Може ли една пренебрегната квантова теория да помогне на Вселената да има смисъл отново?

(kertlis/iStock/Getty Plus)

Още през 20-те години на миналия век, когато областта на квантовата физика беше все още в начален стадий, френски учен на име Луи дьо Бройл имаше интригуваща идея.

В отговор на объркването дали светлината и материята са фундаментално частици или вълни, той предложи алтернатива: ами ако и двете бяха верни? Какво ще стане, ако пътищата, изминати от квантовите обекти, се ръководят от нещо, което се издига и спада като океанско вълнение?

Неговата хипотеза е в основата на това, което по-късно ще стане теория на пилотната вълна , но не беше без проблеми. И така, като всяка красива идея, която се проваля пред лицето на експеримента, тя бързо се превърна в реликва от научната история.

Днес мнозинството от физиците се присъединяват към това, което се нарича ' Тълкуване от Копенхаген на квантовата механика“, което, най-общо казано, не дава точни местоположения и импулси на частиците, докато не бъдат измерени и следователно наблюдавани.

Теорията на пилотните вълни, от друга страна, предполага, че частиците наистина имат точни позиции по всяко време, но за да е така, светът трябва да е странен и по други начини – което накара много физици да отхвърлят идеята.

И все пак нещо в сърфиращите частици на Де Бройл ги прави невъзможно да се оставят сами и през миналия век идеята продължава да се появява все повече в съвременната физика.

За някои това е концепция, която най-накрая можепомогнете на Вселената да има смисъл– от най-малките квантови частици до най-големите галактики.

Какво е пилотна вълна?

За да разберете по-добре какво е пилотна вълна, е полезно първо да разберете какво не е тя.

През 20-те години на миналия век физиците бяха озадачени от изключително точни експерименти със светлина и субатомни частици и защо поведението им изглеждаше по-скоро като вълна, отколкото като частица.

Резултатите бяха обяснени най-добре от нова област на математиката, която включва теория на вероятностите с механиката на вълновото поведение.

За теоретични физици като датския теоретик Нилс Бор и немския му колега Вернер Хайзенберг, които поставиха основите на Копенхагенската интерпретация, най-икономичното обяснение беше да се третира вероятността като основна част от природата . Това, което се държеше като вълна, беше присъща несигурност в действие.

Това не е просто вида несигурност, която носи липсата на знания. Според Бор все едно Вселената все още не е решила къде да постави частица, в каква посока трябва да се върти и какъв вид инерция може да има. Тези свойства, поддържа той, може да се каже, че съществуват само след като е направено наблюдение.

Трудно е да се каже какво означава всичко това на интуитивно ниво. Преди квантовата физика математиката на вероятностите беше инструмент за предсказване на хвърлянето на зарове или въртенето на колело. Можем да си представим купчина карти за игра, разположени обърнати на масата, скритата им последователност заключена на място. Математиката просто подрежда нашето невежество, докато реалността съществува със 100 процента сигурност на заден план.

Сега физиците предлагаха привкус на вероятност, който не беше свързан с нашата наивност. И това не е толкова лесно да си представим.

Идеята на Де Бройл за хипотетична вълна имаше за цел да върне някакъв вид физичност на понятието за вероятност. Разпръснатите модели от линии и точки, наблюдавани при експериментите, са точно такива, каквито изглеждат - последствия от вълни, издигащи се и падащи през среда, малко по-различни от вълни в езеро.

И някъде на тази вълна има действителна частица. Той има действителна позиция, но съдбата му е в ръцете на промените в потока на течността, който го ръководи.

На едно ниво тази идея изглежда правилна. Това е метафора, с която можем да се свържем много по-лесно, отколкото с една трептяща Вселена.

Но експериментално времето не беше подходящо за простата идея на де Бройл.

„Въпреки че гледната точка на де Бройл изглежда по-разумна, някои от първоначалните й проблеми накараха научната общност да възприеме идеите на Бор“, каза пред Science Alert Пауло Кастро, научен философ от Лисабонския университет в Португалия.

Виден австрийски физик Волфганг Паули , един от пионерите на квантовата физика, посочи по това време, че моделът на де Бройл не обяснява наблюденията, направени върху разсейването на частиците, например.

Освен това не обяснява адекватно защо частиците, които са взаимодействали една с друга в миналото, ще имат корелиращи характеристики, когато бъдат наблюдавани по-късно, феномен, наричан заплитане .

Кога е създадена теорията на пилотната вълна?

В продължение на около четвърт век представата на де Бройл за частици, носещи вълни от възможности, остава в сенките на фундаменталната несигурност на Бор и Хайзенберг. Тогава през 1952г , американският теоретичен физик Дейвид Бом се върна към концепцията със своята версия, която нарече пилотна вълна.

Подобно на предложението на де Бройл, хипотезата за пилотната вълна на Бом комбинира частици и вълни като партньорство, което съществува независимо от това кой наблюдава. Намесата във вълната обаче и нейните характеристики се променят.

За разлика от идеята на де Бройл, това ново предложение може да обясни заплетените съдби на множество частици, разделени от времето и разстоянието, като се позовава на наличието на квантов „потенциал“, който действа като канал за обмен на информация между частиците.

Сега често наричани теорията на де Бройл-Бом, пилотните вълни са изминали дълъг път през десетилетията след това.

„Новата основна хипотеза е, че квантовата вълна кодира физическа информация, действайки като естествено изчислително устройство, включващо възможни състояния“, казва Кастро.

„И така, човек може да има каквато и да е суперпозиция от състояния, кодирани като физическа информация в триизмерната вълна. Частицата променя състоянието си в друго, като прочете правилната информация от вълната.

Защо теорията за пилотните вълни не е широко приета?

Философски погледнато, една теория е толкова добра, колкото експерименталните резултати, които може да обясни, и наблюденията, които може да предвиди. Без значение колко привлекателна се чувства една идея, ако не може да разкаже по-точна история от своите конкуренти, е малко вероятно да спечели много фенове.

Пилотните вълни са разочароващо недостатъчни, за да допринесат за стабилен модел на природата, обяснявайки достатъчно за квантовата физика по интуитивен начин, за да продължат да привличат вниманието, но не достатъчно, за да обърнат сценария.

Какви доказателства има за теорията на пилотната вълна?

Например, през 2005г Френски изследователи забелязаха маслени капчици, които подскачаха по странен начин през вибрираща маслена баня, взаимодействайки със средата в обратна връзка, която по-скоро напомняше частиците за сърфиране на вълни на де Бройл. От решаващо значение за техните наблюдения беше определено квантуване на движенията на частиците, не за разлика от строгите измервания, ограничаващи движенията на електроните около ядрото на атома.

Приликите между тези вълни в макромащаб и квантовите бяха достатъчно интригуващи, за да намекнат за някакъв вид обединяваща механика, която поиска допълнително разследване .

Физиците от института Нилс Бор в университета в Копенхаген по-късно тестваха едно от квантово-подобните открития направена по аналогия с маслената капка въз основа на техните интерферентни модели чрез класикаексперимент с двоен прорез, и не успяха да възпроизведат резултатите си . Те обаче откриха „интересен“ ефект на интерференция в променените движения на вълните, който може да ни каже повече за вълни от квантово разнообразие.

В забележителен акт на случайност собственият внук на Бор – флуиден физик на име Томас Бор – също се включи в дебата, предлагане на мисловен експеримент което ефективно изключва пилотните вълни.

Въпреки че нулевите резултати и мисловните експерименти едва ли опровергават основните принципи на днешната версия на пилотните вълни на де Бройл-Бом, те засилват предизвикателствата, пред които са изправени защитниците при издигането на техните модели до статус на истинска теория.

„Вълновата квантова памет е мощна концепция, но разбира се, има още много работа за вършене“, казва Кастро.

Може ли теорията на пилотните вълни да бъде бъдещето на квантовата физика?

Ясно е, че има болезнена празнота в сърцето на физиката, празнина, която моли за интуитивно обяснение защо реалността се движи по вълнообразни модели на произволност.

Възможно е двойствеността на вълните и частиците да няма аналогия в нашия ежедневен опит. Но идеята за вълнообразна среда, която действа като някакъв вид изчислително устройство за физиката, е твърде изкушаваща, за да я оставим сама.

За да триумфира теорията на пилотната вълна обаче, физиците ще трябва да намерят начин да изтръгнат сърфист от неговата квантова вълна и да покажат, че двете могат да съществуват независимо. Експериментално, това може да се постигне чрез излъчване на две частици и отделяне на една от нейното возене чрез измерване.

„След това караме тази празна квантова вълна да се намеси във вълната на другата частица, променяйки поведението на втората частица“, казва Кастро. „Ние представихме това в началото Международна конференция за напредъка в теорията на пилотните вълни .'

Практически погледнато, устройствата, необходими за откриване на такова събитие, трябва да бъдат изключително чувствителни. Това не е извън границите на осъществимостта, но е задача, която търпеливо чака възможност. Празните пилотни вълни може дори да държат ключа за решаване на практически проблеми в квантовите изчисления, като правят вълните по-малко податливи на околния шум.

Бъдещите физици в крайна сметка биха могли да стигнат до наблюдения, които ни откриват към една Вселена, която има смисъл чак до корените си. Ако експериментите открият нещо, това ще бъде солидна индикация, че далеч не празно, сърцето на физиката бие с пулс. Дори когато никой не гледа.

Всички Обяснения се определят от проверяващите факти като правилни и подходящи към момента на публикуване. Текстът и изображенията могат да бъдат променени, премахнати или добавени като редакционно решение за поддържане на информацията актуална.

За Нас

Публикуването На Независими, Доказани Факти От Доклади За Здравето, Пространството, Природата, Технологиите И Околната Среда.