Научный прорыв: странное поведение квантовых частиц объяснили с помощью классической физики

Новое исследование ученых из Массачусетского технологического института преодолевает разрыв между квантовой и классической физикой. Ученые показали, что математические идеи из классической физики можно использовать для описания странного поведения квантовых частиц, пишет Фокус.

У Фокус. Технологии появился свой Telegram-канал. Подписывайтесь, чтобы не пропускать самые свежие и захватывающие новости из мира науки!

Субатомные частицы в квантовом мире ведут себя совсем иначе, чем в мире, который мы можем увидеть вокруг, и который управляется законами классической физики. Физикам приходится разрабатывать новые теории для объяснения странного поведения квантовых частиц.

Теперь же физики вывели новую формулу, которая может помочь ученым прийти к тому же решению, что и уравнения из квантовой механики, используя при этом классическую физику. Исследователи продемонстрировали это на примере эксперимента с двумя щелями.

Что такое эксперимент с двумя щелями в физике?

Одним из наиболее известных примеров странного поведения частиц в квантовом мире является эксперимент с двумя щелями, в котором использовались фотоны, частицы света.

• Эксперимент показал, что свет имеет двойную природу: он ведет себя частица, и как электромагнитная волна.

В эксперименте с двумя щелями фотоны проходят через две соседние узкие щели и попадают на экран, где свет образует яркие и темные вертикальные полосы, называемые интерференционной картиной.

• Интерференция — это перераспределение интенсивности света в результате наложения нескольких волн света.

Если бы свет был частицей, можно было ожидать появления двух перекрывающихся полос света на экране при прохождении разных фотонов через каждую из двух щелей. Но свет распределяется таким образом, что образует чередующиеся интерференционные картины света и тени. Это можно объяснить только тем, что волны света исходят из каждой щели и взаимодействуют друг с другом. Это вызвано квантовым явлением, когда фотон проходит одновременно по нескольким путям.

Физики считают это доказательством того, что фотон имеет свойство волны, которое можно описать его волновой функцией, которая описывает все возможные местоположения фотона в пространстве. Некоторое физики считают, что для объяснения этого явления необходимо рассмотреть каждый теоретический путь, по которому может двигаться фотон, что противоречит любому принципу классической физики.

Разрыв между квантовой и классической физикой преодолен

Авторы нового исследования поняли, что квантовая суперпозиция (одновременное нахождение в двух разных местах) позволяет фотону двигаться по множеству путей, и что классическая физика может это допустить. Вместо вычисления бесконечного числа путей физики предложили вычислить пути наименьшего действия, которые могли бы дать тот же результат.

• Ученые использовали уравнение Гамильтона-Якоби, которое предполагает, что объект, брошенный из точки А в точку В, следует по траектории, где его действие минимизируется в каждой точке пути. В случае брошенного мяча минимизированное действие — это сумма разностей между его кинетической и потенциальной энергией за определенный период времени.

Добавив плотность, элемент классической физики, к эксперименту с двумя щелями, физики обнаружили, что достаточно учитывать только два классических пути света через щели, в отличие от предположений о бесконечном количестве путей.

Расчеты позволили получить волновую функцию, которая показала распределение возможных путей, по которым может пройти фотон, и совпала с предсказанием уравнения Шредингера.

• Уравнение Шредингера — фундаментальное уравнение квантовой механики, описывающее изменение во времени и пространстве состояния квантовой системы, задаваемого волновой функцией. Оно позволяет определить вероятность нахождения частицы в определенной точке пространства.

"Мы показываем, что уравнение Шредингера в квантовой механике и уравнение Гамильтона-Якоби в классической физике на самом деле идентичны при соответствующем вычислении плотности. Это чисто математический результат. Мы не утверждаем, что квантовые явления происходят в крупномасштабном мире. Мы утверждаем, что квантовое поведение частиц можно вычислить с помощью классической физики", — говорят ученые.

Как уже писал Фокус, частица света, пойманная в двух местах одновременно, разрушила теорию квантовой физики.

Также Фокус писал о том, что марсоход Curiosity обнаружил ценные металлы на Марсе. Они указывают на обитаемость планеты.

При написании материала использованы источники: Interesting Engineering.