В этой нематериальность самой по себе еще не заключалось, конечно, ничего подозрительного. Разве смущает кого-нибудь, что нельзя потрогать рукой орбиты планет — те эллипсы, по которым катятся они вокруг Солнца? До открытия в 1930 году Плутона, когда самой отдаленной планетой считался Нептун, астрономы говорили, что орбита Нептуна претерпевает непонятные возмущения. По уравнениям небесной механики они нарисовали эту орбиту как обязательную линию поведения Нептуна и с удивлением обнаружили, что он не совсем исправно подчиняется их предписаниям. В этом удивлении астрономов лежало начало открытия Плутона: стало ясно, что «какое-то, еще неведомое, небесное тело своим влиянием искажает предвычисленный эллипс движения Нептуна. Так что же, Плутон искажал физическую реальность? Нет, он просто молча доказывал, что орбиты — математические призраки, тем точнее отражающие поведение небесных тел, чем больше знают ученые. И хотя ни один безумец не станет разглядывать в телескоп то место, из которого уже ушла планета, дабы «увидеть» саму ее орбиту, эта призрачная кривая полна ясного физического смысла. Ясного и глубокого: это классическая траектория небесного тела.
Волновая упаковка движущихся частиц призрачна не более, чем траектория. И полна еще более глубокого физического смысла. Но, к несчастью, не такого ясного, потому что в микромире траекторий нет. Однако, если сравнить на минуту классическое движение Нептуна с квантовомеханическим движением электрона, кое-что сразу станет понятным.
Электрон не переживает судьбы волнового пакета из шредингеровских волн — он не расползается и не сводится на нет. И Нептун не переживает судьбы своей кеплеровской орбиты, когда она искажается под влиянием Плутона. Нептун остается таким же небесным телом, каким был, он только начинает двигаться по-другому: искажение орбиты — это изменение линии его поведения. И ничего больше. Так не происходит ли нечто подобное и с электроном, когда изменяется форма его волнового пакета? Конечно. Иначе и быть не могло бы. Ведь уравнение Шредингера, при решении которого и получаются волновые пакеты, описывает поведение частиц в микромире. И совершенно понятно, что судьба волнового пакета электрона, не сказываясь на нем самом — на его материальной плоти, должна сказываться на его движении. (Так форма сачка влияет на возможности полета пойманной бабочки: в раздувшемся сачке ей просторней, чем в сникшем.)
Конечно, такому сравнению место лишь в скобках: очень уж грубо нагляден вещественный сачок и очень уж не похожа на частицу одушевленная бабочка. Но ведь и научный термин «волновой пакет» — только образ. И тоже довольно рискованный. Однако даже ученых это не пугает. Так не выпустить ли пойманную бабочку из скобок — пусть помогает нам.
Когда на реке нечаянно складывается из разномастных волн одинокий гребень, он в самом деле напоминает внешними очертаниями колеблемый ветром сачок. Забыв о строгостях математики, можно примерно так представлять себе и очертания волнового пакета из пси-волн. Он как бы накрывает частицу-бабочку.
Первый вопрос о поведении электрона — где он сейчас находится? Таинственная величина «пси» обязана — обязана по математическому происхождению своему — как-то помочь в поисках верного ответа. А что она может ответить? Только одно: «Ищите электрон там, где я не равна нулю». То есть под сачком волнового пакета. Иными словами, в той области пространства, где поднимается в данный момент движущийся гребень сложившихся вместе пси-волн — «волн поведения» электрона. Так на вопрос: «Где. сейчас пойманная бабочка?» — сачок ответил бы: «В моих пределах».
И теперь — самое существенное.
Где же все-таки бабочка под сачком — где она там, в его пределах? Сачок прозрачен. Щелкните фотокамерой — вот и ответ.
Но что сказать не о настоящей бабочке, а о настоящем электроне под пси-сачком? Хотя этот волновой гребень больше, чем прозрачен, — призрачен, аппаратом тут не щелкнешь. Помните: из киносъемки электрона ничего путного получиться не может. Оказывается, если частица в волновом пакете и похожа на бабочку, то скорее на бабочку под непрозрачным сачком: все время известно, что она там, внутри, но точнее уже ничего сказать нельзя и никакое фотографирование тут не поможет.
И вот фраза, которая исполнена высокой учености, но смысл которой теперь, однако, довольно ясен: дебройлевская двойственность частиц, то есть их волнообразность, волей-неволей заставляет физиков иметь дело в механике микромира не с движением элементарных частиц «самих по себе», а с поведением их шредингеровских волновых пакетов.
Вот простой и удивительный опыт.
Непроницаемый экран. В экране щель. За экраном фотопластинка. Сверху падает электрон. Он проскакивает через щель. Где почернеет пластинка?
Физик-классик опустил бы отвесную прямую из середины щели на пластинку и уверенно объявил бы: «Почернение будет здесь!» Конечно, для точности он ввел бы поправки на ширину щели и удаленность пластинки от экрана. В общем он предписал бы электрону классическую траекторию падения и безмерно изумился бы, обнаружив, что предсказание почему-то не сбылось. А оно действительно могло и не сбыться! И случись именно так, классик начал бы искать подвохи в схеме опыта. Но схема столь проста, что где в ней гнездиться подвохам!
Физик-квантовик заранее отказался бы от точного предсказания: еще ничего не подсчитывая, не составляя и не решая для этого случая уравнения Шредингера, он, не колеблясь, заявил бы, что электрон может очутиться и не прямо напротив щели. Электрон — корпускула, обладающая волновыми свойствами, он «волница», и у нас нет никакого права приписывать ему классическую однозначную линию поведения — траекторию. Нарисованный по линейке отвес может и не иметь для него ни малейшего реального смысла. Нарисуйте, как будут вести себя «волны его поведения» — шредингеровские пси-волны, и тогда посмотрим, где стоит искать почернение на пластинке? Примерно так сказал бы физик-квантовик.
Путь электрона к пластинке — его движение, предшествующее встрече с ней, — на опыте проследить Нельзя: это все та же бессмысленная, неосуществимая киносъемка. Зато математически, на бумаге, можно проследить судьбу его волновой упаковки — того непрозрачного сачка, который несет бабочку.
В момент прохождения щели электрону негде быть, кроме как в пространстве щели. Хоть эта фраза и звучит глуповато, вроде: «Ищи меня там, где я прячусь», смысл ее не так плосок, как кажется. Это значит, что в момент прохождения щели волновой пакет электрона приобретает ее очертания. Таково в этот Момент дно, или основание, пси-сачка. А за щелью — простор. Пси-волны как бы выйдут на свободу, отражая новые возможности движения, открывшиеся перед электроном. Волновой пакет станет расширяться.
Там, где возникнет на его пути пластинка, он незримо пересечется с нею. И на пластинке словно бы скрыто отпечатается падающий пакет волн. Этот скрытый отпечаток будет волновой картиной в плоскости: так на радиоплакатах изображают расходящиеся от антенны волны — темные полосы или кольца чередуются со светлыми. В темных — размах электромагнитных колебаний наибольший, в светлых — наименьший, нулевой. Так и на пластинке словно бы притаится волновая картина изменения от точки к точке таинственной величины «пси» — полоса за полосой или кольцо за кольцом.
Так где же почернеет эмульсия от падения электрона? Неужели это произойдет обязательно в той точке, что лежит прямо напротив щели в экране? Вы уже догадываетесь, почему физик-квантовик не возьмется этого утверждать. Нет, электрон может упасть в любом месте, где «волны его поведения» взаимно не погасились: на любой полосе, где по математическому предвидению можно было бы нарисовать над плоскостью эмульсии горбики пси-волновой картины. Всюду в таких местах можно ожидать появления черного пятнышка на пластинке. Даже в отдалении от точки, предсказанной классиком. Лишь бы не на «пустой» полосе.
Вот она, нашумевшая в свое время дифракция электронов! (Огибание препятствий — краев щели.)
Но в результате действительно проделанного опыта на установке — не на бумаге — электрон ведь очутится в каком-то одном месте, не так ли? Разумеется. Так где же именно? Где кончится неизвестность и произойдет вторжение этой заряженной частицы в молекулу эмульсии, а вслед за тем химическая реакция с выделением черного металлического серебра?
Вы наверняка уже чувствуете, как! просится тут на язык злополучное слово — Случай! Оно просится в текст с такой же настойчивостью, как и при поисках ответа на вопрос: «Где сейчас бабочка, скрытая непрозрачным конусом сачка?» Если ей безразлично, где там быть, то, конечно, это дело случая, где она окажется в момент нашего наблюдения. Правда, чтобы ей и в самом деле это было безразлично, надо лишить ее одушевленности — стремления к удобству, инстинкта свободы, словом — права выбора. Все места под сачком должны быть для нее равно хороши.
Теперь можно бы и совсем отделаться от этой примелькавшейся бабочки, благо уже и так пришлось лишить ее инстинктов жизни. Но сначала нужно совершить еще одно — маленькое — усилие воображения. Дело стоит того: мы почувствуем, как случай диктует явлениям природы свои особые закономерности. Он делает это не менее изобретательно, чем любая железная необходимость.
Можно мысленно разбить пространство сачка на равные ячейки — скажем, величиною с бабочку. Тогда сачок станет похож на конус, вырезанный из пчелиных сотов. От чистой случайности зависит, в какой из ячеек застигнем мы бабочку при проверке. И если в конусе умещается, допустим, тысяча ячеек, то надо ли логически доказывать, что есть лишь один надежный шанс из тысячи увидеть пленницу в заранее предуказанной ячейке?
Но вот что замечательно.
Ячейки выстраиваются в столбики над основанием конуса. Самый длинный столбик, конечно, над серединой основания: в нем, доходящем до вершины сачка, больше всего ячеек. А чем ближе к краям основания, тем меньше ячеек умещается в этих столбиках. У самых краев их этажность сходит на нет. Видите ли вы мысленно эту картину? Она напоминает московские высотные здания, которые этакими каменными сачками поднимаются в небо: в любом из них — больше всего этажей в середине, под шпилем, а меньше всего по краям, над периферией фундамента. В каком же столбике больше всего н