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
11 комментариев
Старые
Новые Популярные
Межтекстовые Отзывы
Посмотреть все комментарии
Степан
Степан
1 год 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.

Алексей
Алексей
8 месяцев назад
Ответить на  Игорь Край

«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.»

Как то сама в голове возникает аналогия с бесконечно малой точкой, предшествовавшей большому взрыву. Как раз подходящая энергия.

Правда мне кажется, что этот момент ни когда не откроется разуму человека, так как человек, сколько бы уравнений и данных экспериментов у него не было, просто не способен представить это событие «в целом».

Мне это видится как будто в некой крайне маленькой точке некого условно назовем его «гиперпространства» (просто слова лучше не придумал) с «бесконечным» количеством измерений, пронизанных вероятностями неясных нам взаимодействий и частиц (струн или еще чего то), случайно сложилась вероятность появления события с оооочень большой энергией — нашей вселенной. В которой по не ясным законам этого взаимодействия расправилось 4 измерения, еще штук семь не расправилось, а остальные остались как бы «за бортом».

А вам как это представляется? Не с точки зрения наличия доказательства, а с точки зрения полета фантазии, которая без сомнения дала рождение множеству физических открытий??

Последний раз редактировалось 8 месяцев назад Алексей ем
Алексей
Алексей
8 месяцев назад
Ответить на  Игорь Край

Не совсем понял, что Вы сейчас имеете ввиду. Если вы про то, что до большого взрыва не было пространства и времени и, таким образом, вопрос «Что было до?» не имеет смысла, то я это понимаю, тут все верно. Однако, разве это не справедливо лишь для наблюдателя в нашей вселенной? По моему, нельзя это уверенно утверждать. Это как то, что вы пишите по проблемы визуализации микромира — у нас нет подходящей аналогии в макромире, что бы описать эти явления. Как бы объяснить мою мысль… Вопрос что было «до?», действительно не имеет смысла, т к не было времени, как и вопрос «где?», так как не было пространства, все верно.
Но разве понятия «до», «после», «где» и «число измерений» не люди придумали? Микромиру и квантовой механике ведь на них плевать. Реальность может быть гораздо причудливее. И вот эту «реальность», создавшую условия (вероятность) для большого взрыва я и назвал условно «гиперпространством с бесконечным числом измерений».
Может это, конечно, вопрос философии, а не физики, но именно ваш оригинальный философски-саркостический подход к описанию особенностей работы психики человека (в других статьях) и навел меня после прочтения этой стати на описанные в предыдущем комментарии аналогии.

Последний раз редактировалось 8 месяцев назад Алексей ем
Антон
Антон
6 месяцев назад
Ответить на  Игорь Край

А если допустить, что наша Вселенная является частью другой Вселенной-штрих, в которой своё Время-штрих, то для её Наблюдателя будет иметь смысл момент «До» нашей Вселенной?

UjinSun
UjinSun
11 месяцев назад

Чего то я охренел немного

TimLev
TimLev
11 месяцев назад

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

Владимир
Владимир
7 месяцев назад

Что это за частица, которая не помещается в ящике? Никакой виртуальной массы не существует. На самом деле все чудеса — из-за копенгагенской интерпретации квантовой механики. Как можно в нее верить? Смотрите мою статью в электронном журнале «Дифференциальные уравнения и процессы управления», 2021, №1 «Задачи о двухчастичном рассеянии и распаде бесспиновых частиц в релятивистской квантовой механике».

Top.Mail.Ru