Кванттық механиканы түсіндіру: Пилоттық толқын теориясы
Pilot wave theory
Квант механикасы: де Бройль-Бом теориясы – жасырын айнымалылар теориясы, бұл кванттық құбылыстарды детерминистік тұрғысынан түсіндіреді. Толқын-бөлшектік екілік, Шрёдингер мысығы сияқты мәселелерді шешеді.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Кванттық механиканың бір түсіндірмесі
One interpretation of quantum mechanics
Теориялық физикада пилоттық толқын теориясы, сондай-ақ Бом механикасы деп те аталатын, 1927 жылы Луи де Бролье ұсынған жасырын айнымалы теориясының алғашқы белгілі мысалы болды. Оның көбірек қазіргі заманғы нұсқасы, де Бройль-Бом теориясы, кванттық механиканы детерминистік теория ретінде түсіндіреді және толқын-бөлшектік дуалдығы, толқындық функцияның дереу құлауы және Шредингер мысығының парадоксы сияқты мәселелерден өзгешелігі неде, ол бастапқы қағидасы бойынша жергілікті емес. Де Бройль-Бом пилоттық толқын теориясы (релятивистік емес) кванттық механиканың бірнеше түсіндірмелерінің бірі болып табылады.
In theoretical physics, the pilot wave theory, also known as Bohmian mechanics, was the first known example of a hidden variable theory, presented by Louis de Broglie in 1927. Its more modern version, the de Broglie–Bohm theory, interprets quantum mechanics as a deterministic theory, and avoids issues such as wave–particle duality, instantaneous wave function collapse, and the paradox of Schrödinger's cat by being inherently nonlocal. The de Broglie–Bohm pilot wave theory is one of several interpretations of (non relativistic) quantum mechanics.
Тарих
Луи де Брольдің пилоттық толқын теориясы туралы алғашқы нәтижелері оның диссертациясында (1924) атомдық орбитальдар контекстінде ұсынылды, онда толқындар тұрақты. Релятивистік толқын теңдеуі тұрғысынан осы басшылық толқындардың динамикасы үшін жалпы формуланы жасауға жасалған алғашқы тырастықтар 1926 жылы Шредингер өзінің релятивистік емес толқын теңдеуін жасағанға дейін сәтсіз аяқталды. Ол сондай-ақ, теңдеу конфигурациялық кеңістіктегі толқындарды сипаттайтындықтан, бөлшектік модельден бас тарту керек екенін ұсынды. Ұзақ өтпей, Макс Борн Шредингердің толқын теңдеуінің толқындық функциясы бөлшекті табу ықтималдығының тығыздығын көрсетеді деп болжады. Осы нәтижелерден кейін де Броль өзінің пилоттық толқын теориясы үшін динамикалық теңдеулерді жасады. Бастапқыда де Броль екі шешімді қолдануды ұсынды, онда кванттық объект нақты кеңістіктегі физикалық толқыннан (u толқынынан) тұрады, оның сфералық ерекше аймағы бар, ол бөлшектік тәртіпке әкеледі; осы теориясының бастапқы түрінде кванттық бөлшектің бар екенін постулаттау қажет болмады. Кейін ол оны бөлшектің пилоттық толқынмен бірге болатын теория ретінде тұжырымдады. Де Броль 1927 жылғы Сольвей конференциясында пилоттық толқын теориясын ұсынды. Алайда, Вольфганг Паули конференцияда оған қарсылық білдіріп, оның инакстистік шашырау жағдайын дұрыс қарастырмағанын айтты. Де Броль осы қарсылыққа жауап бере алмады және пилоттық толқын тәсілінен бас тартты. Дэвид Бомнан кейінгі жылдардағы айырмашылығы, де Броль көп бөлшектік жағдайды қамтитын теориясын аяқтаған жоқ. Бұл нәтиже үш жылдан кейін Грете Германның кемшілігімен анықталды, бірақ физика қауымдастығы бұл туралы елу жылдан астам уақыт бойы хабардар болған жоқ. 1952 жылы Дэвид Бом, басымдыққа ие ортодоксияға наразы болып, де Брольдің пилоттық толқын теориясын қайта ашты. Бом пилоттық толқын теориясын қазір де Броль-Бом теориясы деп аталатын деңгейге жеткізді. Де Броль-Бом теориясының өзі, егер Джон Белл оны қолдамаса, көптеген физиктердің назарынан тыс қалуы мүмкін еді, ол оған қарсылықтарды жолдан тыйды. 1987 жылы Джон Белл Грете Германның жұмысын қайта ашты, осылайша физика қауымдастығына Паули мен фон Нейманның қарсылықтары пилоттық толқын теориясының жергілікті еместігін көрсеткенін дәлелдеді.
Louis de Broglie's early results on the pilot wave theory were presented in his thesis (1924) in the context of atomic orbitals where the waves are stationary. Early attempts to develop a general formulation for the dynamics of these guiding waves in terms of a relativistic wave equation were unsuccessful until in 1926 Schrödinger developed his non relativistic wave equation. He further suggested that since the equation described waves in configuration space, the particle model should be abandoned. Shortly thereafter, Max Born suggested that the wave function of Schrödinger's wave equation represents the probability density of finding a particle. Following these results, de Broglie developed the dynamical equations for his pilot wave theory. Initially, de Broglie proposed a double solution approach, in which the quantum object consists of a physical wave (u wave) in real space which has a spherical singular region that gives rise to particle like behaviour; in this initial form of his theory he did not have to postulate the existence of a quantum particle. He later formulated it as a theory in which a particle is accompanied by a pilot wave. De Broglie presented the pilot wave theory at the 1927 Solvay Conference. However, Wolfgang Pauli raised an objection to it at the conference, saying that it did not deal properly with the case of inelastic scattering. De Broglie was not able to find a response to this objection, and he abandoned the pilot wave approach. Unlike David Bohm years later, de Broglie did not complete his theory to encompass the many particle case. This result was found to be flawed by Grete Hermann three years later, though this went unnoticed by the physics community for over fifty years. In 1952, David Bohm, dissatisfied with the prevailing orthodoxy, rediscovered de Broglie's pilot wave theory. Bohm developed pilot wave theory into what is now called the de Broglie–Bohm theory. The de Broglie–Bohm theory itself might have gone unnoticed by most physicists, if it had not been championed by John Bell, who also countered the objections to it. In 1987, John Bell rediscovered Grete Hermann's work, and thus showed the physics community that Pauli's and von Neumann's objections only showed that the pilot wave theory did not have locality.
Макроскопиялық аналог
Коудер, Форт және тағы басқалар дірілдейтін сұйықтық ваннасындағы макроскопиялық май тамшыларын пилоттық толқындардың аналогтық моделі ретінде қолдануға болатынын айтты; локалданған тамшы өзінің айналасында периодтық толқындық өріс жасайды. Олар тамшы мен оның толқындық өрісі арасындағы резонанстық өзара әрекеттесудің кванттық бөлшектерге ұқсас мінез-құлық танытатынын ұсынды: екі саңылау экспериментіндегі интерференция, болжамсыз туннельдеу (өрістің іс жүзінде жасырын күйіне күрделі байланысты), орбиталық квантталу (бөлшек өзі тудырған өрістің бұзылыстарымен «резонанс табуы» керек – бір орбитадан кейін оның ішкі фазасы бастапқы күйіне оралуы тиіс) және Земан эффектісі. Бұл тәжірибелерді қайталауға жасалған тыраштандырулар, пилоттық толқынның дифракциясы немесе интерференциясы емес, қабырға тамшыларының өзара әрекеттесуі байқалған гидродинамикалық үлгілерге жауапты болуы мүмкін екенін көрсетті, бұл үлгілер кванттық бөлшектердің саңылаулар арқылы тудырылған интерференциялық үлгілерінен өзгеше.
Couder, Fort, et al. claimed that macroscopic oil droplets on a vibrating fluid bath can be used as an analogue model of pilot waves; a localized droplet creates a periodical wave field around itself. They proposed that resonant interaction between the droplet and its own wave field exhibits behaviour analogous to quantum particles: interference in double slit experiment, unpredictable tunneling (depending in a complicated way on a practically hidden state of field), orbit quantization (that a particle has to 'find a resonance' with field perturbations it creates—after one orbit, its internal phase has to return to the initial state) and Zeeman effect. Attempts to reproduce these experiments have shown that wall droplet interactions rather than diffraction or interference of the pilot wave may be responsible for the observed hydrodynamic patterns, which are different from slit induced interference patterns exhibited by quantum particles.
Бос толқын функциясы
Люсьен Харди және Джон Стюарт Белл бөлшектермен байланысты емес. Осы ұғымды Альберт Эйнштейн "приз толқындары" (немесе "Gespensterfelder", "приз өрістері") деп атаған. Керісінше, кванттық механиканың көп әлемдер түсіндірмесі бос толқындық функцияларды қажет етпейді.
Lucien Hardy and John Stewart Bell and not associated with a particle. The same concept was called ghost waves (or "Gespensterfelder", ghost fields) by Albert Einstein. In contrast, the many worlds interpretation of quantum mechanics does not call for empty wave functions.