Все у світі – хвиля, і кожен із нас також
Концепція корпускулярно-хвильового дуалізму добре застосовується до світла. Але вона може бути перенесений на всю матерію, включно з людьми.
У 1905 році що молодий науковець Альберт Айнштайн запропонував щось абсолютно обурливе для колег-фізиків: світло може бути як хвилею, так і часткою. Ця ідея дивна, але лише на перший погляд.
Як може бути щóсь відразу двома настільки різними речами? Частка мала й обмежена крихітним простором, тоді як хвиля – це явище, котре поширюється.
Частки вдаряються одна об одну і розсіюються. Натомість хвилі заломлюються і дифрагуються, вони доповнюють або компенсують одна одну у суперпозиціях, – це дуже різні моделі поведінки.
Проблема дуалізму хвиль і частинок полягає у тому, що у мові виникають проблеми для того, аби врахувати обидві поведінки, які виходять від одного і того ж об'єкта. Зрештою, мова побудована з нашого досвіду та емоцій, з того, що ми бачимо та відчуваємо.
Ми не бачимо і не відчуваємо фотони прямо, проте досліджуємо їхню природу за допомогою експериментальних установок, збираючи інформацію за допомогою моніторів, лічильників тощо. Подвійна поведінка фотонів проявляється залежно від цього, як ми ставимо експеримент.
Якщо світло проходить через вузькі щілини, воно здійснює дифракцію як хвиля. Проте у разі, якщо світло стикається з електронами, – то розсіюється як частка.
Відтак у певному сенсі саме наш експеримент, питання, яке ми ставимо, визначає фізичну природу світла. Це вводить у фізику новий елемент: взаємодію спостерігача зі спостережуваним об'єктом/явищем.
У крайніх інтерпретаціях ми б могли сказати, що намір експериментатора визначає фізичну природу те, що спостерігається – те розум визначає за фізичну реальність. Це, звичайно, далеко не так, але щó ми можемо сказати напевно, то це те, що світло по-різному відповідає на поставлене нами питання.
В якомусь сенсі світло – це і хвиля, і частка, і водночас ні те, ні інше. Це призводить до моделі атома Нільса Бора, яка прив'язує електрони, що обертаються навколо атомного ядра, до певних орбіт.
Електрон може перебувати лише на одній із цих орбіт, ніби він стоїть на рейках – може стрибати між орбітами атомних ядер, але не може перебувати між ними. Як саме це працює?
Для Бора це питання залишалося відкритим. Відповідь на нього була отримана завдяки дивовижній інтуїції фізиків-дослідників, викликавши свого роду революцію у середовищі інтелектуалів.
У 1924 році Луї де Бройль, історик, який став фізиком, дуже ефектно показав, що ступеневі орбіти електрона в атомній моделі Бора легко зрозуміти, якщо уявити електрон у вигляді стоячих хвиль, котрі оточують ядро. Ці хвилі дуже схожі на ті, які ми бачимо, коли рухаємо мотузку, закріплену на іншому кінці.
У випадку із мотузкою картина стоячих хвиль виникає через конструктивну і деструктивну інтерференцію між хвилями, що йдуть і повертаються по мотузці. Для електрона стоячі хвилі виникають із тієї ж причини, але тепер електронна хвиля замикається сама на собі, як демонічний змій-Уроборос проковтує свій власний хвіст.
Коли ми трусимо нашу мотузку енергійніше, у візерунку стоячих хвиль з'являється більше піків. Електрон на вищих орбітах відповідає стоячій хвилі із великою кількістю піків.
За активної підтримки Айнштайна французький науковець сміливо розширив поняття корпускулярно-хвильового дуалізму зі світла на електрони й, відповідно, на кожен матеріальний об'єкт, що рухається. З хвилями тепер асоціювалося не лише світло, а й будь-яка матерія.
Де Бройль запропонував формулу, відому як "довжина хвилі де Бройля", для розрахунку довжини хвилі будь-якої матерії із масою m, що рухається зі швидкістю v. Він зв'язав довжину хвилі λ із m та v – і, таким чином, з імпульсом p = mv – відповідно до співвідношення λ = h/p, де h – стала Планка.
Формула може бути уточнена для об'єктів, що рухаються зі швидкістю, близькою до швидкості світла. Наприклад, бейсбольний м'яч, що рухається зі швидкістю 70 км на годину, має відповідну довжину хвилі де Бройля близько 22 мільярдних часток трильйонної частини трильйонної частки сантиметра (або 2,2 x 10-32 см).
Зрозуміло, що там мало що коливається, і ми маємо право уявляти собі бейсбольний м'яч як твердий об'єкт. На відміну від цього, довжина хвилі електрона, що рухається зі швидкістю, дорівнює одній десятій швидкості світла, – становить приблизно половину розміру атома водню (точніше, половину розміру найбільш ймовірної відстані між атомним ядром і електроном у його найнижчому енергетичному стані).
У той час як хвильова природа кулі, що рухається, не має значення для розуміння її поведінки, хвильова природа електрона необхідна для розуміння його поведінки в атомах. Але вирішальним моментом є те, що все рухається хвилями: електрон, бейсбольний м'яч та особисто Ви, шановний читачу.
Чудова ідея де Бройля була підтверджена у незліченних експериментах. На заняттях із фізики у школі нам демонструють, як електрони, що проходять через кристал, здійснюють процес дифракції подібно до хвиль, причому суперпозиції створюють темні та світлі плями через деструктивну та конструктивну інтерференцію.
Науковець Антон Цайлінґер, який отримав у 2022 році Нобелівську премію із фізики, виступав за дифракцію все більших об'єктів, від молекули C60 (з 60 атомами вуглецю) у формі футбольного м'яча до біологічних макромолекул. Питання у тому, як життя в умовах такого дифракційного експерименту здійснюватиметься на квантовому рівні.
Квантова біологія – це новий рубіж, де корпускулярно-хвильовий дуалізм відіграє ключову роль поведінці живих істот. Однак, чи може життя пережити квантову суперпозицію, чи може квантова фізика розповісти нам щось про природу життя?..
А проте, "Останній Бастіон" нагадує читачам, що глобальне магнітне поле може вловлювати космічні частинки та накопичувати їх навколо планети. Такий радіаційний пояс є у Землі та Юпітера.
