Квантовая теория Бома

Квантовая теория Бома

Квантовая теория Бома

Определение 1

Теория, предложенная учеными де Бройлем и Бомом (механика Бома, 1952 г.) выступает в качестве одной из интерпретаций квантовой теории и является примером простейшей теории со скрытыми переменными.

Согласно теории де Бройля-Бома, скорость какой-нибудь одной частицы будет зависимой от непосредственно величины волновой функции, которая зависит от конфигурации всей Вселенной.

Она считается детерминированной. Большинство ее релятивистских расширений предполагают существование некой системы отсчета. На ее основе, согласно мнению ученого, возможно построение квантовой теории поля.

Данная теория подводит к теории измерений, аналогичной основам термодинамики в классической механике, что, в свою очередь, позволяет получить квантовую интерпретацию.

Проблема измерений в данной теории считается разрешимой на основании результатов экспериментов с конфигурацией частиц. Известный коллапс с волновой функцией в стандартном понимании квантовой механики возникает, таким образом, на основании анализа подсистем, а также гипотезы о квантовом равновесии.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Теория включает в себя множество разнообразных эквивалентных математических формулировок и позиционируется под разными названиями. Для лучшего понимания волновой функции на основании эксперимента с двумя щелями в теории де Бройля-Бома, необходимо рассмотреть элементы квантовой механики на примере волны де Бройля.

Корпускулярно-волновой дуализм свойств частиц вещества

Согласно выводам Л. Де Бройля, двойственность света должна будет распространяться также на частицы вещества (электроны). Основная идея гипотезы де Бройля ориентирована также и на волновые свойства электрона, присущие ему, помимо корпускулярных (масса, заряд). Иными словами, гипотеза утверждает, что в определенных условиях электрон начинает вести себя как волна.

Таким образом, любой частице с импульсом $р$ должна будет соответствовать волна, чья длина может определяться формулой де Бройля:

$\lambda_{де \ Бр} = \frac{h}{p}=\frac{h}{mv}$, где:

$p=mv$- импульс частицы, а $h$ будет постоянной Планка.

Пусть частица массы $m$ движется при скорости $v$. Тогда фазовая скорость волны де Бройля вычисляется таким образом:

$v_{фаз} = \frac{\omega}{k} = \frac{h\omega}{hk} = \frac{E}{p} = \frac{mc2}{mv} = \frac{c2}{v}$

$E = h\omega$

$p = hk$

$k = \frac{2\pi}{\lambda}$

Поскольку $c > v$, фазовая скорость волн де Бройля окажется больше скорости света в вакууме. При этом $vф$ может оказаться больше или меньше $с$ (в отличие от групповой скорости). Групповую скорость получаем таким образом:

$u = \frac{d \omega}{dk} = \frac{d(h\omega)}{d(hk)} = \frac{dE}{dp} = \frac{pc2}{\sqrt{m_02c4+p2c2}} = \frac{pc2}{E} = \frac{mvc2}{mc2} = v$

$E = \sqrt{m_02c4+p2c2}$

Этого следует, что групповая скорость волн де Бройля будет равной скорости движения частицы. Для фотона получаем:

$u_ф = \frac{pc2}{E} = \frac{mcc2}{mc2} = c$

Таким образом, групповая скорость оказывается равной скорости света.

Эксперимент с двумя щелями

Замечание 1

Эксперимент с двумя щелями представляет иллюстрацию корпускулярно-волнового дуализма. Согласно данному эксперименту наблюдается прохождение пучка электронов через барьер между двумя щелями. При условии, что экран детектора будет поставлен за барьером, картина обнаруженных частиц покажет интерференционные полосы, которые характерны для волн, приходящих на экран от двух источников (щелей).

Интерференционная картина, таким образом, будет состоять из отдельных (соответствующих частицам) точек, которые попали на экран. Система при этом будет демонстрировать поведение:

  • волн (интерференционные полосы);
  • частиц (точки на экране).

В случае изменения данного эксперимента таким образом, что одна щель будет закрытой, интерференционная картина наблюдаться уже не будет. Состояние обеих щелей, таким образом, оказывает непосредственное влияние на конечный результат.

При расположении малоинвазивного детектора рядом с одной из щелей можно выявить, через какую щель проходила частица. При этом интерференционная картина исчезает.

Согласно копенгагенской интерпретации, частицы не будут локализованы в пространстве до тех пор, пока они не детектированы. Поэтому, в ситуации, когда на щелях отсутствует детектор, невозможно получить информацию о том, через какие именно щели прошла частица. А если одну из щелей оборудовать детектором, волновая функция мгновенно изменится из-за детектирования.

Замечание 2

В теории де Бройля-Бома волновую функцию определяют для обеих щелей, однако каждая частица при этом будет иметь строго определенную траекторию, проходящую через одну щель.

Начальным положением частицы определяются ее конечное положение на детекторном экране и щель, через которую она проходит.

При этом со стороны экспериментатора подобное исходное положение допускает случайность в закономерности детектирования.

Бом в своей работе применял волновую функцию с целью построения квантового потенциала, который (при подстановке в уравнения Ньютона) дает траектории проходящих сквозь две щели частиц.

Следствием этого становится интерферирование волновой функции самой с собой и направление частиц через квантовый потенциал так, чтобы избежать областей с деструктивной интерференцией и притянуться в области с конструктивной.

Итогом становится появление на экране детектора интерференционной картины.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/kvantovaya_teoriya/kvantovaya_teoriya_boma/

Дэвид Бом: биография, фото и интересные факты

Квантовая теория Бома

Квантовый физик Дэвид Бом внёс огромный вклад не только в теоретическую физику, но и в нейропсихологию, и в философию.

Работая в Принстонском университете, Бом активнейшим образом сотрудничал с Альбертом Эйнштейном, занимался физикой плазмы, квантовой механикой, теорией металлов, теорией элементарных частиц.

В 1951 году Дэвид Бом написал значительный для мировой науки труд, считающийся лучшим изложением ортодоксальной интерпретации квантовой механики.

Бом и Оппенгеймер

В еврейской эмигрантской семье, проживающей в США, в декабре 1917 года родился мальчик, который буквально с пелёнок начал активно познавать мир, удивляя всех точностью своих наблюдений. В точных науках Дэвид Бом был особенно талантлив, что обнаружилось очень рано.

Окончив колледж в Пенсильвании в 1939 году, менее чем через четыре года он стал доктором наук по физике. Защищал эту степень Дэвид Бом уже в университете Калифорнии.

Будучи студентом, с большим увлечением участвовал в дискуссиях кружка, которым руководил один из «отцов» атомной бомбы, Роберт Оппенгеймер, где обсуждались проблемы, очень далеко уводящие от теоретической физики.

Первые шаги к будущим открытиям Дэвид Бом, книги которого включают в себя множество философских вопросов, сделал уже тогда. Его интересовала связь всего сущего, материя, разум, — всё то, что никак не может не касаться физики как науки.

До 1947 года Дэвид Бом, физик, исследовал в университете Беркли (Калифорния) теорию плазмы, синхроциклотрона и синхротрона. В числе прочих и его работа стала вкладом в создание Оппенгеймером атомной бомбы. Его самого, как сына венгерского эмигранта и латышской эмигрантки, к проекту, естественно, не допустили, обвинив в «нелояльности».

По правде сказать, к такого рода секретным работам во всех странах допускали людей не по таланту, а по благонадёжности.

В 1947 году, после переезда и устройства на новую работу (ассистент-профессора Принстонского университета) начал обдумывать Дэвид Бом книги, которые ему предстояло написать. Как раз тогда началось активное сотрудничество с гениальным Альбертом Эйнштейном, который чрезвычайно к Бому благоволил. В 1951 году он был в восторге от первой книги своего коллеги, отзывался о ней, как о гениальной.

Однако сам автор Дэвид Бом, беседы с мэтром высоко ценивший, правильность своей интерпретации подверг сомнениям. Уже при окончании данного труда Бом не был уверен в том, что книгу надо издавать.

Однако не один Эйнштейн, целых хор друзей-физиков убеждал автора поторопиться, потому что «Квантовая теория» на данный момент оказывалась лучшим изложением квантовой механики. Книга вышла и произвела фурор в научном мире.

Но Дэвид Бом переосмыслил все свои первоначальные трактовки и позже целым рядом статей дополнил книгу. «Причинная интерпретация квантовой механики» — так называлась новая трактовка научной проблемы.

Квантовые системы

Коллеги называли опубликованные труды Бома теоретической манифестацией такой полной, практически мистической веры в случайности феноменального мира, в единое целое вселенской реальности.

Эта идея настолько глубока, что над разрешением всех поставленных ею вопросов работал до конца своей жизни Дэвид Бом.

Голографическая вселенная, как идея, капнула с кончика его пера именно в результате размышления над квантовым потенциалом.

Ортодоксальную квантовую теорию Бом теперь считал неполной, отвергал её индетерминизм, полагая, что каждая частица и её траектории движения определяются не только и не столько простыми законами физики, они управляются посредством действующей активной информации об окружении этой частицы вплоть до всей Вселенной в целом.

Квантовый потенциал

Этой работой вплотную он занялся только в 70-х годах, на склоне жизни, однако таким учёным, как Бом Дэвид, голографическая концепция Вселенной не могла не быть выстроенной. Само время требовало этих знаний.

Как радар ведёт корабль по бурному безбрежному океану, так и каждая частица не просто так «бороздит просторы Вселенной», всё в её движении зависит от свойств квантового потенциала, а не от расстояния и тем более не от времени, всё берёт на себя взаимосвязь между квантовыми системами.

Таким образом, разработка этой идеи стала самым первым введением информации в саму глубину физической теории, и теперь труды Дэвида Бома являются постулатом квантовой теории вычислений и информации. Там открываются возможности для различных предположений, даже самых, на первый взгляд, бредовых.

Например, существуют ли более тонкие уровни реальности? И на этот счёт у Бома есть теория — квантовая, со скрытыми нелокальными переменными.

Он написал несколько работ на эту тему, которые впоследствии привели к мысленному эксперименту, обсуждаемому и сегодня: это парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена и неравенство Белла.

Политика

Поскольку студенческий кружок, членом которого был Бом, занимался не только физикой, но и философскими идеями, в том числе и коммунистической, друзья его и коллеги были в один злосчастный день арестованы. Шёл 1950 год, самый разгул маккартизма в США. Дэвид подвергся той же участи, но против своих товарищей показания давать отказался.

Несмотря на то что его из тюрьмы выпустили с формальным снятием всех обвинений, Принстонский университет не возобновил с ним контракт.

Даже настоятельные просьбы Эйнштейна, рассчитывавшего на дальнейшую совместную работу с Бомом, успеха не принесли. Администрация университета не пошла навстречу даже гениальному учёному.

Некоторое время Бом работал в Бразилии, затем в Израиле, где и познакомился с Сарой Вольфсон, своей женой.

Новые возможности

Хайфа стала для Бома местом знаковым и счастливым. Два его студента, исключительно яркие личности, стали его коллегами, и вместе с ними были сделаны самые удивительные открытия в области квантовой физики. Эти имена всюду упоминаются рядом с именем Дэвида Бома — Гидеон Карми и Якир Ааронов. В 1957 году ему была предложена кафедра в Бристоле (Великобритания), и Бом согласился.

Именно там вместе с Аароновым был открыт «эффект Ааронова-Бома» о способности электронов чувствовать магнитное поле даже там, где его не было. Год 1961-й сделал Бома в теоретической физике профессором. Это случилось уже в известнейшем высотой уровня науки Birkbeck College (Лондонский университет). Там Бом работал вплоть до пенсии, то есть до 1984 года.

Физика и философия

Давно наступил момент, когда Бом почувствовал необходимость в объединении этих двух картин мира. В 1959 году он случайно прочёл работы одного индийского философа, и схожесть их воззрений на многие вещи его потрясла.

Но самый большой толчок к исследованию связей философии и физики дали беседы Кришнамурти с Дэвидом Бомом, в течение которых последний был неоднократно изумлён наличием такого множества параллелей в видении мира двумя абсолютно разными людьми. Дружба их длилась более четверти века.

К счастью для человечества, беседы двух умнейших людей не канули в Лету, а дали свои плоды. Ими стали книги: «Science, Order and Creativity», «The Ending of Time», «Wholeness and the Implicate Order».

Интерпретация квантовой механики, над которой работал до конца жизни Дэвид Бом, развертывающее значение имела в разработке голографической модели строения Вселенной и теории «голодвижения» (holomovement), и эти две величины обрастали связями всё более крепкими.

Согласно им, каждый участок мира в пространстве и времени повторяет в себе абсолютно всё, что есть в остальной вселенной, с включением не только настоящего, но и будущего, и прошлого. То есть каждый сегмент имеет информацию о целом объекте. Изучая клетку, можно познать вселенную.

Эта идея — не мейнстрим, поскольку концепция «что внизу, то и вверху» разрабатывалась ещё Бэконом, а позже, Рерихами и Блаватской, однако — в рамках философии. А вот вселенскую цельность и скрытый порядок Дэвид Бом доказывал уже с помощью физики.

По следам

Нейропсихолог из Америки Карл Прибрам пользовался идеями Бома, составляя голографическую модель работы мозга, и это у него получилось.

Физик из Нидерландов и нобелевский лауреат Герарт Хоофт в своих работах отталкивался от разработок голографической вселенной, автором которых был Дэвид Бом, развертывающееся значение частиц помогло ему решить одну из вечных проблем физики — получение разумных и математически корректных предсказаний теории электрослабых взаимодействий, об унификации разнородных, на первый взгляд, полей, которые действуют во Вселенной.

Он же сформулировал голографический принцип, по которому всю информацию некой области можно представить как голограмму, а мысль — это тоже элемент вселенского творчества, как утверждал и Дэвид Бом. Целостность и скрытый порядок — именно этой идее и удивлялись, и поддерживали её последователи Бома.

Это был интереснейший человек, оказавший огромное влияние на межкультурное взаимодействие. Его охотно привечали Далай-Лама и вожди индейцев Северной Америки, он был гораздо шире по понятию, чем просто учёный. В 1990-м его даже почтили членством Лондонского королевского общества.

А в 1992-м, в семидесятичетырёхлетнем возрасте, Дэвид Бом почувствовал боль в сердце и скончался от приступа. Последняя рукопись осталась в столе. Она называлась так: «Неделимая Вселенная». Онтологическую интерпретацию квантовой теории всё-таки успел завершить Дэвид Бом.

Целостность Вселенной повторилась в целостности личности этого человека.

«Безумная идея»

Идея о вселенской иллюзорности, которую подал миру Дэвид Бом, беседы физиков и философов не покинула по сей день.

Заключение из этой посылки сделано совершенно ощеломляющее: объективной реальности не существует, несмотря на присутствие очевидной плотности её, в основе своей вселенная — прекрасно детализированная голограмма, гигантский фантом.

Что из себя представляет голограмма? Это трёхмерная фотография, сработанная лучами лазера. Каким образом это делается, сегодня знает всякий.

Фотографируемое освещается одним лазерным лучом, а второй, в сложении с отражённым светом от фотографируемого, даёт некое чередование максимумов и минимумов лучей, то есть интерференционную картинку, вполне хорошо фиксируемую на плёнке.

Когда взгляд падает на получившийся снимок, понять ничего невозможно — на нём переслаиваются тёмные и светлые линии, причём абсолютно бессмысленно. Однако стоит направить на снимок другой лазерный луч, трёхмерное изображение тотчас появится, и это будет точно тот самый исходный предмет.

Именно об этом и говорил Дэвид Бом — голографическая вселенная, реальность иллюзорна. Впоследствии свою книгу так и назвал Майкл Талбот — «Голографическая Вселенная».

Другие свойства

И это не единственное такое замечательное свойство — трёхмерность. Голограмме присуще и многое другое.

Например, разрезанная пополам голограмма любого предмета, освещённая лазером, даёт целое изображение в каждой половинке того же самого предмета, того же самого размера. И это расчленение можно продолжать.

Даже в самом маленьком кусочке обнаруживается целый объект. То есть каждый участок голограммы имеет информацию обо всём предмете, с пропорциональным уменьшением чёткости.

Главный принцип голограммы в том, что в каждой части целого есть всё это целое. Он позволяет иначе рассматривать организованность и упорядоченность.

Теория волны-пилота, ещё 1927 года рождения от Луи де Бройля, — первый известный пример скрытых переменных. Переосмыслив и «передоказав» эту теорию, можно постичь самые безумные истины, как это сделал Дэвид Бом.

«Пилот-волна» принесла и объяснила такие понятия, как парадокс кота Шрёдингера и мгновенный коллапс волновой функции.

Физика и математика

Практически все интерпретации квантовой механики используют математический формализм, вполне подтверждаемый экспериментальными доказательствами.

Даже если нарушается постулат Эйнштейна (предельная скорость равна скорости света), каким-то образом электроны знают всё друг о друге, находятся они в десяти миллиметрах или в десяти парсеках друг от друга. Каждая частица невероятным образом осведомлена о том, что делает другая. Не общением, нет.

Не взаимодействием. Не таинственными сигналами. Просто разделённость их иллюзорна. Вот это и попытался объяснить миру Дэвид Бом: голографическая Вселенная, голографическая.

Просто на каком-то другом уровне реальности, возможно, более глубоком, эти частицы — не отдельные объекты, а по факту расширения предмета значительно более фундаментального. Существует уровень реальности, скрытый от нас, большей размерности.

Частицы не являются отдельными частями, они суть грани. Единство это невидимо и голографично, вся физическая реальность состоит из таких фантомов, и наблюдаемое нами во вселенной — всего лишь проекция. Нас наверняка тоже в реальности не существует.

Что в действительности несёт в себе вселенская голограмма — никто не знает. Например, это матрица, где берёт начало всё в этом мире, и она содержит все элементарные частицы, чтобы сложить что угодно — от снежинки до квазара, от гамма-лучей до синих дельфинов.

Очень может быть, что голографичность — всего лишь уровень мира, одна из ступенек вселенской эволюции.

Что такое время

Естественно, люди любопытны. Они «прощупали» всю эту иллюзорность инструментами. Смастерили гравитационный телескоп в Ганновере, ищут гравитационные волны и другие колебания пространства-времени, создаваемые сверхмассивными космическими объектами.

Почему-то ни одной волны не обнаружилось. Впрочем, причину нашли: странные шумы фиксирует детектор, диапазоном от трёхсот до полутора тысяч герц, что, естественно, работе сильно мешает.

Источник шума не был бы найден, если бы лаборатория имени Ферми не подсказала.

Нужно было рассмотреть голографический принцип, следуя которому пространство-время не непрерывно, оно является совокупностью микрозон, эдаких зёрнышек, квантов пространства-времени.

Аппаратура в Ганновере настолько точная, что фиксирует колебания вакуума, которые происходят на пограничье квантов пространства. Телескоп наткнулся на ограничение пространства-времени и принял это фундаментальное ограничение как шум.

Пока что вычисления соответствуют показаниям детектора телескопа. Мир находится на пороге открытия, более чем грандиозного. Мы и всё, что нас окружает, — иллюзия…

Источник: https://FB.ru/article/293866/devid-bom-biografiya-foto-i-interesnyie-faktyi

Человек и квантовая теория: существует ли то, что мы не наблюдаем

Квантовая теория Бома

Демонстрация, опровергнувшая предположения великого Исаака Ньютона о природе света, была ошеломляюще проста.

Это «можно с легкостью повторить, где бы ни сияло солнце», — заявил английский физик Томас Юнг в ноябре 1803 года членам Королевского общества в Лондоне, описывая то, что сейчас известно, как эксперимент на двух щелях, или опыт Юнга. Юнг не искал сложных путей и не сделал из своего опыта фиглярское шоу.

Он просто придумал элегантный и решительный эксперимент, демонстрирующий волновую природу света на примере обычных подручных материалов, и тем самым опроверг теорию Ньютона о том, что свет сделан из корпускул или частиц.

Опыт Юнга. Савенок Д.

Но рождение квантовой физики в начале 1900-х годов дало понимание, что свет сделан из крошечных, неделимых единиц или квантов энергии, которую мы называем фотонами.

Эксперимент Юнга, демонстрировавший одиночные фотоны или даже отдельные частицы материи, такие как электроны и нейтроны, заставил человечество задуматься о природе самой реальности.

Некоторые даже использовали этот эксперимент для утверждения тезиса, что на квантовый мир влияет человеческое сознание, давая умам пищу для размышления о нашем месте в онтологии Вселенной. Но действительно ли простой эксперимент может вызвать такие изменения в мировоззрении всех и каждого?

Сомнительное понятие измерения

В современной интерпретации опыта пучок монохроматического света направляется на непрозрачный экран-ширму с двумя параллельными прорезями, позади которого устанавливается проекционный экран.

Он регистрирует попадание частиц, прошедших сквозь прорези. В случае фотонов это фотопластинка.

По логике вещей, следовало бы ожидать, что фотоны должны пройти через одну щель или другую и накапливаться за ними.

Но это не так. Они идут в определенные части экрана, а другие просто избегают, создавая чередующиеся полосы света и темноты — так называемые интерференционные полосы.

Они получаются, когда два набора волн перекрывают друг друга. Там, где волны окажутся в одной фазе, из амплитуды сложится и получится усиливающая интерференция — светлые полосы.

Когда волны находятся в противофазе, возникает ослабляющая интерференция — темные полосы.

Но есть только один фотон, который пройдет через обе щели. Это похоже на то, что фотон проходит через обе щели сразу и интерферирует сам себя. Это не вписывается в классическую картинку.

С математической точки зрения, фотон, проходящий через обе щели, — это не физическая частица или физическая волна, а нечто, называемое волновой функцией — абстрактная математическая функция, которая представляет состояние фотона (в данном случае его положение).

Волновая функция ведет себя как волна. Она попадает в обе щели и новые волны исходят из каждой, распространяясь и в конечном итоге сталкиваясь друг с другом. Комбинированную волновую функцию можно использовать для расчета вероятности того, где будет находиться фотон.

Джейкоб Биамонте, Сколтех, — о том, что квантовые компьютеры могут уже сейчас

Фотон с большой вероятностью будет там, где две волновые функции создают усиливающую интерференцию, и вряд ли окажется в областях ослабляющей интерференции. Измерение — в этом случае взаимодействие волновой функции с фотопластиной — называется «коллапсом» волновой функции или редукцией фон Неймана. Этот процесс происходит во время измерения в одном из тех мест, где фотон материализуется.

Не существует того, что не наблюдает человек

Этот кажущийся странным коллапс волновой функции является источником многих трудностей в квантовой механике. Перед прохождением света нельзя сказать с уверенностью, где окажется отдельно взятый фотон.

Он может появиться в любом месте с ненулевой вероятностью. Невозможно нарисовать траекторию фотона от источника до точки на экране.

Траекторию фотона невозможно предугадать, это вам не самолет, летающий по одному и тому же маршруту из Сан-Франциско в Нью-Йорк.

Вернер Гейзенберг, как и другие ученые, постулировал, что реальность с математической точки зрения не существует, пока отсутствует наблюдатель.

«Идея объективного реального мира, чьи части существуют так же, как и камни или деревья, и независимы от того, наблюдаем мы их или нет, невозможна», — писал он.

Джон Уилер также использовал вариант эксперимента с двумя щелями, чтобы утверждать, что «ни одно элементарное квантовое явление не является таковым до тех пор, пока оно не будет засвидетельствовано окружающими («наблюдаемым», «наглядным»).

Но квантовая теория совершенно не формулирует, что должно представлять собой «измерение». Она просто постулирует, что измерительное устройство должно быть классическим, не определяя, где эта тонкая грань между классическим и ложным измерением.

Это порождает появление сторонников идеи, что человеческое сознание и вызывает коллапс волновой функции.

В мае 2018 года Генри Стапп и его коллеги утверждали: эксперимент с двумя щелями и его современные варианты свидетельствуют о том, что «сознательный наблюдатель может быть незаменим» для осмысления квантовой теории и идеи того, что разум каждого человека лежит в основе материального мира.

Но эти эксперименты не являются эмпирическими доказательствами. В эксперименте с двумя щелями все, что можно сделать — это просчитать вероятность. Если вероятность проявляется у десятков тысяч идентичных фотонов при прохождении эксперимента, можно утверждать, что происходит коллапс волновой функции — благодаря сомнительному процессу, называемому измерением. Это все, что можно сделать.

Вне зависимости от человека

Кроме того, существуют другие способы интерпретации эксперимента Юнга. Например, теория де Бройля — Бома, которая утверждает, что реальность — это и волна, и частица.

А фотон направляется к двойной щели с определенным начальным положением всегда и проходит через одну щель или другую. Поэтому каждый фотон имеет траекторию.

Это называется распространением волны-пилота, которая проходит через обе щели, происходит интерференция, а затем волна-пилот направляет фотон в область усиливающей интерференции.

Бомовские траектории для электрона, прошедшего через две щели. Аналогичная картина была также экстраполирована из слабых измерений одиночных фотонов.Изображение: thequantumphysics

В 1979 году Крис Дьюдни и его коллеги из колледжа Бирбека смоделировали теоретические варианты траекторий частиц, проходящих через две щели.

В последнее десятилетие экспериментаторы убедились, что существуют такие траектории, хотя и с использованием достаточно спорного метода, так называемого слабого измерения.

Несмотря на противоречия, эксперименты показывают, что теория де Бройля — Бома объясняет поведение квантового мира.

Существенным в этих измерениях является то, что теории не нужны наблюдатели, измерения или человеческое участие.

Так называемые теории коллапса утверждают, что коллапс волновых функций происходит случайным образом. Чем больше частиц в квантовой системе, тем вероятнее он. Наблюдатели просто фиксируют результат. Команда Маркуса Арндта в Венском университете проверяла эти теории, отправляя все большие и большие частицы через щели.

Теории коллапса гласят, что когда частицы материи становятся более массивными, чем определенный показатель, они не могут оставаться в квантовом поле, проходящем через обе щели одновременно, это разрушит интерференционную картину. Команда Арндта послала частицу с более чем 800 атомами через щели, и перераспределение интенсивности света все же произошло.

Поиск критического значения продолжается.

У Роджера Пенроуза есть своя версия теории коллапса: чем выше масса объекта в квантовом поле, тем быстрее он перейдет из одного состояния в другое из-за гравитационной неустойчивости. Опять же, это теория, не требующая вмешательства человека. Сознание здесь ни при чем. Дирк Боумистер из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре тестирует идею Пенроуза с помощью эксперимента Юнга.

По сути, идея состоит в том, чтобы не просто заставить фотон пройти через обе щели, но и поставить одну из прорезей в суперпозицию — в двух местах одновременно.

По словам Пенроуза, смещенная щель будет либо оставаться в суперпозиции, либо приведет к коллапсу, пока проходит фотон, что приведет к разным типам интерференционных картин. Коллапс будет зависеть от размера щелей.

Боумистер работает над этим экспериментом в течение целого десятилетия и вскоре сможет подтвердить или опровергнуть заявления Пенроуза.

Квантовый компьютер раскроет загадки генетики

Если не произойдет что-либо революционное, эти эксперименты покажут, что мы пока не можем претендовать на абсолютное познание природы реальности. Даже если попытки мотивированы математически или философски.

И выводы нейробиологов и философов, не согласных с природой квантовой теории и утверждающих, что коллапс волновых функций имеет место быть, в лучшем случае преждевременны, а в худшем — ошибочны и лишь вводят всех в заблуждение.

Источник: https://hightech.fm/2018/09/20/quantum-3

«Бом-Бом»: подтверждена верность альтернативной квантовой теории

Квантовая теория Бома

Александра Алборова |  10 июня 2016, 11:40

Значительно уступая доминирующей копенгагенской интерпретации, механика Бома десятилетиями подвергалась критике как слишком упрощенный взгляд на квантовую механику. Детерминизм (причинно-следственная связь) этой интерпретации, которая была разработана еще в 1927 г.

, был описан математически, но на практике был назвал «сюрреалистичным».

Несмотря на это, сторонники теории не оставляют попыток доказать ее состоятельность – эксперимент ученых университета Торонто может стать достойным ответом на критику и повысить популярность механики Бома.

Из многих противоречивых здравому смыслу особенностей квантовой механики, пожалуй, самым сложным для нашего представления является то, что частицы не имеют определенного местоположения, пока они не наблюдаются. Это именно то, что стандартное представление о квантовой механике, часто называемое копенгагенской интерпретацией, принимает за истину.

Вместо четких позиций и движений ньютоновской физики, эта интерпретация квантовой механики представляет множество вероятностей, описываемых математической структурой, известной как волновая функция. Она же развивается с течением времени, и ее эволюция во времени регулируется четкими правилами, заданными уравнением Шредингера.

Математические расчёты достаточно ясны, чего нельзя сказать о фактическом местонахождение частиц. Таким образом, до тех пор пока частица не наблюдается кем-либо, мы ничего не можем сказать о ее местонахождении.

Одним из противников данного предположения являлся Альберт Эйнштейн, который задал ставший довольно известным в этом отношении вопрос: «Действительно ли вы считаете, что Луна существует только тогда, когда вы на нее смотрите?».

Но существует другой взгляд на квантовую механику — так называемая теория волны-пилота (или механика Бома).

Она была впервые разработана в 1927 году Луи де Бройлем и вновь открыта в независимом от Бройля в исследовании Дэвида Бома в 1952 году, который продолжал совершенствовать ее до своей смерти в 1992 (из-за чего ее также называют теорией де Бройля-Бома).

Однако ни 20-х, ни в 50-х теория не обрела популярности из-за доминирования копенгагенской интерпретации, с которой она расходилась. Согласно механике Бома, существует волновая функция, чья эволюция во времени задается уравнением Шредингера, а каждая частица всегда имеет определенное местоположение, даже когда она не измеряется кем-то.

Изменения позиции частиц задаются другим уравнением, известным как уравнение волны-пилота (или управляющее уравнение). Данная теория основывается на понятии детерминизма – если вы знаете изначальные данные системы и имеете волновую функцию, вы можете определить положение любой частицы.

Кроме того, механика Бома абсолютно нелокальная – траектория одной частицы напрямую зависит от положения и скорости других частиц, описанных той же волновой функцией. Границы системы этой функции не определены, то есть, теоретически, вся Вселенная может являться рассматриваемой системой. Это значит, что по сути, все элементы Вселенной взаимосвязаны, вне зависимости от расстояний.

«Волновая функция сочетает или связывает в себе удаленные друг от друга частицы в единую реальность,» — говорит Шелдон Голдштейн (Sheldon Goldstein), математик и физик университета Рутгерса.

Различия механики Бома и копенгагенской интерпретации можно пронаблюдать в ходе классического эксперимента с двумя щелями, в котором пучок частиц (например, электронов), проходит через барьер с двумя щелями и отображается на экране, где каждая частица фиксируется.

Получаемая картина показывает интерференционные полосы, то есть электроны ведут себя как волны, происходящие из двух источников — щелей. Однако даже если электроны направляются по одному за раз, их отображение не меняется, что позволяет предположить, что один электрон проходит через две щели одновременно.

Также, при одной закрытой щели никакой интерференционной картины мы не увидим.

Согласно копенгагенской интерпретации, в этом нет ничего удивительного — ведь мы не можем говорить о положении частицы до того как ее измерим.

Однако, если мы обратимся к механике Бома, то в ней электроны ведут себя как фактические частицы, их скорость в любой момент времени определена волной-пилотом, которая основывается на волновой функции.

Таким образом, каждый электрон занимает определенное место, но при этом его движение подчиняется движению распространяемой волны, которая распределяется через оба отверстия, тогда как сами частицы проходят лишь через одно.

«Все, что нам надо сделать, чтобы понять квантовую механику в таком случае – это сказать себе «Когда мы говорим о частицах, мы действительно имеем в виду частицы».

И все проблемы исчезнут», — говорит Голдштейн. — «У каждой вещи есть свое положение, все где-то находится. Если вы всерьез об этом задумаетесь, то это немедленно приведет вас к механике Бома.

Эта теория квантовой механики намного легче».

Однако на протяжении своего существования теория серьезно оспаривалась, наиболее значимой критической работой стала «ESSW» (акроним по фамилиям авторов), в которой говорилось, что данная теория представляет упрощенную траекторию, по которой не могут следовать частицы.

Авторы указывали, что если бы на каждом отверстии в ходе эксперимента находился датчик, записывающий каждую проходящую частицу, то, по механике Бома, фотон мог бы пройти через левое отверстие, но при этом быть зафиксирован проходящим через правое.

Такая возможность показалась авторам «сюрреалистической».

Эфраим Штайнберг (Aephraim Steinberg) из университета Торонто (Канада) говорил, что доводы ESSW подорвали его увлечение механикой Бома. Однако он нашел способ вернуть интерес к теории.

В статье, опубликованной в издании Science Advances, Штайнберг и его коллеги описали что произойдет при реальном проведении эксперимента ESSW.

Они установили, что траектория фотонов не такая невероятная, как это представлялось, — точнее, она может показаться невероятной, только если не будет учитываться нелокальность, свойственная теории.

Эксперимент, который провела команда Штайнберга, являлся аналогом классического эксперимента с двумя щелями, однако вместо электронов использовались фотоны, которые проходили не через два отверстия, а через расщепитель луча, устройство, направляющее фотон по одному из двух путей в зависимости от его поляризации. В итоге, фотоны достигали однофотонной камеры (вместо экрана в оригинальном эксперименте), которая записывала их конечное положение.

Также ученые использовали пары запутанных фотонов (взаимозависимых), в результате чего они могли через один фотон получать информацию о другом.

То есть, когда один фотон проходит по одному из двух путей, второй уже знает какой это был путь.

Конечно, такие косвенные измерения имеют лишь приблизительное значение, но исследователям удалось усреднить получаемые данные для восстановления траектории первого фотона.

Как и говорилось в статье ESSW, фотон иногда появлялся в противоположной тому, какую траекторию предсказывала его пара, части экрана.

Однако Штайнберг и его коллеги пришли к выводу, что ответ на вопрос «По какой траектории двигается фотон?» зависит от того, когда он задан. Как только фотон проходит через расщепитель, его парный фотон передает крайне точную информацию о его траектории.

Однако чем дальше первый фотон от второго, тем менее точной становится информация о нем – причиной этому является та сама нелокальность. Принцип локальности предполагает, что на объект влияет только его непосредственно близкое окружение.

Но в эксперименте с квантово запутанными фотонами траектория первого фотона прямо влияет на поляризацию второго, который будет двигаться по той же траектории.

«Здесь нет никакого противоречия, – говорит Штайнберг. – Вы просто всегда должны помнить о нелокальности теории».

Некоторые физики не очень удивлены результатами Штайнберга, так как давно придерживались мнения о верности механики Бома.

Однако результаты этого эксперимента должны дать старт серьезному обсуждению теории, считает Оуэн Марони (Owen Maroney), физик Оксфордского университета.

В то же время, один из авторов ESSW Бертхолд-Джордж Энглерт (Berthold-Georg Englert) все еще считает, что их статья являлась «смертельным ударом» интерпретации Бома. По его мнению, эти траектории существуют как математические объекты, но «без физического значения».

Интересно, что Альберт Эйнштейн еще в 1952 году, после того, как Бом заново предложил теорию Бройля, в своем письме другому физику Максу Борну указывал, что данная интерпретация слишком упрощенная для того, чтобы быть реалистичной.

Однако даже для сторонников теории важным вопросом остается то, что механика Бома, таким образом, подразумевает коммуникацию между частицами быстрее, чем скорость света.

Конечно, физики давно установили, что нелокальность квантовой запутанности не может допустить связи быстрее скорости света.

Однако с ключевой ролью нелокальности в механике Бома, многие ученые считают, что необходимы пояснения взаимосвязи того что происходит «здесь» и того что может произойти «там».

  0   0   0

Источник: https://futurist.ru/articles/248

Booksm
Добавить комментарий