"Если вы думаете, что поняли Квантовую механику, значит, вы её не поняли". Ричард Фейнман.

"Те, кто не потрясён квантовой теорией, просто её не понял". Ниль Бор.

Раньше люди думали, что свет - это луч, состоящий из частиц. Потом поняли, что волна. Потом увидели, что свет проявляет свойства и частицы и волны и придумали корпускулярно-волновой дуализм. Современные физики говорят, что прежнее понятие корпускулярно-волнового дуализма уже устарело. Так и что же такое свет и как сегодня следует понимать корпускулярно-волновой дуализм?

Парадокс, который изменил мир

Спор о природе света начался задолго до появления Квантовой механики. В конце XVII - начале XVIII вв. Исаак Ньютон разрабатывал концепцию, согласно которой свет состоит из "корпускул" - мельчайших частиц, движущихся по прямым траекториям. Практически одновременно с Ньютоном Христиан Гюйгенс развивал идею того, что свет - это волна, распространяющаяся через гипотетический эфир, заполняющий всё пространство. Обе теории прекрасно объясняли отдельные явления, связанные со светом и его физическими свойствами, поэтому оставалось до конца неясным: кто же всё-таки прав?

В XIX веке эксперимент Томаса Юнга с двумя щелями поставил, казалось бы, окончательную точку: эксперимент давал интерференционную картину - неоспоримый признак волнового поведения. А Дж. Максвелл в 1860-х годах сумел показать, что свет - это электромагнитная волна.

Но в 1905 году А. Эйнштейн, объясняя фотоэффект, предположил, что энергия света передаётся дискретными порциями - квантами. За это он получил Нобелевскую премию. Свет снова стал "частицей".

В 1924 году Луи де Бройль сделал революционный шаг, предположив, что если волны могут вести себя как частицы, то почему бы и частицам (например, электронам) не проявлять волновые свойства? Через три года эксперимент Дэвиссона и Джермера подтвердил дифракцию электронов, то есть фактически наличие у них волновых свойств.

Так родился корпускулярно-волновой дуализм - идея о том, что все квантовые объекты обладают двойственной природой. Однако по прошествии века, мы, похоже начали понимать, что имеем дело не с дуализмом, а с иллюзией, порождённой попыткой описать квантовую реальность языком классического мира.

Что такое "частица" и "волна" в Квантовой механике?

Прежде чем говорить о дуализме, нужно чётко определить термины.

В классической физике:

• Частица - точечный объект с определённой координатой и импульсом, движущийся по траектории.

• Волна - делокализованное колебание, характеризующееся длиной волны, частотой и фазой.

В Квантовой механике оба понятия теряют привычный смысл. Здесь всё описывается волновой функцией - комплекснозначной функцией, квадрат модуля которой даёт вероятность обнаружить объект в определенной точке в определенный момент времени. Если волновая функция имеет узкий пик (волновой пик), мы говорим, что это похоже на частицу. Но даже в этом случае импульс неопределен, согласно принципу неопределённости. Если волновая функция представляет собой почти монохроматическую (однородную) волну то импульс хорошо определён, но координата - полностью неизвестна.

Таким образом, "частица" и "волна" - не два состояния объекта, а два предельных случая одного и того же квантового описания. Отсюда и проистекает принцип неопределенности Гейзенберга.

Принцип неопределённости

Всем известно, что мы не можем измерить одновременно координату и импульс квантового объекта и делу тут не в технических ограничениях, а в самой сути квантового мира. Принцип неопределённости Гейзенберга - это фундаментальное свойство квантовых систем, вытекающее из математики волновых функций.

Волновая функция в координатном пространстве и в импульсном связаны преобразованием Фурье. Если говорить обобщенно, но наглядно, то фактически из преобразование Фурье следует то, что чем уже функция в одном пространстве, тем шире её образ в другом. И дело тут опять же не в измерениях, а в самой природе квантового состояния. Квантовый объект просто не имеет одновременно точной координаты и импульса.

Но этот эмпирический факт создает некоторый, скажем так, эпистемологический дискомфорт или даже кризис.

Дуализм как эпистемологический кризис

Нильс Бор, один из отцов Квантовой механики, предложил принцип дополнительности: волновое и корпускулярное описания взаимно исключают друг друга в рамках одного эксперимента, но оба необходимы для полного понимания сути изучаемого квантового явления.

Это похоже на логическое противоречие, но на самом деле это скорее ограничение языка и нашей интуиции. Мы вынуждены использовать классические понятия ("частица", "волна"), потому что у нас нет других. Но они - лишь приближённые метафоры для описания того, что выходит за рамки повседневного опыта. К слову, именно так и предлагал смотреть на мир Гегель примерно за 100 лет до Бора.

Здесь возникает глубокий философский вопрос: так что же такое "реальность", что мы на самом деле изучаем, если не частицы и не волны?

Иммануил Кант различал "вещь-для-нас" (явление, то, что мы воспринимаем) и "вещь-в-себе" (реальность, независимую от наблюдателя). В Квантовой механике мы как будто никогда не имеем доступа к "вещи-в-себе". Мы имеем доступ только к результатам взаимодействий, то есть к тому, как система отвечает на наши вопросы.

Спросите у света "где ты?" и он ответит как частица. Спросите: "Какова твоя длина волны?" - и он ответит как волна. Но что если спросить: "Что ты есть на самом деле?"

За пределами дихотомии

Современная физика давно вышла за пределы дуализма. В Квантовой теории поля (КТП) - наиболее фундаментальной из известных нам теорий - базовыми объектами реальности являются поля, а не частицы.

Если смотреть на свет с точки зрения КТП, то всё пространство здесь заполнено электромагнитным полем. Когда это поле возбуждается минимально возможным образом, мы называем это возбуждение фотоном. То же самое происходит и с другими частицами: например, электрон - это квант возбуждения электрического поля.

Поле существует всегда. "Частица" появляется лишь в момент взаимодействия - например, когда фотон поглощается атомом или регистрируется детектором. Таким образом, свет - это не объект в привычном смысле, а динамическое состояние поля, которое проявляется по-разному в зависимости от контекста измерения.

Это объясняет, почему в эксперименте с двумя щелями:

• Если мы не наблюдаем, через какую щель прошёл фотон - возникает интерференция (волновое поведение).

• Если мы ставим детектор у одной из щелей - интерференция исчезает, и фотон "выбирает" путь (корпускулярное поведение).

Дело не в том, что свет "меняется". А в том, что мы меняем эксперимент и, следовательно, меняем то, как поле взаимодействует с нами.

Наука как диалог с реальностью

Корпускулярно-волновой дуализм оказался не физическим парадоксом, а эпистемологической загадкой. История изучения света со времен Ньютона и Гюйгенса и до наших дней в очередной раз напомнила нам, что наши категории (частица, волна, траектория) являются продуктом нашего макроскопического опыта. Природа не обязана соответствовать нашей интуиции. Наука оказывается не зеркалом реальности, а диалогом, в котором мы учимся задавать правильные вопросы самой природе.

Это похоже на древнюю притчу, где слепцы ощупывали слона. Один говорил: "Это колонна!" - щупая ногу слона. Другой: "Это верёвка!" - щупая хвост. Третий: "Это труба!" - имея в виду хобот. Все оказались правы и неправы в равной степени. Потому что слон - не сумма частей, а целостное существо.

Так и свет: он не "состоит" из волн и частиц, не сводится ни к одному, ни к другому, не является простым механическим соединением волн и частиц. Он - нечто третье, гегелевский синтез противоположностей - он то, что проявляется как волна или частица в зависимости от того, как мы к нему прикасаемся, а вне этого он - квантовое поле.

***

Сегодня физики почти не используют термин "корпускулярно-волновой дуализм" в серьёзных работах. Он остался в учебниках как исторический мост между Классической и Квантовой физикой.

Но его наследие живо: он учит нас скромности. Он напоминает, что реальность глубже наших слов и что величайшие открытия начинаются не с правильных ответов, а с правильных вопросов.

Мой научно-философский проект