Skip to content Skip to footer

Элементарные частицы — странные объекты. Странность их обозначилась ещё в начале прошлого века сразу после появления технических предпосылок для наблюдения отдельных представителей этого племени. В частности, фотонов. Внезапно открылось, что, хотя волновая природа света давно и хорошо изучена, свет, всё-таки, представляет собой поток частиц, каждая из которых в такой же мере напоминает волну, как крошечная пуля. Направив луч когерентного света на две щели, отстоящие друг от друга менее чем на длину волны, можно было убедиться, что каждый фотон проходит в конкретную щель и поглощается в конкретной точке мишени. Лишь при большой статистике хаотично разбросанные точки начинают сливаться в круги. По каким-то причинам попадание «снарядов» в некоторые места оказывалось более, а в некоторые менее вероятно.

Таким образом, было установлено, — сначала для фотонов, позже для других элементарных частиц, и совсем поздно, уже в наши дни, даже для самых крупных молекул, состоящих из тысяч атомов каждая, — что между излучениями и материей нет разницы, и что материя проявляет волновые свойства. Причём, проявляет их хитрым образом — статистически. Из наблюдений следовало, что в пространстве распределена не сама частица, а вероятность её обнаружения.

В 1926 году Шрёдингер вывел уравнение, описывающее наблюдаемые свойства материи. И это можно считать моментом рождения квантовой механики – физической теории, объясняющей непредставимое, ибо не соответствующее ничему в повседневном опыте человека, устройство микромира. Из математической абстракции вероятность превращалась в физическую величину, не менее «весомую» и измеримую, чем, например, масса или заряд. В это нельзя было поверить. Это можно было только увидеть. И физики — видели. Всё было именно так.

Теория представляла частицу как объект в пространстве не локализованный. Фундаментальные, то есть, действительно неделимые частицы (а протон, например, состоит из кварков), даже не имеют такого качества, как «размер». Это точечные объекты. Частица не находится в определённом месте, а может быть обнаружена где угодно, хотя и с разными шансами на успех. Но этим странности не ограничивались. Дальше-то было намного хуже! Из волновой природы распределения с очевидностью вытекал «принцип неопределённости». Чем точнее мы сможем положение частицы, тем меньше мы будем знать о её импульсе.

Допустим, мы имеем ящик. И в нём частицу. Но частица-то помещается в ящике не целиком. Целиком она помещается только во вселенной. Таким образом, наблюдать мы можем только часть частицы. И чем меньше эта часть, тем меньше мы знаем о частице. О её импульсе и не только. Вообще, если ящик достаточно мал, мы будем видеть какой-то непонятный фрагмент, который с равным успехом может принадлежать множеству разных частиц… Они же все там, с какой-то вероятностью.

…То есть, чем меньше объём, тем больше частиц в нём будет найдено. И не в теории, а на практике. Ведь, для исследования некого кусочка пустоты требуется «выстрелить» в него частицей с длиной волны не более поперечника этого объёма. А дальше это работает так: взаимодействие двух частиц происходит там, где сумма их вероятностей достигает единицы (хотя, это не единственное условие). Чем выше энергия частицы, тем меньше длина её волны, а значит, и объём, в котором её обнаружение вероятно. Зато уж там вероятность частицы высока, и она «заденет» даже материю, присутствующую в этом месте самым краешком своего бытия.

Виртуальная масса, регистрирующаяся в процессе экспериментов, не единственное чудо микромира. Мы видим, — современные приборы это позволяют, — как два несущихся навстречу протона, обмениваются квантами и отскакивают в противоположных направлениях (ведь одноименные заряды должны отталкиваться). Но как частицы «узнали» друг о друге? Откуда точно в нужный момент берутся кванты безошибочно поражающие цель?

А уж слабое взаимодействие – настоящий цирк. Подскочив к протону буквально в упор, крошечное нейтрино невесть откуда выхватывает чудовищный W-бозон в 80 раз тяжелее протона и в 400 000 000 000 (прописью: четыреста миллиардов) раз тяжелее себя. Послушно «передав привет» гигант бесследно исчезает. Это даже не извлечение кролика из шляпы. Здесь из напёрстка вытаскивается Эверест!

Между тем, с точки зрения квантовой механики ничего таинственного не происходит. Разумеется, сближающиеся частицы «знают» друг о друге. Ведь их волновые функции пересекаются. Вероятностные «потенциалы» двух частиц, накладываясь, создают условия для «вызова» кванта нужного типа с нужным импульсом(который в данной точке обязательно есть, — он же где-то есть, значит, везде есть), доводя вероятность его обнаружения до единицы.

И, разумеется, W-бозон не прячется внутри нейтрино. Просто слабое взаимодействие потому и наблюдается редко, что возможно лишь на крошечной дистанции. Настолько малой, что принцип неопределённости позволяет обнаружить там даже W-бозон.

****

…Но и это не самое странное. Самым сложным для восприятия аспектом частицы является то, что она не существует. По крайней мере, привычным способом. В физической реальности. Вероятность отдельной частицы меньше единицы везде. В каждой точке она присутствует лишь потенциально, или «виртуально». Для «реализации», то есть, некого влияния на физический мир, частице требуется взаимодействие с другой частицей, которая добавляет недостающую долю вероятности. Реальны, таким образом, не сами частицы, а их взаимодействия.

Новые публикации также можно увидеть на Дзен-канале

Подписаться
Уведомить о
guest
4 комментариев
Старые
Новые Популярные
Межтекстовые Отзывы
Посмотреть все комментарии
Степан
Степан
8 месяцев назад

Всегда было удивительно, что мы состоим из виртуальных микрочастиц )

Где кончаются границы микромира, кстати? Если сложные молекулы тоже проявляют свойства волны, есть ли вероятность обнаружения этих свойств, скажем, у соединения молекул? У живой клетки?

«Виртуальны» только фундаментальные частицы? Тот же протон или тем более молекула – уже взаимодействие, вроде как.

UjinSun
UjinSun
2 месяцев назад

Чего то я охренел немного

TimLev
TimLev
1 месяц назад

В одной статье на Хабре были анимации волновых уравнений, показывающие всплески частиц при взаимодействии волн.

Top.Mail.Ru