У 2005 році студент, який працював у лабораторії Іва Кудера, фізика-експериментатора в Парижі, несподівано з’ясував, що мікроскопічні масляні краплі відскакують від поверхні вібруючої ванни. Ці відскакуючі краплі згуртовувалися навколо поверхні рідини. Потім вони здавалося, що рухаються по нахилених контурах хвилі. Цей феномен, який пізніше був названий Кудером як “серфінг”, таким чином був виявлений.
Крапельки у ванній
Після проведення додаткових спостережень Кудер прийшов до висновку, що він, можливо, відкрив більш раннє, в основному забуте, тлумачення квантового світу, яке було розроблено французьким фізиком Луї де Бройлем у 20-х роках минулого століття. Дійсно, століття тому де Бройль був одним з перших, хто відмовився від класичного розуміння реальності.
Впевненість фізиків збільшилася після експериментів з частинками, коли виявилося, що реальність не така, як вона здається на перший погляд. Стандартна “копенгагенська інтерпретація” квантової механіки, яка виникла в той час і була сформована датчанином Нільсом Бором, відрізала від минулого: у квантовому горизонті ніщо не є “реальним”, поки це “ніщо” не стане спостережуваним.
Локальні “факти”, такі як місця розташування частинок, є лише простими випадковостями, визначеними дисперсною імовірнісною хвилею, до моменту вимірювання, коли хвиля руйнується до точки, а частинка ніби перескакує з однієї реальності в іншу. У 1920-х роках Бор переконав більшість своїх сучасників погодитися з імовірнісним характером всесвіту, розмитістю його фізичної природи.
Але деякі фізики заперечували, серед них були Альберт Ейнштейн і де Бройль. Ейнштейн сумнівався, що Бог “грає в кості”. Де Бройль стверджував, що все в квантовому масштабі “абсолютно нормальне і надземне”. Він розробив версію квантової теорії, яка розглядала хвилі і частинки як цілком “відчутні” речі.
Його теорія “пілотної хвилі” передбачала цілком конкретні частинки, завжди з певними місцями розташування, керовані через простір пілотними хвилями - краплями Кудера, що стрибають, у нашому випадку.
Однак Де Бройль не зміг математично описати фізичну природу пілотної хвилі, хоча щосили намагався створити цілісну концепцію. На знаменитій Сольвейській конференції 1927 року, першому з’їзді прихильників квантової механіки, радикальніші погляди Бора взяли гору.
Теорія, що отримала пізніше популярність як “копенгагенська інтерпретація”, непохитна донині. 78 років потому, коли вперше застрибали паризькі крапельки, мало хто згадав експериментальне бачення квантового світу де Бройля. У Кудера і його колег була своя “аналогова система” ідей француза.
Кудер підкреслює, що краплі проявляють дивовижно квантову поведінку - наприклад, долають тільки певні квантові орбіти навколо центру ванн, але іноді випадково стрибають між орбітами, як електрони в атомах.
Повторні експерименти в Массачусетському технологічному інституті підтвердили, що краплі наче створювали тунель крізь бар’єри та виконували інші дії, які раніше вважалися суто “квантовими”.
Усе це відроджувало стару мрію про реальність, що складається з пілотних хвиль і частинок замість імовірнісних хвиль і головоломок орбітальних положень у мікросвіті.
Водночас серія дослідів, проведена у 2015-2018 роках, розтрощили цю мрію. Їхні результати показали, що найяскравіша демонстрація квантових явищ Кудера була помилково інтерпретована. Повторні прогони, названі “експериментом із подвійною щілиною”, суперечили початковим висновкам Кудера і концепції квантової механіки де Бройля.
Неймовірно, але людина, яка поставила “хрест” на ідеях де Бройля, - Томас Бор, онук Нільса Бора. Професор Технічного університету Данії, коли почув про експерименти Кудера, був неабияк заінтригований.
“Я намагався зрозуміти, чи справді ми можемо отримати детерміновану квантову механіку”, - заявив він 5 років тому. Враховуючи сімейну історію, він додав: "Можливо, у мене теж є деякі зобов’язання. Я відчував, що маю спробувати з’ясувати, правда це чи ні".
Серце квантової механіки
Фізик Річард Фейнман охарактеризував подвійний експеримент як “абсолютно незрозумілий з класичної точки зору”, вказуючи на його важливість для квантової механіки.
У цьому експерименті частинки вистрілюють через спеціальний бар’єр. Ті, що проходять через щілини, потрапляють на датчик на певній відстані. Коли потік частинок закінчується, результати виглядають несподіваними. Але коли ви “знімаєте” багато частинок через щілини, ви бачите смуги в місцях, де вони можуть і не можуть проходити.
“Візерунок” свідчить про те, що кожна частинка насправді є хвилею, яка зустрічає бар’єр і проходить через обидві щілини одночасно, створюючи два хвильові фронти, які одночасно сходяться і розходяться.
Кожна частинка матеріалізується в датчику ймовірнісної хвилі. Ще дивніше, коли ви додаєте другий датчик і виявляєте, через яку щілину проходить кожна частинка, смуги перешкод зникають, ніби хвильова функція зникла.
Цього разу частинки проходили крізь обрані щілини і фіксувалися на дальньому датчику. Щоб пояснити експеримент із подвійною щілиною, копенгагенці вкажуть на квантову невизначеність, стверджуючи, що траєкторія кожної частинки не може бути достеменно відома і, отже, визначається лише ймовірнісно-хвильовою функцією.
Пройшовши через обидві щілини, як будь-яка хвиля, вона потім “стискається” датчиком, у такий-то спосіб обираючи одну реальність з усіх можливих. Питань багато, як наукових, так і філософських. Для де Бройля експеримент із подвійною щілиною не вимагав абстрактної хвильової функції. Замість цього він задумав частинку, що формує пілотну хвилю. За його логікою, частинка і хвиля співіснують одночасно.
Цей підхід докорінно відрізняється від капенгагенської інтерпретації, де частинка і хвиля можуть бути (а може, й ні) однією сутністю. З іншого боку, частинка “рухається” туди, де “перетинаються” два хвильові фронти. Де Бройль ніколи не прописував динамічних рівнянь для опису складної взаємодії.
Кудер спробував виправити помилку 2006 року. Після запису траєкторій 75 крапель, що відскакують через подвійний щілинний бар’єр, Кудер і його соратник Форт вирішили, що вони виявили перешкоди, характерні тільки для пілотної хвилі.
Перевіркою експериментів зайнявся інший фізик, Джон Буш. Саме з ним Томас Бор обговорив результати перевірочних досліджень.
Остаточні висновки вирішили зробити за партнерства ще з одним ученим - Андерсом Андерсеном. Група Бора-Андерсена в Данії та команда Буша в Массачусетському технологічному інституті, а також Герман Бателан з Університету Небраски продублювали експеримент із подвоєною щілиною. Після вдосконалення своїх установок, в абсолютно стерильних умовах (потрібно було “позбутися” коливань повітря) жодна з команд не зафіксувала перешкод, повідомлених Кудером і Фортом. Краплі пробивалися крізь щілини майже по прямій, і смужки не з’являлися.
Рання помилка французької пари тепер пояснюється шумом, помилковою методологією і недостатньою статистикою.
“Для мене - двосекундний експеримент - це трохи розчарування”, - каже експериментатор Мілевскі, який є завідувачем кафедри математики в Університеті Бата.
На початку цього року Буш опублікував докладні дослідження, які не виявили жодних ознак інтерференції. Проте, він все ще вважає, що можливо створити інтерференційну картину з пілотними хвилями, якщо знайти відповідне поєднання параметрів, таких як частота для вібраційної рідини або, можливо, додавання шуму. Тим не менш, документи данської групи повністю заперечують теорію пілотних хвиль де Бройля.
Експеримент з подвійною щілиною передбачав, що частинки проходять через центральну розділову стінку перед тим, як потрапити на бар’єр. У стандартній квантовій механіці ця стінка може бути дуже довгою, але це не має значення, оскільки хвильова функція, що представляє можливі шляхи частинок, не “помічає” щілини.
У квантовій картині де Бройля, частинка, втрачаючи контакт із частиною пілотної хвилі, переходить на інший бік стінки. Хвильовий фронт розсіюється задовго до досягнення щілини, інтерференційної картини не виходить.
Буш пояснив своє рішення продовжити експеримент тим, що йому ніколи не подобалися геданкенексперименти. Він вважає, що в ідеях де Бройля є раціональне зерно. У квантовій реальності, зумовленій локальними взаємодіями частинок із пілотною хвилею, ви втрачаєте необхідну симетрію для створення інтерференції з подвійною щілиною та іншими нелокальними квантовими явищами.
Необхідна нелокальна хвильова функція, яка здатна безперешкодно переміщатися по обидва боки будь-якої стіни. У підсумку, щоб отримати реальний квантово-механічний результат, важливо, щоб можливі шляхи частинки увійшли в іншу форму.
Але, як каже Томас Бор, оскільки в експерименті від самого початку передбачає одночасне співіснування частинки і хвилі, а тому необхідного результату ніхто ніколи не досягне.
По-перше, тоді порушується симетрія у квантовій механіці. А, по-друге, потрібне введення додаткового фізичного елемента. Так виникає міф про ефір, теоретичні вправи навколо якого блокують, зокрема, в фізиці та астрономії.
