stringtranslate.com

Теория пилотной волны

Спорные эксперименты Коудера [1] , [2] [3] якобы «материализующие» модель пилотной волны .

В теоретической физике теория волны-пилота , также известная как бомовская механика , была первым известным примером теории скрытых переменных , представленной Луи де Бройлем в 1927 году. Ее более современная версия, теория де Бройля–Бома , интерпретирует квантовую механику как детерминированную теорию и избегает таких проблем, как корпускулярно-волновой дуализм , мгновенный коллапс волновой функции и парадокс кота Шредингера, будучи по своей сути нелокальной .

Теория волны-пилота де Бройля–Бома является одной из нескольких интерпретаций (нерелятивистской) квантовой механики .

История

Ранние результаты Луи де Бройля по теории пилотной волны были представлены в его диссертации (1924) в контексте атомных орбиталей, где волны являются стационарными. Ранние попытки разработать общую формулировку для динамики этих направляющих волн в терминах релятивистского волнового уравнения были безуспешными, пока в 1926 году Шредингер не разработал свое нерелятивистское волновое уравнение . Он также предположил, что, поскольку уравнение описывает волны в конфигурационном пространстве, от модели частиц следует отказаться. [4] Вскоре после этого [5] Макс Борн предположил, что волновая функция волнового уравнения Шредингера представляет собой плотность вероятности обнаружения частицы. Следуя этим результатам, де Бройль разработал динамические уравнения для своей теории пилотной волны. [6] Первоначально де Бройль предложил подход двойного решения , в котором квантовый объект состоит из физической волны ( u -волны) в реальном пространстве, которая имеет сферическую сингулярную область, которая приводит к поведению, подобному частице; в этой первоначальной форме своей теории ему не нужно было постулировать существование квантовой частицы. [7] Позднее он сформулировал ее как теорию, в которой частица сопровождается пилотной волной.

Де Бройль представил теорию волны-пилота на Сольвеевской конференции 1927 года . [8] Однако Вольфганг Паули выдвинул возражение против нее на конференции, заявив, что она не рассматривает должным образом случай неупругого рассеяния . Де Бройль не смог найти ответ на это возражение и отказался от подхода с использованием волны-пилота. В отличие от Дэвида Бома годы спустя, де Бройль не завершил свою теорию, чтобы охватить многочастичный случай. [7] Многочастичный случай математически показывает, что диссипация энергии при неупругом рассеянии может быть распределена по окружающей структуре поля с помощью пока неизвестного механизма теории скрытых переменных. [ необходимо разъяснение ]

В 1932 году Джон фон Нейман опубликовал книгу, [9] часть которой утверждала, что доказывает невозможность всех теорий скрытых переменных. Этот результат был признан ошибочным Гретой Германн [10] [11] три года спустя, хотя по ряду причин это оставалось незамеченным физическим сообществом более пятидесяти лет.

В 1952 году Дэвид Бом , недовольный господствующей ортодоксальностью, заново открыл теорию пилотной волны де Бройля. Бом развил теорию пилотной волны в то, что сейчас называется теорией де Бройля–Бома . [12] [13] Сама теория де Бройля–Бома могла бы остаться незамеченной большинством физиков, если бы ее не отстаивал Джон Белл , который также опроверг возражения против нее. В 1987 году Джон Белл заново открыл работу Греты Германн [14] и таким образом показал физическому сообществу, что возражения Паули и фон Неймана показали только то, что теория пилотной волны не имеет локальности .

Теория пилотной волны

Принципы

(a) Ходок в круговом загоне. Траектории увеличивающейся длины имеют цветовую кодировку в соответствии с локальной скоростью капли (b) Распределение вероятностей положения ходока примерно соответствует амплитуде моды волны Фарадея загона. [15]

Теория пилотной волны является теорией скрытых переменных . Следовательно:

Положения частиц считаются скрытыми переменными. Наблюдатель не знает точных значений этих переменных; он не может знать их точно, потому что любое измерение нарушает их. С другой стороны, наблюдатель определяется не волновой функцией своих собственных атомов, а положениями атомов. Поэтому то, что человек видит вокруг себя, также является положениями близлежащих вещей, а не их волновыми функциями.

Совокупность частиц имеет связанную с ней волну материи, которая развивается согласно уравнению Шредингера . Каждая частица следует детерминированной траектории, которая направляется волновой функцией; в совокупности плотность частиц соответствует величине волновой функции. Волновая функция не подвержена влиянию частицы и может существовать также как пустая волновая функция. [16]

Теория выявляет нелокальность , которая подразумевается в нерелятивистской формулировке квантовой механики, и использует ее для удовлетворения теоремы Белла . Можно показать, что эти нелокальные эффекты совместимы с теоремой об отсутствии связи , которая не позволяет использовать их для связи со скоростью, превышающей скорость света, и, таким образом, эмпирически совместимы с теорией относительности. [17]

Макроскопический аналог

Couder, Fort и др. утверждали [18] , что макроскопические капли масла на вибрирующей жидкой ванне могут быть использованы в качестве аналоговой модели пилотных волн; локализованная капля создает периодическое волновое поле вокруг себя. Они предположили, что резонансное взаимодействие между каплей и ее собственным волновым полем демонстрирует поведение, аналогичное поведению квантовых частиц: интерференция в эксперименте с двумя щелями, [19] непредсказуемое туннелирование [20] (зависящее сложным образом от практически скрытого состояния поля), квантование орбиты [21] (частица должна «найти резонанс» с возмущениями поля, которые она создает — после одного оборота ее внутренняя фаза должна вернуться в исходное состояние) и эффект Зеемана . [22] Попытки воспроизвести эти эксперименты [23] [24] показали, что взаимодействия стенки и капли, а не дифракция или интерференция пилотной волны, могут быть ответственны за наблюдаемые гидродинамические картины, которые отличаются от вызванных щелью интерференционных картин, демонстрируемых квантовыми частицами. [25]

Математические основы

Чтобы вывести пилотную волну де Бройля–Бома для электрона, квантовый лагранжиан

где — потенциальная энергия, — скорость, а — потенциал, связанный с квантовой силой (частица, толкаемая волновой функцией), интегрируется вдоль ровно одного пути (того, по которому фактически следует электрон). Это приводит к следующей формуле для пропагатора Бома [ требуется ссылка ] :

Этот пропагатор позволяет точно отслеживать электрон во времени под воздействием квантового потенциала .

Вывод уравнения Шредингера

Теория волны-пилота основана на динамике Гамильтона–Якоби [26] , а не на лагранжевой или гамильтоновой динамике . Используя уравнение Гамильтона–Якоби

можно вывести уравнение Шредингера :

Рассмотрим классическую частицу, положение которой неизвестно с точностью. Мы должны иметь с ней дело статистически, поэтому известна только плотность вероятности. Вероятность должна сохраняться, т.е. для каждого . Следовательно, она должна удовлетворять уравнению непрерывности

где - скорость частицы.

В формулировке Гамильтона-Якоби классической механики скорость определяется выражением, где является решением уравнения Гамильтона-Якоби

и могут быть объединены в одно комплексное уравнение путем введения комплексной функции, тогда два уравнения будут эквивалентны

с

Зависящее от времени уравнение Шредингера получается, если начать с обычного потенциала с дополнительным квантовым потенциалом . Квантовый потенциал — это потенциал квантовой силы, который пропорционален (в приближении) кривизне амплитуды волновой функции.

Обратите внимание, что этот потенциал тот же самый, что появляется в уравнениях Маделунга , классическом аналоге уравнения Шредингера.

Математическая формула для одной частицы

Волна материи де Бройля описывается зависящим от времени уравнением Шредингера:

Комплексную волновую функцию можно представить как:

Подставляя это в уравнение Шредингера, можно вывести два новых уравнения для действительных переменных. Первое — это уравнение непрерывности для плотности вероятности [12]

где поле скорости определяется «уравнением наведения»

Согласно теории пилотной волны, точечная частица и материальная волна являются как реальными, так и различными физическими сущностями (в отличие от стандартной квантовой механики, которая не постулирует никаких физических частиц или волновых сущностей, а только наблюдаемый дуализм волна-частица). Пилотная волна направляет движение точечных частиц, как описано в уравнении наведения.

Обычная квантовая механика и теория пилотной волны основаны на одном и том же частном дифференциальном уравнении. Главное отличие состоит в том, что в обычной квантовой механике уравнение Шредингера связано с реальностью постулатом Борна, который гласит, что плотность вероятности положения частицы определяется по формуле Теория пилотной волны считает уравнение наведения фундаментальным законом и рассматривает правило Борна как производную концепцию.

Второе уравнение представляет собой модифицированное уравнение Гамильтона–Якоби для действия S :

где Qквантовый потенциал, определяемый как

Если мы решим пренебречь Q , наше уравнение сведется к уравнению Гамильтона–Якоби классической точечной частицы. [a] Таким образом, квантовый потенциал ответственен за все загадочные эффекты квантовой механики.

Можно также объединить модифицированное уравнение Гамильтона-Якоби с уравнением наведения, чтобы вывести квазиньютоновское уравнение движения.

где гидродинамическая производная по времени определяется как

Математическая формула для множественных частиц

Уравнение Шредингера для волновой функции многих тел имеет вид

Комплексную волновую функцию можно представить как:

Пилотная волна направляет движение частиц. Уравнение наведения для j-й частицы:

Скорость j-й частицы явно зависит от положения других частиц. Это означает, что теория нелокальна.

Относительность

Расширение релятивистского случая со спином разрабатывалось с 1990-х годов. [27] [28] [29] [30] [31] [32]

Пустая волновая функция

Люсьен Харди [33] и Джон Стюарт Белл [16] подчеркнули, что в картине квантовой механики де Бройля-Бома могут существовать пустые волны , представленные волновыми функциями, распространяющимися в пространстве и времени, но не переносящими энергию или импульс, [34] и не связанными с частицей. Та же концепция была названа призрачными волнами (или "Gespensterfelder", призрачными полями ) Альбертом Эйнштейном . [34] Понятие пустой волновой функции обсуждалось спорно. [35] [36] [37] Напротив, многомировая интерпретация квантовой механики не требует пустых волновых функций. [16]

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Строго говоря, это только полуклассический предел; [ необходимо уточнение ] поскольку принцип суперпозиции все еще действует, необходим «механизм декогеренции», чтобы избавиться от него. Взаимодействие с окружающей средой может обеспечить этот механизм.

Ссылки

  1. ^ Wolchover, Natalie (11 октября 2018 г.). «Знаменитый эксперимент обрекает альтернативу квантовой странности». Журнал Quanta . Получено 17 октября 2018 г. Капли масла, направляемые «пилотными волнами», не смогли воспроизвести результаты квантового эксперимента с двумя щелями
  2. ^ Couder, Y.; Boudaoud, A.; Protière, S.; Moukhtar, J.; Fort, E. (2010). «Блуждающие капли: форма корпускулярно-волнового дуализма на макроскопическом уровне?» (PDF) . Europhysics News . 41 (1): 14–18. Bibcode :2010ENews..41a..14C. doi : 10.1051/epn/2010101 .
  3. ^ "Эксперименты Ива Кудера объясняют дуализм волн и частиц с помощью кремниевых капель". Как работает Вселенная?. Сквозь червоточину . 13 июля 2011 г. Архивировано из оригинала 22 декабря 2021 г.
  4. ^ Валентини, Энтони; Баччагалуппи, Гвидо (24 сентября 2006 г.). «Квантовая теория на перепутье: переосмысление Сольвеевской конференции 1927 года». arXiv : quant-ph/0609184 .
  5. ^ Борн, М. (1926). «Квантенмеханик дер Стоссворгенге». Zeitschrift für Physik . 38 (11–12): 803–827. Бибкод : 1926ZPhy...38..803B. дои : 10.1007/BF01397184. S2CID  126244962.
  6. ^ де Бройль, Л. (1927). «Ондуляторная механика и атомная структура материала и ткани». Журнал Physique et le Radium . 8 (5): 225–241. Бибкод : 1927JPhRa...8..225D. doi : 10.1051/jphysrad: 0192700805022500.
  7. ^ ab Dewdney, C.; Horton, G.; Lam, MM; Malik, Z.; Schmidt, M. (1992). «Корпусно-волновой дуализм и интерпретация квантовой механики». Foundations of Physics . 22 (10): 1217–1265. Bibcode : 1992FoPh...22.1217D. doi : 10.1007/BF01889712. S2CID  122894371.
  8. ^ Международный институт физики Сольвея (1928). Электроны и фотоны: отношения и дискуссии на Cinquième Conseil de Physique tenu à Bruxelles 24 или 29 октября 1927 года . Готье-Виллар.
  9. ^ фон Нейман, Дж. (1932). Mathematische Grundlagen der Quantenmechanik . Спрингер.
  10. ^ Зеевинк, Михиль (2016). Крулл, Элиз; Баччагалуппи, Гвидо (ред.). Грета Германн - Между физикой и философией. Дордрехт: Springer Netherlands. стр. 107–117. doi :10.1007/978-94-024-0970-3_7. ISBN 978-94-024-0970-3.
  11. ^ Герман, Г.: Die naturphilosophischen Grundlagen der Quantenmechanik (Auszug). Abhandlungen der Fries'schen Schule 6, 75–152 (1935). Английский перевод: Глава 15 книги «Грете Герман — Между физикой и философией», Элиза Крулл и Гвидо Баччиагалуппи, ред., Springer, 2016, 239–278. [Том 42 исследований по истории и философии науки]
  12. ^ ab Bohm, D. (1952). "Предложенная интерпретация квантовой теории в терминах скрытых переменных, I". Physical Review . 85 (2): 166–179. Bibcode : 1952PhRv...85..166B. doi : 10.1103/PhysRev.85.166.
  13. ^ Бом, Д. (1952). «Предлагаемая интерпретация квантовой теории в терминах скрытых переменных, II». Physical Review . 85 (2): 180–193. Bibcode : 1952PhRv...85..180B. doi : 10.1103/PhysRev.85.180.
  14. ^ Белл, Дж. С. (1987). Выразимое и невыразимое в квантовой механике . Cambridge University Press. ISBN 978-0521334952.
  15. ^ Harris, Daniel M.; Bush, John WM (2013). "Пилотно-волновая динамика шагающих капель" (PDF) . Physics of Fluids . 25 (9): 091112–091112–2. Bibcode :2013PhFl...25i1112H. doi :10.1063/1.4820128. hdl : 1721.1/92913 . S2CID  120607553. Архивировано из оригинала (PDF) 27 ноября 2016 г. . Получено 27 ноября 2016 г. .
  16. ^ abc Bell, JS (1992). «Шесть возможных миров квантовой механики». Foundations of Physics . 22 (10): 1201–1215. Bibcode : 1992FoPh...22.1201B. doi : 10.1007/BF01889711. S2CID  119542806.
  17. ^ Вестман, Ганс (29 октября 2004 г.). Темы в основах квантовой теории и теории относительности (PhD). Гетеборгский университет. hdl :2077/16325.
  18. ^ Ив Кудер. Объясняет дуализм волны/частицы с помощью кремниевых капель [через червоточину], 2 августа 2011 г. , получено 26 августа 2023 г.
  19. ^ Couder, Yves; Fort, Emmanuel (2006). «Дифракция и интерференция отдельных частиц в макроскопическом масштабе». Physical Review Letters . 97 (15): 154101. Bibcode : 2006PhRvL..97o4101C. doi : 10.1103/PhysRevLett.97.154101. PMID  17155330.
  20. ^ Эдди, А.; Форт, Э.; Моиси, Ф.; Кудер, И. (2009). «Непредсказуемое туннелирование классической ассоциации волна-частица». Physical Review Letters . 102 (24): 240401. Bibcode : 2009PhRvL.102x0401E. doi : 10.1103/PhysRevLett.102.240401. PMID  19658983.
  21. ^ Форт, Э.; Эдди, А.; Будауд, А.; Мухтар, Дж.; Кудер, И. (2010). «Квантование классических орбит, вызванное памятью пути». PNAS . 107 (41): 17515–17520. arXiv : 1307.6051 . Bibcode :2010PNAS..10717515F. doi : 10.1073/pnas.1007386107 . PMC 2955113 . S2CID  53462533. 
  22. ^ Эдди, А.; Мухтар, Дж.; Перрард, С.; Форт, Э.; Кудер, И. (2012). «Расщепление уровней в макроскопическом масштабе». Physical Review Letters . 108 (26): 264503. Bibcode : 2012PhRvL.108z4503E. doi : 10.1103/PhysRevLett.108.264503. PMID  23004988.
  23. ^ Пуччи, Г. (2018). «Бегающие капли, взаимодействующие с одинарными и двойными щелями» (PDF) . Журнал механики жидкости . 835 (835): 1136–1156. Bibcode :2018JFM...835.1136P. doi :10.1017/jfm.2017.790. S2CID  37760205.
  24. ^ Андерсен, Андерс (2016). «Двухщелевой эксперимент с частицами, управляемыми одиночной волной, и его связь с квантовой механикой». Phys. Rev. E. 92 ( 1): 013006. doi :10.1103/PhysRevE.92.013006. PMID  26274269.
  25. ^ Вулховер, Натали (11 октября 2018 г.). «Знаменитый эксперимент обрекает альтернативу квантовой странности». Журнал Quanta .
  26. ^ Towler, M. (10 февраля 2009 г.). «Теория пилот-волны Де Бройля-Бома и основы квантовой механики». Кембриджский университет. Архивировано из оригинала 10 апреля 2016 г. Получено 3 июля 2014 г.
  27. ^ Николич, Х. (2004). «Траектории бомовских частиц в релятивистской бозонной квантовой теории поля». Foundations of Physics Letters . 17 (4): 363–380. arXiv : quant-ph/0208185 . Bibcode : 2004FoPhL..17..363N. CiteSeerX 10.1.1.253.838 . doi : 10.1023/B:FOPL.0000035670.31755.0a. S2CID  1927035.  
  28. ^ Николич, Х. (2005). «Траектории бомовских частиц в релятивистской фермионной квантовой теории поля». Foundations of Physics Letters . 18 (2): 123–138. arXiv : quant-ph/0302152 . Bibcode : 2005FoPhL..18..123N. doi : 10.1007/s10702-005-3957-3. S2CID  15304186.
  29. ^ Дюрр, Д.; Гольдштейн, С .; Мюнх-Берндль, К.; Занги, Н. (1999). «Модели гиперповерхности Бома–Дирака». Physical Review A. 60 ( 4): 2729–2736. arXiv : quant-ph/9801070 . Bibcode : 1999PhRvA..60.2729D. doi : 10.1103/physreva.60.2729. S2CID  52562586.
  30. ^ Дюрр, Детлеф; Голдштейн, Шелдон; Норсен, Трэвис; Струйве, Уорд; Занги, Нино (2014). «Можно ли сделать бомовскую механику релятивистской?». Труды Королевского общества A: Математические, физические и инженерные науки . 470 (2162): 20130699. arXiv : 1307.1714 . Bibcode : 2013RSPSA.47030699D. doi : 10.1098/rspa.2013.0699. PMC 3896068. PMID  24511259 . 
  31. ^ Fabbri, Luca (2022). "формулировка полей Дирака де Бройля-Бома". Foundations of Physics . 52 (6): 116. arXiv : 2207.05755 . Bibcode : 2022FoPh...52..116F. doi : 10.1007/s10701-022-00641-2. S2CID  250491612.
  32. ^ Fabbri, Luca (2023). "Теория Дирака в гидродинамической форме". Основы физики . 53 (3): 54. arXiv : 2303.17461 . Bibcode : 2023FoPh...53...54F. doi : 10.1007/s10701-023-00695-w. S2CID  257833858.
  33. ^ Харди, Л. (1992). «О существовании пустых волн в квантовой теории». Physics Letters A. 167 ( 1): 11–16. Bibcode :1992PhLA..167...11H. doi :10.1016/0375-9601(92)90618-V.
  34. ^ ab Selleri, F.; Van der Merwe, A. (1990). Квантовые парадоксы и физическая реальность. Kluwer Academic Publishers. стр. 85–86. ISBN 978-0-7923-0253-7.
  35. ^ Жуковски, М. (1993).«О существовании пустых волн в квантовой теории»: комментарий. Physics Letters A. 175 ( 3–4): 257–258. Bibcode : 1993PhLA..175..257Z. doi : 10.1016/0375-9601(93)90837-P.
  36. ^ Zeh, HD (1999). «Почему квантовая теория Бома?». Foundations of Physics Letters . 12 (2): 197–200. arXiv : quant-ph/9812059 . Bibcode : 1999FoPhL..12..197Z. doi : 10.1023/A:1021669308832. S2CID  15405774.
  37. ^ Vaidman, L. (2005). «Реальность в бомовской квантовой механике или можно ли убить пустой волновой пулей?». Foundations of Physics . 35 (2): 299–312. arXiv : quant-ph/0312227 . Bibcode : 2005FoPh...35..299V. doi : 10.1007/s10701-004-1945-2. S2CID  18990771.

Внешние ссылки