Единственное объяснение, которое приходит в голову: фотоны сами себе на уме. Нельзя со стопроцентной вероятностью предсказать, как поведет себя конкретный фотон — столкнется со стеклом как частица или как волна. Это основа квантовой физики — совершенно, абсолютно случайное поведение материи на микроуровне без какой-либо причины (а в своем мире больших величин мы по опыту знаем, что все имеет причину).

Похоже, что там, на фундаментальных уровнях мироздания, вселенной управляет идеальный генератор случайных чисел в отличие, скажем, от монетки, результат подбрасывания которой теоретически можно предсказать.

Гениальный Эйнштейн, открывший фотон, до конца жизни был уверен, что квантовая физика ошибается, и уверял всех, что «Бог не играет в кости», мол, должны быть причинно-следственные связи для выбора частицей своего состояния. Но современная наука все ответственнее подтверждает: таки играет. Хотя, конечно, можно пофилософствовать и предположить, что некий сверхразум наблюдает за каждым фотоном и решает, как ему сталкиваться со стеклом. Проверить эту гипотезу мы не можем, но есть одно косвенное доказательство, портящее идеалистическую картину. Дело в том, что в квантовых опытах фотон выбирает свою траекторию с вероятностью 50 %. Всегда. А это, как минимум, означает, что сверхразум не заинтересован в предопределенности событий и не склоняется ни в чью пользу. И тогда он опять неотличим от генератора случайных чисел.

Так или иначе, но как-то раз ученые собрались поставить жирную точку в споре «волна или частица» и решили воспроизвести опыт Юнга с учетом технологий XX века. К этому времени они научились пулять фотонами по одному (квантовые генераторы, известные среди населения под именем «лазеры»), и посему было задумано проверить, что будет на экране в случае, если выстрелить по двум щелям одной частицей: вот и станет понятно, наконец, чем же является материя при контролируемых условиях эксперимента.

Об этом эксперименте мы подробно расскажем в следующей главе, обещаем, что вы почти все поймете, а пока лишь скажем, что в результате опыта выяснилась ужасная вещь: одиночный фотон летит сразу через две щели и интерферирует сам с собой.

С точки зрения волны это логично: волна проходит через щели, и теперь две новые волны расходятся концентрическими кругами, накладываясь друг на друга.

Но с корпускулярной точки зрения получается, что фотон находится в двух местах одновременно, когда проходит через щели, а после прохождения смешивается сам с собой. Это вообще нормально, а?

Оказалось, что нормально. И вообще с точки зрения квантовой физики выпущенный фотон между стартом и финишем находится одновременно «везде и сразу». Такое нахождение частицы «сразу везде» физики называют суперпозицией — страшное слово, которое раньше было математическим баловством, а теперь стало физической реальностью.

Некий Э. Шредингер, известный противник квантовой физики, к этому времени нарыл где-то формулу, которая описывала волновые свойства материи. И немного над ней поколдовав, к своему же ужасу вывел так называемую волновую функцию. Эта функция показывала вероятность нахождения фотона в определенном месте. Заметьте, именно вероятность, а не точное местонахождение. И эта вероятность зависела от квадрата высоты гребня квантовой волны в заданном месте (если кому-то интересны детали).

Дела с дуализмом обстояли все интереснее и интереснее.

В 1924 году аристократ Луи де Бройль взял и заявил, что корпускулярно-волновые свойства света — это верхушка айсберга. А таким непонятным свойством обладают все элементарные частицы.

То есть частицей и волной одновременно являются не только кусочки электромагнитного поля (фотоны), но и вещественные частицы типа электронов, протонов и т. п. Вся материя вокруг нас на микроскопическом уровне является волнами (и частицами одновременно).

И спустя пару лет это даже подтвердили экспериментально — американцы гоняли электроны в электронно-лучевых трубках (которые известны нынешним старперам под названием «кинескоп») — так вот наблюдения, связанные с отражением электронов, подтвердили, что электрон — это тоже волна. Для простоты понимания можно сказать, что на пути электрона поставили пластинку с двумя щелями и лицезрели интерференцию электрона как она есть.

К настоящему времени в опытах обнаружено, что и атомы имеют волновые свойства, и даже некоторые специальные виды молекул (так называемые «фуллерены») совершают каминг-аут, проявляя волновые свойства.

Пытливый ум читателя, который еще не ошалел от нашего повествования, спросит: если материя — это волна, то почему, например, летящий мячик не размазан в пространстве в виде волны? Почему реактивный самолет никак не походит на волну, а очень похож на реактивный самолет?

Де Бройль, чертяка, и тут все объяснил: таки-да, летящий мячик или «боинг» это тоже волна, но есть специальная формула, в которой длина волны тела обратно пропорциональна его импульсу.

То чем больше импульс тела, тем меньше его длина волны.

А что такое импульс? Из школьной физики мы смутно припоминаем, что импульс — масса, умноженная на скорость. Тогда длина волны зависит от массы и скорости объекта.

Длина волны мяча, летящего со скоростью 150 км/час, будет приблизительна равна 0,0000000000000000000000000000000001 метра. Все дело в том, что мы не в состоянии заметить, как мячик размазан по пространству в качестве волны. Для нас это твердая материя.

А тот же электрон — весьма легкая частица, и, летящий со скоростью 6000 км/сек, он будет иметь заметную длину волны в 0,0000000001 метра.

Кстати, сразу ответим на вопрос, почему ядро атома не настолько «волновое». Хоть оно и находится в центре атома, вокруг которого, ошалев, летает и в то же время размазывается по орбитали электрон, ядро имеет приличный импульс, связанный с массой протонов и нейтронов, а также высокочастотным колебанием (скорость) из-за происходящего внутри ядра обмена частицами сильного взаимодействия (читайте лекцию про материю) — то есть внутри ядра постоянная движуха и суета. Поэтому ядро больше походит на привычную нам твердую материю. Электрон же, по-видимому, является единственной частицей с подходящей массой, у которой ярко выражены волновые свойства, вот его все с восторгом и изучают. Всё понятно?

Вернемся к нашим частицам. Так что получается: электрон, «вращающийся» вокруг атома — это одновременно и частица и волна. То есть вращается-то частица, и в то же время электрон как волна представляет собой оболочку определенной формы вокруг ядра — как это вообще можно понять человеческим мозгом?

Выше мы уже подсчитали, что летающий электрон имеет довольно огромную (для микромира) длину волны и, чтобы разместиться вокруг ядра атома, такой волне нужно неприлично много места. Вот как раз именно этим и объясняются такие большие размеры атомов по сравнению с ядром. Длины волн электрона определяют размер атома. Пустое место между ядром и поверхностью атома заполнено «размещением» длины волны (и в то же время частицы) электрона. Просим нас простить за грубое и некорректное объяснение, на самом деле все гораздо сложнее, но наша цель — хотя бы позволить отгрызть кусочек гранита науки людям, которым это интересно.

Наконец, давайте еще раз поясним и напомним! Описываемая нами форма материи не является ни волной ни частицей. Она лишь имеет свойства, присущие волнам и частицам. Нельзя говорить, что электромагнитная волна или электронная волна подобны морским или звуковым волнам.