Чвертинка електрона
На конференції, що відбулася нещодавно в американському місті Міннеаполісі з квантових рідин і твердих тіл, відбулася невелика сенсація. Повідомлення молодого британського фізика Хемфрі Маріса настільки зацікавило учасників та викликало таку бурхливу дискусію, що організатори присвятили його обговоренню додаткову сесію, у якій взяли участь понад сто осіб. Протягом двох годин вони намагалися знайти помилку в міркуваннях Маріса і, не знайшовши її, розійшлися в твердому переконанні, що вона неодмінно має десь таїтися, бо божевільна ідея доповідача ніяк не може бути вірною. "Цього не може бути, тому що цього не може бути ніколи", - як казали за старих часів. "Цим" було висловлене Марісом твердження про можливість розщеплення електрона.
І, як уже сказано вище, колеги Маріса не змогли (і досі не можуть) знайти ваду у його міркуваннях. Міркування ці такі. У рідкому гелії, тобто гелії, охолодженому до наднизьких температур (це саме та область фізики, якою Маріс займається як експериментатор), електрони можуть існувати автономно і незалежно від атомів. Якщо впорснути в рідкий гелій електрони зовні, вони поступово уповільнюються там в результаті зіткнень і практично зупиняються. Вони, проте, потім не приєднуються до атомів гелію, тому що у кожного такого атома вже є два свої електрони, а квантові закони забороняють ситуації, коли в одному стані перебуває більше двох електронів. Тому додатковим електронам доводиться розміщуватись між атомами. Для цього вони повинні розчистити собі деякий простір, утворити якусь «бульбашку» — так звану електронну бульбашку. Щоб розчистити цю ділянку простору для себе, вони повинні трохи розсунути навколишні атоми. Це не завждиможливо: якщо атоми пов'язані один з одним сильними міжатомними зв'язками («ван-дер-ваальсові»), енергії електрона на це не вистачить. У гелії при наднизьких температурах її вистачає, і експериментатори разом з теоретиками давно вже встановили, що впорщені електрони утворюють у ньому «електронні бульбашки» діаметром приблизно 38 ангстремів, для чого зміщують із нормальних положень близько 700 атомів гелію. Кожна така «бульбашка» зайнята одним електроном, який за законами тієї ж квантової механіки може знаходитися там у «квантованих» (дискретних) енергетичних станах.
Стан електронів описується квантової теорії так званої хвильової функцією, що відбиває властиві цим часткам хвильові властивості. Вже на зорі квантової теорії утвердилося уявлення, що ця функція вказує на ймовірність знаходження електрона в тому чи іншому місці. Хвильова функція, що описує самий низькоенергетичний стан електрона в його «бульбашці», має, згідно з теорією, кулястий вигляд; хвильова функція наступного по енергії стану - вид гантелі, причому основна частина енергії електрона зосереджена в кулях такої "гантелі", залишаючи "перемичку" між ними майже "порожній", тобто не здатна протистояти зовнішньому тиску. Дійшовши до цього місця у своїх міркуваннях, Маріс робить цілком, здавалося б, логічний наступний крок: «Якщо тиск гелію зовні на «електронну бульбашку» буде досить великим, то може виникнути можливість розриву «перемички», тобто поділу «бульбашка» на дві половинки».
Це було б ще нічого, оскільки можна було б думати, що електрон виявиться цілком в одній із половинок «бульбашки», тоді як інша просто «схлопнеться». Але висновок Маріса стає воістину «шаленим» (за визначенням Нільса Бора, який запитував, чи достатньоідея шалена, щоб бути плідною), коли він нагадує, що розірвана «гантель» була осередком електронної хвильової функції, і, отже, кожна половинка такої «гантелі» повинна, за визначенням, містити половинку цієї функції, тобто половинку електрона — його маси та її заряду. Маріс навіть підрахував, коли це «розщеплення електрона» може статися: за температури нижче 1,7 градуса Кельвіна, коли рідкий гелій стає надплинним, тобто в ньому зникає в'язкість. Поки в'язкість є навіть частково, каже Маріс, тиск гелію просто примушує гантелеподібний електронний пухирець знову прийняти кулясту форму, тобто повернутися в самий низькоенергетичний стан, але коли в'язкість зникає, рідина стає такою «слизькою», що не може запобігти поділу «бульбашок».
Повернемося на початок. Про який «експеримент тридцятирічної давності», який нібито підтверджує його «шалену» ідею, говорив Маріс? Наприкінці шістдесятих років Норсбі та Сандерс з університету в Міннесоті, вивчаючи електричний струм, утворений рухом «електронних бульбашок» у рідкому гелії під дією електричного поля, виявили, що якщо опромінити гелієву рідину світлом, електричний струм збільшується. Спочатку вони думали, що світло вибиває електрони з «бульбашок» і ці вільні електрони рухаються швидше, як і збільшує струм. Але пізніше було показано, що вибиті світлом електрони відразу утворюють нові «бульбашки», тож струм начебто не повинен змінюватися, і результат, отриманий Норсбі та Сандерсом, виявився незрозумілим. Він залишався загадковим усі минулі тридцять років, поки Маріс не виступив зі своєю ідеєю і не пояснив, що світло має збуджувати електрони в «бульбашках» у «гантелеподібний» стан і цим викликати розщеплення «бульбашок». «Малі«бульбашки» рухливіше, — каже Маріс, — і коли їх стає більше, струм, природно, росте».
Аналогічно Маріс пояснює і загадковий результат пізніших експериментів Іхаса — Сандерса (1971) і Ван-Едена — Мак-Клінтока (1984). Ці експериментатори створювали мільйони електронних «бульбашок» у гелії за допомогою електричного розряду та визначали момент їхнього приходу (під впливом електричного поля) до деякого екрану. Замість того, щоб прийти до нього одночасно (оскільки вони народилися одночасно), «бульбашки» чомусь приходили трьома дискретними групами. Згідно з Марісом, вся справа знову-таки в розщепленні електронів. Розряди породжують спалах світла, світло збуджує електрони в «бульбашках», і «бульбашки» діляться на половинки та чвертки; ясно, що "бульбашки" з цілими електронами приходять до екрану швидше, ніж "бульбашки" з половинним зарядом (на них електричне поле діє з удвічі меншою силою), а ті - швидше, ніж "бульбашки" з чвертю електрона.
Чверть електрона Це звучить так приголомшливо незвично, що навіть нефахівець мимоволі зіщулиться, напевно. Фахівцям ще гірше: якщо ідея Маріса вірна, то невірна квантова теорія. Але вони переконані, що квантова теорія вірна: вона вже пояснила стільки явищ і має стільки практичних виходів, що її основи всім видаються непорушними. Отже, помиляється Маріс. Але, як уже сказано, знайти помилку в його міркуваннях поки що не вдалося нікому. Зрозуміло, можливо і так, що в основах квантової теорії доведеться щось переглянути, довелося ж переглянути механіку Ньютона в області дуже великих швидкостей та у світі мікрочастинок. Але поки що фахівці воліють без потреби з переглядом не поспішати. Що стосується самого Маріса, то він каже, що не дуже засмутиться, якщо виявиться неправ. Свою «шалену» ідею він уже кинув у науковий світ, і результат йому видається підбадьорливим: науковий світ задумався. «Я натрапив на дивну загадку, – каже він. — Я хотів, щоб люди замислилися над нею разом зі мною. Я був би щасливий, навіть не маючи рації, але попередньо змусивши колег подумати».