Защо Луи де Бройл, нобелов лауреат по физика, изостави теорията си за пилотните вълни?

Наскоро се навършиха сто години от докторската дисертация на френския физик Луи дьо Бройл, която по-късно му донася Нобелова награда за "откритието му на вълновата природа на електроните“. Това откритие представлява централен аспект на квантовата механика и доведе до неговата теория за "пилотната вълна“, която предоставя алтернативен начин за формулиране на самата теория на квантовата механика. Де Бройл обаче бързо се отрича от собствената си теория. Но по какви причини?

Теорията на квантовата механика описва поведението на материята в малки мащаби, като това на атомите или електроните. Открита е в началото на 20 век, но много въпроси около нея остават дискусионни. Това до голяма степен се дължи на озадачаващите характеристики на теорията. Например, изглежда, че квантовите частици като електроните понякога се държат като частици, понякога като вълни.

Копенхагенската интерпретация, разработена в началото на 20-ти век, заключава, че квантовият свят не може да бъде анализиран според класическите физически концепции. Тази гледна точка среща редица възражения и много учени, включително Алберт Айнщайн, са търсили причинно-следствено и механично разбиране на странността на квантовото поведение. Де Бройл е сред онези, които не са съгласни с Копенхагенската интерпретация и той предлага своя теория за пилотната вълна през 1927 г. Според този модел материята се състои от частици, чието движение се ръководи от "квантова вълна“, като по този начин обяснява причините за вълново поведение на частиците.

Теорията на пилотните вълни

Теорията на пилотните вълни е квантова механика със "скрити променливи" ( такава е и интрепретацията на Айнщайн ). Идеята, че пилотните вълни могат да обяснят някои особености на микрочастиците датира от първите дни на квантовата механика. Френският физик Луи дьо Бройл представя най-ранната версия на теорията на пилотните вълни на Солвеевата конференция през 1927 г. в Брюксел, на която започва знаменития спор между Бор и Айнщайн

Илюстрация: math.mit.edu

На тази конференция дьо Бройл призовава колегите си да разгледат вълновите функции като резултат от няколко вълни, които могат или да се проявяват във вид на реални частици или да съществуват сами по себе си като т.н. празни вълни, представени от вълнови функции разпространяващи се в пространството и времето, но не пренасящи енергия или импулс. Наричат ги още призрачни вълни (или "Gespensterfelder" ).

В квантовите системи едновременно се наблюдава и вълновата компонента, и "частицовата" компонента на обекта, но при това няма никаква неопределеност за това, какво всъщност е обекта- вълна или частица или загадъчния колапс на вълновата функция на Копенфагенската интерпретация..

Квантовото състояние се определя от две уравнения: едното описва реална, физическа вълна, а другото описва траекторията на реална, конкретна частица за променливите в това вълново уравнение, сякаш частицата се задвижва от вълната (пилотната вълна).

Илюстрация: quantamagazine

Например, да разгледаме експеримента с двата процепа:  В концепцията на дьо Бройл за пилотната вълна, всеки електрон минава през един от двата процепа, но се влияе от пилотна вълна, която се разделя и преминава през двата процепа. Подобно на плавей в течение, частицата се притегля на места, където се припокриват двата вълнови фронта и не отива там, където те взаимно се гасят.

Дьо Бройл не може да предскаже точното място, където се намира самата частица - също както версията на събитията на Бор, теорията на пилотната вълна прогнозира само статистическото разпределение на резултатите (светлите и тъмни ивици) - но двамата учени тълкуват този недостатък по различен начин - Бор твърди, че частиците имат неопределени траектории, а дьо Бройл твърди, че това е така, защото не може да се измери първоначалната позиция на всяка частица достатъчно добре, за да се определи точно пътя ѝ.

Теорията на пилотната вълна е детерминистична: Бъдещето се развива динамично от миналото, така че, ако точното състояние на всички частици във Вселената са известни в даден миг, техните състояния при всички бъдещи моменти могат да бъдат изчислени.

Но за дълго време детерминистиния подход, губи позиции. Физикът Дейвид Бом  възкресява теорията на пилотната вълна  в модифицирана форма през 1952 г. По-късно, ирландският физик Джон Стюарт Бел представя една теорема, която много физици днес тълкуват като невъзможност на скритите променливи. Но Бел подкрепя теорията на пилотната вълна. През 1986 г. той пише, че теорията на пилотната вълна "толкова естествено и просто разрешава дилемата вълна-частица по такъв ясен и обикновен начин, затова е голяма загадка за мен, че толкова често се пренебрегва."

Пренебрегването продължава. Един век по-късно вероятностната формулировка на квантовата механика е вече стандарт. Старата, детерминирана алтернатива не се споменава в повечето учебници

Пилотните вълни на макро ниво

Системата се състои от течност (силиконово масло), върху която се прилагат акустични трептения с толкова нисък интензитет, че не се образуват вълни на повърхността на водата.

При падане на малки капчици от същата течност върху повърхността скритите вълни се появяват и те започват да контролират движението на частиците. Вълните на повърхността играят ролята на пилотни вълни.

Въпреки това, няколко години след като де Бройл прави откритието си, той се отказва от теорията си. Какво подтикна тази промяна на мнението и как работата му повлия на научната общност?

Странността продължава

Има множество причини за изоставянето на теорията за пилотната вълна. Две характеристики на този модел обаче го правят особено съмнителен. Първо, той предполага, че движението на една частица може да зависи от това на друга, дори ако тяхното разстояние, според теорията на относителността на Айнщайн, трябва да забранява всяко взаимодействие.

Освен това пилотната вълна няма ясен физически смисъл. За разлика от конвенционалните вълни, като океанските или електромагнитните вълни, това не е вълна, която се развива в нашето триизмерно физическо пространство. По-скоро това е вълна, която се разгръща в абстрактно математическо пространство с голям брой измерения, което затруднява нейната интерпретация.

Тези аспекти на пилотната вълна са много обезпокоителни за де Бройл, който сам отхвърля своята теория в последващата си научна работа. Неговата по-дълбока амбиция е да развие малко по-различен подход, наречен "теория на двойното решение“. Неговият основен обект би била по-малко абстрактна вълна, която ще се разгръща в пространството, познато на нашето възприятие. Този алтернативен модел би бил много по-интуитивен и лесен за разбиране.

Математическата сложност на този подход обаче е огромна. Де Бройл работи по този проект до края на живота си, въпреки ограничения интерес, който той предизвика от неговите колеги физици.

Преоткриването на теорията на пилотните вълни

Работата на Де Бройл повлиява дълбоко на научната общност. Американският физик Дейвид Бом независимо преоткрива теорията на пилотните вълни през 1952 г. Вместо да отхвърли модела поради неговата странност, Бом и много други последващи изследователи се заемат с предизвикателството да му придадат смисъл. Въпросите, свързани с точното съдържание и тълкуване на теорията, все още се обсъждат и сега.

Освен това теорията за двойното решение, върху която работи де Бройл, не е напълно изоставена. Някои съвременни физици все още работят върху неговата формулировка. Този подход може един ден да ни помогне да разберем по-добре нашия свят в малък мащаб, с намалено въздействие върху нашите класически интуиции.

Авторът Лори Летертр (Laurie Letertre), специалист по философия на физиката в Мюнхенския център по математическа философия, Ludwig Maximilian University of Munich

Тази статия е препубликувана от The Conversation под лиценз Creative Commons. Прочетете оригиналната статия.

Още по темата

07/05/2019

Физика

И антиматерията може да е и частица, и вълна (видео)

26/02/2016

Физика

Читател на Наука OFFNews: Айнщайн не е прав. Ето защо

10/01/2016

Физика

"Какво всъщност е реалността?" - отговаря квантовата физика

28/05/2015

Физика

Котката на Шрьодингер. Различни интерпретации на квантовата неопределеност