量子奇妙さの代替となる有名な実験運命|物理

2005 年、パリの流体物理学者 Yves Couder の研究室で働いていた学生が、振動する油浴の表面に落ちると小さな油滴が跳ね返ることを偶然発見しました。さらに、液滴が跳ね返ると、液体の表面をバニーホップし始めました。 Couder はすぐに、液滴が「独自の波に乗ってサーフィンをしている」ことを理解しました。彼が言うように、跳ね返ったときに波を蹴り上げ、波の傾斜した輪郭によって推進されます.

Couder 氏は、サーフィンをしている水滴を見て、フランスの物理学者 Louis de Broglie によって考案された初期の、ほとんど忘れられていた量子世界のビジョンを正確に体現していることに気付きました。

一世紀前、ド・ブロイは、最初の素粒子実験の不穏な結果がほとんどの物理学者に、量子スケールでの現実は見かけどおりではないことを示唆したにもかかわらず、現実の古典的な理解をあきらめることを拒否しました.当時、デンマークの物理学者ニールス・ボーアによって考案された量子力学の標準的な「コペンハーゲン解釈」は、観測されるまでは量子スケールでは何も「実在しない」と宣言することで、過去を打ち破りました。粒子の位置のような地上の事実は、波が不思議なことに点に崩壊し、粒子が飛び跳ね、単一の現実が設定される測定の瞬間まで、広がる確率波によって定義される単なる偶然の問題です. in. 1920 年代に、ボーアは同時代の人々のほとんどに、確率論的宇宙の奇妙さ、自然固有のあいまいさ、すべてのものの不可解な波動粒子の二重性を受け入れるよう説得しました。

しかし、アルバート・アインシュタインやド・ブロイなど、一部の物理学者は反対しました。アインシュタインは、神が「サイコロを振る」ことを疑っていました。ド・ブロイは、量子スケールではすべてが完全に正常であり、ボード上にあると主張しました。彼は、光、電子、その他すべての波動と粒子の両方の側面を完全に具体的なものとして扱う量子論のバージョンを考案しました。彼の「パイロット波」理論は、クーダーの跳ね返る液滴を推進する波のように、実際のパイロット波によって空間を案内される、常に明確な位置を持つコンクリート粒子を想定していました。

しかし、ド・ブロイはパイロット波の物理的性質を突き止めることができず、彼の説明を複数の粒子に拡張するのに苦労しました。有名な 1927 年のソルベイ会議では、量子力学の意味を議論するために著名人が集まり、ボーアのより急進的な見解が話題になりました。

ド・ブロイの量子世界のパイロット波のビジョンは、パリの液滴が跳ね始めた78年後にほとんど思い出されませんでした。突然、Couder と彼の同僚は、de Broglie のアイデアを実験的に探求するための「アナログシステム」を手に入れました。

すぐに、彼らは液滴が驚くほど量子のような振る舞いを示すことを確認しました。たとえば、液体槽の中心の周りの特定の「量子化された」軌道を横切るだけで、電子が原子内で行うように、軌道間をランダムにジャンプすることもあります。そこで、マサチューセッツ工科大学やその他の場所ですぐに立ち上がったバウンス液滴ラボでは、液滴が障壁を通り抜け、以前は量子特有のものと考えられていた他の動作を実行することが確認されました。謎のない量子現象を再現することで、跳ねる液滴の実験は、確率波と難問の代わりにパイロット波と粒子からなる量子スケールでの現実という一部の物理学者ド・ブロイの古い夢に再び火をつけました。

しかし、2015 年以降の一連のバウンス液滴の発見により、この夢は打ち砕かれました。この結果は、2006 年にさかのぼる Couder の量子のような現象の最も印象的なデモンストレーション — 「私がこの問題に夢中になった実験」 — は誤りであったことを示しています。「二重スリット実験」と呼ばれる実験の繰り返しの実行は、クーダーの最初の結果と矛盾し、二重スリット実験が跳ねる液滴の類推とド・ブロイの量子力学のパイロット波のビジョンの両方の限界点であることを明らかにしました。

おそらく、ド・ブロイのアイデアに取り返しのつかない亀裂を入れたのは、ニールス・ボーアの孫で流体物理学者のトーマス・ボーアである。デンマーク工科大学の教授であり、子供の頃、祖父から出されたなぞなぞに頭を悩ませていたトーマス・ボーアは、7 年前にクーダーの跳ねる液滴の実験について聞き、すぐに興味をそそられました。「決定論的な量子力学を本当に得ることができるかどうかを確かめようとすることに純粋な関心を感じました」と彼は争いに参加するという彼の決定について語った.彼の家族歴を考えると、彼は次のように付け加えました。それが本当かどうか、本当に試してみるべきだと感じました。」

量子力学の核心

物理学者のリチャード・ファインマンは、二重スリット実験を「不可能、絶対」と呼んだ不可能であり、古典的な方法で説明することはできません」と述べ、「その中に量子力学の核心があります。実際には、のみミステリー。」

実験では、粒子は障壁の2つのスリットに向かって発射され、スリットを通過した粒子は反対側のセンサーに少し離れています。 1 つの粒子がどこに到達するかは常に驚きですが、多くの粒子をスリットに向かって発射すると、検出された場所にストライプが発生し始め、粒子が移動できる場所と移動できない場所を示します。縞模様は、各粒子が実際にはスリット付きバリアに遭遇し、両方のスリットを同時に通過する波であり、収束して干渉し、いくつかの場所で頂点に達し、その間で打ち消し合う 2 つの波面を生成することを示唆しています。各粒子は、センサー内で、この奇妙な確率波の頂点の 1 つの位置で実体化します。

さらに奇妙なことに、2 つ目のセンサーを追加し、各粒子がどのスリットを通過するかを検出すると、波動関数として知られる確率波が崩壊したかのように、干渉ストライプが消えます。今回は、粒子は選択したスリットをまっすぐ通過して、ファーセンサーの 2 つのスポットのいずれかに到達します。

二重スリット実験を説明するために、コペンハーゲン主義者は量子の不確実性を指摘し、各粒子の軌跡を正確に知ることはできないため、波動関数によって確率論的にのみ定義されると主張します。波がそうであるように、両方のスリットを通過し、反対側で干渉した後、粒子の可能な位置を表す波動関数はセンサーによって「崩壊」し、可能性の中から何らかの形で単一の現実を選択します。科学的および哲学的な質問がたくさんあります。より多くの質問で質問に答える傾向にあったニールス・ボーアは、彼らを歓迎しました。

ド・ブロイにとって、二重スリットの実験は、抽象的な、不思議なほど崩壊する波動関数を必要としませんでした。代わりに、彼は本物のパイロット波に乗る本物の粒子を思いつきました。パイロット波が両方を通過するように、粒子は流木のように二重スリットスクリーンの一方または他方のスリットを通過します。反対側では、粒子はパイロット波の 2 つの波面が建設的に干渉する場所に移動し、相殺される場所には移動しません。ド・ブロイは、この複雑な波と粒子とスリットの相互作用を説明する動的方程式を実際に導出したことはありません。しかし、Couder と共同研究者の Emmanuel Fort は、バウンドする液滴を手にして、迅速に二重スリット実験を実行し、その驚くべき結果を Physical Review Letters で報告しました。 2006 年。

二重スリット障壁を通過する 75 個の跳ね返る液滴の軌跡を記録した後、Couder と Fort は、液滴の最終的な位置に大まかな縞模様を検出したと考えました。「古典的な方法では説明できない」と考えられていた二重スリット干渉は、誰もが目の前で謎なく起こっていました。潜在的な量子への影響に惹かれて、流体力学のジョン・ブッシュは MIT で彼自身の跳ねる液滴の実験室を立ち上げ、他の人々を原因に導きました。トーマス・ボーアは、クーダーが2011年に彼の結果について話しているのを聞き、後にブッシュと実験について詳しく話し合った.彼は、実験学者の同僚であるアンダース・アンダーセンと協力して、跳ねる液滴をさらに研究しました。「私たちは、特に二重スリット実験に本当に魅了されました」とアンダーセンは言いました。

デンマークのボーアとアンデルセンのグループ、マサチューセッツ工科大学のブッシュのチーム、ネブラスカ大学の量子物理学者ハーマンバテランが率いるチームはすべて、跳ねる液滴の二重スリット実験を繰り返すことに着手しました。実験のセットアップを完成させ、気流を取り除き、2 つのスリットに向かってパイロット波で跳ね返る油滴を設定した後、クーダーとフォートによって報告された干渉のようなパターンを見たチームはありませんでした。液滴はほぼ直線的にスリットを通過し、縞模様は現れませんでした。フランスのペアの以前の間違いは、ノイズ、誤った方法論、および不十分な統計に起因する.

バース大学の数理科学科の責任者である Milewski 氏は、「私にとって二重スリットの実験は、少しがっかりしました。」と述べています。

今年初めに発表されたブッシュの詳細な二重スリット研究では、干渉の兆候は見られませんでしたが、パラメーターの適切な組み合わせ (振動する流体の適切な周波数) が見つかれば、パイロット波で干渉パターンを生成できる可能性があると彼は考えています。おそらく、バス、または必要なノイズの追加。 Milewski もこの希望を共有しています。しかし、二重スリットのヌルの結果を報告しているデンマークのグループの論文で、Tomas Bohr は、de Broglie のパイロット波像を完全に破壊しているように見える思考実験を提示しました。

この架空の「ゲダンケン」では二重スリット実験のバージョンでは、粒子はスリットバリアに到達する前に、中央の隔壁の一方または他方を通過する必要があります。標準的な量子力学では、この壁は非常に長くなる可能性がありますが、問題にはなりません。これは、粒子の可能な経路を表す波動関数が単純に壁の周りを往復し、両方のスリットを通過して干渉するためです。しかし、de Broglie の図では、また同様に跳ねる液滴の実験では、操作全体の原動力である粒子は、どちらか一方の方向にしか進むことができず、反対側に通過するパイロット波の一部との接触を失います。壁の。粒子や液滴によって維持されないため、波面はスリットに到達するずっと前に分散し、干渉パターンはありません。デンマークの研究者は、これらの議論をコンピュータシミュレーションで検証しました。

跳ねる液滴を研究し続けるという彼の決定を説明する際に、ブッシュは次のように述べています。実験。この状況の素晴らしいところは、実際に実験を行うことができることです。」しかし、隔壁の思考実験は、ド・ブロイのアイデアに内在する問題を非常に単純な形で浮き彫りにしています。粒子とパイロット波の間の局所相互作用によって駆動される量子現実では、二重スリット干渉やその他の非局所量子現象を生成するために必要な対称性が失われます。壁の両側を妨げられずに移動できる、エーテルのような非局所的な波動関数が必要です。「真の量子力学的結果を得るには、粒子の可能な経路が民主的な方法で入ることが非常に重要です」とトーマス・ボーアは言いました。しかし、パイロット波では、「実験のこれらの側面の 1 つは粒子を運び、もう 1 つは粒子を運ばないため、それを正しく行うことはできません。あなたは、量子力学におけるこの非常に重要な対称性を破っています。」

好みの問題

専門家は、ド・ブロイの理論の最も単純なバージョンは失敗するにちがいないと指摘しています。ド・ブロイは、対応するパイロット波によって導かれる個々の粒子を説明する際に、複数の相互作用する粒子が「絡み合う」方法、または粒子が光を移動した後でもそれらの特性の相関を維持する単一の結合した非局所波動関数によって定義される方法を説明しませんでした-年が離れています。 1970 年代に始まったもつれ光子の実験は、量子力学が非局所的でなければならないことを証明しました。ド・ブロイ理論のような粒子とそのパイロット波の間の局所的な相互作用の理論は、非局所的な絡み合いを説明するために、1 つの粒子から 2 つの粒子へのジャンプでさらに奇妙なものを得る必要があります。

ド・ブロイは 1987 年に亡くなるまで、非局所性とエンタングルメントに関する議論に疑問を呈し、実際のパイロット波が何らかの形で必要な長距離接続をかき立てる可能性があると信じ続けました。一部の跳ねる液滴の実験者によって共有されたそのありそうもない夢は、今まで頑固に存続することを許されていたかもしれませんが、単一粒子の場合、パイロット波は二重スリット干渉を生成することさえできず、夢は精査された波動関数のように崩壊します.

初期の段階で、ドブロイは一種の妥協案を提示しました。これは、1952 年に物理学者のデイヴィッドボームによって再び公布された彼の理論のバージョンであり、現在はボーム力学またはドブロイボーム理論として知られています。この図には、空間全体に広がる抽象的な波動関数 (コペンハーゲンの解釈と同じように、この理論的枠組みにおいても神秘的な存在) と、その中のどこかに実際の粒子があります。 1970 年代の証明は、ド・ブロイ・ボーム理論が標準的な量子力学とまったく同じ予測を行うことを示しました。しかし、古典的な現実の 1 つの要素である具体的な粒子が復元されると、新しい謎が生じます。たとえば、空間のいたるところに広がる数学的波動関数が特定の場所で物理的な粒子に固定される方法や理由などです。「その観点からすると、量子力学はそれほど奇妙ではありません」とトーマス・ボーアは言いました。ほとんどの物理学者は同意しますが、実験による予測は同じであるため、実際には好みの問題です。

トーマス・ボーアは、自然は量子スケールでは不可逆的に奇妙であるという祖父の確信を、ニールス・ボーアの最も重要な物理学研究、つまり水素原子の電子エネルギー準位の 1913 年の計算に帰しています。ボーアは、電子が軌道間をジャンプして量子化された光のパケットを放出するとき、意味のある状況の機械的な図は存在しないことに気付きました。彼は、電子のエネルギーレベルを回転運動に関連付けることができませんでした。正しいエネルギーの光子を放出するために、電子はジャンプする前に着陸する場所を知っているように見えるため、因果関係でさえ失敗しました。「彼はおそらく、そのすべてがいかに奇妙であるかについて、ほとんどの人よりも気づいていたでしょう」とトーマス・ボーアは言いました。「彼はどういうわけか哲学的に傾向があり、自然がそれほど奇妙であることを受け入れる準備ができていました — そしてほとんどの人はそうではありませんでした。」

ここ数年、Tomas はしばしば、祖父が跳ねる液滴の実験について何と言っただろうかと疑問に思っていました。「彼は非常に興味を持っていたと思います」と彼は笑いながら言いました。しかし、ド・ブロイが話していたことに驚くほど近いので、そのようなシステムを生成できることは独創的なことだと彼は思ったでしょう。」