В одном из роликов на своем канале в тубе я рассказывал про странное поведение квантовой частицы. Мы разбирали понятие циттербевегунг (это специфическое свойство квантовой частицы, которое говорит о её непрерывном "дрожании") и я постоянно использовал термин "волна".
Слово "волна" настолько меня заинтриговало, что, надо признаться, я начал строить объяснение, опираясь лишь на аналогию механической волны и поведения волновой функции. В общем смысле это почти не является ошибкой. Зато вот в смысле фундаментальном очень даже вводит в заблуждение.
Один зритель в комментариях подметил это и посоветовал мне не увлекаться аналогиями волна есть частица и так далее.
Потому я хочу разобрать тут важный тезис - волновая функция далеко не всегда может сравниваться с волной в море. Соответственно и термин "волна" не всегда самый удачный.
Во многих случаях эта логика и правда работает, но правильнее будет говорить, что мы работаем с некоторой сложной системой, проявляющей свойства, характерные для волн, и имеющей периодические колебания или изменения.
Проблема в том, что слово "волна" неизбежно вызывает ассоциации с чем-то физически колеблющимся. Например, с волнами на воде, звуком в воздухе или электромагнитной волной в пространстве. Но волновая функция не обязана быть такой физической волной.
Волновая функция - это математический объект, который позволяет вычислять вероятности различных результатов измерений. Если взять её модуль в квадрате, получится плотность вероятности обнаружить частицу в данной точке пространства.
Именно поэтому многие физики говорят, что волновая функция "ведёт себя как волна", но сама по себе не обязательно является волной в классическом смысле.
Это не просто колебания среды, как волны в воде. Это внутреннее состояние частицы материи или энергии, например, электрона или фотона, рассматриваемое в нерелятивистском приближении более старой квантовой механики. Грубо говоря, взяв квадрат таких функций, мы получаем своего рода плотность вероятности обнаружения рассматриваемой сущности, и это позволяет хорошо интерпретировать "волновые функции" для связанных электронов, то есть орбиталей из курса химии, или при обсуждении двойных щелей и тому подобного, или туннелирования.
В массовой культуре фраза "волновая функция" настолько часто используется и злоупотребляется, что теряет большую часть своего смысла. Гораздо лучше подошли бы слова "квантовое состояние" или "функция состояния".
Так что волновая функция не является волной в том же смысле, в каком звуковая волна является колебанием воздуха. Она скорее математический объект, который обладает волновыми свойствами и поэтому описывается волновым уравнением. Именно из-за этих свойств частицы в квантовом мире демонстрируют интерференцию и дифракцию, словно они являются волнами.
Интересно, что разные интерпретации квантовой механики рассматривают вопрос по-разному. То есть некоторые подходы вполне и не отрицают, что мы работаем в волной как она есть.
В интерпретации Макса Борна волновая функция прежде всего описывает вероятности без всяких там механических волн. Зато в интерпретации Луи де Бройля и Дэвида Бома волновая функция рассматривается как вполне реальная физическая волна, которая направляет частицу. В многомировой интерпретации Хью Эверетта волновая функция считается фундаментальной реальностью, а частицы - скорее её проявлениями. Это тут вроде и волна, а вроде и только содержит элементы волны.
Как же тут правильно? Ну... Всё-таки логично использовать традиционную фразу "мы не знаем!". На сегодняшний день ни один из этих взглядов не победил окончательно.
Многие физики считают само название "волновая функция" немного историческим наследием. Если бы квантовую механику создавали сегодня с нуля, её могли бы назвать, например, "амплитудой вероятности". Тогда было бы меньше соблазна представлять себе буквально размазанную в пространстве волну, похожую на рябь на воде. Именно слово "волна" часто создаёт интуитивную ловушку.
Впрочем, эти наши беседы не должны приводить к обратному эффекту. Есть искушение сказать, что вообще никаких волн, кроме как в море, не существует.
Например, волны от таких явлений, как слияние чёрных дыр, должны обладать особым математическим характером, но нет ничего плохого в том, чтобы представить себе некое мягкое пространство, колеблющееся в воздухе.
Так или иначе суть статьи одна - не надо злоупотреблять сравнением квантовых процессов с волнами.
Если вы совсем запутались, то кратко специально для вас. Мы смотрим на волновую функцию, которая описывает не колебания в среде, а специфическое поведение вероятности. Оно похоже на волну, но в случае вероятности - это не перенос энергии без переноса вещества. Дальше мы хватаемся за другую часть идеи и говорим, что любая частица проявляет волновые свойства - т.е. частицы могут дифрагировать и т.д., и т.п. Но проявлять волновые свойства и быть частью колеблющегося материального чего-то не есть обязательно синонимы. Потом мы смешиваем волновую функцию и специфику поведения частиц и неминуемо упрощаем, что там вообще всё волны. А реальная физика куда сложнее. Парадокс в том, что там действительно могут быть полноценные волны, как это обозначают разные интерпретации, но говорить про это следует с большой осторожностью, не теряя понимания сложности явления.
Не забывайте ставить лайки статье и подписываться! Это очень важно для развития проекта, а вы будете видеть ещё больше интересных статей в ленте! На канале есть премиум, где много интересного.