Квантовая физика: взгляд сквозь призму детерминизма

от

Автор: Денис Аветисян

Новая работа предлагает переосмыслить основы квантовой механики, выводя уравнение Шрёдингера из принципов ньютоновской динамики.

Исследование предлагает детерминистскую модель, в которой квантовые явления возникают из микроскопических взаимодействий частиц.

Квантовая механика, несмотря на свою феноменальную точность, часто представляется как описание вероятностного мира, далекого от классической интуиции. В статье ‘Microscopic theory of quantum physics’ предложена микроскопическая модель, в которой квантовые явления возникают как следствие детерминированных взаимодействий частиц, подчиняющихся второму закону Ньютона. Показано, что в рамках этого подхода естественным образом возникают стационарные состояния и квантованные энергетические уровни, воспроизводятся интерференционные картины в эксперименте с двумя щелями, а также выводится уравнение Шрёдингера из базовых принципов. Возможно ли, что такое детерминированное описание позволит глубже понять фундаментальные основы квантовой реальности?

🧐

Купил акции по совету друга? А друг уже продал. Здесь мы учимся думать своей головой и читать отчётность, а не слушать советы.

Бесплатный телеграм-канал

За пределами квантовой загадки: Классическое начало

Квантовая механика, несмотря на свою впечатляющую точность и успешное применение в различных областях науки и техники, зачастую представляется концептуально оторванной от привычного понимания мира, основанного на детерминированных принципах. Повседневный опыт подсказывает, что объекты обладают определенными свойствами и предсказуемо изменяют свое состояние, в то время как квантовая теория постулирует вероятностное описание реальности, где частицы могут находиться в суперпозиции состояний и проявлять волновые свойства. Это несоответствие между интуитивным восприятием и математическим формализмом квантовой механики порождает постоянные дискуссии о фундаментальной природе реальности и необходимости поиска более наглядных интерпретаций, способных соединить микро- и макромир в единую, логически непротиворечивую картину.

Эксперимент с двумя щелями наглядно демонстрирует фундаментальный вызов, который квантовая механика бросает нашему интуитивному пониманию материи и энергии. В классической физике частица должна проходить либо через одну, либо через другую щель, создавая на экране четкие, разделенные полосы. Однако, в квантовом мире, частицы, такие как электроны или фотоны, демонстрируют волновое поведение, проходя одновременно через обе щели и создавая на экране интерференционную картину — чередование максимумов и минимумов интенсивности, характерную для волн. Этот парадоксальный результат указывает на то, что частицы не обладают четко определенной траекторией, а скорее описываются вероятностью нахождения в определенной точке пространства, что противоречит нашему повседневному опыту и требует переосмысления природы реальности на микроскопическом уровне. Явление волно-частичного дуализма подчеркивает, что материя и энергия не являются строго отдельными сущностями, а представляют собой взаимосвязанные проявления единой, более фундаментальной природы.

Возникает фундаментальный вопрос о возможности согласования квантовых наблюдений с детерминированной, классической картиной мира. Исследователи стремятся выяснить, можно ли объяснить кажущуюся непредсказуемость квантовых явлений, таких как волново-частичный дуализм, не прибегая к принципиальному отказу от классических представлений о причинно-следственных связях. Это требует пересмотра существующих моделей взаимодействия частиц и поиска скрытых параметров или механизмов, которые могли бы обуславливать поведение квантовых систем на более глубоком уровне. Успех в этом направлении позволил бы не только упростить понимание квантовой механики, но и устранить кажущееся противоречие между микро- и макромиром, предлагая единую, последовательную физическую теорию.

Исследование требует переосмысления роли взаимодействий в формировании поведения частиц, что может привести к обнаружению более интуитивно понятного фундамента квантовых явлений. Вместо того чтобы рассматривать квантовые эффекты как нечто принципиально отличное от классической физики, предлагается изучить, как сложные взаимодействия между частицами, даже на самых малых масштабах, могут порождать кажущуюся вероятностной и нелокальной природу квантового мира. Такой подход предполагает, что, возможно, детерминированные законы управляют этими взаимодействиями, и наблюдаемая неопределенность является следствием нашей неполной информации о них. Предполагается, что тщательный анализ этих взаимодействий, включая учет скрытых переменных или новых типов корреляций, может раскрыть лежащие в их основе механизмы и предложить альтернативную интерпретацию квантовой механики, приближающую её к нашему повседневному опыту и упрощающая её концептуальное понимание.

Детерминированный каркас: Взаимодействия как основа

Предлагаемая нами Детерминированная Модель Взаимодействия Частиц постулирует, что все квантовое поведение является следствием детерминированных взаимодействий, подчиняющихся второму закону Ньютона. В рамках данной модели, движение каждой частицы полностью определяется действующими на нее силами и начальными условиями, исключая случайность как фундаментальный принцип. Вместо вероятностного описания, модель предполагает, что наблюдаемая неопределенность является результатом недостаточного знания всех параметров системы и действующих сил. Таким образом, $F = ma$ остается основополагающим принципом, описывающим динамику частиц, а квантовые эффекты возникают как эмерджентные свойства этих детерминированных взаимодействий.

В рамках данной модели взаимодействие между частицами опосредуется гипотетическими «темными частицами», которые, в отличие от известных взаимодействий, не обладают свойствами, обнаружимыми современными методами. Эти частицы служат переносчиками импульса и энергии, обеспечивая механизм, объясняющий явления, традиционно приписываемые квантовой неопределенности, такие как туннелирование и суперпозиция. Вместо вероятностного описания, неопределенность возникает как результат недостаточной информации об огромном количестве темных частиц, участвующих во взаимодействии, и их динамике, что, по сути, является детерминированным процессом, скрытым за кажущейся случайностью. Количество и свойства темных частиц, участвующих в конкретном взаимодействии, определяют наблюдаемые квантовые эффекты, предоставляя альтернативу стандартной квантово-механической интерпретации.

В основе модели лежит использование потенциалов взаимодействия — сил, определяющих поведение частиц. Эти потенциалы описывают энергию, запасенную в результате взаимодействия частиц, и соответствуют концепции консервативной силы. Это означает, что полная механическая энергия системы остается постоянной, и работа, совершаемая силой взаимодействия, зависит только от начального и конечного положения частиц, а не от пути. Математически, потенциал взаимодействия $V(r)$ описывает зависимость потенциальной энергии от расстояния $r$ между частицами. Именно эти потенциалы определяют характер и силу взаимодействия, формируя основу для объяснения всех квантовых явлений в рамках детерминированной модели.

В рамках предлагаемой модели акцент на взаимодействие между частицами призван обеспечить более интуитивное и причинно-следственное понимание квантовых явлений. Традиционные интерпретации часто опираются на вероятностные описания и нелокальные эффекты, что затрудняет формирование ясной картины происходящего. Вместо этого, данная модель постулирует, что все квантовое поведение является результатом детерминированных взаимодействий, подчиняющихся второму закону Ньютона, и опосредованных тёмными частицами. Изучая природу этих взаимодействий, а не сосредотачиваясь на вероятностях, можно создать модель, которая более непосредственно связывает причины и следствия в квантовом мире, что способствует более глубокому пониманию наблюдаемых явлений.

От классической механики к квантовому предсказанию

Гамильтонова формулировка механики, оперирующая понятием действия $S$, обеспечивает переход от классического описания взаимодействий к квантовым предсказаниям. Действие, определяемое как интеграл от лагранжиана по времени, является центральным понятием, связывающим классическую и квантовую физику. В частности, принцип наименьшего действия утверждает, что физическая система эволюционирует по траектории, минимизирующей действие. Квантование этой величины через функциональный интеграл по траекториям позволяет получить амплитуду вероятности для перехода системы из одного состояния в другое, устанавливая прямую связь между классическим действием и квантовой амплитудой вероятности. Таким образом, гамильтонова формулировка, с её акцентом на действие, служит математическим мостом между детерминированной классической механикой и вероятностным квантовым миром.

Уравнение Гамильтона-Якоби, являясь основой для описания динамических систем в классической механике, позволяет вывести уравнение Шрёдингера при определенных условиях. Этот вывод достигается путем применения преобразований, учитывающих квантование энергии и волновые свойства частиц. В частности, замена классического действия $S$ на комплексное действие $S = i\hbar I$ и использование соотношения $p = \frac{\partial S}{\partial x}$ приводит к уравнению, эквивалентному уравнению Шрёдингера. Таким образом, квантовая механика возникает как предел классической механики, когда действие рассматривается в комплексно-значном пространстве, подчеркивая их фундаментальную связь и демонстрируя, что квантовое описание является частным случаем более общей классической структуры.

Волновая функция, являясь решением уравнения Шрёдингера, полностью описывает квантовое состояние частицы, определяя вероятность обнаружения частицы в конкретной точке пространства в определенный момент времени. Математически волновая функция, обозначаемая как $\Psi(r, t)$, содержит всю доступную информацию о состоянии частицы. Зная волновую функцию, можно вычислить любые физические величины, характеризующие частицу, например, импульс, энергию или вероятность нахождения частицы в заданном объеме. Именно благодаря волновой функции становится возможным предсказание поведения частицы, несмотря на присущую квантовой механике принципиальную неопределенность.

Модель частицы в потенциальной яме предсказывает квантованные уровни энергии, согласующиеся со стандартными результатами квантовой механики. В рамках данной модели вычислены периоды колебаний для различных энергетических состояний: $T_1 = 27.5$ пикосекунд, $T_2 = 6.88$ пикосекунд и $T_3 = 3.05$ пикосекунд. Эти значения соответствуют временным характеристикам, связанным с переходом частицы между квантованными энергетическими уровнями внутри потенциальной ямы и могут быть использованы для верификации модели и сравнения с экспериментальными данными.

Примирение интуиции и наблюдения: Новый взгляд

Предлагаемая модель представляет собой убедительную альтернативу традиционным интерпретациям квантовой механики, стремясь разрешить давние концептуальные парадоксы и способствуя более интуитивному пониманию квантового мира. В отличие от подходов, требующих отказа от классических представлений о реальности, данная модель основывается на детерминированных взаимодействиях, что позволяет избежать необходимости постулировать принципиальную недетерминированность природы. Подобный подход открывает возможность переосмысления фундаментальных принципов квантовой механики, предлагая новую перспективу на природу волновой функции и процесса измерения. Это, в свою очередь, может привести к более ясным и последовательным объяснениям квантовых явлений, делая их доступными для более широкого круга исследователей и способствуя развитию новых технологий, основанных на принципах квантовой физики.

Предлагаемая модель предоставляет основу для исследования границ классической механики и возникновения квантовых явлений, основываясь на детерминированных взаимодействиях. Вместо постулирования фундаментальной случайности, она предполагает, что кажущаяся непредсказуемость квантового мира возникает из-за сложности и скрытой природы этих взаимодействий. Такой подход позволяет переосмыслить привычные представления о природе реальности, рассматривая квантовое поведение не как нарушение законов физики, а как следствие их более глубокого и полного понимания. Исследуя пределы, где классические законы перестают быть адекватными, данная модель открывает возможности для разработки новых теоретических инструментов, способных объяснить сложные квантовые процессы, такие как запутанность и суперпозиция, без необходимости введения дополнительных, не поддающихся проверке постулатов.

Предлагаемый подход постулирует, что кажущаяся «квантовая странность» может быть не фундаментальным свойством реальности, а скорее следствием неполноты нашего понимания лежащих в основе взаимодействий. Вместо того, чтобы рассматривать волновое поведение частиц как нечто принципиально отличное от классической физики, данная модель предполагает, что наблюдаемые эффекты — такие как интерференция и квантовая запутанность — возникают из детерминированных, хотя и сложных, взаимодействий на более глубоком уровне. Таким образом, кажущаяся непредсказуемость квантового мира не является внутренним свойством природы, а отражает ограниченность наших инструментов и теоретических рамок для описания этих взаимодействий. Это позволяет предположить, что при более полном понимании базовых механизмов, «странности» квантового мира могут быть объяснены в рамках более целостной и интуитивно понятной картины реальности.

В знаменитом эксперименте с двумя щелями, при расстоянии между щелями в 100 нм и шириной щелей в 10 нм, предложенная модель демонстрирует впечатляющую точность в воспроизведении наблюдаемых интерференционных картин. Этот результат является ключевым подтверждением подхода, поскольку позволяет не только качественно, но и количественно описать поведение квантовых объектов. Модель успешно предсказывает характерное чередование максимумов и минимумов интенсивности, согласуясь с экспериментальными данными. Более того, анализ показывает, что интерференционная картина возникает не из-за волновой природы частиц, а вследствие детерминированных взаимодействий, что открывает новые перспективы для понимания фундаментальных принципов квантовой механики и её связи с классической физикой.

Предложенная работа демонстрирует, что кажущийся хаос квантового мира может быть результатом локальных взаимодействий частиц, подчиняющихся детерминированным законам. Этот подход, где макроскопические явления возникают из микроскопических взаимодействий, перекликается с идеей самоорганизации. Как заметил Вернер Гейзенберг: «В науке не существует абсолютной истины, а лишь постоянно уточняемые модели реальности». Исследование, фокусируясь на производном характере уравнения Шрёдингера из ньютоновских взаимодействий, подчеркивает, что порядок не требует архитектора, он возникает из локальных правил. Контроль над отдельными частицами иллюзорен, влияние, проявляющееся в формировании квантовых состояний, — реальность.

Куда Ведет Микроскопия?

Представленная работа, стремясь вывести уравнения квантовой механики из более фундаментальных, ньютоновских взаимодействий, неизбежно наталкивается на вопрос о границах редукционизма. Если кажущаяся случайностью квантовая неопределенность — лишь следствие локальных, детерминированных процессов, то где проходит грань между «истинным» хаосом и недостаточным знанием о начальных условиях? Попытки построить всеобъемлющую модель, контролирующую каждый микроскопический акт, кажутся тщетными — система, будучи живым организмом, сама создает порядок из локальных связей, не нуждаясь в архитекторе.

Очевидным следующим шагом представляется исследование нелинейных эффектов, возникающих при увеличении сложности системы. Смогут ли более сложные модели микроскопических взаимодействий объяснить наблюдаемые отклонения от стандартной квантовой механики, или же эти отклонения укажут на необходимость пересмотра самой концепции детерминизма? Важно понимать, что контроль — иллюзия, а влияние — реальность. Вместо стремления к абсолютному предсказанию, более продуктивным может оказаться поиск принципов, управляющих возникновением и эволюцией самоорганизующихся структур.

Наконец, остается открытым вопрос о связи между данной микроскопической моделью и другими попытками построения альтернативных интерпретаций квантовой механики. Сможет ли она предложить новые инструменты для решения проблем интерпретации, таких как коллапс волновой функции или квантовая запутанность? Или же она лишь добавит еще один слой сложности к уже существующей мозаике, подтверждая, что истина часто скрыта в многообразии перспектив.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2511.13748.pdf

Связаться с автором: https://www.linkedin.com/in/avetisyan/

Смотрите также:

2025-11-19 23:54