Может ли забытая квантовая теория помочь Вселенной снова обрести смысл?

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

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 пути, пройденные квантовыми объектами, направлялись чем-то, что поднималось и опускалось подобно океанским волнам?

Его гипотеза легла в основу того, что позже станет экспериментальной волновой теорией, 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 - что привело к тому, что многие физики отвергли эту идею.

Однако что-то в серфинге частиц де Бройля не позволяет оставить его в покое, и на протяжении последнего столетия эта идея продолжает все чаще всплывать в современной физике.

Для некоторых это концепция, которая, наконец, может помочь Вселенной обрести смысл - от мельчайших квантовых частиц до крупнейших галактик.

Что такое пилотная волна?

Чтобы лучше понять, что такое пилотная волна, сначала нужно понять, чем она не является.

В 1920-х годах физики были озадачены высокоточными экспериментами со светом и субатомными частицами и тем, почему их поведение больше походило 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 датский теоретик Нильс Бор и его немецкий коллега Вернер Гейзенберг, которые заложили основы копенгагенской интерпретации, наиболее экономичным объяснением было рассмотрение вероятности как фундаментальной части природы. То, что вело себя как волна, было врожденной неопределенностью. 

Это не просто та неопределенность, которую приносит отсутствие знаний. По мнению Бора, Вселенная как будто еще не решила, куда поместить частицу, в каком направлении она должна вращаться и какой импульс она может иметь. Об этих свойствах, утверждал он, можно говорить только после того, как было сделано наблюдение. 

Что все это означает на интуитивном уровне, сказать трудно. До появления квантовой физики математика вероятности была инструментом для предсказания броска игральной кости или вращения колеса. Мы можем представить себе стопку игральных карт, сидящую на столе вверх ногами, скрытая последовательность которых заперта на месте. Математика лишь упорядочивает наше незнание, в то время как реальность существует со стопроцентной уверенностью на заднем плане.

Итак, физики предложили такой вариант вероятности, который 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 отличающихся от ряби на пруду.

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

С одной стороны, эта идея кажется правильной. Это метафора, с которой мы можем соотнестись гораздо легче, чем с метафорой замирающей Вселенной. 

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

"Хотя взгляд де Бройля кажется более разумным, некоторые из его первоначальных проблем заставили научное сообщество принять идеи Бора", - сказал Science Alert 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 наблюдения, например, за рассеянием частиц. 

Она также не объясняет адекватно, почему частицы, взаимодействовавшие друг с другом в прошлом, будут иметь коррелирующие характеристики при последующем наблюдении - явление, называемое спутанностью.

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 вернулся к этой концепции со своей версией, которую он назвал пилотной волной.

Подобно предложению де Бройля, гипотеза Бома об экспериментальной волне объединяла частицы и волны как партнерство, которое существовало независимо от того, кто наблюдал. Однако стоит вмешаться в волну, и ее характеристики меняются. 

В отличие от идеи де Бройля, новое предложение могло объяснить запутанную судьбу нескольких частиц, разделенных временем и расстоянием, ссылаясь на наличие квантового "потенциала", который действовал 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, закодированных 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 может объяснить, и наблюдения, которые она может предсказать. Независимо от того, насколько привлекательной кажется идея, если она не может рассказать более точную историю, чем ее конкуренты, она вряд ли завоюет много поклонников.

Пилотные волны не вносят вклад в надежную модель природы, объясняя квантовую физику достаточно интуитивно понятным способом, чтобы продолжать привлекать внимание, но не настолько, чтобы перевернуть сценарий. 

Какие доказательства существуют для теории пилотных волн?

Например, в 2005 году французские исследователи заметили, что капли масла странным образом скачут по вибрирующей масляной ванне, взаимодействуя со средой в контуре обратной связи, который весьма напоминал 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 этими макромасштабными и квантовыми волнами было достаточно интригующим, чтобы намекнуть на некую объединяющую механику, требующую дальнейшего изучения.

Физики из Института Нильса Бора в Копенгагенском университете позже проверили один из квантово-подобных выводов, сделанных на основе аналогии с масляными каплями, по их интерференционной картине с помощью классического эксперимента с двойной щелью, и не смогли воспроизвести свои результаты. Однако они обнаружили "интересный" интерференционный эффект в измененных движениях волн, который может рассказать нам больше о волнах квантового типа.

В удивительной ситуации внук Бора - физик по имени 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, с которыми сталкиваются сторонники возведения своих моделей в статус 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. 

Однако, чтобы теория экспериментальных волн восторжествовала, физикам необходимо найти способ вырвать серфер из квантовой волны и доказать, что они могут существовать независимо друг от друга. Экспериментально этого можно достичь, испуская две частицы и отделяя одну из них от серфингиста путем измерения.

"Затем мы заставим эту пустую квантовую волну интерферировать с волной другой частицы, изменяя поведение второй частицы", - говорит Кастро. "Мы представили эту работу на первой Международной конференции по достижениям в теории экспериментальных волн".

С практической точки зрения, устройства, необходимые для обнаружения такого события, должны быть чрезвычайно чувствительными. Это не выходит за рамки осуществимости, но это задача, которая терпеливо ждет возможности. Пустые пилотные волны могут даже стать ключом к решению практических проблем в квантовых вычислениях, поскольку они менее подвержены влиянию окружающего шума. 

Будущие физики могут в конце концов наткнуться на наблюдения, которые откроют нам Вселенную, имеющую смысл до самых своих корней. Если эксперименты что-то обнаружат, это будет убедительным свидетельством того, что сердце физики далеко не пусто, а бьется с пульсом. Даже когда никто не смотрит.