Специалисты MIT пояснили квантовое поведение частиц с помощью классической физики

Фото из открытых источников

Группой исследователей из Массачусетского технологического института (MIT) совершён прорыв, позволяющий сократить разрыв между квантовой и классической физикой. В новой работе они демонстрируют, что математические идеи, работающие в формате классической физики, можно применять и для описания «странного» и даже «жуткого» поведения, что приписывается квантовым частицам.

Многое в квантовом мире до сих пор остается загадкой для ученых. Там частицы ведут себя совершенно иначе, чем объекты в макромире, и для объяснения такого поведения разрабатываются новые теории. Однако специалистами Лаборатории нелинейных систем при MIT предложена новая математическая формулировка, позволяющая ученым применять, в частности, уравнение Шрёдингера (обычно используемое в квантовой механике) к принципам классической физики.

Исследователи протестировали этот подход для нескольких квантово-механических сценариев, в том числе, к эксперименту с двумя щелями и квантовому туннелированию. Одним из наиболее убедительных примеров неквантового поведения стал эксперимент с двумя щелями, прорезанными в металлической стенке.

По условиям классической физики, когда одиночный фотон посылается через такую стенку, он должен промчаться через одну из щелей и достичь противоположной стороны. Но эксперименты демонстрируют чередующиеся яркие и темные полосы. Явление объясняют квантовым феноменом, заставляющим фотон двигаться по более чем одному пути одновременно: он просачивается через обе щели, а далее интерферирует сам с собой. Узор из полос доказывает: два интерферирующих пути фотона проявляют себя в качестве волны, что подтверждает идею о подобии квантовой частицы волне.

Даже авторитетный физик Ричард Фейнман считал этот феномен труднообъяснимым: для этого пришлось бы учесть и усреднить все теоретически вероятные пути для фотона (будь то прямые линии или зигзаги), что вступает в противоречие с любым классическим гладким путём.

Сегодняшние исследователи вместо расчёта бесконечного числа путей предложили прогнозировать «классические пути наименьшего действия», способные дать тот же результат. Они применили уравнение Гамильтона-Якоби, гласящие, что объект, брошенный из точки А в точку Б, передвигается по реальному пути, где его действие минимизировано в каждой из точек этого пути. Так, в случае с брошенным мячом минимизированное действие - это сумма по времени разности между его кинетической и потенциальной энергией.

Эксперты добавили плотность (как компонент классической физики) к эксперименту с двумя щелями, в итоге было модифицировано уравнение Гамильтона-Якоби. Результат: нужно рассматривать всего два привычных пути через щели, а не бесконечное множество, как предполагалось ранее. Дальнейшие расчеты привели исследователей к предсказанию уравнения Шрёдингера.

Оно работает и здесь! И это чисто математический результат, резюмируют авторы идеи. Можно вычислять квантовое поведение при помощи очень простых классических инструментов.