В лаборатории университета, где я учусь, есть детектор гамма-излучения. Подносим источник радиоактивного цезия к детектору, и детектор то и дело щелкает. Чем ближе источник к детектору, тем больше щелчков мы слышим от детектора каждую секунду. Мой лаборант сказал мне, что источник цезия испускает невидимые частицы, называемые фотонами. По его словам, эти частицы имеют относительно четко определенный импульс и положение; иногда один из них движется за время, примерно равное расстоянию между источником и детектором, деленному на скорость света; во время этого движения этот фотон располагается примерно вдоль линии, соединяющей детектор с источником.
Когда частица достигает детектора, она возбуждает электрон в детекторе, выбивая его из прежнего положения; затем электрон достигает электрода, вызывая небольшое колебание тока, которого достаточно, чтобы заставить детектор тикать. Этот тик, я могу с уверенностью сказать, определенно имеет четко определенное время и место — что заставляет меня думать, что первоначальное столкновение между фотоном и электроном также имело определенное время и место.
Однако мой инструктор по квантовой механике рассказывает мне совершенно другую историю. На моем (бакалавриат) продвинутом курсе квантовой механики мы писали уравнения для квантованного электромагнитного поля. Мы видели, что электромагнитное поле имеет множество различных мод, параметризованных параметром . Каждая из этих мод может вибрировать, что позволяет накапливать некоторое количество энергии в поле. Однако количество энергии, хранящейся в определенном режиме, может быть только дискретным. , если быть точным. И когда режим параметризован имеет энергию, точно равную , мы говорим на моем уроке квантовой механики, что поле имеет фотоны частоты в этом.
Описанная картина совсем не кажется мне похожей на что-либо с определенной позицией или импульсом. У меня вопрос, конечно, как связаны эти две картинки? Как это возможно, что я получаю локализованные клещи в моем детекторе? У меня не было такой проблемы с квантовой механикой электронов, потому что там у меня была волновая функция, и я мог поверить, что, когда волновая функция выглядит несколько локализованной, это означает, что электрон имеет определенное положение — и то же самое касается импульса для волновая функция в импульсном пространстве. Однако я не могу применить эту идею к фотонам — так что же происходит?
Вы предоставили нам почти идеальный пример корпускулярно-волнового дуализма , о котором много писали на протяжении многих лет. Быстрый онлайн-поиск по этому термину даст вам много информации для изучения; следует очень краткое вступительное описание, и я приглашаю экспертов, чтобы предоставить более подробную информацию.
Грубо говоря, корпускулярно-волновой дуализм означает, что в квантовом мире такие вещи, как фотон или электрон, подобны двусторонней монете, которая допускает два разных описания: в одном стечении обстоятельств она выглядит как частица, а в другом другое похоже на волну. Вот классические примеры:
Сначала у нас есть пучок электронов, ударяющий по монокристаллу никеля. Под прямым углом этот луч будет преломляться, как если бы он состоял из волн, но если электроны испускаются поодиночке в детектор, детектор регистрирует их присутствие щелчками один за другим, как маленькие пули.
И если пучок света, который настолько слаб, что состоит из фотонов, которые можно считать по отдельности, направят к паре оптических щелей, фотоны будут формировать интерференционные полосы на экране за щелями, как если бы они были волнами, хотя, как мы ожидаем, что каждый из отдельных фотонов пройдет через одну или другую щель и, следовательно, не будет других фотонов, с которыми можно было бы мешать при этом.
С точки зрения удобного описания, чем выше энергия (т. е. чем короче длина волны) фотона, тем больше он начинает вести себя как мчащаяся частица и тем меньше как волна, равномерно распространяющаяся в пространстве. И чем ниже его энергия (чем длиннее его длина волны), тем больше он ведет себя как волна, распространяющаяся в пространстве, и тем меньше как отдельная частица, летящая с большой скоростью.
Это означает, что когда ядро подвергается процессу распада, который высвобождает энергию, эта энергия возникает в виде фотона гамма-излучения в определенном направлении и производит одиночный щелчок при попадании в детектор, а когда в эфир выходит АМ-радиостанция, сигнал, выходящий из его антенны, излучается в космос в виде трехмерной волны с измеримой поляризацией и силой, которая следует закону обратных квадратов.
Космас Захос
Билл Алсепт