Квантові чудеса. Частина 1. Дуалізм.

Якщо ви вважали, що ми канули в лету зі своїми мозговиворачівающімі темами, то поспішаємо вас засмутити порадувати: ви помилялися! Насправді все це час ми намагалися знайти прийнятну методику викладу божевільних тим пов'язаних з квантовими парадоксами. Ми написали кілька варіантів чернеток, але всі вони були викинуті на мороз. Тому що коли мова заходить про пояснення квантових приколів, то ми і самі плутаємося і визнаємо, що багато чого не розуміємо (та й взагалі мало хто розуміє в цій справі, включаючи крутих світових вчених). На жаль, квантовий світ настільки далекий обивательському світогляду, що зовсім не соромно зізнатися в своєму нерозумінні і намагатися потроху разом розібратися хоча б в основах.
І хоча ми, як завжди, постараємося розповідати гранично доступно з картинками з гугла, недосвідченому читачеві потрібно деяка початкова підготовка, тому рекомендуємо переглянути наші попередні теми, особливо про кванти і матерію.
Спеціально для гуманітаріїв і інших зацікавлених - квантові парадокси. Частина 1.

У цій темі ми поговоримо про саму повсякденного загадці квантового світу - корпускулярно-хвильовий дуалізм. Коли ми говоримо "сама буденна" ми маємо на увазі, що фізикам вона вже приїлася настільки, що начебто б і не здається загадкою. Але це все тому, що інші квантові парадокси обивательському розуму прийняти ще складніше.
А справа була так. У старі добрі часи десь в середині 17-го століття Ньютон і Гюйгенс розійшлися в думці, що є світло: Ньютон безсоромно заявив, що світло це потік частинок, а старина Гюйгенс намагався довести, що світло це хвиля. Але Ньютон був авторитетніше, тому його заяву про природу світла було прийнято як справжнє, а над Гюйгенсом посміялися. І двісті років світло вважали потоком якихось невідомих часток, природу яких одного разу сподівалися відкрити.
На початку 19 століття один сходознавець по імені Томас Юнг балувався з оптичними приладами - в результаті він взяв і провів експеримент, який зараз називають досвідом Юнга, і кожен фізик вважає цей досвід священним.

Томас Юнг всього лише направив промінь (одного кольору, щоб частота була приблизно однакова) світла через два прорізи в пластині, а позаду поставив ще одну пластину-екран. І показав результат своїм колегам. Якби світло був потоком частинок, то ми б побачили на задньому фоні дві світлі смуги.
Але, на жаль всього наукового світу, на екрані-пластині з'явилася низка темних і світлих смуг. Звичайне явище, яке називається інтерференцією - накладення двох (і більш хвиль) один на одного.
До речі, саме завдяки інтерференції ми спостерігаємо райдужні переливи на плямі масла або на мильну бульбашку.

Інакше кажучи, Томас Юнг експериментально довів, що світло це хвилі. Вчений світ довго не хотів вірити Юнгу, і у свій час його так закрітіковалі, що той навіть відмовився від своїх ідей хвильової теорії. Але впевненість у своїй правоті все-таки перемогла, і вчені стали вважати світло хвилею. Правда, хвилею чого - це було загадкою.
Ось, на малюнку старий добрий досвід Юнга.

Треба сказати, хвильова природа світла не сильно вплинула на класичну фізику. Вчені переписали формули і стали вважати, що скоро весь світ впаде до їхніх ніг під єдиною універсальною формулою всього.
Але ви вже здогадалися, що Ейнштейн як завжди все зіпсував. Біда підкралася з іншого боку - спочатку вчені заморочили розрахунком енергії теплових хвиль і відкрили поняття квантів (обов'язково почитайте про це нашу відповідну тему " Що таке кванти "). А потім за допомогою цих самих квантів Ейнштейн завдав удар по фізиці, пояснивши явище фотоефекту.
Коротко: фотоефект (один із наслідків якого є засвічування плівки) це вибивання світлом електронів з поверхні деяких матеріалів. Технічно це вибивання відбувається так, немов світло це частинка. Частинку світла Ейнштейн назвав квантом світла, а пізніше їй присвоїли ім'я - фотон.
У 1920 році до антіволновой теорії світла додався дивовижний ефект Комптона: коли електрон обстрілюють фотонами, то фотон відскакує від електрона з втратою енергії ( "стріляємо" синім кольором, а відлітає вже червоний), як більярдний куля від іншого. Комптон за це відхопив нобелівську премію.

На цей раз фізики поостереглись ось так от запросто відмовлятися від хвильової природи світла, а замість цього міцно задумалися. Наука встала перед жахливою загадкою: так все-таки світло це хвиля або частка?
У світла, як і у будь-який хвилі, є частота - і це легко перевірити. Ми бачимо різні кольори, тому що кожен колір це просто різні частоти електромагнітної (світловий) хвилі: червоний - маленька частота, фіолетовий - велика частота.
Але дивно: довжина хвилі видимого світла в п'ять тисяч разів більше розміру атома - як така "штука" влазить в атом, коли атом поглинає цю хвилю? Якщо тільки фотон це частинка, яку можна порівняти за розмірами з атомом. Фотон одночасно і великий і маленький?
До того ж фотоефект і ефект Комптона однозначно доводять, що світло це все-таки потік частинок: не можна пояснити яким чином хвиля передає енергію локалізованим в просторі електронам - якби світло був вільний, то деякі електрони були б вибиті пізніше, ніж інші, і явище фотоефекту ми б не спостерігали. Але в разі потоку окремо взятий фотон стикається з окремо взятим електроном і при деяких умовах вибиває його з атома.

В результаті було вирішено: світло це одночасно і хвиля і частинка. Вірніше, і ні те, ні інше, а нова невідома раніше форма існування матерії: спостерігаються нами явища це всього лише проекції або тіні реального стану справ, в залежності від того як дивитися на те, що відбувається. Коли ми дивимося на тінь циліндра, освітленого з одного боку, то бачимо коло, а при освітленні з іншого боку - тінь прямокутна. Так і з корпускулярно-хвильовим представленням світла.
Але і тут все непросто. Не можна говорити, що ми вважаємо світло або хвилею, або потоком частинок. Подивіться у вікно. Раптово навіть в чисто вимиті склі ми бачимо своє, нехай нечітке, але відображення. У чому підступ? Якщо світло - це хвиля, то пояснити свій відбиток у вікні просто - подібні ефекти ми бачимо на воді, коли хвиля відбивається від перешкоди. Але якщо світло - це потік частинок, то пояснити відображення так просто не вийде. Адже все фотони однакові. Однак якщо всі вони однакові, то і перешкода у вигляді віконного скла повинна однаково на них впливати. Або всі вони проходять крізь скло, або все - відображаються. А в сувору реальність частина фотонів пролітає через скло, і ми бачимо сусідній будинок і тут же спостерігаємо своє відображення.
І єдине пояснення, яке приходить в голову: фотони самі собі на умі. Не можна зі стовідсотковою ймовірністю передбачити, як поведе себе конкретний фотон - зіткнеться зі склом як частка або як хвиля. Це основа квантової фізики - абсолютно, абсолютно випадкове поводження матерії на мікрорівні без будь-якої причини (а в своєму світі великих величин ми з досвіду знаємо, що все має причину). Це ідеальний генератор випадкових чисел на відміну від підкидається монетки.
Геніальний Ейнштейн, який відкрив фотон, до кінця життя був впевнений, що квантова фізика помиляється, і запевняв усіх, що "Бог не грає в кості". Але сучасна наука все більше підтверджує: таки грає.

Так чи інакше, але як-то раз вчені вирішили поставити жирну крапку в суперечці "хвиля або частка" і відтворити досвід Юнга з урахуванням технологій XX століття. До цього часу вони навчилися гатити фотонами по одному (квантові генератори, відомі серед населення під ім'ям "лазери"), і тому було задумано перевірити, що буде на екрані в разі, якщо вистрілити по двом щілинах однією часткою: ось і стане зрозуміло, нарешті , чим же є матерія при контрольованих умовах експерименту.
І раптово - одиночний квант світла (фотон) показав интерференционную картинку, тобто частка пролітала через обидві щілини одночасно, фотон інтерферувати сам з собою (якщо говорити вченим мовою). Уточнимо технічний момент - насправді интерференционную картинку показав не один фотон, а серія пострілів по одній частці з інтервалами в 10 секунд - з часом на екрані проявилися юнговские смуги, знайомі будь-якому трієчнику з 1801-го року.

З точки зору хвилі це логічно - хвиля проходить через щілини, і тепер дві нові хвилі розходяться концентричними колами, накладаючись один на одного.
Але з корпускулярної точки зору виходить, що фотон перебуває в двох місцях одночасно, коли проходить через щілини, а після проходження змішується сам з собою. Це взагалі нормально, а?
Виявилося, що нормально. Більш того раз фотон перебуває відразу в двох щілинах, значить він одночасно знаходиться скрізь і до щілин і після прольоту через них. І взагалі з точки зору квантової фізики випущений фотон між стартом і фінішем знаходиться одночасно "скрізь і відразу". Таке перебування частинки "відразу скрізь" фізики називають суперпозицією - страшне слово, яке раніше було математичним пустощами, тепер стало фізичною реальністю.
Якийсь Е. Шредінгер, відомий противник квантової фізики, до цього часу нарив десь формулу, яка описувала хвильові властивості матерії, типу води. І трохи над нею поколдовав, до свого ж жаху вивів так звану хвильову функцію. Ця функція показувала ймовірність знаходження фотона в певному місці. Зауважте, саме ймовірність, а не точне місцезнаходження. І ця ймовірність залежала від квадрата висоти гребеня квантової хвилі в заданому місці (якщо комусь цікаві деталі).
Питанням вимірювання місцезнаходження частинок ми присвятимо окрему главу.

Подальші відкриття показали, що справи з дуалізмом ще гірше і загадковіше.
У 1924 році якийсь Луї де Бройль взяв і заявив, що корпускулярно-хвильові властивості світла це верхівка айсберга. А таким незрозумілим властивістю володіють всі елементарні частинки.
Тобто часткою і хвилею одночасно є не тільки частки електромагнітного поля (фотони), але і речовічастинки типу електронів, протонів і т.п. Вся матерія навколо нас на мікроскопічному рівні є хвилями (і частинками одночасно).
І через пару років це навіть підтвердили експериментально - американці ганяли електрони в електронно-променевих трубках (які відомі нинішнім старпер під назвою "кінескоп") - так от спостереження, пов'язані з відображенням електронів, підтвердили, що електрон це теж хвиля (для простоти розуміння можна сказати, що на шляху електрона поставили пластинку з двома щілинами і бачили інтерференцію електрона як вона є).
До теперішнього часу в дослідах виявлено, що і атоми мають хвильові властивості і навіть деякі спеціальні види молекул (так звані "фулерени") виявляють себе як хвиля.

Допитливий розум читача, який ще не очманів від нашої розповіді, запитає: якщо матерія це хвиля, то чому, наприклад, що летить м'ячик НЕ розмазаний в просторі у вигляді хвилі? Чому реактивний літак ніяк не походить на хвилю, а дуже схожий на реактивний літак?
Де Бройль, чортяка, і тут все пояснив: таки-так, що летить м'ячик або "боїнг" це теж хвиля, але довжина цієї хвилі тим менше, чим більше імпульс. Імпульс це маса, помножена на швидкість. Тобто, чим більше маса матерії, тим менше довжина її хвилі. Довжина хвилі м'яча що летить зі швидкістю 150 км / год буде приблизна дорівнює 0,0000000000000000000000000000000001 метра. Тому ми не в змозі помітити, як м'ячик розмазаний по простору як хвилі. Для нас це тверда матерія.
Електрон ж вельми легка частинка і, що летить зі швидкістю 6000 км / сек, він буде мати помітну довжину хвилі в 0,0000000001 метра.
До речі, відразу відповімо на питання, чому ядро ​​атома не так "хвильовий". Хоч воно і знаходиться в центрі атома, навколо якого, очманівши, літає і в той же час розмазується електрон, воно має пристойний імпульс, пов'язаний з масою протонів і нейтронів, а також високочастотним коливанням (швидкість) через існування всередині ядра постійного обміну частками сильного взаємодії (читайте тему матерія II ). Тому ядро ​​більше схожий на звичну нам тверду матерію. Електрон ж, мабуть, є єдиною часткою з масою, у якій яскраво виражені хвильові властивості, ось його все з захопленням і вивчають.

Повернемося до наших часткам. Так що виходить: електрон, що обертається навколо атома це одночасно і частинка і хвиля. Тобто обертається частинка, і в той же час електрон як хвиля являє собою оболонку певної форми навколо ядра - як це взагалі можна зрозуміти людським мозком?
Вище ми вже підрахували, що літаючий електрон має досить велику (для мікросвіту) довжину хвилі і щоб розміститися навколо ядра атома такій хвилі потрібно непристойно багато місця. Ось якраз саме цим і пояснюються такі великі розміри атомів у порівнянні з ядром. Довжини хвиль електрона визначають розмір атома. Порожнє місце між ядром і поверхнею атома заповнене "розміщенням" довжини хвилі (і в той же час частинки) електрона. Це дуже грубе і некоректне пояснення - просимо нас вибачити - насправді все набагато складніше, але наша мета - хоча б дозволити відгризти шматочок граніту науки людям, яким все це цікаво.
Давайте ще раз з'ясуємо! Після деяких коментарів до статті [на Япе] ми зрозуміли, якого важливого зауваження не вистачає цієї статті. Увага! Описувана нами форма матерії не є ні хвилею ні часткою. Вона лише (одночасно) має властивості хвилі і властивості частинок. Не можна говорити, що електромагнітна хвиля або електронна хвиля подібні морським або звуковим хвилям. Звичні нам хвилі являють собою поширення збурень у просторі заповненим якою-небудь речовиною.
Фотони, електрони і інші екземпляри мікросвіту при русі в просторі можна описати хвильовими рівняннями, вони з поведінки лише ПОХОЖИ на хвилю, але ні в якому разі хвилею не є. Аналогічно і з корпускулярної строной матерії: поведінка частки схоже на політ маленьких точкових кульок, але це ні разу не кульки.
Це потрібно зрозуміти і прийняти, інакше всі наші роздуми будуть в кінцевому рахунку призвести до пошуку аналогів в макросвіті і тим самим розуміння квантової фізики прийде кінець, і почнеться фрицтво або шарлатанська філософія навроде квантової магії і матеріальності думок.

Решта жахливі висновки і слідства з модернізованого досвіду Юнга ми розглянемо пізніше в наступній частині - невизначеність Гейзенберга, кішка Шредінгера, принцип заборони Паулі і квантова заплутаність чекають терплячого і вдумливого читача, який ще не раз перечитає наші статті і покопатися в інтернеті в пошуках додаткової інформації.
Всім дякую за увагу. Приємною всім безсоння або пізнавальних кошмарів!
NB: Старанно нагадуємо, що всі зображення взяті з гугла (пошук за картинками) - авторство визначається там же.
Незаконне копіювання тексту переслідується, присікається, ну, і самі знаєте. ..