Ни то, ни это: все о корпускулярно-волновом дуализме

Иллюстрация: Sam Chivers, BBC Focus Magazine behance.net

Ни то, ни это

Что такое волны и что такое частицы? Оба понятия очень широкие, и их строгое определение с точки зрения физики – уже довольно непростое дело. Тем не менее, на уровне интуиции каждому человеку более или менее понятно, что частица – это некоторый объект с размером и массой, а волна – это некоторое возмущение, распространяющееся в пространстве с какой-то скоростью, например, звук. Казалось бы, где скорость звука, там и скорость света. Поэтому, на первый взгляд, с полной уверенностью можно сказать, что свет – это волна. Более того, справедливость волновой теории света продемонстрировал Юнг в опыте с двумя щелями. Но до определенного времени была популярна и корпускулярная теория света, в которой световой луч представлялся в виде потока отдельных частиц. И достаточно долго считалось, что вопрос «свет – это волна или поток частиц?» имеет только два однозначных варианта ответа.

Почему ученые решили взглянуть на эту проблему под новым углом? В начале ХХ века в волновой теории света стали обнаруживать слабые места – например, парадокс ультрафиолетовой катастрофы и тот факт, что волновая теория не могла объяснить зависимость энергии световой волны от частоты. Эти пробелы ни в коем случае не означали, что волновое описание света содержит в себе какие-то внутренние противоречия и что Юнг сделал из своего опыта неверные выводы. То есть нужно четко понимать, что предыдущие опыты, которые подтверждали волновую гипотезу, вовсе не утратили своей ценности. Однако новые результаты, полученные Максом Планком для спектров излучения абсолютно черного тела, и объяснение явления фотоэффекта, данное Альбертом Эйнштейном, показали, что есть случаи, когда свет излучается отдельными порциями – квантами.

Эта абсолютно новая физическая концепция развивалась (и развилась) вокруг выдвинутой Планком идеи о том, что некоторые физические параметры могут принимать только какие-то фиксированные значения, которые можно пронумеровать подобно натуральным числам. В частности, такое дискретное квантование имеет место для энергии электрона в атоме или для энергии электромагнитного излучения определенной частоты. Сами же численные значения квантованных величин, характеризующих состояние объекта, принято называть квантовыми числами. В случае электрона в атоме уникальное состояние системы однозначно описывается с помощью четырех квантовых чисел. Значения первых двух квантовых чисел, главного (n) и орбитального (l), взятые в паре, определяют возможные значения энергии электрона и форму электронного облака вокруг атомного ядра. Третье квантовое число, магнитное, описывает не энергию, а пространственное расположение атомной орбитали и, как следствие, ориентацию магнитного момента системы. Наконец, четвертое квантовое число, спиновое (оно же просто спин), характеризует собственный момент импульса частицы.

Как представить спин, не будучи физиком-ядерщиком

В классической механике есть такое понятие, как момент импульса, или, по-другому, кинетический момент. Это величина, которая характеризует вращательное движение объекта и зависит от его массы, от скорости вращения и от того, как распределена масса относительно оси вращения. Наверняка многим знакомо понятие кинетической энергии, для которой есть легко запоминающаяся формула – масса тела, умноженная на половину квадрата скорости. То есть кинетическая энергия – это некая мера движения, которая будет больше как для тела большей массы, так и для тела, движущегося с большей скоростью. Чем выше кинетическая энергия, тем более сильный удар мы почувствуем, если тело с нами столкнется. Практически такая же логика стоит и за понятием момента импульса: чем больше масса тела, тем больше момент импульса; чем больше скорость вращения, тем, опять-таки, больше момент импульса. Отличие от кинетической энергии в том, что момент импульса – это величина векторная, то есть имеющая не только численное значение, но и направление (как, например, скорость или сила). Ясно, что в привычном мире макроскопических объектов мы можем взять тело любой массы и начать вращать его с любой скоростью – тем самым мы можем получить абсолютно любое значение момента импульса. Однако в мире элементарных частиц такой опыт уже не выйдет, поскольку для частиц момент импульса – это квантованная величина, принимающая точно определенные значения. Более того, эксперименты показали, что большинство частиц (например, электрон) обладают определенным моментом импульса даже в состоянии покоя. Это означает, что есть внутренний момент импульса, который не связан с движением частиц в пространстве. Этот внутренний момент импульса и получил название спинового момента, или просто спина.

Лист Мебиуса

Несмотря на то что спин – это исключительно квантовая характеристика объекта, его смысл можно приблизительно объяснить и на языке нашего мира. Например, для системы из микромира со спином, равным нулю, аналогией из макромира будет предмет, обладающий полной симметрией. Простейший вариант – точка, которая всегда будет выглядеть как точка со всех сторон, как ни пытайся ее покрутить вокруг собственной оси. Для квантовой системы со спином, равным 1, такой аналогией уже будет большинство реальных предметов, с которыми мы имеем дело. Спин, равный 1, означает, что если предмет повернуть на 360°, то он вернется в свое первоначальное состояние, – в макромире это самый реалистичный случай. Для спина, равного 2, аналогией являются предметы, которые за один полный оборот становятся неотличимы от исходного состояния два раза – Стивен Хокинг приводил здесь в качестве примера игральную карту. Главное, чтобы она не была помечена или надорвана, иначе значение спина автоматически уменьшается до 1. Самым нетривиальным с точки зрения аналогий из макромира будет полуцелый спин (то есть спин, равный ½). Здесь нужно представить себе систему, которая вернется к исходному состоянию не за один полный оборот, а за два. Классические примеры таких систем, которые чаще всего приводят (и правильно делают), – это лист Мёбиуса. Он представляет собой двухстороннюю поверхность. Если выбрать на ней какую-то точку и начать вести от нее линию, то после прохождения полного оборота карандаш вернется в ту же точку, но только с другой стороны листа. В исходную же точку с той же самой стороны возврат произойдет только после второго полного оборота.

Семейства Бозоновых и Фермионовых

В квантовой физике все частицы в зависимости от значения спина бывают двух видов: бозоны (частицы с целым спином) и фермионы (частицы с полуцелым спином). Поведение бозонов и фермионов описывается абсолютно разными статистическими принципами. Для фермионов действует принцип запрета Паули, который говорит о том, что в одном квантовом состоянии может находиться не более одной частицы. Для бозонов принцип Паули не работает, то есть в одном квантовом состоянии может находиться неограниченное число одинаковых частиц. Все частицы, входящие в состав атомов (и электроны, и протоны, и нейтроны), относятся к фермионам, и этим обусловлена сама возможность существования сложных химических элементов, которые мы видим в таблице Менделеева. Будь эти частицы бозонами, сложные структуры электронных оболочек в атомах были бы неустойчивы, и тогда наш мир был бы совсем другим. Например, не было бы таких элементов, как азот и кислород, и не было бы воздуха. Впрочем, и сама жизнь, скорее всего, не зародилась бы, поэтому вопрос о воздухе был бы не так уж и актуален.

Таким образом, фермионы дают нашему миру такой важный аспект, как многообразие химических элементов и веществ. Однако бозоны тоже придуманы природой далеко не случайно. Бозоны – это частицы, которым «не запрещается» повторять квантовые состояния друг друга и тем самым образовывать поток из множества частиц с одинаковыми значениями энергии, момента импульса и других характеристик. Поэтому бозонам природа отвела такую роль, которая полностью подходит под это свойство, – роль переносчиков взаимодействий. К взаимодействиям относятся, например, гравитация и электромагнетизм, без которых наш мир представить так же сложно, как и без воздуха. Почему мир оказался устроен так, что в нем есть и фермионы, и бозоны? Каким бы ни был ответ на этот вопрос, ясно одно: природа явно что-то знает и, более того, умеет выбирать для себя такой сценарий развития, в котором роли отдельных участников распределяются исключительно грамотно и как нельзя лучше дополняют друг друга. Недаром одна из самых популярных книг о бозоне Хиггса под авторством Джима Бэгготта в своем названии содержит слова «От научной идеи до открытия частицы бога».

О частице бога

Чтобы объяснить, что такое бозон Хиггса, не вводя кучу других научных понятий, попробуем, как и в рассуждениях про спин, прибегнуть к языку макроаналогий. С точки зрения общей картины мира бозон Хиггса, как и все другие виды бозонов, является переносчиком взаимодействия. На уровне элементарных частиц существуют не только гравитация и электромагнетизм, но и другие фундаментальные взаимодействия, которые проявляются на расстояниях порядка размера атомного ядра, но тем не менее обладают высокой энергией и играют важную роль в природных процессах. Такие взаимодействия, как гравитация и электромагнетизм, передаются через физические поля, с которыми все более или менее понятно. Например, это гравитационное поле Земли или Марса, или магнитное поле. Взаимодействия, проявляющиеся на атомных и субатомных масштабах, тоже осуществляются через свои поля. Кроме того, выяснилось, что есть еще и поле, которое не переносит ни одно из фундаментальных взаимодействий, а просто влияет на некоторые из этих взаимодействий и нарушает их симметрию. Это возмущение, нарушающее симметрию, тоже является одной из форм взаимодействия, а частица, которая переносит это возмущение, есть бозон Хиггса. В результате такого возмущения, вносимого в симметрию вакуума, бозон Хиггса уже не просто взаимодействует с другими элементарными частицами, но и сообщает им свою массу. В этом и состоит его уникальное свойство.

Фото: rclassenlayouts gettyimages.com

Механизм, по которому бозон Хиггса передает свою массу другим частицам, обычно поясняют с помощью простой аналогии с бильярдными шарами. Представим, что частицы – это шары, которые могут свободно передвигаться по столу во все стороны. Теперь представим, что стол покрыли неким клейким веществом, затрудняющим движение шаров. Это клейкое вещество представляет собой макроскопическую аналогию поля Хиггса. Оно взаимодействует с бильярдными шарами (частицами) и делает их менее подвижными на столе, то есть приводит к тому же самому результату, который получился бы при увеличении массы шаров. Если теперь представить, что мы ударим по столу с таким клейким покрытием и какое-то количество клейкого вещества на короткое время соберется в пузырь (дальше этот пузырь снова растекается по столу), то этот пузырь как раз и будет аналогией бозона Хиггса. Попытки обнаружить бозон Хиггса в Большом адронном коллайдере, которые увенчались успехом в 2013 году, по сути и представляли собой попытки ударить по клейкому покрытию стола с силой, достаточной для того, чтобы получить пузырек.

Прогресс, который совершила наука в ХХ веке, поистине поражает воображение своей фундаментальностью и масштабами. Получив ответ на вопрос о природе света, человечество по горячим следам смогло создать физическую концепцию, которая выдержала проверку временем и помогла ответить на еще более общие вопросы о мироздании. Даже в самой хронологической последовательности этих открытий есть какой-то удивительный символизм: понимание природы света и в самом деле осветило пребывавший ранее в тени мир элементарных частиц и квантово-физических явлений. Свет, как будто в благодарность за то, что его свойства были наконец раскрыты и поняты, игриво подмигнул и указал, куда нам нужно смотреть дальше.