Читать онлайн «Частицы и волны»

Астроном! Математика Физика Os Серия 1964 Я. А. Смородинский ЧАСТИЦЫ и ВОЛНЫ Доктор физико-математических наук я. А. СМОРОДИНСКИЙ ЧАСТИЦЫ и ВОДНЫ ИЗДАТЕЛЬСТВО «ЗНАНИЕ» Москва 1964 В старой русской сказке царь загадывает загадку. Царь требует, чтобы мальчик побывал у него «ни наг, ни одет, ни пешком, ни на лошади, ни днем, ни ночью, ни на дворе, ни на улице». Мальчик решил загадку царя, не смущаясь тем, что вопрос противоречил основному принципу логики: принципу исключенного третьего !. Эта загадка удивительно похожа на ту, которую задала физикам сама природа. Физикам надо было понять, как устроен электрон, который оказался ни волной, ни частицей, электрон, который нигде не находился, ни покоился, ни двигался по траектории, электрон, само существование которого противоречило всему тому, что они знали. Физики нашли решение загадки. В награду они получили во владение новые силы природы. О них мы и хотим рассказать. Какие бывают вопросы? Когда-то стандартной шуткой у физиков был вопрос: «Какого цвета позитрон?» Вопрос бессмысленный, скажет всякий. «А почему»? — возникнет немедленно следующий. А можно ли ответить на другой вопрос: «Какой величины позитрон?» Физики говорят, что размеры протона несколько меньше 1 ферми (1 ферми = 10~13 см, или 10~15 ж, если пользоваться новой системой единиц СИ). Что же касается позитрона, то физик ответит, что у позитрона размер, наверно, есть, но неизвестно какой. А для кванта света вопрос оказывается бессмысленным. Но вот уже на следующий вопрос: «Какова масса позитрона?» — точный ответ последует немедленно — мас- 1 Читатель, который не помнит эту сказку, может найти ее, например, в сборнике сказок Афанасьева (т. I, сказка 330). 3 са позитрона 9 · 10-28 г или 9· 10-31 кг. Масса же кванта равна точно нулю. Так что на некоторые вопросы можно отвечать, а на другие нельзя. Если бы все вопросы относились не к позитрону или кванту, а к детскому мячику, то никаких сомнений бы не возникло, все вопросы были бы законными и ответы были бы вполне определенными. Но спросите: умен ли мячик? Даже ребенок поймет, что это шутка. Но за такими шутками оказывается нечто и серьезное. Не на всякий вопрос можно ответить. Прежде чем отвечать, надо выяснить, имеет ли смысл сам вопрос! Когда физиков спрашивали (или, вернее, когда физики спрашивали природу), на что похож электрон — на частицу или на волну, то шутка становилась серьезной. Смотря на круги, расходящиеся по воде, мы говорим, что это волны, и даже в шутку не будем их сравнивать с детским мячиком — между ними нет ничего общего. Никто не назовет мячик волной, а волны на воде — телом или частицей. Однако такое сравнение оказывается отнюдь не шуточным для кванта света — фотона или для радиоволны. Рисуя световые лучи, проходящие через линзы или отражающиеся от зеркал, школьник обращается с фотонами, как с шариками, летящими по прямолинейным траекториям и упруго отражающимися от поверхностей. Атомы поглощают свет строго определенными порциями, так, как будто он состоит из частиц-фотонов.