В 1924 г. Луи де Бройль распространил идею о двойственной корпускулярно-волновой природе света на все частицы материи, введя представление о волнах материи. Отсюда можно говорить и о волновых свойствах электрона, например о дифракции электрона, которые и были экспериментально установлены. Однако эксперименты Р. Фейнмана с «обстрелом» электронами щита с двумя отверстиями показали, что невозможно, с одной стороны, сказать, через какое отверстие пролетает электрон, т. е. точно определить его координату, а с другой стороны – не исказить картины распределения регистрируемых электронов, не нарушив характера интерференции. Это значит, что мы можем знать или координату электрона, или импульс, но не то и другое вместе.
Этот эксперимент поставил под вопрос само понятие частицы в классическом смысле точной локализации в пространстве и времени.
Объяснение «неклассического» поведения микрочастиц было впервые дано немецким физиком Вернером Гейзенбергом. Последний сформулировал закон движения микрочастицы, согласно которому знание точной координаты частицы приводит к полной неопределенности ее импульса, и наоборот, точное знание импульса частицы – к полной неопределенности ее координаты. В. Гейзенберг установил соотношение неопределенностей значений координаты и импульса микрочастицы:
Δх × ΔРx ≥ h,
где Δх – неопределенность в значении координаты;
ΔРx – неопределенность в значении импульса;
h – постоянная Планка.
Этот закон и соотношение неопределенностей получил название принципа неопределенности В. Гейзенберга.
Анализируя принцип неопределенностей, датский физик Нильс Бор показал, что в зависимости от постановки эксперимента микрочастица обнаруживает либо свою корпускулярную природу, либо волновую, но не обе сразу. Следовательно, эти две природы микрочастиц взаимно исключают друг друга и в то же время должны быть рассмотрены как дополняющие друг друга, а их описание на основе двух классов экспериментальных ситуаций (корпускулярной и волновой) является целостным описанием микрочастицы. Существует не частица «сама по себе», а система «частица – прибор». Эти выводы Н. Бора получили название принципа дополнительности.
Неопределенность и дополнительность оказываются в рамках такого подхода не мерой нашего незнания, а объективными свойствами микрочастиц, микромира в целом. Из этого следует, что статистические, вероятностные законы лежат в глубине физической реальности, а динамические законы однозначной причинно-следственной зависимости – лишь некоторый частный и идеализированный случай выражения статистических закономерностей.
7. Релятивистская квантовая механика
В 1927 г. английский физик Поль Дирак обратил внимание на то, что для описания движения открытых к тому времени микрочастиц (электрона, протона и фотона), т. к. они движутся со скоростями, близкими к скорости света, требуется