Науковий прорив: дивну поведінку квантових частинок пояснили за допомогою класичної фізики

Нове дослідження вчених з Массачусетського технологічного інституту долає розрив між квантовою і класичною фізикою. Вчені показали, що математичні ідеї з класичної фізики можна використовувати для опису дивної поведінки квантових частинок, пише Фокус.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Субатомні частинки у квантовому світі поводяться зовсім інакше, ніж у світі, який ми можемо побачити навколо, і який керується законами класичної фізики. Фізикам доводиться розробляти нові теорії для пояснення дивної поведінки квантових частинок.

Тепер же фізики вивели нову формулу, яка може допомогти вченим дійти того самого рішення, що й рівняння з квантової механіки, використовуючи при цьому класичну фізику. Дослідники продемонстрували це на прикладі експерименту з двома щілинами.

Що таке експеримент із двома щілинами у фізиці?

Одним із найвідоміших прикладів дивної поведінки частинок у квантовому світі є експеримент із двома щілинами, у якому використовували фотони, частинки світла.

• Експеримент показав, що світло має подвійну природу: воно поводиться як частинка, і як електромагнітна хвиля.

В експерименті з двома щілинами фотони проходять через дві сусідні вузькі щілини і потрапляють на екран, де світло утворює яскраві й темні вертикальні смуги, які називаються інтерференційною картиною.

• Інтерференція — це перерозподіл інтенсивності світла внаслідок накладення кількох хвиль світла.

Якби світло було часткою, можна було очікувати появи двох смуг світла, що перекриваються, на екрані під час проходження різних фотонів через кожну з двох щілин. Але світло розподіляється таким чином, що утворює інтерференційні картини світла і тіні, які чергуються. Це можна пояснити тільки тим, що хвилі світла виходять з кожної щілини і взаємодіють одна з одною. Це спричинено квантовим явищем, коли фотон проходить одночасно кількома шляхами.

Фізики вважають це доказом того, що фотон має властивість хвилі, яку можна описати його хвильовою функцією, що описує всі можливі місця розташування фотона в просторі. Деякі фізики вважають, що для пояснення цього явища необхідно розглянути кожен теоретичний шлях, яким може рухатися фотон, що суперечить будь-якому принципу класичної фізики.

Розрив між квантовою і класичною фізикою подолано

Автори нового дослідження зрозуміли, що квантова суперпозиція (одночасне перебування у двох різних місцях) дає змогу фотону рухатися безліччю шляхів, і що класична фізика може це допустити. Замість обчислення нескінченного числа шляхів фізики запропонували обчислити шляхи найменшої дії, які могли б дати той самий результат.

• Учені використовували рівняння Гамільтона-Якобі, яке передбачає, що об'єкт, кинутий із точки А в точку В, прямує траєкторією, де його дія мінімізується в кожній точці шляху. У випадку кинутого м'яча мінімізована дія — це сума різниць між його кінетичною та потенційною енергією за певний період часу.

Додавши густину, елемент класичної фізики, до експерименту з двома щілинами, фізики виявили, що достатньо враховувати лише два класичні шляхи світла через щілини, на відміну від припущень про нескінченну кількість шляхів.

Розрахунки дали змогу отримати хвильову функцію, яка показала розподіл можливих шляхів, якими може пройти фотон, і збіглася з передбаченням рівняння Шредінгера.

• Рівняння Шредінгера — фундаментальне рівняння квантової механіки, що описує зміну в часі та просторі стану квантової системи, заданого хвильовою функцією. Воно дає змогу визначити ймовірність знаходження частинки в певній точці простору.

"Ми показуємо, що рівняння Шредінгера у квантовій механіці та рівняння Гамільтона-Якобі в класичній фізиці насправді ідентичні за відповідного обчислення щільності. Це суто математичний результат. Ми не стверджуємо, що квантові явища відбуваються у великомасштабному світі. Ми стверджуємо, що квантову поведінку частинок можна обчислити за допомогою класичної фізики", — кажуть учені.

Як уже писав Фокус, частинка світла, спіймана у двох місцях одночасно, зруйнувала теорію квантової фізики.

Також Фокус писав про те, що марсохід Curiosity виявив цінні метали на Марсі. Вони вказують на населеність планети.

Під час написання матеріалу використано джерела: Interesting Engineering.