Частица станет волной,
повинуясь
плотности возможностей.
Наш опыт взаимодействия с миром способствует интуитивному освоению простых и понятных закономерностей, в науке оформившихся в такие постулаты, как, например, законы Ньютона. Так, подбрасывая мяч, вы без труда предскажете, где он окажется через секунду, как будет двигаться и куда упадёт. Но если сжать этот мяч до размеров атома, он начнёт выкидывать «трюки», которые ставят физиков в тупик уже сто лет. Вследствие недоразумения этой парадоксальности мироустройства, сегодня считается, что классическая логика бессильна перед квантовым миром. Однако недавнее исследование Массачусетского технологического института (MIT), похоже, разрушает этот стереотип.
Учёные Жан-Жак Слотин и Винфрид Ломиллер заявляют, будто странное поведение субатомных частиц можно описать с помощью привычных классических представлений. Им удалось построить точный математический мост между двумя, казалось бы, несовместимыми реальностями.
Как частица становится волной.
Главная загадка квантовой механики — эксперимент с двумя щелями, который иллюстрирует одно из странных неклассических явлений квантового уровня. Если стрелять одиночным фотоном в перегородку с двумя прорезями, то, по классике, на экране за перегородкой мы должны бы получить пятно от светового «снаряда», прошедшего через одну из щелей. Но вместо этого на экране возникает полосатая картина интерференции, как если бы фотон был волной, а не частицей, и воспользовался сразу обеими лазейками.
И в действительности это именно так: фотон на самом деле проходит сразу через обе щели и интерферирует сам с собой. Но как условный мяч (частица) может одновременно пролететь и через левое, и через правое окно? Великий физик Ричард Фейнман считал, что для описания этого нужно перебрать бесконечное количество зигзагообразных траекторий частицы — задача практически невыполнимая. Однако решение родилось буквально «на кончиках пальцев».
В основе классической физики лежит «принцип наименьшего действия». Он гласит: природа ленива. Обычный мяч, брошенный вами, летит из точки А в точку Б не как попало, а по пути, который минимизирует разницу между его кинетической и потенциальной энергией. Это уравнение Гамильтона–Якоби, будучи универсальным инструментом предсказания траекторий, подкинуло авторам дерзкую идею: а что, если разрешить классической физике делать то, что всегда умела квантовая — допускать существование нескольких путей одновременно, то есть учитывать суперпозицию?
Штука в том, что, если дать ей такую свободу, для описания эксперимента с двумя щелями понадобятся не бесконечные зигзаги Фейнмана, а всего две классические траектории (через левую и правую щель). Это, конечно, позволило взглянуть на ситуацию с совершенно иной точки зрения, но основную проблему всё-таки не решило, а именно — почему же эти траектории «интерферируют», создавая полосы?
Рассуждения привели к тому, что, гипотетически, вероятность траектории частицы можно интерпретировать через её плотность. Представьте, что вы поливаете стену из шланга: где-то воды будет больше, а где-то — одни брызги. Такое распределение плотности попаданий в стену в квантовом мире описывало бы вероятность найти частицу в данной точке. Поэтому учёные решили добавить этот вполне классический параметр в «ленивое» уравнение о принципах наименьшего действия.
Каково же было удивление, когда обновление старой формулы в точности воспроизвело знаменитое уравнение Шрёдингера — священный Грааль квантовой механики.
«Какое-то время мы думали, что это слишком хорошо, чтобы быть правдой, — признаётся Слоутин. — Мы не утверждаем, что квантовая механика не права. Мы показываем, что уравнение Шрёдингера и классическое уравнение Гамильтона–Якоби идентичны, если правильно считать плотность».
При этом новый «классический мост» оказался крепче, чем считали сами авторы: с его помощью удалось описать квантовое туннелирование — явление, когда частица проходит сквозь стену, как призрак. Исследователи также вывели точную форму волны электрона в атоме водорода из обычной планетарной орбиты и даже заглянули в знаменитый парадокс Эйнштейна–Подольского–Розена, связанный с квантовой запутанностью.
Конечно, не стоит ждать, что мячи для гольфа начнут проходить сквозь лунки. На макроуровне ничего не меняется. Однако благодаря этой работе у науки теперь есть простой и интуитивно понятный инструмент для расчёта сложнейших квантовых систем. Это открытие может ускорить развитие квантовых компьютеров и даже помочь объединить квантовую физику с общей теорией относительности — задачу, над которой бился ещё Эйнштейн.
Квантовый мир перестаёт быть «странным и нелогичным». Оказывается, даже там, где правят парадоксы, можно узнать почерк той самой, привычной, «ленивой» и предсказуемой классической физики. Что ж, мост возведён и сдан в эксплуатацию.