Квантова физика и Теория на пилотните вълни

Един алтернативен и различен възглед за квантовата физика и реалността на микросвета вече изглежда по-приемлив.

От многото странности в квантовата механика, може би най-известната от тях е нелокалността (от съотношение на неопределеност на Хайзенберг) – частиците не притежават локално присъствие в пространството докато не се наблюдават. И това явление до голяма степен определя съвременния модел на квантовата механика – Копенхагенска интерпретация. Според нея, вместо да имаме ясни физични закони за движението на частиците, например както е при физиката на Нютон, ние разполагаме с облак от възможности, който може да бъде описан математически с вълнова функция. Правилата и законите в една вълнова функция се ръководят от уравненията на Шрьодингер, и докато те са достатъчно ясни, то поведението на частиците – не съвсем.

Докато частиците не са под наблюдение не можем да кажем нищо за техните местоположения и траектории. Предизвиканият от самото наблюдение колапс на вълновата функция принуждава частиците да разкрият своите позиции и характеристики, т.е. да се локализират.

Алберт Айнщайн и други видни учени се противопоставят на тази идея. Неговият биограф, Абрахам Пайс, пише:

„Често обсъждахме неговите представи за обективната реалност. Спомням си, че по време на една разходка Айнщайн изведнъж спря, обърна се към мен и ме попита, дали наистина вярвам, че Луната съществува само когато я гледам.“

Съществува и друго обяснение на микросвета, старо почти век, като при него частиците разглеждани заедно притежават известна локалност. Става въпрос за Теорията на пилотните вълни, или още – Бомова квантова механика. За разлика от Копенхагенската интерпретация на квантовата механика, Теорията на пилотните вълни не успява да придобие популярност. От части това се дължи на описаните в нея неестествени траектории на частиците. В следствие на това, ако теорията описва реално явление, то физиката на реалността би била още по-странна от колкото е в момента.

През 1992, изследване целящо да проясни някои странности в Бомовата интерпретация, завършва с фатални последици за теорията. В своя доклад авторите на изследването правят заключението, че частиците следващи законите на Бомовата механика, в крайна сметка изписват толкова нестандартни и неестествени траектории, че ги наричат „сюрреалистични“. Но в началото на 2017, почти четвърт век по-късно, учени от Канада и Австралия провеждат нов експеримент за да проверят отново концепцията на пилотните вълни.

Позициите и траекториите на частиците са известни

Бомовата интерпретация е разработена от Луи дьо Бройл през 1927, и отново по-късно през 1952 от Дейвид Бом, който работи над теорията до смъртта си през 1992. (Понякога е наричана Теория на дьо Бройл-Бом.) Както и при Копенхагенската интерпретация, вълновата функция на частиците също се подчинява на уравнението на Шрьодингер. С тази разлика обаче, че всяка частица притежава прецизна, определима позиция, дори когато не е наблюдавана. Измененията в позициите на частиците се диктуват от друго уравнение, познато като уравнение на пилотните вълни, или още – водещо уравнение.

Теорията е напълно детерминистична; ако знаем първоначалното състояние на системата и вълновата функция, във всеки момент можем да изчислим къде се намира всяка една частица.

И въпреки че това прилича много на класическата механика, има една съществена разлика. Класическата механика е чисто локална – нещата могат да взаимодействат едни с други, само когато са в контакт помежду си, или чрез силови полета като при електромагнетизма, но не могат да обменят информация по-бързо от светлината. Когато говорим за квантова механика, било то Теорията за пилотните вълни или Копенхагенската интерпретация, нещата не са толкова праволинейни. Квантовата механика се подчинява на уравненията на Шрьодингер, т.е. не можем да говорим за локалност и определеност в класическия смисъл. Най-добрият пример за това свойство е квантовото заплитане, което Айнщайн през 1930 нарича призрачно влияние от разстояние. От тогава до днес, стотици експерименти са потвърдили това явление, като първото потвърждение идва през 1980, показвайки че„призрачното влияние от разстояние“ е съвсем реална характеристика на нашата Вселена.

По подобен начин нелокалността играе роля и в Бомовата интерпретация. Траекторията на една частица зависи от траекториите на другите частици в същата вълнова функция. Най-странното е, че вълновата функция няма граници, по принцип може да се разгъне до размерите на цялата вселена. Което би означавало, че вселената е странно свързана, въпреки огромните разстояния и празни пространства. Така от различните хаотични частици вълновата функция оформя смислена реалност.

Разликата между двете интерпретации е най-ясна при разглеждането на класическия за квантовата механика експеримент с двойния процеп. При него частиците, да кажем електрони, преминават през двойка тесни процепи, като евентуално стигат до екрана, където могат да бъдат отразени попаденията им. При протичането на експеримента електроните действат като вълни, създавайки добре познат модел върху екрана – интерференчна картина. Странното при това е, че дори електроните да са изстрелван един по един, във времето те пак образуват интерференчна картина, което предполага, че един електрон може да преминава през двата процепа едновременно, или с други думи – там става нещо повече, което все още не разбираме така добре.

В този ред на мисли е малко спорно, кое всъщност е по-сюрреалистично: траекториите от пилотните вълни или преминаването на частица през два отвора едновременно. Квантова механика – какво да я правиш? 😉

Тези които са приели Копенхагенската интерпретация просто допускат тази странност – не можем да говорим за позициите на частиците докато не ги измерим. Някои физици дори допускат, че преминаването на електрона се случва в различни паралелни реалности и наблюдателят определя коя реалност ще се манифестира. Което не е проблем за физиката, стига да се чувствате комфортно в свят с безброй невидими паралелни вселени.

В сравнение, Бомовата теория е малко по-различна. В нея електроните са обикновени частици, а скоростта им във всеки момент може да бъде определена от вълновата функция; всеки електрон е като сърфист, който се подчинява на геометрията на вълната върху която се носи. И въпреки че всеки електрон може да бъде разглеждан като самостоятелна частица – с определими място и скорост в пространството – с времето те пак оформят интерференчна картина на екрана. Всичко това благодарение на специфичните им траектории след преминаването през процепа.

Подобен ефект може да се наблюдава и в макроскопичния свят, както се вижда във видео клипа. Капки вискозна течност се държат като частици, и вълновата функция от вибрациите на повръхността на течността с която взаимодействат описва техните траектории.

Теорията на пилотните вълни не е елементарна, но се преглъща много по-лесно, защото всичко което трябва да направим е да приемем, че частиците са просто частици, и когато говорим за тях – наистина имаме предвид частици. Така повечето странности и проблеми от квантовата механика изчезват. Така че ако ви допада идеята за подредена и изпълнена със смисъл Вселена, то нищо чудно вече да сте фен на Бомовата интерпретация.

Бомовата интерпретация не успява да се наложи, и остава завинаги зад Копенхагенската интерпретация. Тотален погром за теорията настъпва през 1992 след публикуването на доклад с име ESSW – акроним от имената на четиримата автори зад проучването. Този доклад твърди, че частиците не биха могли да следват Бомовите траектории докато преминават двойния процеп. ESSW показва, че фотон може да премине през левия процеп и все пак да бъде засечен като преминаващ през десния процеп. А това не би трябвало да се случва, тъй като според Бомовата интерпретация, частиците би трябвало да следват определени траектории.

Съвременен експеримент

Съвместно проучване на Стейнбърг и негови колеги от Австралия, показва какво точно се случва при провеждането на ESSW експеримента. Те откриват, че траекториите на фотоните все пак не са толкова невъзможни. И по точно, че траекториите може да изглеждат неестествени, само ако не се вземе предвид нелокалността, която също като при Копенхагенската интерпретация играе ключова роля и в теорията на Бом.

Експериментът който Стейнбърг и екипът му провеждат е подобен на класическия експеримент с двойния процеп, но вместо електрони използват фотони; вместо да ги изпращат към преграда с два процепа – използват устройство разделящо лъча на два снопа фотони, в зависимост от тяхната поляризация. Евентуално фотоните достигат до задната част на екрана, където се намира сензор способен да улавя единствен фотон светлина – подобно на екрана от класическия експеримент. Използват двойки фотони, които са квантово заплетени. По този начин е възможно да се получи информация за първия фотон по измервания на втория. Когато първият фотон мине през разделителя на лъча, вторият вече знае кой път е избрал първия. Така екипът използва информацията от втория фотон за да разбере местоположението и траекторията на първия. Всяко косвено измерване представлява приблизителна стойност, но с наслагване на информацията от множество итерации на експеримента, учените успяват да реконструират хипотетичните траектории на първия фотон. Откриват че фотоните в действителност следват странни траектории, подобни на тази предвидени от уравненията на Бом.

Калкулирани траектории от от уравнението на Хариш-Чандра, 2001 г.
Приблизителни траектории на фотоните измерени в експеримента на Стейнбърг през 2017 г.

Какво се случва когато фотонът понякога ударя единия край на екрана, въпреки че поляризацията би трябвало да го е изпратила по другия път? Може ли информацията от втория фотон да бъде надеждна във всички случаи? В опитите да отговорят на тези въпроси, екипът на Стейнбърг открива, че траекторията на първия фотон зависи от момента на измерването. Веднага след като първият фотон е преминал през разделителя, вторият фотон е силно обвързан с позицията на първия. И колкото по-далече от разделителя (или процепа) се намира първият фотон, толкова по-малко надеждна е взаимовръзката между двата фотона. А причината за това е нелокалността. Колкото по-близо е първият фотон до сензора, толкова по-вероятно е вторият фотон да има същата поляризация като него – което означава, че той вече не носи информация за това от къде е минал първия фотон.

„Когато говорим за квантова механика, винаги трябва да се има предвид нелокалността, иначе рискуваме да изпуснем нещо много важно и съществено,“ обяснява Стейнбърг.

По-бързо от скоростта на светлината

Учените които не се смущават от ESSW, не са изненадани и от резултатите на Стейнбърг и екипа му.

„През годините Бомовата теория претърпява много атаки и критики, поради простата причина, че малко хора разбират същността й.“ – споделя Базил Хилей от университета Бърбек, Лондон, който е помогнал на Бом за написването на последната му книга – „Неразделна Вселена“.

Оуен Марьони, физик в Оксфордския университет, ученик на Хилей, смята че ESSW е „ужасен аргумент,“ който „не представлява реално предизвикателство за теорията на Брогли-Бом“. Според него„резултатите от експеримента са наистина интересни, дават сериозен мотив на учените да вземат на сериозно Теорията на пилотните вълни.“

От друга страна, Бертолд-Георг Енглерт, един от авторите на ESSW (заедно с Марлън Скъли, Джордж Сюсман и Хърбърт Валтер), все още смята ESSW за тотален погром на теорията на Бом. Според него, траекториите на Бом може да съществуват като математически траектории, да се използват заедно с вълновата функция, но те „нямат никакъв физически смисъл.“ В исторически план, Алберт Айнщайн е живял достатъчно дълго за да се запознае с теорията на Бом, той също не остава впечатлен от нея, отхвърля я като прекалено елементарна за да бъде вярна. В писмо до Макс Борн относно работата на Бом от 1952, Айнщайн пише:

„Обърна ли внимание на вярванията на Бом (както Брогли е вярвал преди 25 години), че може да интерпретира квантовата теория по детерминистичен начин? Този начин за мен изглежда прекалено повърхностен. Но ти, разбира се, можеш да съдиш това по-добре от мен.“

В действителност остават някои въпроси. На първо място в списъка с противоречията е Теорията на относителността, която не допуска нищо да са движи по-бързо от скоростта на светлината. Но както физиците отдавна са установили, квантовото заплитане в комбинация с нелокалността на частиците ловко заобикаля относителността, поради простата причина, че факторът наблюдател е изключен от общата картина. Но това не е особено задоволително за много физици.

„Изглежда вселената може да комуникира сама със себе си по-бързо от скоростта на светлината“ казва Стейнбърг. „Бих могъл да приема Вселена, в която нищо не се случва по-бързо от скоростта на светлината, но вътрешните механизми да работят на много по-бързо ниво от нея. Вместо това на нас ни е забранено да надвишаваме скоростта на светлината както на макроскопично ниво, така и на микроскопично – това е много трудно за възприемане.“

При всичко това е доста интересно, че разполагаме с две конкурентни теории описващи микроскопичния свят. Всяка една от тях има своите предимства и странности. В Копенхагенската интерпретация е заложена случайността, докато в Бомовата интерпретация – детерминизмът, може да бъде използвана и в класическата физика. Може би е добра идея да държим и двете интерпретации на разположение, защото в науката случайността не е особено задоволителен отговор. Случайността обикновено означава, че нещо ни убягва и не го разбираме достатъчно добре.

  1. Физиката се изгражда аксиоматично от времето на Галилей. Това означава, че основополагащите твърдения априори се приемат за „необясними“ от гледна точка на нашия „здрав“ разум. Уравненията на Максуел са несъвместими, ако не се приеме, че хипотетичния ток на преместване създава магнитно поле както реалния ток. Това означава, че ние не „разбираме“ какво означават векторите Н и В, но можем да ги пресметнем за всяка точка от пространството и експериментът потвърждава получените стойности. Квантовата механика е красив математически формализъм, който описва микросвета. Според мен, единствен стимул за разработване на нов математически формализъм трябва да бъде по-точно съгласуване с експеримента.

Вашият коментар

Вашият имейл адрес няма да бъде публикуван. Задължителните полета са отбелязани с *