Jeigu šis fizikas teisus, bus didelis atradimas: visas daleles Visatoje gali sieti viena didelė banga

Bangų ir dalelių dvilypumas yra kvantinės mechanikos pagrindas – tai žmonijos naujausia teorija, kaip tarpusavyje sąveikauja subatominės dalelės, tokios kaip elektronai. Dvilypumas reiškia, kad visos dalelės, ir apskritai, visi objektai, turi bangų savybių, rašo livescience.com.

Tik į bangą panašios medžiagų savybės kvantinėje mechanikoje dažniausiai interpretuojamos kaip matematinis triukas, leidžiantis apskaičiuoti tikimybę, kad fotonas, elektronas ar kita dalelė bus vienoje, ar kitoje vietoje.

Tačiau radikalesnės interpretacijos bangas pakelia į realų subjektą, kuris egzistuoja lygiai taip pat, kaip ir dalelės.

Viena iš interpretacijų, žinoma kaip pilotinių bangų teorija, teigia, kad visa visata gali būti apibūdinta kaip vienas lygčių rinkinys.

Daleles „pilotuoja“ kartu sklindančios bangos?

1924 m. prancūzų fizikos doktorantas Louis de Broglie iškėlė teoriją, kad materija turi bangą primenančią savybę. Jį įkvėpė atradimas, kad šviesa elgiasi ir kaip dalelės, ir kaip bangos. Šimtmečius fizikai ginčijosi, iš ko sudaryta šviesa – ar iš mažyčių dalelių, ar kažkokių bangų.

1800-ųjų viduryje atrodė, kad diskusijas baigė Jamesas Clerkas Maxwellas, atradęs elektromagnetinį lauką ir paaiškinęs, kad šviesa yra sudaryta iš elektromagnetinių bangų.

Tačiau 1899 m. vokiečių fizikas Maxas Planckas tyrinėjo, kokią spinduliuotę skleidžia kaitinami fizikiniai objektai, dar vadinami „juodieji kūnai“. Ir jis atrado, kad visa šviesa buvo išspinduliuojama tam tikrais fiksuoto dydžio labai mažais kiekiais, arba kvantais. Kvantas fizikoje ir reiškia tam tikrą nedalomą energijos vienetą. Tai reiškė, kad visa šviesa gali būti aprašoma ne tik kaip elektromagnetinės bangos, bet ir kaip dalelės.

Vadinamasis dviejų plyšių (angl. double-slit) eksperimentas parodo, kad subatominės dalelės turi ir bangos, ir dalelės savybių.

Dar po kelerių metų jau Albertas Einsteinas iškėlė teoriją, kad „porcijomis“, arba kvantais, šviesa ne tik pasklinda, bet ir apskritai iš jų sudaryta. Anot Einsteino, šviesa sudaryta iš mažų dalelyčių, dabar jas vadiname fotonais. Tik fotonai elgiasi kaip banga – ir šis dualumas, nors radikalus, paaiškina gausybę eksperimentų su šviesa. Planckas ir Einsteinas paaiškino, kad šviesos bangos ilgis yra atvirkščiai proporcingas šviesos energijai – kuo mažesnis bangos ilgis, tuo daugiau energijos turi fotonas.

Grįžkime prie prancūzo L. de Broglie. Jis paėmė bangos ilgio ir energijos priklausomybę ir pavertė ją beprotiška idėja: jeigu šviesa turi judesio kiekio momentą ir energiją, o jos savybės primena bangas, tai materija juk irgi turi tas pačias momento ir energijos savybes – galbūt materija taipogi turi ir bangas primenančias savybes?

Kelis dešimtmečius stagnavusi kvantinės mechanika staiga gavo naują impulsą – L. de Broglie idėja buvo katalizatorius, privedęs kvantinę mechaniką prie dabartinės formos.

Suvokę bangų ir dalelių dvilypumą, tokie fizikai kaip Erwinas Schrodingeris galėjo sukurti visą kvantinę teoriją, paaiškinančią, kaip elektronai elgiasi atomų viduje.

Tačiau liko klausimas – o kas tiksliai yra tos materijos bangos? E. Schrodingeris teigė, kad subatominės dalelės, tokios kaip elektronai, yra pasklidusios plačioje erdvėje, tačiau tai prieštaravo eksperimentams, kurie parodė, kad elektronas yra dalelė viename taške.

Tada vokiečių fizikas Maxas Bornas pasiūlė idėją, kuri ilgainiui išsivystė į vadinamąją Kopenhagos kvantinės mechanikos interpretaciją. Ji teigia – materijos bangos yra tikimybės bangos, rodančios, kur kas nors gali rasti dalelę kitą kartą, kai jos ieškos. Toje vietoje, kur banga turi aukštą vertę, tikimybė dalelę rasti yra didesnė.

Bet mūsų aptariamas prancūzas L. de Broglie manė kitaip. Jis irgi tikėjo, kad bangos yra tikros, tačiau ne kaip pakeičiančios daleles – jis tikėjo, kad bangos egzistuoja kartu su dalelėmis, jos plinta per erdvę kartu ir nurodo, kur dalelės turėtų judėti. Niekas negali pamatyti dalelių trajektorijos – dėl to atrodo, kad dalelės vadovaujasi kvantiniu atsitiktinumu. Tačiau L. de Broglie teigė, kad nėra jokio atsitiktinumo – „pilotinės bangos“ visuomet žinojo, kaip kas turi atsitikti.

Galiausiai L. de Broglie nusileido – atsisakė savo idėjos Kopenhagos „bangų kaip tikimybių“ mokyklos naudai. Tačiau po kelių dešimtmečių amerikietis fizikas Davidas Bohmas vėl pasikėlė primirštą teoriją ir sukonkretino į naują kvantinės mechanikos interpretaciją.

„Pilotinių bangų“ teorija patraukė ir kitus fizikus, kadangi ji išsprendžia kai kuriuos pagrindinius filosofinius galvos sopulius, kurie kamuoja Kopenhagos interpretaciją. Pagal ją, dalelių trajektorijos egzistuoja kažkokioje neapibrėžtoje kvantinėje superpozicijoje, kuri egzistuoja mūsų matematinėse lygtyse – iš tikrųjų nežinome, ką daro kvantinės dalelės, tik galime spėlioti rezultatų tikimybę.

O pilotinių bangų teorija, priešingai, turi pranašumą tuo atžvilgiu, kad viskas teorijoje yra nustatyta ir tikra – be jokių tikimybių. Bohmo pilotinių bangų teorijoje, banga yra susijusi su kiekviena dalele ir juda per erdvę darydama tai, ką bangos ir daro, pvz., atsispindi, skleidžiasi, trikdo kitas bangas ar pati yra trikdoma. Kas mums atrodo kaip kvantinis neapibrėžtumas, iš tiesų tai tėra atspindys to fakto, kad dalelė judėjo per nuo mūsų paslėptą trajektoriją.

Tačiau ir toks paaiškinimas turi savo kainą. Jeigu sąveikauja dvi dalelės, jų pilotinės bangos taip pat sąveikauja ir susieja dvi daleles. Toks susiejimas (angl. entanglement), kaip kvantinės mechanikos procesas, daleles veikia netgi dideliais atstumais – taip, kad paveikus vieną dalelę, automatiškai paveikiama ir kita. Tam reikia lygties, kuri apibrėžtų vieną bangą –abi daleles – vienu metu. Abi dalelės turi paslaptingai „žinoti“, ką veikia kita, nepaisant to, kiek jos yra nutolusios.

Priešingai nei Kopenhagos interpretacijoje, pilotinių bangų teorijoje kvantinis susietumas apima ir pačių dalelių pozicijas.

O visos subatominės dalelės yra vienaip ar kitaip susipynusios su kitomis dalelėmis. Tai priveda prie to, kad visos visatos dalelės yra susijusios viena su kita – turėtų būti ir viena banga, ir viena jos lygtis, kuri apibrėžtų visas daleles vienu metu ir kažkaip susietų jų pozicijas kartu.

Nors tokia pasekmė savaime neatmeta pilotinių bangų teorijos, tačiau tai yra priežastis, kodėl ją sunku priimti kaip tinkamą fizikos teoriją. Galų gale, nebūtų nė galimybės atlikti eksperimento, kuriame būtų izoliuoti visi galimi kintamieji nuo išorės poveikio – kaip būtų galima apskritai suprasti, kas vyksta?

Orientuojantis į dalelių pozicijas, o ne tiek į jų greičius, sunku teoriją suderinti ir su realiatyvumu, kuris apibrėžia, kad pozicijos ir greičiai turėtų būti traktuojami vienodai. Be suderinamumo su kitomis, pilotinių bangų teoriją sunku plėsti į visas fizikines sistemas, kurioms taikoma kvantinė mechanika, pvz., didelės energijos dalelių greitintuvai.

Nepaisant trūkstamų atsakymų, kuriuos kažkada tikimasi atrasti, pilotinių bangų teorija per pastaruosius kelis dešimtmečius sulaukė vis didesnio susidomėjimo. Iki tol dalelių ir bangų dvilypumo realybė išlieka „skonio reikalu“, apibendrino livescience.com.