Как выглядят квантовые процессы? [Veritasium]
Угу, вот [музыка]. Смотрите, я поставил на вибрирующий динамик чашку Петри, налил силиконовое масло и с помощью зубочистки сделал на поверхности каплю, и она повисла, осталась над поверхностью. Точнее, она тут резво прыгает, она может так делать еще очень долго.
В чем причина? Между каплей и поверхностью масла есть прослойка воздуха, которая из-за частоты прыжков сохраняет толщину не менее 100 нанометров, иначе капля слилась бы с маслом в чашке. Когда капля касается поверхности, возникает характерное колебание — это особая волна, связанная с вибрациями чашки. Это стоячая волна, то есть она не движется, а колеблется на месте.
Капля создает волну и взаимодействует с ней. При каждом следующем приводнении капля падает на край волны, и та толкает её вперёд. Пока прыжки синхронизированы с волной, капля продолжает падать. Эти капли назвали ходоками.
А шагающих каплях известно с 70-х годов прошлого века, но лишь недавно выяснилось, что с их помощью можно воспроизводить многие явления квантовой механики. Очевидно, что это не квантовая система, так как диаметр капель около миллиметра. Но их можно рассматривать как модели частиц, скажем, электронов.
Мы знаем эксперимент, который описывает главное квантовое свойство — двухщелевой опыт. Если пропустить лучшие электроны через две узкие щели, то электроны вместо того, чтобы вести себя как частицы, оставляют две полосы на стенке, образуя интерференционную картину даже если выпускать по одному электрону. В случае шагающей капли её волна пилот проходит, но она не движется по прямой.
Взаимодействие с волной меняет её курс. Конечная картина точек, которые нет капли, очень похожа на распределение электронов в опыте с двумя щелями. Или возьмем туннелирование — эффект, при котором частицы преодолевают барьер, хотя по классической механике у неё не хватает на это энергии. Эффект продемонстрировали, поместив масло в пустую рамку.
Чаще всего такой барьер отражает волну пилота и её каплю, но изредка они все же прорываются наружу. Вероятность этого события экспоненциально уменьшается по мере увеличения ширины барьера, как и при туннелировании. Но, пожалуй, самое удивительное свойство этих капель — явное квантование, как у электронов в атоме.
Вот капля, заключенная в круглый загон, кажется, что она движется спонтанно. Взаимодействие с волной пилотом из-за сложного взаимодействия траектория движения капли поначалу выглядит хаотично, но спустя время проступает эта плотность вероятности нахождения капли в каждой точке загона, и она очень похожа на плотность вероятности нахождения электронов.
Такое сходство не случайно. Эти капли — физическое воплощение теории, выдвинутой Луи де Бройлем почти сто лет назад на заре квантовой механики. Он предположил, что у любой частицы есть волна, которая сопровождает и направляет её. Возникает она из-за мелких колебаний самих частиц.
Версию с волной пилота стали отвергать, когда на научную сцену вышла копенгагенская интерпретация, которая исключает всё, что нельзя подтвердить с прямыми наблюдениями. Согласно ей, всё, что можно узнать о частице, есть в так называемой волновой функции. Но принятие такой теории заставляет отказаться от очевидных вещей, например, от того, что у частицы всегда есть определенные импульсы и местоположение.
Также эта теория означает, что наша Вселенная больше не детерминирована. Случайность лежит в основе квантовой механики. Волновая функция электрона равна суперпозиции, при которой он проходит через обе щели одновременно.
С помощью этой функции можно вычислить вероятные координаты электрона, а на экране датчика он появится в случайной точке полученного распределения. При этом в момент измерения происходит коллапс волновой функции. До измерения вы не знаете, где находится электрон и прошел ли он через одну щель или через другую.
Сравните с прыгающими каплями: волна проходит через обе щели, тогда как капля только через одну. Капли двигаются за счет взаимодействия с волной, поэтому статистическое распределение такое же, но капля не находится в двух местах сразу, и случайности здесь нет. Они определённость параметров вызвана только недостатком информации о конфигурации системы.
Динамика волны пилота показывает принцип некоторых квантовых эффектов. Значит это что, квантовые частицы ведут себя именно так? Нет, но эксперимент показывает, что такое вообще возможно. Что подобное движение приводит к статистике, которая повторяет данные квантовой механики.
Увидеть более полную картину вам не придется отказываться от идеи детерминированной Вселенной. Возможности найти точные координаты и импульс частицы — по-моему, здорово. Что сразу две теории претендуют на объяснение одного эксперимента и обе требуют признать что-то странное, но странное по-своему.
Выбирайте сами, что вам ближе в качестве объяснения квантовых эффектов: копенгагенская интерпретация или теория волны пилота. Пишите в комментариях, что вы об этом думаете. Как вам идея волны пилота? Звучит неплохо. А вот насколько она отвечает реальности — предстоит выяснить.
Если покадрово смотреть на шаги капли, то можно увидеть, как она катится по волне, как сёрфер. Причем капля может как будто исчезнуть, а волна останется. Так бывает, когда она натыкается на мелкие пылинки.
Мне кажется, интересно отметить, что волна хранит информацию о перемещениях. Это происходит, потому что каждый прыжок капли создает новую круговую волну в текущем местоположении, которые добавляются к уже существующему волновому полю. Так постепенно возникает история движения капли.
Можно добавить каплю на заднюю часть. Переведено и озвучено студией vert daydar.