Як продемонструвати квантову механіку

Погляньте, я використовую динамік, щоб змусити вібрувати чашку Петрі з силіконовою оливою.
Тепер, якщо я зубочисткою розміщу невелику краплю оливи на поверхні, то ця краплина залишиться там, постійно підстрибуючи.
Крапля скаче по поверхні й робитиме це вона протягом досить довгого часу.
Причина цього явища в тонкому шарі повітря між краплиною і поверхнею.
Краплі підстрибують настільки швидко, що цей шар не стає тоншим ніж 100 нанометрів, і це те, що не дає краплинам об'єднатися з рідиною.
Щоразу, як краплина приземляється на поверхню, вона створює хвилю.
Але це особливий тип хвилі, обумовлений вібрацією чашки й оливою в ній.
Це так звана "стояча хвиля".
Вона не поширюється в просторі, а просто коливається вгору і вниз.
Таким чином, краплина створює хвилю, а потім взаємодіє з цією ж хвилею при наступному відскоку.
Якщо краплина приземляється на один бік хвилі, то ця хвиля штовхає її вперед.
І доки відскоки краплини лишаються синхронізованими з хвилею, вона продовжить падати на передній бік хвилі й рухатися вперед.
Такі краплини іноді називають ходоками.
Стрибучі оливні краплини відомі ще з 1970-х років, але недавно було виявлено, що такі краплини можна використати для відтворення багатьох дивних явищ квантової механіки.
Очевидно, що це не квантова система, адже розмір краплин приблизно 1 міліметр.
Але ви можете вважати їх квантовими частинками, на кшталт електронів.
Дослідом, який показує ключові особливості квантової механіки є експеримент з двома щілинами.
Якщо спрямувати пучок електронів на дві вузькі щілини, то електрони замість того щоб розподілитися у вигляді двох смужок напроти щілин, утворять інтерференційну картину, навіть, якщо ви випускатимете електрони по одному.
У випадку з краплинами хвиля-пілот пройде крізь обидві щілини, інтерферуючи сама із собою, тоді як крапля пройде лише крізь одну щілину.
Краплина не рухається по прямій, оскільки відхиляється через взаємодію з хвилею.
Підсумковий розподіл місць, куди проходить крапля, нагадує інтерференційну картину в досліді з двома щілинами.
Візьмімо тунельний ефект.
У квантовій механіці частинка може подолати бар'єр, навіть коли її енергії для цього недостатньо.
Покажемо це за допомогою стрибаючих краплин і невеликого бар'єра під поверхнею оливи.
Зазвичай, бар'єр відбиває хвилю та її краплину, але в рідкісних випадках крапля проходить через бар'єр.
Ймовірність подолання такого потенціального бар'єра експоненційно зменшується зі збільшенням ширини бар'єра, як і при квантовому тунелюванні.
Можливо, найдивнішим у цих ходоках є те, що вони демонструють квантування так само як електрони в атомах.
Тут ходок обмежений круговою областю.
Здається, що капля рухається випадковим чином, взаємодіючи з хвилею-пілотом.
Складна взаємодія між краплиною та хвилею спричиняє хаотичний рух краплі.
Але з часом вибудовується своєрідний візерунок.
Це густина ймовірності знаходження краплини всередині обмеженої області.
І вона дуже схожа на густину ймовірності виявлення електронів у квантово обмеженій системі.
Всі ці подібності не є збігом.
Стрибаючі краплини створюють дивовижну фізичну реалізацію теорії, запропонованої Луі Де Бройлем приблизно 100 років тому.
Він постулював, що всі частинки супроводжуються хвилею, яка направляє їхній рух, і ця хвиля створюється крихітними коливаннями самої частинки.
Сьогодні гіпотеза хвилі-пілота вийшла з ужитку, оскільки основною стала "копенгагенська інтерпретація".
Копенгагенська інтерпретація виключає з розгляду все, що не можна спостерігати безпосередньо.
Тобто, вся інформація про частинку міститься в її хвильовій функції.
Але прийняття цієї точки зору змушує відмовитися від деяких, здавалося б очевидних уявлень.
Як от від ідеї, що частинка має певні координати та імпульс, навіть, якщо їх не вимірювати.
Це також означало б, що всесвіт не є детермінованим, тобто визначеним, випадковість вбудована в стандартну квантову механіку.
Візьмемо двощілинний експеримент.
Згідно з квантовою механікою хвильова функція електрона є суперпозицією двох варантів - коли електрон проходить через першу і другу щілини одночасно.
Використання хвильової функції дозволяє обчислити ймовірність того, де може бути виявлений електрон, і коли ви зареєструєте влучання електрона у певне місце на екрані, воно відповідатиме розподілу ймовірностей.
Ми кажемо, що хвильова функція миттєво колапсує в момент вимірювання.
Ви не можете визначити розташування електрона до вимірювання.
Ви навіть не можете сказати, через яку саме щілину він пройшов.
Порівняємо це з картиною, показаною краплинами.
Хвиля-пілот проходить через обидві щілини, але крапля - лише через одну.
Рух краплини обумовлений її взаємодією з хвилею, тож підсумковий розподіл ймовірностей ідентичний.
Крапля не існує у двох місцях одночасно, і тут немає жодної випадковості.
Якщо і є якась невизначеність, то лиш через наше незнання, а її наявність не означає, що частинки не існує.
Хвильова динаміка може давати багато результатів, схожих на отримані у квантовій механіці.
Чи означає це, що квантові частинки дійсно поводяться саме так?
Ні.
Але я вважаю, що це принаймні свідчить про таку можливість, що це ймовірна динаміка, що може дати статистику, яка своєю чергою може згодитися у квантовій теорії.
Ця аналогія корисна тим, що вона лає чітке уявлення про те, що відбувається.
То ж вам не потрібно відмовлятися від ідеї, що всесвіт детермінований і у частинки є визначені координати та імпульс.
Це чудово, що у нас є дві конкуруючі теорії для пояснення одних і тих самих експериментів.
Вони обидві вимагають від вас прийняти дивні речі, просто різні дивні речі.
І все зводиться до того, з якою з них вам комфортніше.
Отже, що краще - стандартна копенгагенська інтерпретація квантової механіки чи теорія хвилі-пілота?
Напишіть про це в коментарях - як ви ставитеся до хвиль-пілотів?
Я маю на увазі, що ця гіпотеза дуже цікава, але чи узгоджується вона з реальністю - ось що потрібно з'ясувати.