Что на самом деле представляет собой квантовая частица?

Квантовая механика известна своими некоторыми весьма ошеломляющими утверждениями, например, что кот может быть одновременно и жив и мертв, а электроны, протоны и другие обитатели субатомного мира являются одновременно частицами и волнами.

Все это сбивает с толку. Но, используя современные представления о квантовом мире, есть способы точно представить, что происходит. В общем, взаимодействия частиц представляют собой пьянящую смесь вибрирующих и взаимодействующих полей.

Классические частицы и волны

Понятие классической частицы знакомо многим. Частица — это объект с идентифицируемым местоположением. Объект может быть большим или маленьким или иметь необычную форму.

Для такой субатомной частицы, как электрон, обычный мысленный образ представляет собой нечто вроде микроскопического шарика. Когда частицы взаимодействуют, они могут отскакивать друг от друга, как два бильярдных шара, а могут сливаться, как два комка глины, ударяющиеся друг о друга.

Классические волны тоже многим знакомы. Представьте себе колебания вверх и вниз по поверхности озера, когда в него роняют несколько предметов. Математически одномерная волна — это просто постоянно колеблющаяся синусоидальная кривая. Она простирается бесконечно в любом направлении с фиксированной повторяющейся длиной волны.

В отличие от частиц, волны не имеют определенного местоположения. Более того, волны взаимодействуют совершенно иначе, чем частицы. Когда две волны взаимодействуют, они проходят друг через друга, причем гребни и впадины двух волн либо усиливают друг друга, образуя больший гребень, либо полностью нейтрализуют друг друга (так называемая конструктивная и деструктивная интерференция соответственно).

Учитывая, что традиционные частицы и волны, похоже, обладают такими совершенно разными свойствами, легко понять, как физики начала 20-го века были настолько сбиты с толку, пытаясь согласовать утверждения о том, что такие вещи, как фотоны и электроны, были одновременно частицами и волнами.

Однако ученые пришли к пониманию того, что субатомные объекты обладают как волновыми, так и корпускулярными свойствами, а не существуют как одно или другое.

Корпускулярно-волновой дуализм

Например, такой объект, как электрон, имеет длину волны, но она не простирается до бесконечности. Вместо этого амплитуда (или высота) волны имеет место, где она максимальна, а затем уменьшается на расстояниях дальше от максимума.

В результате получается так называемый волновой пакет. В контексте квантовой механики начала 20-го века термин «волны» некоторое время был в моде, хотя сейчас он используется редко.

Совершенно разумно думать о субатомных частицах, таких как электроны и фотоны, как о волновых пакетах, но, учитывая, что волны — это вибрации, сразу возникает вопрос: «Что именно вибрирует?» или, что столь же сбивает с толку: «В чем смысл волнового пакета?» Здесь все становится немного запутанным.

В традиционной квантовой механике этот волновой пакет называется волновой функцией и представляет собой просто метод расчета вероятностей.

Если возвести в квадрат волновую функцию, результатом будет функция, указывающая вероятные места, где частица будет взаимодействовать с другими частицами.

Этот волновой пакет — просто математическая конструкция и ничего больше.

 Квантовая теория поля

Однако ситуация становится несколько более физической, когда используются более современные идеи квантовой механики. Название современной теории, описывающей частицы, — «квантовая теория поля».

Современная квантовая теория поля постулирует, что пространство наполнено рядом полей. Для каждого вида известных субатомных частиц существует свое поле. Например, есть поле электронов, поле фотонов и так далее. Есть даже кварковые поля.

Согласно этой теории, электрон — это не что иное, как волновой пакет в электронном поле. Значение волнового пакета такое же, как и в традиционной квантовой механике — то есть, если возвести в квадрат волновую функцию (представляющую волновой пакет), результатом будет вероятность обнаружения электрона в этом месте.

Самое замечательное в таком понимании частиц заключается в том, что оно дает нам совершенно иную мысленную картину того, как частицы испускаются и поглощаются на квантовом уровне.

Например, одна субатомная частица обычно испускает другую, скажем, электрон, испускающий фотон. Если субатомные частицы представляют собой волновые пакеты (локализованные колебания определенных полей), то когда электрон испускает фотон, колебания в поле электрона передаются полю фотонов.

В каком-то смысле это все равно, что поставить рядом два одинаковых камертона и ударить по одному из них. Вибрации от первого перейдут на второй, и вскоре оба начнут вибрировать. В квантовом мире некоторые вибрации электронного поля перейдут в поле фотонов, фактически создав фотон.

Хорошие колебания

Нет сомнений в том, что современные физические теории сложно представить.

Однако как только вы примете идею о том, что частицы — это не что иное, как локализованные вибрации в нескольких взаимодействующих полях, у вас появится достаточно точное представление о том, как работает квантовый мир.