Всё есть волна, включая вас

Концепция, известная как корпускулярно-волновой дуализм, хорошо применима к свету. Но она также применима ко всей материи – включая вас.

В 1905 году 26-летний Альберт Эйнштейн предложил нечто совершенно возмутительное: свет может быть как волной, так и частицей. Эта идея так же странна, как и звучит. Как может что-то быть двумя настолько разными вещами? Частица мала и ограничена крошечным пространством, в то время как волна – это нечто распространяющееся. Частицы ударяются друг о друга и рассеиваются. Волны преломляются и дифрагируют. Они дополняют или компенсируют друг друга в суперпозициях. Это очень разные модели поведения. 

Скрыто в переводе

Проблема дуализма волн и частиц заключается в том, что в языке возникают проблемы с тем, чтобы учесть оба поведения, исходящие от одного и того же объекта. В конце концов, язык построен из нашего опыта и эмоций, из того, что мы видим и чувствуем. Мы не видим и не чувствуем фотоны напрямую. Мы исследуем их природу с помощью экспериментальных установок, собирая информацию с помощью мониторов, счетчиков и тому подобного.

Двойственное поведение фотонов проявляется в зависимости от того, как мы ставим эксперимент. Если свет проходит через узкие щели, он дифрагирует как волна. Если он сталкивается с электронами, то рассеивается как частица. Таким образом, в некотором смысле именно наш эксперимент, вопрос, который мы задаем, определяет физическую природу света. Это вводит в физику новый элемент: взаимодействие наблюдателя с наблюдаемым. 

В более крайних интерпретациях мы могли бы сказать, что намерение экспериментатора определяет физическую природу того, что наблюдается – что разум определяет физическую реальность. Это, конечно, далеко не так, но что мы можем сказать наверняка, так это то, что свет по-разному отвечает на поставленный нами вопрос. В каком-то смысле свет – это и волна, и частица, и в то же время, ни то и ни другое.

Это приводит нас к модели атома Бора. Его модель привязывает электроны, вращающиеся вокруг атомного ядра, к определенным орбитам. Электрон может находиться только на одной из этих орбит, как будто он стоит на рельсах поезда. Он может прыгать между орбитами атомных ядер, но не может находиться между ними. Как именно это работает? Для Бора это вопрос оставался открытым. Ответ на него был получен благодаря удивительной интуиции физиков-исследователей. И он вызвал революцию в нашем понимании мира.

Волновая природа бейсбольного мяча

В 1924 году Луи де Бройль, историк, ставший физиком, весьма эффектно показал, что ступенчатые орбиты электрона в атомной модели Бора легко понять, если представить электрон в виде стоячих волн, окружающих ядро. Эти волны очень похожи на те, которые мы видим, когда трясем веревку, закрепленную на другом конце. В случае с веревкой картина стоячих волн возникает из-за конструктивной и деструктивной интерференции между волнами, идущими и возвращающимися по веревке.

Для электрона стоячие волны возникают по той же причине, но теперь электронная волна замыкается сама на себя, как уроборос – мифическая змея, проглатывающая свой собственный хвост. Когда мы трясем нашу веревку более энергично, в узоре стоячих волн появляется больше пиков. Электрон на более высоких орбитах соответствует стоячей волне с большим количеством пиков.

При активной поддержке Эйнштейна де Бройль смело расширил понятие корпускулярно-волнового дуализма со света на электроны и, соответственно, на каждый движущийся материальный объект. С волнами теперь ассоциировался не только свет, но и любая материя. 

Де Бройль предложил формулу, известную как “длина волны де Бройля”, для расчета длины волны любой материи с массой m, движущейся со скоростью v. Он связал длину волны λ с m и v – и, таким образом, с импульсом p = mv – в соответствии с соотношением λ = h/p, где h – постоянная Планка. Формула может быть уточнена для объектов, движущихся со скоростью, близкой к скорости света.

Например, бейсбольный мяч, движущийся со скоростью 70 км в час, имеет соответствующую длину волны де Бройля около 22 миллиардных долей триллионной доли триллионной доли сантиметра (или 2,2 x 10^-32 см). Ясно, что там мало что колеблется, и мы вправе представлять себе бейсбольный мяч как твердый объект. 

В отличие от этого, длина волны электрона, движущегося со скоростью, равной одной десятой скорости света, составляет примерно половину размера атома водорода (точнее, половину размера наиболее вероятного расстояния между атомным ядром и электроном в его самом низком энергетическом состоянии). 

В то время как волновая природа движущегося шара не имеет значения для понимания его поведения, волновая природа электрона необходима для понимания его поведения в атомах. Но решающим моментом является то, что все движется волнами. Электрон, бейсбольный мяч и вы.

Квантовая биология

Замечательная идея де Бройля была подтверждена в бесчисленных экспериментах. На занятиях по физике нам демонстрируют, как электроны, проходящие через кристалл, дифрагируют подобно волнам, причем суперпозиции создают темные и светлые пятна из-за деструктивной и конструктивной интерференции. Антон Цайлингер, получивший в 2022 году Нобелевскую премию по физике, выступал за дифракцию все более крупных объектов, от молекулы C₆₀ (с 60 атомами углерода) в форме футбольного мяча до биологических макромолекул.

Вопрос в том, как жизнь в условиях такого дифракционного эксперимента поведет себя на квантовом уровне. Квантовая биология – это новый рубеж, где корпускулярно-волновой дуализм играет ключевую роль в поведении живых существ. Может ли жизнь пережить квантовую суперпозицию? Может ли квантовая физика рассказать нам что-то о природе жизни?

Читайте также: Призрачный квантовый мир Эйнштейна