Не говорите «квант». Между 1905-м годом, когда было впервые произнесено слово «квант», и 1925-м, когда Гейзенберг и Шрёдингер сформулировали квантовую механику в её современном виде, было двадцать лет, когда люди очень, очень плохо понимали, что вообще происходит, и пользовались некоей шизофренической смесью между старыми классическими представлениями и только что открытыми закономерностями. Эту шизофрению деликатно называют «старая квантовая теория». (К чести пионеров квантовой теории нужно сказать, что после 1925-го они решили все те задачи, о которых рассказывают в годовом институтском курсе, буквально за три-четыре года.)
Я рассказываю об этом потому, что именно старая квантовая теория фигурирует в одиннадцатом классе под названием «квантовая механика», и именно из неё происходят некоторые совершенно неверные или просто обманчивые идеи, в том числе «корпускулярно-волновой дуализм» и — да — «квант». Не надо думать, что они помогут вам что-то помочь, — их придумали люди, которые сами ничего не понимали.
В частности, нет частицы под названием «квант».
Элементарные частицы. Прежде чем отвечать по сути, мне придётся сказать ещё пару слов против обманчивой устоявшейся терминологии.
В какой-то момент казалось, что всё вещество можно объяснить с помощью протонов, нейтронов и электронов; три кусочка этой красивой картины мира назвали «элементарными частицами». Потом стало понятно, что трёх не хватает, и снова не хватает, и опять не хватает; когда Фейнман читал свои лекции по общей физике, элементарных частиц накопилось двадцать пять штук, и ситуация уже становилась неприличной («this, then, is the horrible condition of our physics today»).
В конечном счёте бóльшую часть «элементарных» частиц удалось-таки разобрать на составные кусочки, хотя ведут они себя неожиданным образом. Но слово «элементарные» за это время уже успело приклеиться, и для «действительно элементарных» частиц пришлось придумать новое: их стали называть «фундаментальными».
Как мы понимаем, что частица фундаментальна? Казалось бы, простой вопрос: стукнуть по ней чем-нибудь и посмотреть, развалится она на кусочки или нет. Если что-то вылетело наружу, значит, оно изначально было внутри.
Это не работает.
Насколько мы можем судить, фундаментальные частицы превращаются друг в друга напрямую. Есть довольно жёсткие ограничения на то, что и во что может превращаться, — но эти ограничения не формулируются в терминах пересобирания неизменных кусочков. Вместо этого мы пользуемся законами сохранения (зарядов, лептонного числа, барионного числа и так далее), но и там список сохраняющихся вещей довольно жёстко определяется нашей математикой. Был случай, когда сохраняющаяся «странность» элементарной частицы оказалась просто количеством фундаментальных частиц определённого вида внутри неё, — но теория тех времён была гораздо менее жёсткой.
Я не знаю популярных объяснений того, откуда берётся эта жёсткость, но могу привести пример. Как с современными знаниями, но без экспериментов на ускорителе, понять, что электрон — фундаментальная частица, а протон — нет? И у электронов, и у протонов есть присущие им «вращение» (момент импульса), электрическое поле (электрический заряд) и магнитное поле (магнитный момент). Вращающийся заряд, действительно, создаёт магнитное поле, так что эти характеристики связаны друг с другом. Математический формализм требует, чтобы для не составной частицы¹ величина, описывающая эту связь, была равна двум (с поправками). Для электрона это 2,003; для протона — 5,586; так что электрон ещё может быть фундаментальной частицей (и это действительно так), а протон — заведомо нет.
Осторожнее со словом «частица». Мне придётся закончить этот рассказ ещё одной терминологической оговоркой.
Имейте в виду, что физики под словом «частица» имеют в виду совсем не то, что все остальные. Это не маленькие твёрдые шарики. В некоторых случаях о них можно и даже полезно так думать (этого вполне достаточно, чтобы сделать кинескоп для старого телевизора). В некоторых — совершенно невозможно (если у вас есть два шарика и два ящика, то положить в каждый ящик по шарику можно двумя способами; если же у вас два атома одного элемента и две квантовые ловушки, то способ только один!).
В каком-то смысле «частицы» квантовой теории поля — это вообще не независимые объекты. Есть Стандартная модель (или любая другая), и мы можем в ней выделить некоторые математические конструкции, которые приближённо ведут себя как частицы-в-смысле-физиков, которые летают и иногда взаимодействуют. Никто не сказал, что их там нельзя выделить несколькими способами. И правда — в физике высоких энергий мы этого делать почти не умеем, а вот в физике твёрдого тела это основы основ. Это не значит, что слово «состоит» в вашем вопросе совсем бессмысленно, но оно тоже значит не совсем то, что вам кажется.
¹ (Для физиков.)Этой оговорки почему-то нет в большей части учебников. Дирак был жутко рад, когда получил из своего уравнения g = 2 для электрона, но он был неправ или по крайней мере лукавил: в уравнение Дирака можно вписать совершенно любое g (собственно, всякие вершинные форм-факторы это и делают) — другое дело, что после квантования такая теория будет неперенормируемой. Единственная причина этого не делать в классике, как было у самого Дирака, — красота уравнения.