, а следовательно, в какой-то степени «познавать» субатомный мир. Однако мы можем судить о них только по последнему звену в цепочке реакций, например по щелчку счетчика Гейгера или по темному пятнышку на фотопластинке. Мы воспринимаем не сами явления, а их следы. Сам же атомный и субатомный мир скрыт от нас. Проникнув под оболочку атома, изучая его внутреннее устройство, наука вышла за пределы чувственного восприятия. И это в то время, когда обязательным требованием науки являлась необходимость все «потрогать, понюхать, пощупать, разглядеть» и т. д. Исследование субатомного мира уже не отвечало этим требованиям. С этого момента наука уже не могла с уверенностью опираться на логику и здравый смысл!
Парадоксальные результаты экспериментов вызывали настоящий шок в среде ученых. В одной из статей В. Гейзенберг писал: «Бурная реакция ученых на последние открытия современной физики легко объяснима: они сотрясают основы этой науки, и она, похоже, начинает терять почву под ногами».
Эйнштейн был потрясен не меньше, столкнувшись впервые с миром атома. Он писал в своей автобиографии: «Все мои попытки объяснить эти новые открытия были абсолютно безуспешны. Это напоминало ситуацию, когда почва уходит из-под ног и не на что опереться» (1).
В этих словах великих физиков заключена самая суть: почвы-то под ногами действительно нет! Нет той самой тверди, которая всегда служила нам, людям, опорой. А что же есть?
Вероятности и волны. Это выяснилось позднее, когда появились работы В. Гейзенберга о принципе неопределенности и знаменитое уравнение Шредингера, которые позволили понять, что на субатомном уровне вместо твердых материальных объектов классической физики существуют волноподобные вероятностные модели. И эти модели отражают не вероятность существования вещей, а, скорее всего, вероятность существования взаимосвязей.
Рассмотрим простейший опыт по распространению света. На пути пучка света ставится прозрачная пластина. Часть света проходит через пластину, часть отражается от нее. Известно, что свет состоит из «частиц» – фотонов. Что происходит с отдельным фотоном при попадании его на пластину?
Если поставить опыт с пучком света крайне малой интенсивности, в котором можно следить за судьбой каждого фотона, то можно убедиться, что при встрече с пластиной фотон не расщепляется на два, его индивидуальность сохраняется (иначе свет менял бы свою частоту). Оказывается, что одни фотоны проходят через пластину, а другие отражаются. Если на пути отраженного потока фотонов снова поставить такую же пластину, то наблюдается та же картина: часть фотонов проходит через нее, а часть отражается (4).
Как же так? Ведь все фотоны уже отразились от первой пластины, почему же не отразились все и от второй точно такой же пластины? Получается, что одинаковые частицы в одинаковых условиях ведут себя по-разному? Да. Поведение фотона при встрече с пластиной непредсказуемо однозначно. Отражение фотона от пластины или прохождение через нее – случайные события. Данный фотон может пройти через пластину, а может и отразиться.
Оказывается, и внутри атома материя не существует в определенных местах, а, скорее, «может существовать»; атомные явления не происходят в определенных местах и определенным образом наверняка, а, скорее, «могут происходить».
Закономерности, которые проявляются при случайных событиях, описываются с помощью теории вероятности, которая называет эти возможности вероятностями.
В квантовой теории вероятности связаны с математическими величинами, предстающими в форме волн. Эти «вероятностные волны» – абстрактные математические величины со всеми характерными свойствами волн, выражающие вероятности существования частиц в определенных точках пространства в определенные моменты времени. Все законы атомной физики выражаются в терминах этих вероятностей. Мы никогда не можем с уверенностью говорить об атомном явлении; мы можем только сказать, насколько вероятно, что оно произойдет.
И если классическая механика предсказывает в принципе достоверные события, то задачей квантовой механики является предсказание вероятностей различных процессов (4).
Стоит особо подчеркнуть, что в квантовой теории вероятность следует воспринимать не как элемент нашего незнания или расчета на удачу, на которую рассчитывает, например, игрок в азартные игры, а как основополагающее свойство атомной действительности, управляющее ходом всех процессов и даже существованием материи.
Уравнение Шредингера. В 1926 году австрийский физик Э. Шредингер опубликовал знаменитое уравнение, носящее его имя, которое в квантовой механике играет такую же фундаментальную роль, как уравнения движения Ньютона в классической механике и уравнения Максвелла в классической теории электромагнетизма. Это уравнение является математическим выражением фундаментального свойства микрочастиц – корпускулярно-волнового дуализма, согласно которому все существующие в природе частицы наделены также волновыми свойствами.
