Выражение «квантовая частица» обычно означает объект, описываемый квантовой теорией: электрон, фотон, кварк, атом или даже более крупную систему в подходящем опыте. Частица проявляется как локализованное событие детектора, но вероятности событий рассчитываются из квантового состояния, которое может интерферировать.
Частицы и поля
В современной физике фундаментальные частицы понимают как кванты соответствующих полей. Электрон связан с электронным полем, фотон — с электромагнитным. Это не отменяет привычного слова «частица», а уточняет, почему одинаковые электроны неразличимы и как частицы могут рождаться и исчезать во взаимодействиях. Подробнее — в материале Что такое квантовое поле.
Фермионы и бозоны
Фермионы имеют полуцелый спин и подчиняются принципу запрета Паули: одинаковые фермионы не занимают одно квантовое состояние. Это определяет структуру электронных оболочек и вещества. Бозоны имеют целый спин; многие из них могут находиться в одном состоянии. Фотон — бозон, электрон — фермион.
Что входит в Стандартную модель
Материя представлена шестью кварками и шестью лептонами в трёх поколениях. Электрон относится к лептонам. Электромагнитное взаимодействие переносит фотон, сильное — глюоны, слабое — W- и Z-бозоны. Бозон Хиггса связан с механизмом, благодаря которому фундаментальные частицы получают массу. Гравитация в Стандартную модель не входит.
Суперпозиция, интерференция и запутанность
Квантовое состояние может быть суперпозицией альтернатив, а амплитуды вероятности интерферируют. Запутанные системы имеют совместное состояние, которое нельзя разложить на независимые состояния частей. Такие корреляции подтверждены экспериментами, но сами по себе не позволяют отправить сообщение быстрее света.
Измерение и границы аналогий
Детектор взаимодействует с системой и выдаёт конкретный результат. Нельзя одновременно приписывать частице точную классическую траекторию и сохранять все интерференционные эффекты. Аналогия «то волна, то шарик» полезна лишь как первый шаг: квантовый объект не обязан быть одним из этих классических образов.
Составные квантовые объекты
Протон и нейтрон состоят из кварков и глюонов, атом — из ядра и электронов, но все они могут проявлять квантовые свойства. Чем сложнее система, тем легче окружению получить информацию о её альтернативных состояниях и вызвать декогеренцию. Поэтому квантовое поведение не исчезает на условной границе размера, а становится труднее изолировать. Квазичастицы в твёрдом теле — фононы, дырки и другие коллективные возбуждения — тоже ведут себя как частицы в эффективной теории, хотя не являются отдельными фундаментальными объектами в вакууме. Это показывает, что слово «частица» описывает устойчивый квант возбуждения и правила его взаимодействий, а не обязательно миниатюрный материальный шарик.
Античастицы и сохранения
Многим частицам соответствует античастица с теми же массой и спином, но противоположными зарядами. Электрону соответствует позитрон; фотон является собственной античастицей. В столкновениях энергия может превращаться в пары частиц, если соблюдаются законы сохранения, а частица и античастица способны аннигилировать. Это не уничтожение энергии: она переходит в другие кванты. Такие процессы естественно описывает квантовая теория поля и регулярно измеряются в детекторах ускорителей и космических лучей.