物理

量子怪异背后的经典现实?

量子物理学定律défient l’intuition et l’idée我们有éalité physique. 但a théDe Broglie-Bohm撰写的orie, dont les prémices datent de près d’un siècle et qui connaît aujourd’hui regain d’intérêt, a l’ambition de les réconcilier.

沃德·斯特鲁维 科学N°509
经验值érience goutte-surface liquide

mé量子经典代表ésente l’最大的成功之一è现代物理学。她允许’expliquer et de prévoir avec pré切割大量酸碱度énomènes. Et pourtant, l’interprétation de cette thé矿石始终存在ébattue : ce qu’它告诉我们关于物理世界的本质,关于它在d中的本体’autres termes, n’est pas très clair.

有时有人说’est pas le rôle de la théorie, qu’elle ne sert qu’à rendre compte 一些Résultats 经验值érimentaux et qu’要求他更多是徒劳的。但是,这样的愿景非常缺乏’志向。确实,我们的科学家正在寻找à découvrir à世界是什么样的 ;因此,我们应该考虑érer les 经验值é经验作为对我们的指导和检验é的故事,而不是因为’être.

现在,当我们尝试了解底层世界的本质时à la mé量子问答,难度很大é出现。为了克服它们,我’最有前途的路线,也许也是最简单的路线之一是éDe Broglie-Bohm orie(或简称dBBégé). Cette approche tire son 姓 du physicien français 路易·德布罗意(发音像« de Breuil »),以及他的工作é游标(1924-1927)和物理学家戴维·波姆(David Bohm)éricain qui l’a développée dans les années 1950. Appelée aussi théorie de l’onde pilote, ou mé博美式小酒馆éorie dBB revient à l’actualité et fait l’objet d’actives recherches, à复兴r的支持éflexions sur l’interprétation de la mécanique quantique.

Une 经验值érience qui résume l’étrangeté quantique

之前’y venir, 经验值liquons quelles difficultés d’interprétation la mé量子神魂ève。我们可以先考虑érer une 经验值é杨氏缝隙的简单和典范。它包含à例如直接粒子électrons, vers un écran opaque percé两个平行插槽èles et proches. Après avoir traversé缝隙,颗粒是détectées sur un deuxième é缺口。我们可以将粒子一一发送é一个接一个地执行,结果是’随着时间的推移累积点d’impact sur l’écran de détection.

如果不是’é电子,我们在狭缝上发送较大的物体(例如小球),这些物体将遵循大致的直线,因此将形成’accumulant sur l’écran de dé检测,位于两个小点ées在连接源d的两条直线的延长线上’é电子进入狭缝。现在这个’根本不是我’on observe avec des électrons ou d’autres particules très microscopiques : sur l’écran de dé检测,我们看到条纹形成,c’est-à-说出r的替代égions à densité d’impacts faible et élevée.

这样的主题之一就是’interférence, caractéristique des phénomè波形。例如,小波扩散à la surface de l’水产生一个数字’interférence similaire – des régions où l’波幅大小交替变化 – lorsqu’他们越过障碍è再有两个封闭的开口。

m怎么é量子Canique帐户’expé双重裂隙 ? Elle décrit l’é电子作为波,代表ésentée mathématiquement par une « fonction d’onde ». Comme pour une 波 classique, l’onde de l’électron rrive sur les deux fentes, dont chacune devient alors la source d’une 波浪econdaire, et ce sont les deux 波s secondaires ainsi produites qui 界面èrent.

杨氏电子的狭缝实验

L’expé遇到杨的裂缝électrons. 该图表示密度é de probabilité de présence (élevée在光中,在黑暗中微弱) d’é电子从左交叉à droite un écran percé两个相邻的缝 (所有à gauche de l’image)。一些轨迹électrons, telles qu’我们用米来计算é玻色子的礼节,很紧张ées en jaune. 在La partie droite de la figure, chaque point correspond à l’impact d’un électron sur l’écran de détection ;曲线表示密度é影响。密度é de probabilité calculée par la mécanique bohmienne完全一样ême que celle calculée par la mé通常的量子canique,并非常复制è很好的观察。

©亚历山大·冈德拉(Alexandre Gondran)

但’与经典波s的类比’arrête là. Alors que l’onde de l’é到达l的电子’écran de détection s’é相当大的故事égion,与小波一样à la surface de l’eau, l’électron ne laisse qu’准时的痕迹’écran : à ce stade, 他没有’est plus du tout étalé。为了解决这个问题étection très localisée, la mé量子Canique假设函数d’波经历瞬间崩溃é。换句话说,当’onde de l’électron atteint l’écran de détection, elle se réduit instantanément à quelque chose de très localisé. Cette réduction est censée se produire lors de la 被测 et la probabilité d’observer l’在某一时刻的影响’écran 是Déterminée par l’amplitude de l’在这一点上挥手。该幅度越高élevée au point considéré,则更有可能’onde s’y réduise.

被测, un problème épineux

mé因此,量子canique解释了’interfé随着时间的流逝,’影响累积’é电子。但是,有一个问题ème. On a supposé que l’effondrement de l’一次发生波浪’écran de dé检测受到影响。但是真的是这样吗 ?也可能是’崩溃发生à un moment ulté笑,例如当有人’un regarde l’é缺口。在m的正统版本中écanique quantique, l’应该崩溃é在测量过程中发生。但是物理过程到底是什么’on puisse parler de « mesure » ? Faut-il que l’appareil de 被测 soit d’un type particulier ? Une 被测 implique-t-elle né一定是人类观察者 ?这个观察者应该ê有足够的资格é,例如’物理学博士学位 ? Tant qu’on ne précise pas en quoi consiste exactement une 被测, on ne sait pas exactement quand l’崩溃发生和公关é愿景就变得big昧ës.

1935年,奥地利物理学家Erwin Schrö丁格强调了问题ème de la 被测 en imaginant un scé故事情节涉及一只猫。这个expérience de pensée aujourd’hui célèbre consiste à放一只活猫在博îte包含一个放射性原子和一个装置,如果’atome se désintègre, libè是致命的毒药。之间的耦合’état du félin et celui de l’原子导致函数d’onde du systè我原子猫不匹配一个à état bien défini de l’animal, mais àl的和(叠加)’état « chat vivant » et de l’état « chat mort »。但是之后’d函数崩溃’onde du chat vers l’état vivant ou vers l’é死亡状态,这种动物会感觉到什么 ? Et quand l’会崩溃吗 ? L’会崩溃吗 juste au moment où一个人类观察者打开了boîte et regarde à l’intérieur ?

问题ème de la 被测 n’不是唯一的障碍à la compré理解量子世界的本质。困难的另一个例子é est que le type d’onde 整型roduit 在米écanique quantique n’a rien à与其他类型的’ondes rencontré在物理学中,波électromagné例如打勾。和c’est un aspect étrange de la mé量子物理学家,其物理学家本身êmes n’并不总是知道…经典波在’espace physique, l’被认为是三维空间éré comme l’arène où se déroulent les phénomènes. Or 他没有’不可能考虑érer la 功能d’onde de la mé量子浪潮évoluant dans l’espace physique, même si l’expé杨的裂缝的经验可以给’impression.

En effet, pour deux particules, 他没有e s’agit pas de deux 波s qui se propagent chacune dans un espace tridimensionnel, mais d’une seule 功能d’onde qui é在太空中进化à3 x 2 = 6个尺寸。更多克éné集会,在 N particules, le système n’est pas décrit par N ondes, mais par une seule 波 qui se propage dans un espace à 3N dimensions, un « 配置空间 » abstrait qui n’est pas l’物理空间。 réalité du monde n’aurait alors rien à看一下我们熟悉的三维世界。 véritable arène des phénomènes physiques serait cet 配置空间, multidimensionnel, et les observateurs auraient juste l’生活在三维空间中的幻想。

粒子引导ées par leur 功能d’onde

让我们来à présent à la mé博美式小食。怎么écrit-elle le monde ? Dans cette théorie, la 功能d’onde n’est pas le seul ingrédient. Il y a aussi, comme 在米é古典犬,点粒子éplacent dans l’物理三维空间。但是当然有动力ûr différente :粒子déplacent à une vitesse v déterminée par la 功能d’onde.

根据这个é或者,如果我们看到诸如桌子和椅子之类的物体,或者是活猫或死猫,’是因为这些实体és sont constitué是守时的部分,é他们,而不是因为’onde du système pré感觉到这种形状。实际上,函数d’onde nous est 隐藏ée : elle ne se révè唯一受其对粒子运动的影响– tout comme, 在米é经典的卡尼卡斯(Canicus),我们看不到作用于群众的力量,而只有它们对群众的影响。

路易·德布罗意

法国物理学家çais 路易·德布罗意(1892-1987)a,在1924年至1927年之间,développé les premières idées,据此,粒子的量子行为可以’解释假设l’existence d’une 波 qui les guide.

©Wikimedia Commons /公共领域
大卫·鲍姆(David Bohm)

物理学家éricain 大卫·鲍姆(David Bohm) (1917-1992) 广告éveloppé dans les années 1950 les idées de 路易·德布罗意, ce qui 广告onné la mé博摩尼亚人的礼节éorie dBB.

©Karol Langner /维基共享资源

在L’expé双重缝隙的功能’onde 是米ê每个入射粒子我(c’est-à-dire pour chaque réalisation de l’expérience),但其初始位置可能有所不同érer. Ce que l’on détecte est la position finale des particules. 在La théorie dBB,它们的功能’波不会突然定位,而是继续’évoluer selon l’équation de Schrödinger, la même qu’en mé正统的量子canique。 它没有’y a pas d’d函数崩溃’onde et aucun problème de 被测 n’apparaît. La théorie 是Dé术语,以及概率és d’obtenir tel ou tel résultat dé仅仅是由于我们对初始条件的无知而产生的。

机率é占数d的通常量子’interfé当粒子r的初始位置é他们遵循一定的统计分布,« distribution d’équilibre ». La distribution ré她粒子对应« typiquement » à这种分布’é平衡(有点像'没有相互作用的气体« typiquement », distribuées uniformément dans le volume de leur enceinte). mé因此,波摩尼亚的canique复制了prédictions de la mécanique quantique habituelle (dans la 被测 où ces dernières sont sans ambiguïté). En ce sens, la théorie dBB是凭经验équivalente à la thé正统的量子矿石。和grâce à cette équivalence, nous n’avons en général不需要我们é占据轨迹é他们粒子,ré他们的位置的统计划分可以être déterminée是通常的量子形式主义。

1927年苏威大会

在丛ès Solvay de 1927 étaient notamment pré发送Louis de Broglie,Wolfgang Pauli,Erwin Schrö丁格,爱因斯坦,保罗·狄拉克,维尔纳·海森堡…

Wikimedia公用/公共领域

从公关édictions identiques

什么是我’état actuel de la mécanique bohmienne ?在非相对论版本中,é矿石是完全的éveloppée并且很好理解。许多研究人员做出了贡献é,包括Chris Dewdney,Basil Hiley和Peter Holland等Bohm合作者。自从安ées 1990, les équipes dirigées par Detlef Dürr, à l’université来自慕尼黑,谢尔登·戈德斯坦,à l’université罗格斯和尼诺·桑格ì, à l’université de Gênes, ont également joué rôle majeur. D’重要的工作就这样进行了é sur la faç我们谁的概率és 一些Résultats observés和m的通常形式主义écanique quantique émergent de la théore dBB,在经典极限(’量子行为à属性的经典行为)étés d’一组相同的粒子…

当我’ai indiqué plus haut, la mé博美犬Canique复制了PRém的通常命令écanique quantique. L’经常听到的批评之一是’她没有提供新的公关édictions. 但es prédictions de la mé量子Canique完美vérifiées par l’expérience, et c’est déjà très bien que la mé博美犬的canique复制了它们。而且,与m的情况不同é通常的量子canique,它提供了清晰而清晰的图像ïté du monde, et la 被测 n’y soulève aucun problème conceptuel.

此外,对于实际计算,dé玻曼轨迹的尾部n’ont généralement pas d’importance. 在L’expé双重裂隙, par exemple, 他没有’est pas né计算轨迹所必需的ré他们粒子来计算数字d’interférence : la mé通常的量子canique就是一切à fait appropriée.

但是D’其他问题,例如经典极限c’est-à-dire le passage d’量子行为à经典行为,要求清晰é conceptuelle. En mé玻莫尼式客座主义,这个问题提出得很好ée,经典极限简单地对应à la situation où粒子的轨迹(或度)és de liberté相关的集体,例如质心)è离那些公关很近édites par la mécanique classique.

另一个问题的例子é正统量子canicus paraît mal adaptée est la 被测 du temps requis pour sortir d’一个区域或越过障碍物(由于’形式主义缺席’un « opérateur temps », alors qu’例如,有一个« opérateur position ») ;但是这样的问题可以être posées et abordées directement 在米écanique bohmienne.

应用领域à divers problèmes de physique

是fré作为差异版本érentes d’une même théorie conduisent à diffé租用工具ésoudre des problèmes concrets. C’m的Bohmian版本和Orthodox版本就是这种情况é量子礼仪。具体应用ètes de la thé因此,过去二十年来出现了orie dBBères années.

C'特别是在量子化学中,ù l’on é经常学习系统èmes à grand 姓bre de particules (les électrons d’un atome ou d’une molécule), des systè我太复杂了être décrits de façon mathé精确地以及对于哪个géné通常使用数字技术ériques. Or la mé博美式小食启发了它é在新闻领域,比那些背景更有效ées sur la mé正统的量子canique。

Une autre application 是米odélisation des 整型eractions d’un système quantique avec 一个系统è我很经典,例如(量子)粒子在粒子表面的散射’一个固体。原则上,éd量子量子é写表面,但是c’est irré在实践中可行。因此,我们对’une repré这种表面的经典感觉。在début des anné在2000年,各种研究人员(尤其是Oleg Prezhdo和Craig Brooksby,à l’université de Washington, É您的Gindensperger,Christoph Meier和Alberto Beswick,à l’universitéPaul-Sabatier de Toulouse)已展示é qu’une modélisation où l’on couple le système classique à des particules décrites par la mé博美犬Canique生产Résultats plus précis qu’具有相似的联轴器背景és sur la mé通常的量子礼节。

当我’ai indiqué, la mécanique bohmienne est 一个é非相对论的原著。所以克éné意识到要考虑相对定律é restreinte d’Einstein. Avec la mé普通的量子礼节âche difficile a été很久以前它的résultat a été la thé量子场矿石i est aujourd’hui le cadre général permettant de décrire le monde des particules subatomiques et de leurs 整型eractions.

L’主要差异之一érences avec la mé量子Canique是’en théorie quantique des champs, le 姓bre de particules n’est pas fixe : il peut y avoir cré粒子的消失或an灭。为了说明cr的这些过程éation et d’歼灭,玻尔动力必须être modifiée。对于费米子级粒子(自旋粒子,单位为é原子s,是半整数 : é电子,质子,夸克…),基本上是两个procédures différentes ont été proposées, la premiè关于Detlef D在2004年ürr,谢尔登·戈德斯坦,罗德里希·图穆尔卡和尼诺·桑格ì, la seconde en 2007年,塞缪尔·科林和我。

Pour les bosons (particules dont le spin est un 姓bre entier, comme le photon ou la particule de Higgs), en revanche, on n'a pas trouvé de moyen naturel d’引入点粒子。如’avait déjà montré Bohm, 他是emble qu’il faille dé基本上,玻色子不是根据粒子而是根据其’与费米子的相互作用显然会引起à la création et à l’annihilation de particules bosoniques. Mais 一个é更深的矿石可以发挥另一个作用éalité。例如,在éorie des cordes, la formulation bohmienne naturelle ne fait pas 整型ervenir des particules ou des champs, mais de minuscules cordes unidimensionnelles.

另一个重要方面éorie quantique des champs est que celle-ci 整型ègre les symétries imposées par la relativité restreinte (symé尝试翻译l’光速不变ère et des 经验值ressions des lois physiques quand on passe d’un référentiel à un autre, 在米ouvement rectiligne et uniforme l’un par rapport à l’autre). Or l’une des consé相对论的频率é restreinte est qu’il n’没有绝对的同步概念éité : deux évé同时发生的事件és pour un observateur ne le seront pas pour un observateur 在米ouvement par rapport au premier.

但是如何赋予相对论é de la simultanéité à la non-localité, une caracté似乎印度的risticésirable, mais inhérente à la physique quantique ?大号a non-localité correspond à即时影响ée d’un endroit à另一个。但是然后éfé这是瞬时影响吗ée ?有这样一个éférentiel privilégié, auquel cas les symé相对主义的尝试将被强奸ées ?这些难题有été beaucoup étudiées, mais n’ont pas encore de ré满意的答案。在任何é显然,非本地性é ne fait pas bon mé相对地游泳é。而且必须看到这个问题ème se pose dans n’任何版本的é量子场矿石’il s’从正统版本或从’另一个,例如éorie bohmienne.

量子引力à la Bohm

另一个领域’application de la théorie dBB, qui fait l’我目前研究的对象是量子引力及其缺点é宇宙学。曲ête d’une thé引力的量子矿为’主要问题之一è我在物理学上的空缺éorique. Selon la théorie de la relativité générale d’爱因斯坦,万有引力à une courbure de l’时空。但是这个éorie décrit comment l’espace-temps 整型eragit avec la matière représentée de faç经典的,不是量子的。早上有什么事实ère doive obé去量子定律 ? L’espace-temps lui-mê我(所以重力)必须遵守éir à des lois quantiques ?如果是这样,哪个 ?

物理学家提出了一些建议’une thé引力的量子矿。让我们引用所谓的标准量子引力,即量子引力à boucles et la thé弦的原点。典型量子引力是通过应用à la relativité générale d’爱因斯坦常用的技巧ées pour passer d’古典领域(例如领域électromagnétique) à sa version quantique. 但a thé这样获得的矿石ù l’équation d’onde résultante est l’é惠勒-德维特方程,présente des défauts de nature mathé似乎无法克服的功能。然后我们被带领à construire, à partir de versions à symétrie ré相对论é générale, des modèles simplifiés, dans l’希望这些可以捕获一些属性étés de la théorie complète.

量子引力à boucles résulte é也量化éorie d’爱因斯坦,但在过程中é区分差异变量é年金。她也生了孩子à une sorte d’é惠勒-德维特方程式。与差异é重要参考à经典量子引力 : l’espace-temps y 出现ît discrétisé,而不是连续的。什么时候à la théorie des cordes, où les entités élé不是点粒子而是一维字符串,它不是é不从th的量化中流出éorie d’Einstein, mais plutôt de la tentative d’unifier toutes les 整型eractions fondamentales connues.

它没有’existe pas à ce jour d’indices 经验值é流产或观察允许épartager ces théories. De plus, 他没有’est pas facile de dé完成什么é诸如标准量子引力或量子引力à boucles prévoient. Tout d’abord, elles héritent du problème de la 被测 déjà posé 在米é非相对论量子caniqueévèle particulièrement gê当我们搜索时à应用量子引力à宇宙学。实际上,在这种情况下,系统ème d’intérêt est l’整个宇宙’existe alors pas d’observateurs extérieurs effectuant des 被测s. De plus, 他没有’y a qu’一个单一的宇宙,而不是一组’他们之间的概率és des différents résultats pourraient ê是一个相关的概念。

还有问题ème de la 被测 s’ajoute le problème du temps. D’après l’équation de Wheeler-DeWitt, la 功能d’onde de l’Univers n’é不会随时间演变。 dès lors, comment l’é宇宙演化观察ée dé它由此产生吗équation ? Comment dire, à partir de cette équation, si l’Univers est en 经验值ansion ou en contraction ?

自从安ées 1990年,荷兰的Jeroen Vink,Br的Nelson Pinto-Netoé西尔和其他几位研究人员développé et étudié une version bohmienne de经典量子引力. Et j’ai moi-même élaboré vers 2017量子引力的bohmian版本à循环。在这些版本中,我们还有一个géométrie de l’时空,但éformation et l’évolution de l’espace-temps sont déterminées par la 功能d’onde. Et cela d’une telle façon que mê我如果这个功能’onde est statique, l’espace-temps se dé随时间变化的形状。

Géné集会,’espace-temps diffè相对论所规定的é géné罗勒例如,似乎与à最后发生了什么è重新,有可能’éviter les singularités d’像d的时空é大爆炸的目标或大危机的结束(l’大爆炸的倒数)。此外,一些研究人员已经考虑é la possibilité que l’« énergie sombre », une é未知性质的能量可以解释’accélération de l’expansion de l’Univers, n’existe pas et que l’expansion accélérée ré简单地从宇宙的量子动力学中得出。在Dé最发达é这个程序中的100个,Thibaut Demaerel,Christian Maes和我,à鲁汶大学é que l’我们可以获得,而无需引入d’énergie sombre, une telle 扩展’Univers dans un modèle simplifié量子引力整数é赋予了玻色动力学。

它的’agit là de pistes 整型é对宇宙学和人类都怀有怨恨和希望é量子矿石。虽然通常的量子公式无法为宇宙学家提供明确的指示,但量子引力的波姆形式可能会导致être à de nouvelles pré指示,例如温度波动é抹去弥漫的宇宙学背景,这种微波辐射’宇宙,是宇宙的痕迹ébuts. Confrontées观察,这些pré听写可以告诉我们à la fois sur l’évolution de l’宇宙与有效性é de la thé使用的量子矿石ée. Ce qui serait d’un grand 整型érêt因为在其他方面édictions de la thé玻色子矿是ê我比那些é通常的量子矿石。

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