О. Деревенский - Фокусы-покусы квантовой теории

• Название: Фокусы-покусы квантовой теории
• Автор: О. Деревенский
• Жанр: Физика

Квантовая теория приводит в трепет даже многих физиков. Ох, как они горды тем, что всякие там доморощенные опровергатели основ суются со своими умничаниями в самые разные области – и в классическую механику, и в электродинамику, и, в особенности, в теорию относительности – но никто не покушается на квантовую теорию! «Даже этим олухам ясно, - веселятся академики, - что без квантовой теории люди бы до сих пор жили в пещерах и бегали с каменными топорами!» Без квантовой теории, мол, не было бы лазеров – а без лазеров, девочки и мальчики, не было бы у вас таких балдёжных дискотек! Без квантовой теории, мол, не было бы понимания того, как движутся электроны в металлах и полупроводниках – а без этого понимания, девочки и мальчики, не было бы у вас ни компьютеров, ни мобильных телефончиков!

 Откуда девочкам и мальчикам знать, что всё это – шутки? Лазеры, компьютеры, мобильные телефончики – своим появлением они вовсе не обязаны квантовой теории. Эти и целый ряд других примечательных технических устройств были созданы исключительно на основе экспериментальных и технологических прорывов. А то, что называется квантовой теорией – это просто пачка изысканных математических процедур, с помощью которых задним числом описывали эмпирические факты из жизни микромира.

---

Видите, как бывает: теоретики делали всё возможное и невозможное, а полноценная волна из кванта всё равно не получалась. Кстати, полноценные волны – например, звуковые волны или волны на поверхности воды – имеют легко узнаваемую особенность. Такие волны, будучи порождаемы различными независимыми источниками, отлично интерферируют – тем лучше, чем ближе друг к другу частоты вибраций их источников. Но мало кто знает, что со светом этот номер не проходит: интерференции света от независимых источников нет, как бы здорово ни совпадали их спектральные линии. Даже – в случае лазеров, когда эти совпадающие линии очень-очень узкие. Те, кто пытались получить интерференционную картинку, смешивая свет от двух однотипных лазеров, дрючились долго, упорно, и безуспешно. Желающие могут повторить. Только не сделайте ошибочку, называя интерференцией биения. Чтобы получить биения частот двух лазеров, долго дрючиться не нужно: направляете лучи на достаточно быстродействующий фотодиод, да снимаете сигнал на разностной частоте. Мы же говорим о другом: об интерференционной картинке, которая, по определению, является статической – например, статическая система светлых и тёмных полос. Думаете, такая статическая картинка как раз и есть на мордочке фотодиода, только полосы там маленькие и незаметные невооружённым глазом? Так увеличьте! Что мешает? Вон же эти полосы – на весь киноэкран – даже от нелазерных источников! Подсказываем: секрет здесь не в том – лазерные источники, или нелазерные. Все без исключения интерферометры работают так: они расщепляют свет от одного и того же источника, прогоняют его по различным путям, а затем вновь сводят. Только так получаются световые интерференционные картинки! Да почему же? А вспоминаем: при волновых явлениях каждый отдельный квант каким-то образом находит для себя путь истинный! Работа интерферометров – лишнее тому подтверждение!

Получалось прям как в страшных сказках. Чем больше напрягалась теоретическая мысль, пытаясь превратить квант в волну, тем всё с большим ужасом выяснялось: таких волн в физическом мире не бывает, и быть не может. Хороша волна, которая взаимодействует только сама с собой – зная заранее, как именно проделать это в том или ином случае – а под конец, освобождая от себя приличный объём пространства, мгновенно схлопывается в точку!.. По ночам теоретиков мучили кошмары. В них шайки обнаглевших квантов, наделённых волновой функцией, надругались над теоретиками, как хотели. Так или иначе, а стало понятно, что теоретическая мысль залезла здесь в такую трубу, из которой уже нет хода ни вперёд, ни назад. Чтобы убедить общественность в том, что виновата в этом труба, а не теоретическая мысль, придумали высоконаучный термин: корпускулярно-волновой дуализм. Этот термин означает, что у кванта имеются свойства и частицы, и волны, но как они уживаются друг с другом – ни фига не ясно, хотя мы, мол, сделали всё, что могли. Поэтому, если кто-то ещё что-то недопонял про кванты – пусть предъявляет претензии к корпускулярно-волновому дуализму. А ещё лучше – пусть тихо привыкнет к этому дуализму, да на том и успокоится…

Эк у вас безысходно-то, любезные! Наверняка же возможны и другие подходы, при которых в трубу залезать не нужно. Вот, пожалуйста, ознакомьтесь с одним – где главное дело в том, что физической энергией, в её разнообразных формах, обладает только вещество. Это означает, что и кванты световой энергии могут быть локализованы только на частицах вещества – в частности, на атомах. Значит, не бывает световых квантов в том виде, как их обычно представляют, т.е. в виде автономных порций энергии, летящих в пространстве со скоростью света. Световые кванты перебрасываются непосредственно с атома на атом, без прохождения по разделяющему атомы пространству. Причём, как показывают результаты исследований времён прохождения лазерного импульса между генератором и нелинейной ячейкой, перебросы квантов света с атома на атом происходят, практически, мгновенно (первый такой результат получил Басов с сотрудниками; см. подробности в нашем очерке «Фиговые листики теории относительности»). Таким образом, процесс распространения света – это цепочки мгновенных перебросов квантов света с атома на атом. Конечность же скорости света, а не её бесконечность, обусловлена конечным быстродействием алгоритма, который находит атомов-получателей и, таким образом, прокладывает путь кванту света. Этот алгоритм предложили называть «навигатором квантовых перебросов энергии», или, кратко, навигатором. Именно работой навигатора обусловлены все эффекты, связанные с распространением света, в том числе и волновые явления. Вот вам и решение великой проблемы: совсем не нужно приписывать кванту принципиально несовместимые свойства, прикрывая это термином «корпускулярно-волновой дуализм». Световой квант – это просто порция энергии, и никакими волновыми свойствами он не обладает. А за дифракцию и интерференцию отвечает навигатор! Это он обсчитывает вероятности всевозможных вариантов переброса светового кванта, и переброс его происходит на тот атом, для которого расчётная вероятность переброса оказывается максимальной. Светлые полосы интерференционной картинки соответствуют как раз таким местам, перебросы квантов в которые наиболее вероятны. При таком подходе единым махом устраняются вышеназванные парадоксы с интерференцией квантов, летящих поодиночке, с «редукцией волнового пакета», и т.д. Дело в том, что каждому кванту путь прокладывает свой канал навигатора – независимо от других! Никакой «трубы», всё чинно-благородно!

Но – куда там! Теоретическая мысль работала совсем в другом направлении. Знаете, теоретики страшно любят вырабатывать универсальные принципы. Ну, вот, здесь эта тяга к универсальности и сказалась. Задачка ставилась так: если с корпускулярно-волновым дуализмом у квантов получилась «труба», то нельзя ли, из соображений универсальности, загнать в эту «трубу» всю физику? Как было бы восхитительно, если точно такой же «дуализм» оказался бы присущ и частицам вещества тоже! Эту идею проталкивал Луи де Бройль. «Каждой частице, - твердил он, - можно сопоставить волну. Чтобы найти длину этой волны, надо постоянную Планка разделить на импульс частицы, т.е. на произведение её массы на скорость. Всё получается изумительно!» Да уж… особенно изумительно получалось то, что в разных системах отсчёта скорость частицы разная – значит, разная должна быть и её длина волны. А, не дай Бог, частица покоится в лабораторной системе отсчёта – при этом её длина волны равна чему? Делим постоянную Планка на нуль и получаем бесконечность. Господа теоретики, что означает сия сингулярность? До сих пор не въехали? Или вы разбираетесь с подобными сингулярностями методом «начхать и забыть»? Тогда, секундочку, сейчас вы страшно заинтересуетесь. Вот частица пролетает сквозь дифракционную решётку – по-вашему, должна быть дифракция, да? А согласно принципу относительности, ничего не изменится, если дифракционная решётка налетает на неподвижную частицу. Но в этом случае дебройлевская длина волны бесконечна, и никакой дифракции не будет! Вы уж определитесь, что для вас важнее: волны де Бройля или догматы теории относительности. А то ведь издёргали месье почём зря: не по принципиальным вопросам, а по каким-то пустякам вроде «А Ваши волны – это волны чего в чём?» Как будто он это знал. «Главное не то, чего они в чём, - втолковывал он, - а то, что они – волны! Каждая частица – это не то, что мы думали раньше. Это – волновой пакет!» Поясним: при таком подходе частица представляет собой «пик на ровном месте», получающийся в результате удачного совмещения горбов множества волн, длины которых попадают в небольшой интервальчик. Причём, скорость перемещения такого «волнового пакета» как раз и равняется скорости частицы! Полный триумф? Как бы не так. Дотошные коллеги подметили, что интервальчик для длин волн означает соответствующий интервальчик для скоростей этих волн. А раз так, то волновой пакет обязан расплываться: «пик» превратится сначала в бугор, потом в возвышенность, и в конце совсем сровняется с «ровным местом». Прикинули: размер волнового пакета, соответствующего электрону, удваивался бы за время около 10-26 секунды! Чтобы оценить эту цифру, надо учесть, что в атоме водорода электрон на первой боровской орбите совершает один оборот примерно за 10-16 секунды. Т.е., по волновым раскладочкам выходило, что электрон расплылся бы, не успев пройти даже миллиардной части орбиты! Народ просто отпал… «Месье, - пытались утешать де Бройля, - а давайте трактовать Ваши волны в статистическом смысле! Там, где пики волн, там вероятность пребывания частицы больше!» - «Как же, «в статистическом смысле», - переживал де Бройль. – Особенно эта статистика хороша для покоящейся частицы… Ну, ничего, вы у меня попомните свою мелочную дотошность. Надо лишь обнаружить волновые свойства у частиц на опыте!»