Предыдущая статья:
Наконец, еще одна особенность квантового мира, на которой следует остановиться отдельно - т.н. корпускулярно-волновой дуализм, согласно которому все квантовые частицы (фотоны, электроны и другие) обладают и свойствами частиц, и свойствами волны.
Как все это понимать?
Как все это понимать - физики до сих пор внятно объяснить не могут. Что такое частица - мы вполне себе можем представить. Что такое волна - тоже. Но как один и тот же квантовый объект может быть одновременно и волной, и частицей - представить невозможно: уж слишком сильно свойства волны отличаются от свойств частицы.
Обычно физики по этому поводу задумчиво молчат, делая загадочные лица. Иногда они говорят, что квантовые частицы - это и не частицы, и не волны, а что-то такое совершенно странное и непонятное, что мы даже не можем себе вообразить. Некоторые утверждают, что квантовые частицы остаются частицами только между взаимодействиями и между измерениями, а вот "в свободном пространстве" они движутся и распространяются как волны.
А некоторые, самые смелые (или совсем безбашенные), даже уверяют, что квантовые объекты существуют во множестве измерениях, и частицами они являются только при их проекции на трехмерное пространство.
Но все это, конечно, полная чушь, которую физики придумывают просто потому, что до сих пор не понимают природу квантовых явлений.
А на самом деле?
На самом деле каждая квантовая частица, конечно, всегда остается частицей. Четко локализованной в пространстве-времени, со своими свойствами (массой, зарядом, спиной). И никакими "волновыми свойствами" - ни по-отдельности, ни в большом количестве - они не обладают.
Но при этом любая квантовая частица, в любом своем состоянии и при любом движении, порождает колебания пространства-времени. Характерные именно для этой частицы - с соответствующей длиной волны. Да, это те самые волны де Бройля. И в итоге частица составляет с окружающим ее колеблющемся пространством-времени единую физическую систему.
Иначе говоря, "волновые свойства" частицы - это, строго говоря, не ее собственные свойства, а свойства окружающей ее области пространства-времени. И именно отсюда и возникает этот корпускулярно-волновой дуализм.
Каким же образом? И почему?
Откуда у квантовых частиц появляются волновые свойства?
Оттуда, что квантовая частица, двигаясь в этом колеблющемся пространстве-времени, уже движется не самостоятельно, а в зависимости от колебаний пространства-времени.
Именно поэтому траекторию движения квантовой частицы мы уже не можем считать "классической". Ведь "классическую" траекторию (как и положение частицы) мы определяем относительно "классической" неподвижной системы отсчета. Но если пространство-время колеблется - то есть колеблется сама метрика пространства-времени - то определить положение и траекторию частицы в таком колеблющемся пространстве-времени в "классическом" понимании мы уже не можем.
Это во-первых. А во-вторых, квантовые частицы вовсе не движутся строго вместе с колебаниями пространства-времени - они движутся случайным образом. И эти колебания пространства-времени для каждой отдельной частицы задают лишь более предпочтительные точки и траектории. То есть там, где амплитуда этих колебаний максимальная - там частицы могут оказаться с большей вероятностью, чем в других точках, где амплитуда меньше.
И только если мы рассмотрим множество частиц, движущихся в таком колеблющемся пространстве-времени, их распределение в пространстве-времени будет отображать эти колебания пространства-времени.
Именно в этом состоит физический смысл волновой функции. Волновая функция описывает вполне реальный физический процесс - колебания пространства-времени. И поскольку эти колебания задают для квантовых частиц более предпочтительные точки и траектории - то волновая функция (квадрат ее амплитуды) также задает и вероятность распределения большого количества частиц при измерении.
Но только вероятность: в отличие от макромира, - где геометрия (искривление) пространства-времени полностью детерминирует движение тела, - эти колебания пространства-времени не задают положение и траекторию для квантовой частицы строго детерминированный образом. И каждая отдельная частица может случайным образом отклониться от любой траектории. Колебания пространства-времени, описываемые волновой функцией, повторюсь, задают для каждой отдельной частицы только более и менее предпочтительные точки и траектории. То есть задают только вероятность обнаружения частицы в данной точке. И лишь при большом количестве частиц (или при большом количестве измерений) их распределение уже достаточно точно повторяет вероятностное распределение согласно значениям волновой функции в той или иной точке пространства-времени.
Дифракция электронов
А теперь рассмотрим внимательно, как все это работает на практике. В частности, в опыте по дифракции электронов на одной щели. Я взял электроны - так как корпускулярные свойства электронов вроде бы ни у кого сомнений не вызывают (в отличие от фотонов). Но все сказанное будет верным относительно любых квантовых частиц.
Если выпускать электроны из источника - пучком или по-отдельности (с некоторой задержкой), не важно - то, пройдя через щель, они создадут на экране из специальной пластинки картину дифракции, типичную для любой волны, проходящую через щель или через какое-то препятствие. То есть электроны не будут все лететь точно в направлении прямо от отверстия к экрану, а некоторые из них будут отклоняться от прямой траектории, причем таким образом, что на экране возникнут более светлые и более темные полосы.
Дифракцию электронов можно также наблюдать, если запускать электроны не через щель, а через какое-то вещество (например, золотую фольгу). И это явление часто используют для изучения строения кристаллической решетки того или иного вещества.
Естественно, это явление дифракции электронов имеет волновую природу: у любой волны есть свойство огибать препятствия, и любая волна, проходя через щель, создает похожую картину.
Как все это объяснить? Откуда у каждого отдельного электрона при прохождении через щель вдруг появляются "волновые свойства"? При том, что на экране за щелью все электроны четко фиксируются как отдельные, четко локализованные, частицы-корпускулы?
Очень просто. Каждый отдельный электрон порождает колебания пространства-времени, волну определенной частоты. И когда эта волна проходит через отверстие - она и ведет себя как волна, создавая на экране дифракцию. А электрон, двигаясь в этом колеблющемся пространстве-времени, уже движется по более предпочтительным траекториям. Каждый отдельный электрон может отклониться от этой траектории случайным образом, но когда мы запускам электроны в большом количестве - пучком или по-отдельности - они уже распределяются на экране за щелью в соответствии с дифракцией пространства-времени. И создают, повторяют эту "дифракционную картину" пространства-времени.
Вот и все. Частицы не могут создавать дифракцию. И интерферировать они тоже не могут (тем более, сами с собой). Интерферировать (или резонировать) может только какой-то колебательный (или волновой) процесс. А частицы, двигаясь в колеблющемся пространстве-времени, при большом их количестве, лишь отображают эту интерференцию или дифракцию пространства-времени. Отображают статистически, что в квантовой механике описывается через вероятностные величины волновой функции.
И все это становится еще более наглядным при другом опыте - в знаменитом опыте с двумя щелями. Но об этом - уже в следующей статье.