Волна как пончик: как в пространстве распределен заряд электрона

Как сообщает сайт ТГУ, исследователи провели расчеты и предложили схему эксперимента, где электронная волна де Бройля выглядит как пончик (так называемый закрученный электрон) и излучает электромагнитные волны так, как будто электрический заряд находится не в малой области, а распределен по всему «пончику». Если расчеты подтвердятся в экспериментах, это будет означать, что электрон, оставаясь элементарной частицей, может при определенных условиях проявлять себя как объект с некоторым пространственным распределением заряда.

В современных электронных микроскопах размеры электронной волны могут достигать миллиметров – в десятки миллиардов раз больше, чем квантовый размер электрона. Поэтому вопрос о том, в какой области пространства локализован заряд, играет принципиальную роль как для фундаментального понимания природы элементарных частиц, так и для целей электронной микроскопии.

Результаты опубликованы в журнале Physical Review A. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ). Руководит проектом старший научный сотрудник лаборатории теоретической и математической физики ФФ ТГУ Дмитрий Карловец.

Элементарные частицы – электроны, позитроны, мюоны и другие – могут вести себя как волны. Область пространства, где находится такая волна вероятности, обычно называется неопределенностью координаты электрона. Сам термин «неопределенность» наталкивает на мысль, что мы не знаем, где именно внутри этой фиктивной волны находится реальный электрон с классическим размером – порядка одного фемтометра (одна миллионная одной миллиардной метра) или с квантовым размером – порядка ста фемтометров. Согласно распространенной интерпретации, если бы мы могли точно установить, где именно расположен электрон внутри волны вероятности, неопределенность обратилась бы в нуль и волна перестала бы существовать — произошел бы ее «коллапс». Эта точка зрения согласуется с многочисленными экспериментами, в том числе по излучению электромагнитных волн: электроны всегда излучают не как пространственно протяженные волны, а, скорее, как маленькие шарики с электрическим зарядом, находящиеся в очень малой области пространства.

Волны вероятности, как и более привычные волны фотонов – частиц света, всегда расплываются по мере распространения – становятся шире, неопределенность координаты увеличивается. С самого начала квантовой механики это свойство часто рассматривалось как некоторый изъян теории, связанный лишь с нашим незнанием точного местоположения электрона. Последние эксперименты по излучению таких электронов показывают, что даже при этом такая волна излучает так, будто внутри нее находится очень маленький заряженный шарик и весь заряд волны сосредоточен внутри шарика.

Но существует и другая «неточечная» интерпретация такой волны: заряд электрона можно представить как бы размазанным по всей волне подобно пучку многих частиц, но с общим зарядом, равным заряду одного электрона. За последние 10 лет физики научились придавать таким волнам различные формы, в частности форму радуги и пончика. Если бы первая, «точечная» интерпретация электронной волны была единственно возможной, то форма и размер волны вероятности не влияли бы на физические процессы, в которых принимает участие такой электрон. Однако исследователи знают, что это не так – она влияет. Электрон может вести себя и как облачко заряда определенной формы, если его положение в пространстве внутри облачка напрямую не измеряется.

– В нашей работе мы предложили схему эксперимента, в которой электронная волна имеет форму пончика – так называемый «закрученный электрон» – и излучает электромагнитные волны так, будто электрический заряд не локализован в малой области, а размазан по всему облаку. Это связано с тем, что волны сильно несимметричной формы, то есть не шарика, а, например, эллипса, пончика или радуги, приобретают дополнительную внутреннюю характеристику, называемую электрическим квадрупольным моментом. Такой эксперимент может включать металлическую дифракционную решетку, вблизи которой движутся электроны, – рассказывает Дмитрий Карловец, руководитель проекта по гранту РНФ, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ФФ ТГУ.

Расчеты показывают, что специфическая форма волны приводит к необычному эффекту – нелинейному усилению излучения, в результате чего такой закрученный электрон излучит всю свою энергию и остановится намного быстрее, чем обычный.

– Если результаты наших расчетов подтвердятся в экспериментах, это будет означать, что вторая «неточечная» интерпретация волны вероятности также возможна, а сам электрон, оставаясь элементарной частицей, может при определенных условиях проявлять себя как объект с некоторым пространственным распределением электрического заряда. Существенно, что для проведения такого эксперимента не требуется использования дорогих установок, а достаточно обычного электронного микроскопа, доступного во многих, в том числе российских лабораториях, – отмечает Дмитрий Карловец.