«Бом-Бом»: подтверждена верность альтернативной квантовой теории

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».