Кіріспе

Физикада, толқын пакеті (толқын пойызы немесе толқын тобы деп те аталады) – бұл бірлік ретінде қозғалатын, қоршаумен шектелген, қысқа мерзімді шешілген толқын әрекеті. Толқын пакетін әр түрлі толқын сандары бар құрамдас синусоидты толқындардың потенциалды шексіз жиынтығына талдауға немесе синтездеуге болады, олардың фазалары мен амплитудалары кеңістіктің шағын аймағында ғана конструктивті араласуына, ал қалған бөліктерінде деструктивті араласуына мүмкіндік береді. Уақыт немесе кеңістікте шектеулі ені бар кез келген сигналға орталық жиіліктің айналасында, осы енге кері пропорционал болатын жолақтың кеңдігінде көптеген жиілік компоненттері қажет; тіпті Гаусс функциясы да толқын пакеті деп есептеледі, өйткені оның Фурье түрлендірілісі – орталық жиіліктің төңірегінде шоғырланған жиіліктердің "пакеті". Әрбір құрамдас толқын функциясы, демек толқын пакеті, толқын теңдеуінің шешімі болып табылады. Толқын теңдеуіне байланысты, толқын пакетінің профилі таралу барысында өзгермей (дисперсиясыз) қалуы немесе өзгеруі (дисперсия) мүмкін.

Тарихи негіздер

Толқын пакеттеріне қатысты идеялар – модуляция, тасушы толқындар, фазалық жылдамдық және топтық жылдамдық – 1800 жылдардың ортасынан бастау алады. Толқынның фазалық жылдамдығынан ерекшеленетін топтық жылдамдық идеясын алғаш рет 1839 жылы В. Р. Гамильтон ұсынды, ал толық зерттеуді 1877 жылы Рэйли өзінің «Дыбыс теориясында» жасады. Эрвин Шрёдингер өзінің әйгілі толқын теңдеуін жариялағаннан кейін ғана толқын пакеттері идеясын енгізді. Ол кванттық гармоникалық осциллятор үшін толқын теңдеуін шешті, суперпозиция принципін енгізді және оны компактты күйдің сақталуын көрсету үшін пайдаланды. Бұл жұмыс когерентті күйлердің маңызды тұжырымын тудырды, бірақ толқын пакеттері тұжырымы қалыптаспады. Шрёдингердің мақаласынан бір жыл өткен соң Вернер Гейзенберг өзінің белгісіздік принципі туралы мақаласын жариялады, соның нәтижесінде Шрёдингердің нәтижелері тек кванттық гармоникалық осцилляторларға ғана қатысты екенін, мысалы, атомдарға тән Кулон потенциалына емес екенін көрсетті. Дарвин кейіннен уақыт өткен соң, жылдамдықпен қозғалған пакеттің орны бастапқы орналасудағы белгісіздікке қарай қалай өзгеретінін көрсетті. Кейін 1927 жылы Пол Эренфест ені мен массасы екі есеге дейін кеңейетін материялық толқын пакеттерінің уақытын көрсетті. Өйткені ол өте кішкентай, макроскопиялық денелердің үлкен ені мен массасы бар толқын пакеттері тек ғарыштық уақыт өлшемдерінде ғана екі есеге көбейеді. Егер біз мұндай пакетті тыныштыққа қойсақ, ол тыныштықта қалады: орнының орташа мәні мен импульсі классикалық бөлшекке сәйкес келеді. Дегенмен, ол барлық бағытта оптималды импульс белгісіздігімен берілген жылдамдықпен таралады. Таралу соншалықты жылдам, атомды бір рет айналып өту қашықтығында толқын пакетін тану мүмкін емес.

Толқын пакеттері мен кванттық шашырау

Физикада бөлшектердің өзара әрекеттесуі шашырау деп аталады; толқын пакеттері математикасы кванттық шашырау әдістерінде маңызды рөл атқарады. Монохроматикалық (бір импульстік) көздер шашырау модельдерінде жинақталу қиындықтарын тудырады. Шашырау мәселелерінің де классикалық шектері бар. Егер шашырату нысаны (мысалы, атом) толқын пакетінен әлдеқайда кіші болса, толқын пакетінің ортасы шашыраудың классикалық траекториясын ұстанады. Әйтпесе, толқын пакеті нысанмен өзара әрекеттескенде бұрмаланып, шашырайды.