Автор: Андрей Пупасов-Максимов. Физики уже смирились с тем, что выбрать между волной или частицей не получится. Но быстрый прогресс экспериментальной техники позволяет взглянуть поближе на квантовых кентавров. В этой статье я расскажу про закрученные электроны – особые квантовые состояния – и о том, как с их помощью можно попробовать экспериментально исследовать такие квантовые явления как расплывание и редукция волнового пакета.

От плоских волн к вихрям

Электроны – это элементарные квантовые частицы кентавры, которым присущ корпускулярно-волновой дуализм. Они пластичны, как хорошие актеры. Если надо, могут сыграть жестких, брутальных парней и ударить в атом или экран как следует. Если надо, могут сыграть сложные духовные метания и богатый внутренний мир, интерферируя сами с собой.

Так что же такое электроны? Точечные заряженные частицы, подверженные влиянию электромагнитного поля (сила Кулона с электрической стороны силы и сила Лоренца с темной магнитной стороны)? Волны вероятности, подчиняющиеся уравнению Шрёдингера? И если заряд электрона точечный, то где он прячется в электронном облаке?

И хотя с вычислительной точки зрения всем ясно что делать, но споры об интерпретациях и философском смысле волновой функции не утихают. Поэтому всегда хорошо, когда до философских вопросов добираются экспериментаторы и начинают измерять корреляции, мощность излучения, силу тока и т.д.

Навскидку можно упомянуть копенгагенскую интерпретацию, ансамблевую, квантовую механику Бома, и многомировую интерпретацию Эверетта. Но споры не утихают, и утихнуть не могут, потому что как-то так получается, что разные интерпретации в экспериментах никак не отличаются. Волновые свойства квантовой материи – это надежный экспериментальный факт. Поэтому начнем с самых простых волновых объектов – плоских волн. Фронт плоской волны распространяется вдоль прямой. Скорость его распространения для квантовой частицы равна ее скорости, а по соотношению неопределенностей Гейзенберга положение такой квантовой частицы абсолютно случайно. Любое волновое поле в свободном пространстве складывается из нескольких, а может быть из бесконечного числа, плоских волн. Важно, что большинство физических характеристик – интенсивность, ток, импульс и так далее – описываются квадратичными формами волновой функции, так что принцип суперпозиции применим к волновым полям, но не к их физическим свойствам.

Даже для волн в свободном пространстве интерференция может привести к нетривиальным свойствам результирующего волнового поля. Например, сложив две волны бегущие в противоположные стороны, можно получить стоячую волну – стационарное состояние. У такого стационарного состояния будут наблюдаться «топологические» особенности – узлы. Точки, в которых волновая функция равна нулю. Поэтому уже интерференцию двух плоских волн можно рассматривать как структурированное волновое поле.

Однако наиболее интересные и общие формы появляются, начиная с трехволновой интерференции.