В применении к теории Бора означенное обстоятельство означает отказ от самого понятия “орбита электрона в атоме” . Можно говорить о локализации электрона в пределах атома в целом; орбита же требует существенно большей пространственной локализации. К чему может привести такая локализация, можно почувствовать, обратившись к рассмотренной выше проблеме “падения электрона на ядро” . Планетарная модель атома оказалась таким образом, лишь некоторым промежуточным этапом в процессе развития наших представлений об атоме. Много позднее, в 50-е годы, сам Бор, смеясь, вспоминал, как после одной из лекций вышел студент и спросил: “Неужели действительно были такие идиоты, которые думали, что электрон вращается по орбите?”
Существуют, однако, ситуации, в которых понятием “траектория микрообъекта” пользоваться все же допустимо. В качестве примера рассмотрим движение электронов в кинескопе телевизоров. Импульс электрона вдоль оси трубки есть р = 2meU, где U – ускоряющее напряжение. Формирование пучка электронов означает определенную локализацию координаты в поперечном направлении; степень этой локализации характеризуется диаметром пучка d. Согласно соотношению ΔpxΔx > h, должна существовать неопределенность импульса электрона в направлении, перпендикулярном оси пучка: Δp h / d. В силу этой неопределенности электрон может отклонится от оси пучка в пределах угла Δθ Δp / p h / pd. Οσсть L – длина пути электрона в кинескопе; тогда неопределенность положения точки попадания электрона на экран будет характеризоваться величиной Δx LΔθ Lh / pd. Οξлагая U=20 кВ, d=10-3 см, L=100 см находим отсюда Δx 10-5 см. Таким образом, обусловленное соотношением неопределенностей “размытие” точки попадания оказывается значительно меньше диаметра пучка. Ясно, что в таких условиях движение электрона можно рассматривать классически.
Возможность подбарьерного прохождения микрообъекта (туннельный эффект) . Предположим, что имеется потенциальный барьер, высота которого U больше, чем энергия частицы (рис. 4) . Поставим вопрос: может ли частица, находясь где-то слева от барьера, оказаться через некоторое время справа от него при условии, что она не получает энергии извне? Классическая механика дает отрицательный ответ – классическая корпускула не A U может “пройти” под барьером; если бы это случилось, E то, например в точке А полная энергия частицы оказалась бы меньшей ее потенциальной энергии, что физически абсурдно. рис. 4 Остается ли этот запрет в силе и для микрообъектов?
Можно показать, что не остается – он снимается соотношением ΔEΔt > h. Οσсть микрообъект движется откуда-то из бесконечности слева и встречается с потенциальным барьером. До этой встречи он находился в состоянии свободного движения сколь угодно долго и поэтому его энергия имела определенное значение. Но вот микрообъект вступает в взаимодействие с барьером, а точнее, с теми объектами, которые обусловили возникновение барьера. Предположим, что взаимодействие длится в течении времени Δt. Согласно соотношению ΔEΔt > h, ύνергия микрообъекта в состоянии взаимодействия с барьером уже не будет определенной, а будет характеризоваться неопределенностью ΔE > h / Δt. Ερли эта неопределенность порядка высоты барьера U, то последний перестает быть для микрообъекта непреодолимым препятствием. Итак, микрообъект может “пройти” сквозь потенциальный барьер. Этот специфический квантовый эффект, который называют туннельным эффектом. Он объясняет, в частности, явление α-распада атомных ядер. Подчеркнем, что при рассмотрении туннельного эффекта уже нельзя представлять движение микрообъекта по пунктирной линии, изображенной на рис. 4. ведь пунктирная линия соответствует классической траектории, а у микрообъектов траектории нет. Поэтому нет смысла пытаться “уличить” микрообъект в том, что он в какой-то момент времени “оказался под потенциальным барьером” .
5. Невозможность классической интерпретации микрообъекта.
Микрообъект не является классической корпускулой. К микрообъектам приводит процесс “раздробления” окружающих нас тел на все более и более мелкие “частички” . Поэтому вполне естественно, что микрообъекты ассоциируются прежде всего с корпускулами. Этому способствует и тот факт, что большинству микрообъектов характерна определенная масса покоя и определенные заряды. Бессмысленно говорить, например, о половине электрона, обладающей половинной массой и половинным электрическим зарядом целого электрона. в самих терминах “микрочастица” , “элементарная частица” отражено представление о микрообъекте как о некоей частице (корпускуле) .
Однако как это следует из предыдущего рассмотрения, микрообъект весьма существенно отличается от классической корпускулы. Прежде всего, он не имеет траектории, являющейся неизменным атрибутом классической корпускулы. Использование при рассмотрении микрообъекта таких корпускулярных характеристик, как координата, импульс, момент, энергия, ограничивается рамками соотношений неопределенностей. Взаимопревращения микрообъектов, самопроизвольные распады, наличие специфического неуничтожаемого собственного момента (спина) , способность проходить сквозь потенциальные барьеры – все это свидетельствует о том, что микрообъекты совершенно не похожи на классические корпускулы.
Корпускулярным представлениям противостоят волновые представления. Неудивительно поэтому, что разительное отличие микрообъектов от классических корпускул объясняют наличием у них волновых свойств, тем более, микрообъекты что именно с волновыми свойствами связаны соотношения неопределенностей и все вытекающие отсюда следствия. Весьма показательно в этом отношении следующее замечание де Бройля: “В оптике в течении столетия слишком пренебрегали корпускулярным способом рассмотрения по сравнению с волновым. Не делалась ли в теории материи обратная ошибка? Не думали ли мы слишком много о картине “частиц” и не пренебрегали ли чрезмерно картиной волн?” . Вопрос, поднятый де Бройлем, совершенно уместен. Однако следует опасаться чрезмерного увеличения волнового аспекта при рассмотрении микрообъектов. Необходимо помнить, что, если, с одной стороны, микрообъект не является классической корпускулой, то точно так же, с другой стороны, он не является и классической волной.
Микрообъект не является классической волной. Весьма поучителен анализ одной из поныне довольно распространенной ошибки, допускаемой при упрощенном рассмотрении квантовой механики. Продемонстрируем эту ошибку на двух примерах.
Первый пример. Утверждается, что волновые свойства электрона позволяют вывести условие квантования момента, которое в теории Бора постулируется. Этот “вывод” делают следующим образом. Пусть 2rnπ – δλина n-ной боровской орбиты. По орбите движется электрон с дебройлевской длиной волны λn = = 2πh / pn. Основное предположение состоит в том, что на длине орбиты должно укладываться n-раз длина волны электрона λn. Следовательно, 2rnπ = nλn. Отсюда немедленно получается искомое условие квантования момента: pnrn = nh.
Второй пример. Утверждается, что волновые свойства электрона позволяют вывести формулу для энергетических уровней в потенциальной яме, если предположить, что различным стационарным состояниям отвечает определенное число полуволн де Бройля, укладывающееся на ширине ямы (по аналогии с числом полуволн, укладывающихся на длине струны, закрепленной на концах) . Обозначая через а ширину одномерной прямоугольной потенциальной ямы, записывают а = nλn / 2, откуда немедленно приходят к искомому результату: En = n2π2h2 / 2ma2.
Оба конечных результата правильны, они следуют также из строгой теории. Однако продемонстрированный здесь “вывод” этих результатов надо признать несостоятельным. В обоих случаях допущена одна и та же принципиальная ошибка: в основу положено неверное предположение, будто электрон в потенциальной яме имеет определенную длину волны де Бройля, или, иначе говоря, определенный импульс. Однако, согласно соотношению ΔpxΔx > h, импульс микрообъекта в связанном состоянии характеризуется неопределенностью Δp > h / а. Поскольку в приведенных выше примерах Δp h / λ h / a, ςξ следовательно, импульс по порядку величины такой же, как и диктуемая соотношением ΔpxΔx > h неопределенность импульса. Ясно, что в таких условиях нельзя говорить о каком-то значении импульса электрона (а соответственно, и его дебройлевской длины волны) даже приблизительно.
Приведенные примеры явно демонстрируют преувеличение волнового аспекта. Отождествление находящегося в потенциальной яме электрона с классической волной внутри некоего “резонатора” неправомерно. Образ электронной волны в “резонаторе” есть такое же упрощение, как и образ электрона-шарика, движущегося по классической орбите. Следует знать, что под термином “дебройлевская волна” отнюдь не скрывается какая-то классическая волна. Это всего лишь отражение в наших представлениях факта наличия у микрообъекта волновых свойств.
Попытки представить микрообъект как симбиоз корпускулы и волны. Если микрообъект не является ни корпускулой, ни волной, то, может быть, он представляет собой некий симбиоз корпускулы и волны? Предпринимались различные попытки модельно изобразить такой симбиоз и тем самым наглядно смоделировать корпускулярно-волновой дуализм. Одна из таких попыток связана с представлением микрообъекта как волнового образования, ограниченного в пространстве и во времени. Это может быть волновой пакет, о котором мы уже говорили. Это может быть и просто “обрывок” волны, называемый обычно волновым цугом. Другая попытка связана с использованием модели волны-пилота, согласно которой микрообъект есть некое “соединение” корпускулярной “сердцевины” с некоторой волной, управляющей движением “сердцевины” .