Наверняка многие читатели знакомы с таким понятием как волновой пакет, который описывает распределение плотности вероятности обнаружения свободной элементарной частицы в определенном месте пространства или значение энергии (импульса).
Гипотеза де Бройля гласит, что любая частица, имеющая импульс, обладает волновыми свойствами.
Один из вариантов волновой функции изображен ниже и представляет собой сумму осцилляторов близких по частоте и распространяющихся вдоль оси абцисс.
Поскольку эта функция плоская, то мы можем описать с помощью нее лишь одну характеристику во времени. Согласно гипотезе МоND.2019, представленный волновой пакет является двумерной проекцией более полной картины, которая скрыта от наблюдателя и может быть описана в трехмерном состоянии.
Суть в том, что в рамках гипотезы, все элементарные частицы, известные на сегодня и входящие в Стандартную модель физики частиц, могут двигаться сквозь пространство только по спиралеподобным и винтообразным трекам. Это движение является естественным для частиц и не требует расхода энергии на криволинейность, подобно тому, как не требуется тратить энергию на движение электрона по орбиталям атома.
Вообще, в природе не существует движения по прямой - любой объект во Вселенной так или иначе движется сквозь пространство по криволинейным траекториям, будь то атом или галактика. При этом каждое последующее положение объекта характеризуется наиболее вероятным направлением, в котором этот объект может двигаться. А сама вероятность зависит от ближайшего окружения. На квантовом уровне окружение определяется пространственной структурой, а на уровне макрообъектов суммой всех вероятностей и усредненных по направлениям.
Для того, чтобы пронаблюдать движения микрообъекта нам необходимо две вещи: непосредственно сам объект, в нашем случае пусть будет какая нибудь элементарная частица, например электрон и датчик, фиксирующий положение. Конечно такого датчика не существует, который мог бы делать замер изменения истинного положения движущегося электрона, но мы предположим, что таковой имеется, для того, чтобы можно было сравнить с теоретическими выкладками современных представлений. Следует понимать, что изменения электромагнитного поля вокруг движущегося электрона в этом случае происходить не будет, поэтому вы не сможете измерить изменение электромагнитной составляющей.
Итак, электрон движется в пространстве относительно датчика и его усредненный путь пролегает на некотором небольшом расстоянии, как показано на рисунке. Как уже было сказано, на квантовом уровне электрон может двигаться только по спиральным винтообразным трекам, никакая частица не может двигаться строго прямо на сколь угодно малом приближении. Мысленно соединим электрон и датчик и обозначим это расстояние как R, кроме этого отметим еще одно расстояние L, которое будет соединять точку проекции электрона на усредненный путь с датчиком. На анимации ниже эти параметры отмечены на фиксированном положении электрона.
Проследим движение электрона мимо датчика и его относительное изменение положения. Для построения графика во времени в качестве измеряемой величины возьмем отношение R/L
На данной анимации, показано изменение положение частицы относительно датчика. Еще раз напомню, что никакого изменения электромагнитного поля в данном случае нет, подобно тому как не происходит изменения электромагнитного поля вокруг нейтрального атома, в котором электрон движется по своим орбиталям.
Если сравнить полученный график с волновым пакетом, представленным в первой анимации, то очевидно, что эти два графика идентичны по форме. Еще хотел бы уточнить, что движение по винтовой траектории является частным и идеальным случаем движения микрочастицы. На самом деле, траектория движения может быть в виде трохоиды, что-то наподобие сплюснутой с боков пружины. Вне зависимости от формы истинного трека частицы, график изменения положения частицы относительно датчика будет напоминать график волнового пакета.
В случае движения частицы по трохоиде, будут возникать такие моменты, когда частица движется как бы в обратном направлении от основного направления распространения, и наблюдатель, который не знает о подобном факте, будет воспринимать это как неопределенность по времени, энергии, импульса или скорости. Также при измерении движения микрочастиц будет возникать ощущение, что законы сохранения количества движения могут нарушаться на короткое время.
Все вышеописанные явления формально описаны Луи де Бройлем, Гейзенбергом и Эрвином Шрёдингером.
Надеюсь статья понравилась, если будут какие то вопросы, то готов ответить на них, при условии, что они будут сформулированы в конструктивном ключе.
Спасибо читателям, оставившим положительную отметку или поделившихся данной публикацией в соцсетях. Отдельная благодарность друзьям за материальную поддержку канала!
Михаил Н. Бровкин 3 ноября 2020 г.