Чем квантовый мир отличается от мира обычного? Ну например тем, что частицы там находятся сразу во всех возможных состояниях и положениях. Тут включается фантазия или нигилизм - всё зависит от характера. Кто-то начинает воображать какие-то странные конструкции на уровне фантастики, а кто-то сразу упрямо твердит, что это невозможно.
В итоге стандартная фраза "электрон есть сразу везде" до момента его измерения понимается обычно не совсем правильно, а за квантовыми теориями в очередной раз закрепляется репутация странных и непонятных. Но давайте я попробую пояснить вам, что всё это вообще может значить для человека в здравом уме? И да, электрон мы взяли как самый яркий пример квантовой частицы, которую вы лучше всего знаете.
Прежде чем ответить на этот вопрос, нужно спросить, а что такое электрон?
Стандартная модель физики элементарных частиц - это совершенно неправильное название. Возможно, это дедушка всех неправильных названий физики. Потому что это на самом деле Стандартная модель квантовой полевой физики. Ее фундаментальными объектами являются все поля. Возьмем часть Стандартной модели, которая известна как квантовая электродинамика (КЭД): эта теория имеет два фундаментальных объекта: электромагнитное поле и электронное поле. Вот и все.
Оба эти поля являются функциями пространственно-временных координат (одно — векторнозначная функция, другое — спинорнозначная функция). За исключением очень специальных точек, которые могут существовать, а могут и не существовать, поля нигде не равны нулю. То есть эти поля присутствуют везде.
Поскольку эти поля являются квантовыми полями, их взаимодействия подчиняются определенным правилам. В частности, когда они взаимодействуют, они обмениваются энергией и импульсом в установленных единицах. Более того, мы можем даже определить математические операторы, которые позволяют нам подсчитывать эти единицы. Так что эти единицы возбуждения имеют отдельное существование. Эти единичные возбуждения и есть наши «частицы».
Представьте себе тарелку с водой, с небольшой рябью на ее поверхности. Вы немного встряхиваете ёмкость. Появляется больше ряби. Можете ли вы указать на определенное место и сказать, где именно её точное положение? Нет.
За исключением исключительных обстоятельств, возбуждения электромагнитного поля не локализованы в пространстве.
Они действительно есть повсюду. Теперь, в зависимости от того, как организовано конкретное взаимодействие, возбуждение может (на короткое время) иметь четко определенное положение (представьте, что вы засовываете палец в миску с водой и рябь, которую вы создаете, изначально локализована). Но «естественное» состояние этих возбуждений заключается в том, что они распределены в пространстве. Это распределение и описывает частицу в терминах физики полей. Потому у электрона нет никакого точного положения и по этой же причине он сразу везде.
Но на самом деле, говорить, что электрон находится сразу «везде» - это очень плохой тон. Вы никогда не обнаружите электрон более чем в одном месте одновременно. На самом деле, когда люди говорят это, они имеют в виду, что до того, как вы измерите положение электрона, вы не знаете, где он находится, и в зависимости от ситуации, возможно, вы найдете его в любом из нескольких мест. Это правда, и когда вы вычисляете определенные вещи в квантовой теории, вы должны допускать возможность того, что электрон находится в любом из этих мест - вы должны включить в расчет термины, связанные со всеми возможными положениями, чтобы получить правильный ответ. Но это не то же самое, что сказать, что электрон находится во всех этих местах одновременно.
Обычно вы сталкиваетесь с утверждениями, подобными тому, о котором вы спрашиваете, в «популярных трактовках» квантовой теории, и такие трактовки часто очень небрежны в представлении идей. Электрон на самом деле находится там, где вы измеряете его и это всегда, всегда будет только одно место.
---
⚡ Обязательно подпишитесь на мой Telegram про квантовые миры и читайте эксклюзивные статьи! Обновления регулярно!