В останніх кількох розділах ми з вами розглянули багато істотних понять, без яких неможливо розібратися ні в явищі світла, ні взагалі в електромагнітному випромінюванні. (Деякі спеціальні питання — теорію показника заломлення густої речовини та повне внутрішнє відбиття — ми відкладемо до майбутніх часів.) Ми мали справу з так званою «класичною теорією» електромагнітних хвиль, і для безлічі явищ вона давала достатньо точний опис природи. І нас не дуже турбувало при цьому, що світлова енергія завжди доставляється порціями — «фотонами».
Наступною темою, якою ми збираємося зайнятися (у розділах, починаючи з 39), є проблема поведінки порівняно великих масивів речовини — їхніх механічних або, скажімо, їхніх теплових властивостей. Знайомлячись із цими властивостями, ми побачимо, що стара класична теорія тут негайно зазнає невдачі, зазнає з тієї причини, що речовина насправді складається з частинок атомних розмірів. І якщо ми все ж таки маємо намір користуватися старою теорією, то лише тому, що це єдине, в чому ми можемо розібратися за допомогою вивченої нами класичної механіки. Але наші успіхи не будуть великими. Ми виявимо, що на відміну від теорії світла теорія речовини на цьому шляху досить швидко натрапляє на труднощі. Можна було б, звісно, обійти всі атомні ефекти стороною. Але замість цього ми вирішили тут вклинити невеликий екскурс в основні ідеї квантових властивостей речовини, в квантові уявлення атомної фізики. Треба ж, щоб ви хоч приблизно уявляли, як виглядає те, що ми обходимо. Все одно ж атомні ефекти настільки важливі, що нам не минути познайомитися з ними впритул.
Отже, зараз ми перейдемо до введення в предмет квантової механіки. Але по-справжньому проникнути в суть предмета ви зможете лише набагато пізніше.
Квантова механіка — це опис поведінки найдрібніших часточок речовини, зокрема всього, що відбувається в атомних масштабах. Поведінка тіла дуже малого розміру не схожа ні на що з того, з чим ви повсякденно стикаєтеся. Ці тіла не поводяться ні як хвилі, ні як частинки, ні як хмари, або більярдні кулі, або вантажі, підвішені на пружинах, — словом, вони не схожі ні на що з того, що вам хоч коли-небудь доводилося бачити.
Ньютон вважав, що світло складається з частинок. А потім виявилося, як ми вже переконалися, що світло поводиться подібно до хвиль. Пізніше, однак (на початку XX століття), виявили, що поведінка світла й справді часом нагадує частинку. Про електрон же, навпаки, спочатку думали, що він схожий на частинку, а потім з'ясувалося, що в багатьох відношеннях він поводиться як хвиля. Отже, насправді його поведінка ні на що не схожа. І ми здалися. Ми так і кажемо: «Він ні на що не схожий».
Однак, на щастя, є ще одна лазівка: річ у тім, що електрони поводяться точнісінько так само, як світло. Квантова поведінка всіх атомних об'єктів (електронів, протонів, нейтронів, фотонів тощо) однакова: усіх їх можна назвати «частинками-хвилями» (годиться, втім, і будь-яка інша назва). Отже, все, що ви дізнаєтеся про властивості електронів (а саме вони слугуватимуть нам прикладом), усе це буде застосовним до будь-яких «частинок», включно з фотонами світла.
Протягом першої чверті нашого століття поступово накопичувалася інформація про поведінку атомів та інших найдрібніших частинок, і знайомство з цією поведінкою вело до дедалі більшого сум'яття серед фізиків. У 1926—1927 рр. воно було усунуте працями Шредінгера, Гайзенберга та Борна. Їм вдалося врешті-решт отримати несуперечливий опис поведінки речовини атомних розмірів. Основні характерні риси цього опису ми й розберемо в цьому розділі.
Оскільки поведінка атомів настільки не схожа на наш повсякденний досвід, то до неї дуже важко звикнути. І новачкові в науці, і досвідченому фізику — всім вона здається своєрідною і туманною. Навіть великі вчені не розуміють її настільки, наскільки їм хотілося б, і це цілком природно, бо весь безпосередній досвід людини, вся її інтуїція — все це стосується великих тіл. Ми знаємо, що станеться з великим предметом; але саме так найдрібніші тільця й не чинять. Тому, вивчаючи їх, доводиться вдаватися до різного роду абстракцій, напружувати уяву і не намагатися пов'язувати їх з нашим безпосереднім досвідом.
У цьому розділі ми одразу ж спробуємо вхопити найосновніший елемент таємничої поведінки в найдивнішій її формі. Ми обрали для аналізу таке явище, яке неможливо, цілком, абсолютно неможливо пояснити класичним чином. У цьому явищі криється сама суть квантової механіки. Але насправді в ньому ховається лише одна-єдина таємниця. Ми не можемо розкрити її в тому сенсі, що не можемо «пояснити», як вона працює. Ми просто розповімо вам, як вона працює. Розповідаючи про це, ми познайомимо вас з основними особливостями всієї квантової механіки.