Когерентные волно-материи

В чем состоят волновые свойства материи? Как выглядят объекты микромира? И как можно наблюдать волновые свойства у объектов? Об этом рассказывает доктор физико-математических наук Дмитрий Паращук.

«Как устроено вещество и что такое вещество», — люди озадачены этим вопросом с тех пор, как существует цивилизация. И пытаются заглянуть все глубже и глубже, все мельче и мельче. Это вот вопрос древних: «Из чего все состоит?» На каком-то этапе было понято, что вещество состоит из атомов. Вопрос следующий: «Из чего состоят атомы и так далее?» Оказывается, что на уровне микромира вещество выглядит совсем иначе, чем на уровне макромира. Если на уровне макромира какой-то предмет обязательно где-то сконцентрирован в пространстве и можно определить, где он начинается и где он кончается, то для микромира это не работает. Скорее, объекты микромира выглядят как волны. А волна не имеет ни начала, ни конца, то есть она как бы везде. Так вот, согласно последним современным представлениям, мы должны думать о частицах, о веществе как о совокупности волн.

Показательные эксперименты были проведены, оказывается, нужно вещество охлаждать. То есть мы охладим — это значит, что мы уменьшим скорость атомов, из которых состоит вещество. А раз мы сильно уменьшим их скорость, значит, длина волны де Бройля или характерная длина волны, на которой мы воспринимаем объект как частицу, будет все больше. Если охладить атомы до уровня нано-, до уровня микрокельвинов (то есть это одна миллиардная кельвина и ниже), это значит просто уменьшить их скорость. Уже тогда размер волны, отвечающей этому атому, будет виден в обычный оптический микроскоп. То есть это будет несколько микрон. И получается, что мы уже не можем увидеть для таких холодных объектов и частиц частицу, мы видим волну, она исчезает, и мы с удивлением обнаруживаем, что мир состоит из волн. Это так удивительно, что если мы пофантазируем и перенесемся на макромасштаб, то, значит, и все предметы, которые окружают нас, состоят из волн.

Какие интересные свойства мы знаем у волн? Волны, например, могут огибать препятствия. Это значит, что один объект может проходить сквозь другой. Здесь можно вспомнить фильм «Терминатор», где главный герой превращается в какую-то субстанцию и просачивается сквозь стены. Эта фантазия не так уж и далека от реальности. То есть, в принципе, это возможно; если мы будем думать о веществе как о волне, то нам откроются совершенно неожиданные свойства мира, который нас окружает. Тем не менее есть несколько физических явлений, таинственных и загадочных, на которых именно эти волновые свойства микромира проявляются на макромасштабе, — это явления сверхтекучести и сверхпроводимости. Сверхпроводимость означает, что у нас сопротивление электрическому току равно нулю. А это значит, что если мы берем колечко из сверхпроводящего материала и индуцируем в нем электрический ток, то, в принципе, он может течь вечно. Еще один пример — сверхтекучесть. Пока она известна только для нескольких жидкостей, например жидкого гелия. Если мы охладим газ гелий до очень низких температур, он сначала превращается в жидкость, а потом в сверхтекучую жидкость.