Як відроджується міф про ефір

У 2005 році студент, який працював у лабораторії фізика-експериментатора Іва Кудера в Парижі, випадково виявив, що крихітні масляні краплі відскакують від поверхні ванни, яка вібрує. А коли краплі відскакували, вони концентрувалися навколо поверхні рідини. Потім вони ніби рухалися навколо похилих контурів хвилі. Так виникав феномен, пізніше названий Кудером "серфінгом", пише Альтернативна наука.

Крапельки у ванній

Проводячи подальші спостереження, Кудер зрозумів, що він, можливо, знайшов більш раннє, значною мірою забуте, пояснення квантового світу, розроблене французьким фізиком Луї де Бройлем у 20-х роках минулого століття. Справді, століття тому де Бройль одним із перших відмовився від класичного розуміння дійсності.

Впевненість фізиків зросла після експериментів із частинками, коли виявилося, що реальність не така, як здається на перший погляд. Стандартна "копенгагенська інтерпретація" квантової механіки, що виникла на той час і була сформована датчанином Нільсом Бором, порвала з минулим: у квантовому горизонті ніщо не є "реальним" доти, доки це "ніщо" не стане спостережуваним.

Локальні "факти", як і місця розташування частинок, являють собою лише прості випадковості, що визначаються дисперсною імовірнісною хвилею, до моменту вимірювання, коли хвиля руйнується до крапки, а частинка немов перескакує з однієї реальності в іншу. У 1920-х роках Бор умовив більшість своїх сучасників погодитися з імовірнісним характером всесвіту, розмитістю його фізичної природи.

Але деякі фізики заперечували, серед них були Альберт Ейнштейн і де Бройль. Ейнштейн сумнівався, що Бог "грає в кості". Де Бройль наполягав на тому, що все в квантовому масштабі "абсолютно нормальне і надземне". Він розробив версію квантової теорії, яка розглядала хвилі і частинки як цілком "відчутні" речі.

Його теорія "пілотної хвилі" передбачала цілком конкретні частинки, завжди з певними місцями розташування, керовані через простір пілотними хвилями - краплями Кудера, що стрибають, у нашому випадку.

Однак Де Бройль не зміг математично описати фізичну природу пілотної хвилі, хоча щосили намагався створити цілісну концепцію. На знаменитій Сольвейській конференції 1927 року, першому з'їзді прихильників квантової механіки, радикальніші погляди Бора взяли гору.

Теорія, що отримала пізніше популярність як "копенгагенська інтерпретація", непохитна донині. 78 років потому, коли вперше застрибали паризькі крапельки, мало хто згадав експериментальне бачення квантового світу де Бройля. У Кудера і його колег була своя "аналогова система" ідей француза.

Кудер підкреслює, що краплі проявляють дивовижно квантову поведінку - наприклад, долають тільки певні квантові орбіти навколо центру ванн, але іноді випадково стрибають між орбітами, як електрони в атомах.

Повторні експерименти в Массачусетському технологічному інституті підтвердили, що краплі наче створювали тунель крізь бар'єри та виконували інші дії, які раніше вважалися суто "квантовими".

Усе це відроджувало стару мрію про реальність, що складається з пілотних хвиль і частинок замість імовірнісних хвиль і головоломок орбітальних положень у мікросвіті.

Водночас серія дослідів, проведена у 2015-2018 роках, розтрощили цю мрію. Їхні результати показали, що найяскравіша демонстрація квантових явищ Кудера була помилково інтерпретована. Повторні прогони, названі "експериментом із подвійною щілиною", суперечили початковим висновкам Кудера і концепції квантової механіки де Бройля.

Неймовірно, але людина, яка поставила "хрест" на ідеях де Бройля, - Томас Бор, онук Нільса Бора. Професор Технічного університету Данії, коли почув про експерименти Кудера, був неабияк заінтригований.

"Я намагався зрозуміти, чи справді ми можемо отримати детерміновану квантову механіку", - заявив він 5 років тому. Враховуючи сімейну історію, він додав: "Можливо, у мене теж є деякі зобов'язання. Я відчував, що маю спробувати з'ясувати, правда це чи ні".

Серце квантової механіки

Фізик Річард Фейнман назвав двозначний експеримент "неможливим, абсолютно неможливим, незрозумілим будь-яким класичним способом", підкресливши, що він "б'є в саме серце квантової механіки".

В експерименті частинки розстрілюють спеціальну пластину-бар'єр, а ті елементи, які проходять через щілини, потрапляють на датчик на деякій відстані з іншого боку. Коли потік частинок закінчується, це виглядає сюрпризом, але якщо ви по щілинах "знімаєте" багато частинок, то бачите смуги в локаціях, через які вони можуть і не можуть проходити.

Поява "візерунка" передбачає, що кожна частинка насправді є хвилею, яка зустрічає бар'єр і проходить через обидві щілини одночасно, створюючи два хвильові фронти, які одночасно сходяться і розходяться.

Кожна частинка матеріалізується в датчику ймовірнісної хвилі. Ще дивніше, коли ви додаєте другий датчик і виявляєте, через яку щілину проходить кожна частинка, смуги перешкод зникають, ніби хвильова функція зникла.

Цього разу частинки проходили крізь обрані щілини і фіксувалися на дальньому датчику. Щоб пояснити експеримент із подвійною щілиною, копенгагенці вкажуть на квантову невизначеність, стверджуючи, що траєкторія кожної частинки не може бути достеменно відома і, отже, визначається лише ймовірнісно-хвильовою функцією.

Пройшовши через обидві щілини, як будь-яка хвиля, вона потім "стискається" датчиком, у такий-то спосіб обираючи одну реальність з усіх можливих. Питань багато, як наукових, так і філософських. Для де Бройля експеримент із подвійною щілиною не вимагав абстрактної хвильової функції. Замість цього він задумав частинку, що формує пілотну хвилю. За його логікою, частинка і хвиля співіснують одночасно.

Цей підхід докорінно відрізняється від капенгагенської інтерпретації, де частинка і хвиля можуть бути (а може, й ні) однією сутністю. З іншого боку, частинка "рухається" туди, де "перетинаються" два хвильові фронти. Де Бройль ніколи не прописував динамічних рівнянь для опису складної взаємодії.

Кудер спробував виправити помилку 2006 року. Після запису траєкторій 75 крапель, що відскакують через подвійний щілинний бар'єр, Кудер і його соратник Форт вирішили, що вони виявили перешкоди, характерні тільки для пілотної хвилі.

Перевіркою експериментів зайнявся інший фізик, Джон Буш. Саме з ним Томас Бор обговорив результати перевірочних досліджень.

Остаточні висновки вирішили зробити за партнерства ще з одним ученим - Андерсом Андерсеном. Група Бора-Андерсена в Данії та команда Буша в Массачусетському технологічному інституті, а також Герман Бателан з Університету Небраски продублювали експеримент із подвоєною щілиною. Після вдосконалення своїх установок, в абсолютно стерильних умовах (потрібно було "позбутися" коливань повітря) жодна з команд не зафіксувала перешкод, повідомлених Кудером і Фортом. Краплі пробивалися крізь щілини майже по прямій, і смужки не з'являлися.

Рання помилка французької пари тепер пояснюється шумом, помилковою методологією і недостатньою статистикою.

"Для мене - двосекундний експеримент - це трохи розчарування", - каже експериментатор Мілевскі, який є завідувачем кафедри математики в Університеті Бата.

Докладні дослідження Буша, опубліковані на початку цього року, не показали жодного натяку на інтерференцію, але він все ж вважає, що можна створити інтерференційну картину з пілотними хвилями, коли знайдеться правильне поєднання параметрів - частота для вібраційної рідини або, можливо, необхідне додавання шуму. Однак у документах данської групи повністю заперечується теорія пілотних хвиль де Бройля.

Версія експерименту з подвійною щілиною припускала, що частинки перед потраплянням на бар'єр проходять із центральної розділової стінки. У стандартній квантовій механіці така стінка може бути дуже довгою, але це не має значення, тому що хвильова функція, що представляє можливі шляхи частинок, не "помічає" щілини.

Водночас у квантовій картині де Бройля рушійна сила всієї операції - частинка, втрачаючи контакт із частиною пілотної хвилі, переходить на інший бік стінки. Хвильовий фронт розсіюється задовго до досягнення щілини, інтерференційної картини не виходить.

Пояснюючи своє рішення продовжити експеримент, Буш стверджує, що йому ніколи не подобалися геданкенексперименти.

Він вважає, що в ідеях де Бройля раціональне зерно все ж є. У квантовій реальності, зумовленій локальними взаємодіями частинок із пілотною хвилею, ви втрачаєте необхідну симетрію для створення інтерференції з подвійною щілиною та іншими нелокальними квантовими явищами.

Необхідна нелокальна хвильова функція, яка здатна безперешкодно переміщатися по обидва боки будь-якої стіни. У підсумку, щоб отримати реальний квантово-механічний результат, важливо, щоб можливі шляхи частинки увійшли в іншу форму.

Але, каже Томас Бор, оскільки в експерименті від самого початку передбачає одночасне співіснування частинки і хвилі, а тому необхідного результату ніхто ніколи не досягне.

По-перше, тоді порушується симетрія у квантовій механіці. А, по-друге, потрібне введення додаткового фізичного елемента. Так виникає міф про ефір, теоретичні вправи навколо якого блокують, зокрема, в фізиці та астрономії.