Küçük bir yağ damlası "ciddi bir suça" neden oldu ve bir asırlık kuantum mekaniği teorisi neredeyse yeniden yazılmak üzere
2005 yılında, akışkan fizikçisi Yves Couder'ın Paris laboratuvarında çalışan bir öğrenci, titreşimli bir yağ banyosunun yüzeyine küçük bir damla yağ düştüğünde, kazara zıpladığını keşfetti. Ayrıca, yağ damlası sıçradığında, sıvının yüzeyinde yukarı ve aşağı sıçramaya başlayacaktır. Kuday'ın ifadesiyle, bu petrol damlacıkları "kendi dalgaları üzerinde sörf yapıyorlar" - zıpladıklarında dalgaları karıştırıyorlar ve ardından itme kuvveti kazanmak ve hareket etmek için dalgaların eğimli dalgalarını kullanıyorlar.
Coude bu "sörf" su damlalarına baktığında, bunun Fransız fizikçi Louis de Broglie'nin tasarladığı kuantum dünyası olmadığını fark etti. Uzun zaman önce önerilen ancak temelde unutulmuş bir fikir.
"Gezinme Dalgası" Teorisi
Yüzyıl önce, De Broglie klasik "gerçeklik" anlayışından vazgeçmeyi reddetti, ancak ilk parçacık deneyi çoğu fizikçiye gerçekliğin kuantum ölçeğinde göründüğü gibi olmadığını gösterdi. O sırada Danimarkalı fizikçi Niels Bohr (Niels Bohr) kuantum mekaniğinin geleneği bozan standart "Kopenhag yorumunu" önerdi ve kuantum ölçeğinde hiçbir şeyin gözlemlenmeden "gerçek" olmadığını ilan etti. .
Bir parçacığın konumu gibi bazı kesin gerçeklik, yalnızca gözlemlenmeden önce olasılıkta mevcuttur. Bu, genişlemiş bir olasılık dalgası tarafından tanımlanır. Parçacığı gözlemlediğimizde, bu olasılık dalgası gizemli bir şekilde bir noktaya çöker ve parçacık Buraya sıçradığımızda belli bir gerçeklik görüyoruz. 1920'lerde Bohr, çağdaşlarının çoğunu olasılıkçı evrenin tekilliğini, doğanın içsel belirsizliğini ve her şeyin açıklanamaz dalga-parçacık ikiliğini kabul etmeye ikna etti.
Ancak bazı fizikçiler bu görüşe katılmıyorlar, Albert Einstein (Albert Einstein) ve De Broglie aralarında. Einstein, Tanrı'nın "zar atmayacağına" inanıyordu; De Broglie, kuantum ölçeğindeki her şeyin tamamen normal ve gerçek olduğunda ısrar etti. Işığın, elektronların ve diğer her şeyin uçuculuğunun ve parçacık doğasının açık fenomenler olarak görüldüğü bir kuantum teorisi tasarladı. "Gezinme dalgası" teorisi, parçacıkların somut olduğuna ve her zaman belirli bir konuma sahip olduğuna ve hareketlerinin, Kuday deneyindeki dalgaların zıplayan petrol damlacıklarını yüzmeye itmesi gibi gerçek navigasyon dalgaları tarafından yönlendirildiğine inanıyor. aynı.
Fransız fizikçi Louis de Broglie, 1929'da çekilmiş.
Tahrif
78 yıl sonra, Paris laboratuvarındaki petrol damlacıkları sıçramaya başladığında, De Broglienin kuantum dünyasını tanımlamak için kullandığı navigasyon dalgaları teorisi neredeyse unutulmuştu. Aniden, Kurdé ve meslektaşları, De Broglie'nin fikrini deneysel olarak keşfetmelerine olanak tanıyan bir "simülasyon sistemine" sahip oldular.
Petrol damlacıklarının şaşırtıcı kuantum davranışları sergilediğini açıkça gördüler.Örneğin, bu yağ damlacıkları yalnızca yağ banyosunun merkezi etrafında belirli bir "nicemlenmiş" yörüngeden geçerler ve bazen yörüngeler arasında rastgele atlarlardı. Atomlardaki elektronlar gibi. MIT ve diğer yerlerdeki laboratuvarlar, zıplayan yağ damlacıkları üzerinde hızlı bir şekilde deneyler yaptılar. Bazı insanlar, engellerden tünel açan yağ damlacıkları gördüklerini ve yağ damlacıklarının daha önce yalnızca kuantum olduğuna inanılan şeyleri gösterdiğini iddia etti. Dünyanın diğer eylemleri. Kuantum fenomeni herhangi bir gizemli olay olmadan yeniden üretildi.Zıplayan petrol damlası deneyi yardımcı olamadı, ancak De Broglienin bazı fizikçilerin eski rüyasını yeniden canlandırdı, yani gerçekliği kuantum ölçeğinde navigasyon dalgaları ve parçacıklardan oluşmuş olarak tanımlamak. Olasılık dalgaları ve çözülemeyen gizemlerden ziyade.
Ancak, 2015'ten beri zıplayan petrol damlacıklarıyla ilgili bir dizi araştırma sonucu bu hayali paramparça etti.
Bu çalışmalar, Kuday tarafından 2006'da tamamlanan en şok edici kuantum benzeri olgunun yanlış olduğunu gösteriyor. Akışkan dinamiği uzmanı Paul Milewski, "Beni bu soruya bağlayan bu deneydi" dedi. Bu sözde "çift yarık deneyinin" doğrulanmasını tekrarlarken, araştırmacılar Sonuç Kurdetin ilk sonucuyla tutarsızdır ve ayrıca çift yarık deneyinin zıplayan petrol damlası simülasyon sistemini ve De Broglienin kuantum mekaniği navigasyon dalgaları teorisini doğrulayabileceğini de göstermektedir.
Danimarka Teknik Üniversitesi'nde akışkan fizikçi Thomas Bohr'un arkasındaki fotoğraf, kuantum mekaniğinin öncülerinden büyükbabası Niels Bohr.
Beklenmedik bir şekilde, başka hiç kimse De Broglie'nin teorisini tamamen altüst etmedi, akıcı bir fizikçi ve Niels Bohr'un torunu olan Tomas Bohr'du.
Thomas, Danimarka Teknik Üniversitesi'nde bir profesördür, çocukken, büyükbabasının yaptığı bulmacaları düşünmeyi severdi. Yedi yıl önce Thomas, Kurdayın sıçrayan petrol damlası deneyini duydu ve hemen ilgilenmeye başladı. "Gerçekten belirli bir tür kuantum mekaniği olup olmadığını görmek istiyorum." Bu alana neden dahil olduğunu konuşurken dedi. Thomas, aile geçmişini göz önünde bulundurarak, "Belki de hala bazı sorumluluklarım olduğunu hissediyorum. Bunun doğru olup olmadığını gerçekten incelemeliyim" diye ekledi.
Çift yarık deneyi
Fizikçi Richard Feynman, çift yarık deneyinin "herhangi bir klasik şekilde açıklanmasının imkansız ve kesinlikle imkansız olduğunu" söyledi. Çift yarık deneyinin "kuantum mekaniğinin özünü içerdiğini" söyledi. Aslında, ima ediyor. Kuantum mekaniğinin tek gizemi. "
Kuantum mekaniğinin çift yarık deneyi nedir? Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi'nde profesör olan Lu Chaoyang, bir eğitim konuşmasında canlı bir açıklama yaptı. Konuşmanın tamamını izlemek için yukarıdaki resme tıklayın.
Çifte yarık deneyini yorumlarken, Kopenhag Okulu kuantum belirsizliği ilkesini kullanacak. Bir parçacığın yörüngesinin belirlenemeyeceğini, bu nedenle sadece dalga fonksiyonunun olasılığı ile yorumlandığını savundular. Parçacıklar önce dalgalar gibi aynı anda iki boşluktan geçerler ve bariyerin diğer tarafına müdahale ederler.Daha sonra, sensörün varlığı nedeniyle, parçacığın olası iniş noktasını temsil eden dalga işlevi "çöker". Başka bir deyişle, sensör birçok olasılık arasından tek bir "gerçeklik" seçmiştir. Hem bilimsel hem de felsefi birçok konu var; Problemlerle karşılaşıldığında Niels Bohr yanıt olarak daha fazla soru sormayı seviyor.
De Broglie'ye göre çift yarık deneyini açıklamak için soyut ve gizemli dalga fonksiyonu çöküşünü kullanmak gerekli değildir. Gerçek bir seyir dalgasının üzerinde gerçek bir parçacık tasavvur etti. Gezinme dalgası aynı anda çift yarıktan geçecek olsa da, parçacıklar yarıklardan birinden geçen bir ağaç parçası gibidir. Öte yandan, navigasyon dalgasının yapıcı bir şekilde müdahale ettiği yer, parçacıkların göründüğü yerdir ve gezinme dalgasının yıkıcı bir şekilde müdahale ettiği yer, parçacıkların görünmediği yerdir. De Broglie, dalgalar, parçacıklar ve çift yarıklar arasındaki karmaşık etkileşimi tanımlamak için asla dinamik bir denklem türetmez.
"Çok hayal kırıklığı yaratan"
Ancak Kurday ve ortağı Emmanuel Fort (Emmanuel Fort), hemen bir çift yarık deneyi gerçekleştirmek için zıplayan petrol damlacıklarını kullanmaya başladı ve şok edici sonuçları 2006 Physical Review Letters'da bildirdi. .
Kurday ve Fult, zıplayan 75 petrol damlasını gözlemledi, çift yarık bariyerinden geçmelerine izin verdi ve karşılık gelen yörüngeyi kaydetti. Kurdish ve Fuerte, petrol damlacığının son noktasında, parazit benzeri bir doku olan pürüzlü saçaklar tespit ettiklerine ve bunun yalnızca seyir dalgalarından geldiğine inanıyor. "Herhangi bir klasik yolla açıklanması imkansız" olarak kabul edilen bu fenomen, çift yarıklı müdahale, hiç de gizem olmadan herkesin önünde gerçekleşti.
Bunun kuantum mekaniği üzerindeki potansiyel etkisini göz önünde bulunduran akışkan dinamiği uzmanı John Bush, Massachusetts Institute of Technology'de sıçrayan bir petrol damlası laboratuvarı kurdu ve diğerlerini bu alana yönlendirdi. 2011'de Thomas Bohr, Kurday'ın sonuçları hakkında konuşmasını dinledi ve daha sonra bu deneyleri Bush ile uzun süre tartıştı. Petrol damlacıkları üzerinde derinlemesine araştırma yapmak için meslektaşı ve deneysel fizikçi Anders Andersen ile birlikte çalıştı. Anderson, "Çift yarık deneyinden büyülendik." Dedi.
Danimarka Teknik Üniversitesi'nde akışkanlar dinamiği bilimcisi Anders Anderson. Liderliğini yaptığı bir deney, navigasyon dalga kılavuzu tarafından yönlendirilen zıplayan yağ damlacığının çift yarık girişimine neden olmadığını kanıtladı.
Bohr ve Andersonın Danimarka ekibi, Bushun MIT ekibi ve Nebraska Üniversitesi'ndeki kuantum fizikçisi Herman Batelaan (Herman Batelaan) ekibi. Üç ekip ayrı ayrı hareket etti ve denedi Zıplayan yağ damlalarının çift dikiş deneyini kopyalayın. Deneysel düzeneği mükemmelleştirdiler, tüm hava akımlarını ortadan kaldırdılar ve yağ damlacığının navigasyon dalgasında ilerlemesine ve çift dikişlere doğru ilerlemesine izin verdiler, ancak ekibin hiçbiri girişime benzer bir doku görmedi. Yağ damlacıkları, çift yarıklardan neredeyse hiç iz bırakmadan geçer. Kurday ve Fult'un yanlışları gürültüye, metodolojik kusurlara ve yetersiz verilere atfedilir.
Bath Üniversitesi Matematik Bölümü dekanı olan Milevsky, "Benim için çift yarık deneyi oldukça hayal kırıklığı yaratıyor" dedi.
Bu yılın başlarında, Bush ayrıntılı bir çift yarık çalışması yayınladı ve hiçbir girişim belirtisi bulamadı, ancak yine de uygun bir parametre kombinasyonu bulunursa, navigasyon dalgasının yine de girişim saçakları oluşturabileceğine inanıyor. Bu, yağ banyosunun titreşim frekansını ayarlamak veya gerekli gürültüyü artırmak olabilir. Milevsky de aynı beklentilere sahipti. Ancak, kağıda çift yarık müdahalesinin sonuçlarını bulamadıklarını açıklığa kavuşturmanın yanı sıra, Danimarka ekibi bir düşünce deneyi de önerdi. Bu düşünce deneyi, De Broglie'nin navigasyon dalgaları fikrini tamamen bozmuş görünüyor.
Çift yarık deneyinin bu düşünce deneyi versiyonunda, parçacıklar çift yarık bariyere ulaşmadan önce bir bölmeden geçmelidir. Parçacıklar duvarın bir tarafından geçmelidir. Standart kuantum mekaniğinde duvar ne kadar uzun olursa olsun herhangi bir etkisi olmayacaktır çünkü parçacığın olası yolunu temsil eden dalga işlevi aynı anda duvarın her iki yanından geçecek, çift yarıktan geçecek ve müdahale edecektir. Ancak De Broglie'nin vizyonunda ve zıplayan petrol damlası deneyinde, tüm bunları harekete geçiren kuvvet olarak parçacıklar duvarın yalnızca bir tarafından geçebilir ve duvarın diğer tarafındaki navigasyon dalgasıyla teması kaybedebilir. Parçacıklar veya yağ damlacıkları olmadan, dalga cephesi yarığa ulaşmadan dağılmıştır, bu nedenle hiçbir girişim saçağı olmayacaktır. Danimarka ekibi de bu görüşü bilgisayar simülasyonları yoluyla doğruladı.
Thomas Bohr, ünlü çift yarık deneyini değiştirdi. Parçacıklar çift yarık bariyere ulaşmadan önce, bir bölme duvarından geçmelidir. Parçacıklar, duvarın bir yanından geçmelidir. Kuantum mekaniğinin tahminine göre, bu duvarın son çift yarık girişim saçağı üzerinde hiçbir etkisi olmayacak. Ancak, navigasyon dalgası teorisine göre, bu duvar parazit oluşumunu engeller.
Bush neden zıplayan petrol damlalarını incelemeye devam ettiğine gelince, "Düşünce deneyleri konusunda hiçbir zaman iyimser olmadım. Yağ damlası deneyinin avantajı, bu deneyin çalıştırılabilmesidir." Ancak, bölme duvarlı düşünce deneyi kullanılıyor. Basit ve net form, De Broglie'nin konseptinin doğasında olan sorunları vurgulamaktadır. "Kuantum gerçekliği", parçacıklar ve gezinme dalgaları arasındaki yerel etkileşimden kaynaklanıyorsa, kuantum simetrisi ortadan kalkacak ve çift yarıklı girişim gibi yerel olmayan kuantum fenomeni söz konusu olamaz. Herhangi bir duvarın herhangi bir tarafında engel olmadan hareket edebilen eterik, yerel olmayan bir dalga fonksiyonuna sahip olmalıyız. "Gerçek kuantum mekaniği sonuçlarını elde etmek için, parçacığın yolu demokratik olabilir ve bu çok önemlidir." Dedi Thomas Bohr. Ancak navigasyon dalgası kavramına göre, "Bu deneylerde, navigasyon dalgasının bir tarafı parçacıkları taşır, diğer tarafı parçacıkları taşımaz. İstediğiniz sonucu asla alamazsınız. Kuantum mekaniğindeki son derece önemli simetriyi kırarsınız. "
Bilim adamlarının kişisel tercihleri?
Uzmanlar, De Broglie'nin teorisinin en basit versiyonunun yanlış olması gerektiğine dikkat çekti. De Broglie, karşılık gelen gezinme dalgaları tarafından yönlendirilen parçacıkları tanımlarken, birbiriyle etkileşen çoklu parçacıkların nasıl "dolaşık olduğunu" açıklamadı ve onu tanımlamak için basit, birleşik, lokalize olmayan bir dalga işlevi kullanmadı ( Bu işlevsel ilişki ile parçacıklar birkaç ışıkyılıyla ayrılmış olsalar bile özellikleri hala ilişkilidir).
1970'lerden beri insanların karışık fotonlarla yaptığı deneyler, kuantum mekaniğinin yerel olmaması gerektiğini kanıtladı. Bir partikülden iki partiküle yükselirseniz ve yerel olmayan dolanıklığı hesaba katarsanız, o zaman De Broglie'nin teorisi böyle olduğundan, partikül ile onun navigasyon dalgası arasındaki yerel etkileşim teorisi daha da tuhaf hale gelecektir.
Evdeki bir karatahtanın önünde Niels Bohr, oğlu Ogg Bohr'un formülüne baktı ve torunu Thomas Bohr gizlice içeri girdi.
De Broglie, 1987'deki ölümüne kadar yerel olmama ve karmaşa hakkındaki görüşlere şüpheyle bakıyordu. Her zaman gerçek navigasyon dalgasının bir şekilde kaçınılmaz bir uzun mesafeli bağlantıya yol açacağına inanıyordu. Bu tuhaf görüş inatla günümüze kadar devam edebilir ve bazı zıplayan petrol damlası deneycileri tarafından da desteklenmiştir, ancak tek bir parçacık söz konusu olduğunda, seyir dalgası çift yarık parazitle bile oluşturulamaz, bu nedenle bu görüş bir inceleme gibidir. Dalga işlevi aniden çöktü.
Daha önce De Broglie, teorisinin uzlaşmacı bir versiyonunu önermişti. Fizikçi David Bohm onu 1952'de yeniden yorumladı. Şimdi Bohm'un mekaniği veya de Broglie olarak adlandırılıyor. -Bohm teorisi. Teori, uzayda ilerleyen (Kopenhag yorumundaki dalga işlevi kadar öngörülemez olan) soyut bir dalga işlevi olduğuna ve uzayda gerçek parçacıklar olduğuna inanır. 1970'lerdeki kanıtlar, De Broglie-Bohm teorisinin ve standart kuantum mekaniğinin tam olarak aynı tahminleri yaptığını gösterdi.
Bununla birlikte, klasik gerçekliğin bir unsuru (somut parçacıklar) düşünüldüğünde, yeni sorunlar ortaya çıkar. Örneğin, uzayda her yerde bulunan matematiksel dalga işlevi, bazı yerlerde fiziksel parçacıklarla nasıl ilişkilidir? Bu neden oluyor? "Bu açıdan bakıldığında kuantum mekaniği hala çok garip görünüyor." Dedi Thomas Bohr. Çoğu fizikçi aynı görüşe sahiptir, ancak bu gerçekten sadece kişisel bir tercih meselesidir, çünkü deneysel tahminler aynıdır.
Niels Bohr, kuantum seviyesinden bakıldığında doğanın son derece tuhaf görüneceği sonucuna vardı.
Thomas Bohr, büyükbabasının böyle düşünmesinin sebebinin en önemli fizik araştırması olduğuna inanıyordu: 1913'teki hidrojen atomlarının elektron enerji seviyelerini hesaplaması. Bohr, elektronlar orbitaller arasında geçiş yaptıklarında nicelleştirilmiş ışık paketlerini serbest bıraktıklarını keşfetti. Elektronların enerji seviyelerini elektronların dönme hareketleriyle ilişkilendiremez. Nedensellik bile bir anlam ifade etmiyor, çünkü geçişten önce elektronlar nereye düşeceklerini biliyor ve doğru enerjinin fotonlarını yayıyor gibi görünüyor. "Belki de her şeyin ne kadar tuhaf olduğunu çoğu insandan daha iyi anlıyor." Thomas Bohr, "Sadece zihinsel olarak hazırlanmış. Doğanın çok tuhaf olabileceğini biliyor. Aksine, çoğu İnsanlar hazır değil. "
Geçtiğimiz birkaç yıl içinde Thomas, büyükbabasının zıplayan petrol damlası deneyi hakkında ne düşüneceğini sık sık merak ediyordu. "Çok ilgileneceğini düşünüyorum." Dedi gülümseyerek, "Fikirlerini benden daha hızlı netleştirebilir. Çok zeki olduğunu düşünecek, çünkü böyle bir sistem yaratabilirsin, o ve De Broglie Söylenenler çok yakın. "
Çeviri: Yanxing He Wuyu Review by Yu Bo: Lily Kaynak: Quanta Magazine
