Главная Физика Физики полагают, что идеи де Бройля о частицах-волнах перевернут квантовую физику

Идеи де Бройля о квантовых частицах и волнах

В 1920-х годах, когда квантовая физика еще только зарождалась, французский ученый Луи де Бройль высказал интригующую идею.

Что, если верно и то, и другое?

В ответ на путаницу в вопросе о том, являются ли свет и материя частицами или волнами, он предложил альтернативу: что, если верно и то, и другое? Что, если квантовые объекты направляются чем-то, что схоже с океанскими волнами?

Его гипотеза легла в основу экспериментальной волновой теории, но она не была лишена проблем. Как и любая красивая идея, которая терпит крах перед лицом эксперимента, она быстро стала пережитком научной истории.

Сегодня большинство физиков придерживаются так называемой "копенгагенской интерпретации квантовой механики", которая, вообще говоря, не дает точного определения местоположения и момента частиц, пока они не будут измерены и, следовательно, наблюдаемы.

С другой стороны, теория пилотных волн предполагает, что частицы действительно имеют точное положение в любой момент времени, но для того, чтобы это было так, мир должен быть странным в других отношениях, - потому многие физики, ищущие простые математические решения, отвергли эту идею.

Однако серфинг частиц де Бройля не позволяет забыть саму идею вот уже на протяжении целого столетия.

Самое интересное, что эта концепция, наконец, может помочь Вселенной обрести внутренний смысл - от мельчайших квантовых частиц до крупнейших галактик.

Что такое волна-пилот?

Чтобы лучше понять, что такое волна-пилот, нужно сначала разобраться, чем она не является.

Волна-пилот Луи де Бройля

В 1920-х годах физики были озадачены высокоточными экспериментами по изучению света и субатомных частиц и тем, почему их поведение больше похоже на поведение волны, чем частицы.

Результаты лучше всего объяснялись новой областью математики, которая объединяла теорию вероятности с механикой волнового поведения.

Для физиков-теоретиков, таких, как датчанин Нильс Бор и его немецкий коллега Вернер Гейзенберг, которые заложили основы копенгагенской интерпретации, наиболее экономичной показалась трактовка вероятности как фундаментальной части природы.

То, что вело себя как волна, было врожденной неопределенностью.

Это не просто та неопределенность, которая приносит отсутствие знаний. По мнению Бора, Вселенная как будто еще не решила, куда поместить исходную частицу, в каком направлении она должна двигаться и какой импульс она может иметь. Об этих свойствах, по его логике, можно говорить только после того, как сделано наблюдение.

Что все это означает на интуитивном уровне, сказать трудно. До появления квантовой физики математика вероятности была инструментом азартных игр или вращения колеса.

Мы можем представить себе стопку игральных карт, скрытая последовательность которых «заперта» в одном месте. Математика лишь упорядочивает наше незнание, в то время как реальность существует со стопроцентной уверенностью на заднем плане.

Идея де Бройля о гипотетической волне

Итак, физики предложили такой вариант вероятности, который вроде бы не связан с нашей наивностью. И это не так легко представить.

Идея де Бройля о гипотетической волне была призвана вернуть некую физичность понятию вероятности. Разрозненные узоры из линий и точек, наблюдаемые в экспериментах, являются именно тем, чем они кажутся - последствиями волн, поднимающихся и опускающихся через среду, мало чем отличающtqся от ряби на пруду.

И где-то на этой волне находится реальная частица. Она имеет единичное положение, но ее судьба - в потоке жидкости, которая ее направляет.

С одной стороны, эта идея кажется правильной. Это метафора, с помощью которой мы соотносим двигающиеся частицы и замирающую Вселенную.

Но потом оказалось, что научное время для простой идеи де Бройля еще не пришло.

"Хотя взгляды де Бройля кажутся более разумными, первоначальные проблемы его теории заставили научное сообщество принять идеи Бора", - говорит Пауло Кастро, философ науки из Лиссабонского университета в Португалии.

Выдающийся австрийский физик Вольфганг Паули, один из пионеров квантовой физики, указывал в то время, что модель де Бройля не объясняет феномен рассеяния частиц.

Она также не объясняет, почему частицы, взаимодействовавшие друг с другом в прошлом, имеют коррелирующие характеристики при последующем наблюдении - явление, называемое запутанностью.

Когда была создана экспериментальная волновая теория?

В течение примерно четверти века представление де Бройля о частицах, перемещающихся по волнам возможностей, оставалось в тени фундаментальной неопределенности Бора и Гейзенберга. Затем в 1952 году американский физик-теоретик Дэвид Бом переосмыслил теорию де Бройля, - так появилась волна-пилот.

Дэвид Бом

Гипотеза Бома представила частицы и волны как квантовое партнерство, существующее независимо от наблюдения. Однако стоит потревожить в волну, и ее характеристики меняются.

В отличие от теории де Бройля, новое предложение могло объяснить запутанную судьбу нескольких частиц, разделенных временем и расстоянием, путем ссылки на квантовый "потенциал", который действует как канал для обмена информацией между частицами.

Теория де Бройля-Бома, которую теперь принято называть теорией экспериментальных волн, прошла долгий путь за прошедшие с тех пор десятилетия.

"Новая основная гипотеза заключается в том, что квантовая волна кодирует физическую информацию, действуя как естественное вычислительное устройство, включающее возможные состояния", - говорит Кастро.

"Таким образом, можно иметь любую суперпозицию состояний, закодированную в трехмерной волне в виде физической информации. Частица меняет свое состояние на другое, считывая соответствующую информацию из волны".

Почему теория экспериментальной волны не получила широкого признания?

С философской точки зрения, теория хороша лишь настолько, насколько хороши экспериментальные результаты, которые она поясняет, и наблюдения, которые она может предсказать.

Независимо от того, насколько привлекательной кажется идея, если она не производит более точной истории, чем ее конкуренты, она вряд ли завоюет много поклонников.

Пилотные волны существуют лишь в виде числовой матрицы, - и как доказать их существование, мы не знаем. Впрочем, это касается всех без исключения атомных и субатомных частиц: мы ведь наблюдаем квантовые последствия, но не сами физические объекты. Тем более независимые от нашего сознания.

Как говорили в Копенгагене, считать нужно, а не наблюдать.

Волны де Бройля-Бома: призраки новой теории

Впрочем, в 2005 году французские исследователи заметили, что капли масла странным образом скачут по вибрирующей масляной ванне, взаимодействуя со средой в контуре обратной связи, которая напоминала волны де Бройля, уносящие частицы.

Критически важным для их наблюдений было определенное квантование движения частиц, не похожее на строгие измерения, ограничивающие движение электронов вокруг ядра атома.

Сходство между макромасштабными и квантовыми волнами было достаточно интригующим, чтобы намекнуть на некую объединяющую механику, которая требует дальнейшего изучения.

Физики из Института Нильса Бора в Копенгагенском университете позже проверили один из квантово-подобных выводов, сделанных на основе аналогии с масляными каплями. Но позже они не смогли воспроизвести свои результаты.

В то же время они обнаружили интерференционный эффект в измененных движениях волн, который повествует нам о волнах квантового типа.

В удивительной ситуации внук Нильса Бора - Томас Бор - также принял участие в дебатах, предложив мысленный эксперимент, который фактически исключает существование экспериментальных волн.

Хотя нулевые результаты и мысленные эксперименты вряд ли опровергают основные постулаты современной версии пилотных волн де Бройля-Бома, они усиливают проблемы, не позволяющие родиться настоящей теории.

"Волновая квантовая память - это мощная концепция, но, конечно, предстоит еще много работы", - говорит Кастро.

Может ли экспериментальная волновая теория стать будущим квантовой физики?

Очевидно, что в самом сердце физики существует ноющая пустота, пробел, требующий интуитивного объяснения того, почему реальность движется по волнообразным моделям случайности.

Возможно, дуализм волн и частиц не имеет аналогов в нашем повседневном опыте. Но идея волнообразной среды, которая действует как некое вычислительное устройство для физики, слишком заманчива, чтобы оставить ее без внимания.

Но для того, чтобы теория экспериментальных волн восторжествовала, физикам необходимо найти способ вырвать серфер из квантовой волны и доказать, что волны-пилоты существуют независимо друг от друга.

Экспериментально это достижимо, ели стрелять двумя частицами, отделяя серфер путем измерения.

"Потом мы заставим эту пустую квантовую волну интерферировать с волной другой частицы, изменяя поведение второй частицы, - уверен Кастро.

«Мы представили эту работу на первой Международной конференции по теории экспериментальных волн».

С практической точки зрения, устройства, необходимые для такого опыта, должны быть чрезвычайно чувствительными. То есть это задача, которая терпеливо ждет своей возможности. Пустые волны-пилоты могут даже стать ключом к решению практических проблем в квантовых вычислениях, поскольку они менее подвержены влиянию окружающего шума.