Интерференция и дифракция микрочастиц: прохождение через две щели

Вопрос о том, как в одном объекте совмещаются свойства частицы и волны, еще долго беспокоил физиков. Выдвигалась гипотеза: возможно, наблюдаемая в экспериментах с электронами дифракционная картина обусловлена одновременным участием в процессе большого числа частиц, а отдельный электрон, проходя сквозь ту же установку, не будет обнаруживать дифракции?

Чтобы прояснить этот вопрос, российские физики во главе с В. А. Фабрикантом осуществили в 1949 году опыт, в котором интенсивность электронного пучка была настолько слабой, что электроны проходили через прибор практически поодиночке. Однако при достаточно длинной экспозиции была получена дифракционная картина, ничем не отличающаяся от той, которая наблюдается при большой интенсивности, но малом времени экспозиции. Так было доказано, что волновые свойства присущи каждой отдельной микрочастице.

Чтобы лучше понять, как проявляются корпускулярные и волновые свойства микрочастицы, обсудим подробнее опыт с прохождением одиночных электронов через пару щелей. В этом явлении, по выражению известного физика Ричарда Фейнмана, таится вся суть квантовой механики.

После щелей установлен экран-фотопластинка, который засвечивается в том или ином месте при попадании электронов (см. рис. 1).

Рисунок 1. Прохождение классических частиц и волн через пару щелей: распределение интенсивности на экране для частиц (слева) и волны (справа)

Если бы через пару щелей проходили классические частицы, то они в основном попадали бы в две области экрана прямо напротив каждой из щелей: на фотопластинке появились бы две размытые полосы (размытость связана с тем, что частицы могут «срикошетить» на краях щели).

Если бы проходила классическая волна, на экране возникла бы система более узких интерференционных полос, причем посередине между щелями был бы максимум интенсивности.

Так что же будет на экране после прохождения одного электрона? Оказывается, на фотопластинке будет одно пятнышко. Однако предсказать, где именно возникнет это пятнышко, невозможно. Несколько электронов — несколько пятнышек. Когда же через щели пройдёт очень много электронов, на экране из отдельных пятнышек складывается интерференционная картина из светлых и тёмных полос. Если закрыть одну из щелей, то интерференционные полосы исчезнут.

Возникает вопрос, через какую из щелей пролетает тот или иной электрон? Ведь нашему сознанию трудно допустить, что электрон пролетает через обе щели сразу. Можно ли его «подловить», чтобы это узнать? Если около щелей поставить устройства, фиксирующие пролёт электрона (счетчики), то всегда будет срабатывать лишь одно из них. Но при этом интерференция от двух щелей исчезнет — на экране будут максимумы напротив каждой из щелей. А что если поставить только один счетчик возле одной щели? Он либо срабатывает (электрон прошел через эту щель), либо нет (значит, электрон прошел через другую щель). Может быть, те электроны, которых он не засек, создадут интерференционную картину? Но нет, интерференции на двух щелях все равно не будет.

Долгое время эксперимент с прохождением электронов через пару щелей описывался как мысленный, т.к. размер щелей должен быть уж слишком мал. Однако в 1961 году всё же удалось осуществить «опыт Юнга» с электронами и наблюдать интерференционные полосы шириной около 0,001 мм.

Многочисленные эксперименты доказали, что никакими хитроумными способами нельзя узнать, через какую из щелей прошел электрон, не разрушая при этом интерференционную картину. Получается, что электрон-волна умудряется проходить через обе щели с последующей интерференцией только тогда, когда этого «никто не видит», а любые попытки засечь электрон возле щелей заставляют его вести себя как частица. При взаимодействии с фотопластинкой он тоже ведет себя как частица — оставляет след в одном каком-то непредсказуемом месте. Но можно предсказать вероятность попадания электрона в то или иное место экрана: она соответствует распределению интенсивности классической волны, прошедшей через пару щелей.

Итак, каждый электрон (точнее говоря, соответствующая ему дебройлевская волна) интерферирует «сам с собой», если ему не мешать. Кстати, если аналогичный опыт проделать с единичными фотонами, то результат будет точно таким же: один фотон — одно пятнышко, много фотонов — интерференционная картина. И опять-таки, никакими ухищрениями невозможно зарегистрировать пролёт фотона сразу через обе щели.

Результаты такого рода опытов вынудили физиков отказаться от понятия траектории при описании движения микрочастиц в очень малых областях пространства. Например, можно говорить о траектории электрона в конденсаторе, но траектории электрона в атоме, а также при прохождении через очень узкие щели, уже не существует.

Итак, эксперименты по интерференции и дифракции микрочастиц привели к следующим выводам:

• Волновые свойства присущи отдельной микрочастице,
• Но для обнаружения этих свойств необходимо провести опыт или с большим числом частиц, или повторить многократно эксперимент с одной частицей.
• Однозначно предсказать результат единичного эксперимента с одной частицей в принципе невозможно. В микромире отсутствует классический детерминизм.
• Но можно предсказать вероятность обнаружения частицы в том или ином месте.