Мост между классической физикой и квантовой механикой: найден общий язык для двух миров

На протяжении более века физика существует в условиях жёсткого двойного стандарта. Обычные объекты, такие как бейсбольные мячи и планеты, движутся согласно предсказуемым законам классической механики. Субатомные частицы подчиняются странным, вероятностным правилам квантовой физики. Десятилетиями считалось, что математические инструменты этих двух миров несовместимы. Исследование, опубликованное в апреле 2026 года в Proceedings of the Royal Society A, показывает, что это не так. Учёные продемонстрировали, что фундаментальный классический принцип может воспроизводить те же результаты, что и краеугольная формула квантовой механики.

Объединение двух уравнений через плотность

Работу возглавили Винфрид Ломиллер и Жан-Жак Слотин из Лаборатории нелинейных систем Массачусетского технологического института. В центре их внимания оказался принцип наименьшего действия. В классической науке этот принцип утверждает, что природа по своей сути эффективна. Брошенный мяч автоматически выбирает путь, требующий наименьшего физического действия.

Ломиллер и Слотин адаптировали эту классическую модель, чтобы проверить, справится ли она с хаотичным поведением субатомных частиц. Результат оказался поразительным: их классические расчёты идеально совпали с уравнением Шрёдингера — математическим фундаментом, используемым для предсказания квантового поведения. «Мы показываем, что уравнение Шрёдингера из квантовой механики и уравнение Гамильтона-Якоби из классической физики фактически идентичны при соответствующем вычислении плотности», — заявил Слотин. «Это чисто математический результат».

Чтобы преодолеть разрыв между двумя мирами, исследователи позаимствовали концепцию, обычно применяемую к жидкостям и газам. «Мы думаем о плотности в терминах гидродинамики», — пояснил Ломиллер. Рассматривая вероятность местоположения частицы как плотность движущейся жидкости, учёные обнаружили, что могут использовать классические пути для описания квантовых сред.

Упрощение эксперимента с двумя щелями

Практическая ценность этого подхода становится очевидной в знаменитом эксперименте с двумя щелями. Когда учёные направляют отдельные фотоны на барьер с двумя прорезями, частицы создают интерференционную картину на стене позади него, ведя себя как волны, проходящие через оба отверстия одновременно. Традиционно расчёт этого поведения требовал использования метода интегралов по траекториям, разработанного физиком Ричардом Фейнманом. Этот метод вынуждает учёных вычислять бесконечную сумму сложных зигзагообразных траекторий, чтобы определить, где может приземлиться частица.

Новая модель упрощает вычисления. Вводя жидкостную плотность в классический принцип наименьшего действия, модель MIT сводит задачу всего к двум классическим путям: один проходит через каждую щель. Оценка даёт тот же квантовый результат без необходимости вычислять бесконечные маршруты.

Новые инструменты для квантовых вычислений

Исследователи уже успешно применили свою модель к другим ключевым квантовым загадкам, включая квантовое туннелирование — явление, при котором частицы спонтанно проходят через твёрдые энергетические барьеры, и квантовую запутанность — феномен, при котором две удалённые частицы остаются мгновенно связанными.

Этот математический мост не опровергает квантовую механику. Вместо этого он предлагает гораздо более простой и интуитивный способ вычислений. Заменяя бесконечные квантовые траектории несколькими чёткими классическими путями, модель может предоставить инженерам эффективный инструментарий для проектирования и масштабирования квантовых компьютеров. Теперь, когда классическая и квантовая физики наконец заговорили на одном языке, открывается путь к технологиям, которые ещё вчера казались невозможными.