Меню

Как возрождается миф об эфире

В 2005 году студент, работающий в лаборатории физика-экспериментатора Ива Кудера в Париже, случайно обнаружил, что крошечные масляные капли отскакивают от поверхности вибрирующей ванны. Более того, когда капли отскакивали, они концентрировались вокруг поверхности жидкости. Затем они как бы движутся вокруг наклонных контуров волны. Так возникает феномен, позже названный Кудером «серфингом».

Капельки в ванной

Проводя дальнейшие наблюдения, Кудер понял, что он, возможно, нашел более ранее, в значительной степени забытое, объяснение квантового мира, разработанное французским физиком Луи де Бройлем в 20-х годах прошлого века. Действительно, столетие назад де Бройль одним из первых отказался от классического понимания действительности.

Уверенность физиков возросла после экспериментов с частицами, когда оказалось, что реальность не такая, как кажется на первый взгляд. Стандартная «копенгагенская интерпретация» квантовой механики, возникшая в то время и сформированная датчанином Нильсом Бором, порвала с прошлым: в квантовом горизонте ничто не является «реальным» до тех пор, пока это «ничто» не станет наблюдаемым. Локальные «факты», как и местоположения частиц, представляют собой лишь простые случайности, определяемые дисперсной вероятностной волной, до момента измерения, когда волна рушится до точки, а частица как бы перескакивает из одной реальности в другую. В 1920-х годах Бор уговорил большинство своих современников согласиться с вероятностным характером вселенной, размытостью ее физической природы.

Но некоторые физики возражали, среди них были Альберт Эйнштейн и де Бройль. Эйнштейн сомневался, что Бог «играет в кости». Де Бройль настаивал на том, что все в квантовом масштабе «совершенно нормальное и надземное». Он разработал версию квантовой теории, которая рассматривала волны и частицы как вполне «осязаемые» вещи. Его теория «пилотной волны» предсказывала вполне конкретные частицы, всегда с определенными местоположениями, управляемые через пространство пилотными волнами - прыгающими каплями Кудера в нашем случае. Однако Де Бройль не смог математически описать физическую природу пилотной волны, хотя изо всех сил пытался создать целую теорию. На знаменитой Сольвейской конференции 1927 года, первом съезде сторонников квантовой механики, более радикальные взгляды Бора одержали верх. Теория, получившая позже известность как "копенгагенская интерпретация", непоколебима по сей день. 78 лет спустя, когда впервые запрыгали парижские капельки, мало кто вспомнил экспериментальное видение квантового мира де Бройля. У Кудера и его коллег была своя «аналоговая система» идей француза.

Круги на воде

Кудер подчеркивает, что капли проявляют удивительно квантовое поведение - например, преодолевают только определенные квантовые орбиты вокруг центра ванн, но иногда случайно прыгают между орбитами, как электроны в атомах. Повторные эксперименты в Массачусетском технологическом институте подтвердили, что капли как бы создавали туннель через барьеры и выполняли другие действия, которые ранее считались сугубо «квантовыми». Все это возрождало старую мечту о реальности, состоящих из пилотных волн и частиц вместо вероятностных волн и головоломок орбитальных положений в микромире. В то же время серия опытов, проведенная в 2015-2018 годах, сокрушили эту мечту. Их результаты показали, что наиболее яркая демонстрация квантовых явлений Кудера была ошибочно интерпретирована. Повторные прогоны, названные «экспериментом с двойной щелью», противоречили первоначальным выводам Кудера и концепции квантовой механики де Бройля.

Невероятно, но человек, поставивший «крест» на идеях де Бройля, - Томас Бор, внук Нильса Бора. Профессор Технического университета Дании, когда услышал о экспериментах Кудера, был изрядно заинтригован. «Я пытался понять, действительно ли мы можем получить детерминированную квантовую механику», - заявил он 5 лет назад. Учитывая семейную историю, он добавил: «Возможно, у меня тоже есть некоторые обязательства. Я чувствовал, что должен попытаться выяснить, правда ли это или нет».

Сердце квантовой механики

Физик Ричард Фейнман назвал двусмысленный эксперимент «невозможным, абсолютно невозможным, необъяснимым каким-либо классическим способом», подчеркнув, что он «бьет в самое сердце квантовой механики». В эксперименте частицы расстреливают специальную пластину-барьер, а те элементы, которые проходят через щели, попадают на датчик на некотором расстоянии с другой стороны. Когда поток частиц заканчивается, это выглядит сюрпризом, но если вы по щелям «снимаете» много частиц, то видите полосы в локациях, через которые они могут и не могут проходить. Появление «узора» предполагает, что каждая частица на самом деле это волна, которая встречает барьер и проходит через обе щели одновременно, создавая два волновых фронта, которые одновременно сходятся и расходятся.

Каждая частица материализуется в датчике вероятностной волны. Еще страннее, когда вы добавляете второй датчик и обнаруживаете, через какую щель проходит каждая частица, полосы помех исчезают, как если бы волновая функция исчезла. На этот раз частицы проходили сквозь выбранные щели и фиксировались на дальнем датчике. Чтобы объяснить эксперимент с двойной щелью, копенгагенцы укажут на квантовую неопределенность, утверждая, что траектория каждой частицы не может быть точно известна и, таким образом, определяются только вероятностно-волновой функцией. Пройдя через обе щели, как любая волна, она затем «сжимается» датчиком, таким-то образом выбирая одну реальность из всех возможных. Вопросов много, как научных, так и философских. Для де Бройля эксперимент с двойной щелью не требовал абстрактной волновой функции. Вместо этого он задумал частицу, формирующую пилотную волну. По его логике, частица и волна сосуществуют одновременно.

Этот подход коренным образом отличается от капенгагенской интерпретации, где частица и волна могут быть (а может, и нет) одной сущностью. С другой стороны, частица «двигается» туда, где «пересекаются» два волновых фронта. Де Бройль никогда не прописывал динамических уравнений для описания сложного взаимодействия. Кудер попытался исправить ошибку в 2006 году. После записи траекторий 75 отскакивающих капель через двойной щелевой барьер, Кудер и его соратник Форт решили, что они обнаружили помехи, характерные только для пилотной волны.

Проверкой экспериментов занялся другой физик, Джон Буш. Именно с ним Томас Бор обсудил результаты проверяющих исследований. Окончательные выводы решили сделать при партнерстве еще с одним ученым – Андерсом Андерсеном. Группа Бора-Андерсена в Дании и команда Буша в Массачусетском технологическом институте, а также Герман Бателан из Университета Небраски продублировали эксперимент с удвоенной щелью. После совершенствования своих установок, в абсолютно стерильных условиях (нужно было «избавиться» от колебаний воздуха) ни одна из команд не зафиксировала помех, сообщенных Кудером и Фортом. Капли пробивались сквозь щели почти по прямой, и полоски не появлялись.

Ранняя ошибка французской пары теперь объясняется шумом, ошибочной методологией и недостаточной статистикой. «Для меня - двухсекундный эксперимент - это немного разочарование», - говорит экспериментатор Милевски, который является заведующим кафедрой математики в Университете Бата. Подробные исследования Буша, опубликованные в начале этого года, не показали никакого намека на интерференцию, но он все же считает, что можно создать интерференционную картину с пилотными волнами, когда найдется правильное сочетание параметров - частота для вибрационной жидкости или, возможно, необходимое добавление шума. Однако в документах датской группы полностью отрицается теория пилотных волн де Бройля.

Версия эксперимента с двойной щелью предполагала, что частицы перед попаданием на барьер проходят из центральной разделительной стенки. В стандартной квантовой механике такая стенка может быть очень длинной, но это не имеет значения, потому что волновая функция, представляющая возможные пути частиц, не "замечает" щели. В то же время в квантовой картине де Бройля движущая сила всей операции - частица, теряя контакт с частью пилотной волны, переходит на другую сторону стенки. Волновой фронт рассеивается задолго до достижения щели, интерференционной картины не получается. Объясняя свое решение продолжить эксперимент, Буш утверждает, что ему никогда не нравились геданкенэксперименты.

Он полагает, что в идеях де Бройля рациональное зерно все же есть. В квантовой реальности, обусловленной локальными взаимодействиями частиц с пилотной волной, вы теряете необходимую симметрию для создания интерференции с двойной щелью и другими нелокальными квантовыми явлениями. Необходима нелокальная волновая функция, которая способна беспрепятственно перемещаться по обеим сторонам любой стены. В итоге, чтобы получить реальный квантово-механический результат, важно, чтобы возможные пути частицы вошли в иную форму.

Но, говорит Томас Бор, поскольку в эксперименте изначально предполагается одновременное сосуществование частицы и волны, требуемого результата никто никогда не достигнет. Во-первых, тогда нарушается симметрия в квантовой механике. А, во-вторых, требуется введение дополнительного физического элемента. Так возникает миф об эфире, теоретические упражнения вокруг которого блокируют в том числе альтернативные теории в физике и астрономии.

Добавил:Всеволод Гордиенко Дата:2018-10-16 Раздел:Физика