From Wikipedia, the free encyclopedia
Pilootlaine teooria, tuntud ka kui Bohmi mehaanika, on üks (mitterelativistliku) kvantmehaanika tõlgendusi, mille esitas Louis de Broglie 1927 ja mille taasavastas David Bohm 1952 [1].
See artikkel ootab keeletoimetamist. (Juuli 2024) |
Teooria väidab, et nii osake kui ka laine eksisteerivad korraga ning osakesel on olemas pilootlaine, mis määrab osakese käitumise [2][3]. Sellega kaob laine-osakese duaalsus[1].
Bohmi mehaanikas kirjeldab osakeste süsteemi osaliselt Schrödingeri võrrandist tuletatud lainefunktsioon, mis annab vaid süsteemi osalise kirjelduse. Ning teisalt täiendab kirjeldust osakeste tegelike asukohtade kirjeldamine “juhtvõrrandi” järgi, mis väljendab osakeste kiirusi lainefunktsioonina. Seega pilootlaine teooria on deterministlik, mida juhib lainefunktsioon. Kui selle teooria alusel osake saadetakse kahe pilu seadmesse, määrab osakese fotoplaadile jõudmise asukoha ja osakese poolt läbitava pilu selle algne positsioon ja lainefunktsioon. Osake läbib ühe piludest, kuid osakeselaine, mida kirjeldab lainefunktsioon, läheb läbi mõlema pilu, luues interferentsimustri.[3][1]
Pilootlaine teooria on üks paljudest tõlgendustest kvantmehaanikas. Erinevalt näiteks Kopenhaageni tõlgendusest, millel mõõtmine on pöördumatu, või paljude-maailmade tõlgendustest, kus mõõtmine tekitab uue universumi, lisab pilootlaine teooria täiendava komponendina pilootlaine. [4][5][6][7]
Pilootlaine teooria on mittelokaalne teooria, mis hõlmab peidetud muutujaid. Pilootlaine teooria omab realismi kontseptsiooni – esineb objektiivne reaalsus, mis ei sõltu vaatlejast[8] ehk selle teooria kohaselt eksisteerivad sündmused vaatlejast sõltumatult. Teoorial on ka determinismi aspekt ehk sündmused on ettemääratud.
Pilootlaine teoorias peetakse osakeste asukohta peidetud muutujateks. Need on defineeritud omadused, mis tekivad koos lainefunktsiooniga. Asukohamuutujate täpne väärtus ei ole vaatlejale teada, sest iga mõõtmine tekitab häirituse. Osakeste positsioon on lainefunktsioonist sõltumatu ja neil on oma dünaamiline liikumine[3]. Vaatlejat ennast ei defineerita tema aatomite lainefunktsiooni abil, vaid aatomite positsiooni abil. Seega vaatleja näeb esemete positsioone, mitte nende lainefunktsioone.
Osakeste hulgal on assotsieerunud mateerialaine, mis tekib Schrödingeri võrrandi alusel. Iga osake järgib deterministlikku trajektoori, mida juhib lainefunktsioon. Ühiselt osakeste tihedus vastab lainefunktsiooni suurusele. Lainefunktsioon eksisteerib eraldiseisvana osakesest ega ole sellest mõjutatud. Seega saab lainefunktsioon eksisteerida ka tühja laine funktsioonina.
Pilootlaine teooria on mittelokaalne. Mittelokaalsuse puhul osakeste käitumine ei sõltu vaid osakeste otsesest ümbrusest, vaid ka kaugemate osakeste asukohtadest, juhul kui süsteemi lainefunktsioon on kvantpõimitud ehk see ei koosne üksikute osakeste lainefunktsioonide korrutisest [1]. Seega Bohmi mehaanika vastab Belli teoreemile, mis kinnitab mittelokaalsuse esinemist.
Bohmi mehaanika on sama teooria, kuid rõhk on asetatud osakeste liikumist juhtiva vooluhulga mõistele. Vooluhulk on määratud kvanttasakaalu hüpoteesi alusel, mis ütleb, et tõenäosus järgib Borni reeglit. De Borglie-Bohmi teoorias on põhifookuseks Langrangiani ja Hamilton-Jacobi võrrandid, seevastu Bohmi mehaanika peab esmaseks järjepidevusvõrrandit ja selle ikooniks on juhtvõrrand. Matemaatiliselt on Bohmi mehaanika ja de Broglie-Bohmi teooria samaväärsed, kuna kehtib Hamiltoni-Jacobi formuleering, mis kehtib spinnita osakeste korral.[9][1]
Lucien Hardy ja John Stewart Bell on rõhutanud, et de Broglie-Bohmi kvantmehhaanilises tõlgenduses saab eksisteerida nähtus, mida nimetatakse tühjadeks laineteks. Tühjad laineid on ajas ja ruumis levivad lainefunktsioonid, kuid ei kanna energiat ega impulssi. Albert Einstein nimetas sama kontseptsiooni „kummituslaineteks“. Tühja laine funktsiooni mõiste on vastuoluline, näiteks paljude maailmade tõlgenduses ei ole tühja laine funktsiooni vajadust.[10][11]
Hüdrodünaamiline kvantanaloog pilootlaine tõlgendusele oleks vedelikutilga hüplemine vibreerival veevannil. Vedelikutilk „kõnnib“ pinnal ehk ei hüple statsionaarses positsioonis, kuid võib liikuda sirgjooneliselt või kaootiliselt. Kui tilk interakteerub veepinnaga, tekitab see laine. Kui pinnakiirendus on piisavalt suur, ei lagune kokkupõrkel tekkivad lained kohe, deformeerides pinda sel viisil, et stabiliseerivatest jõududest ei piisa tilga paigal hoidmiseks. Seetõttu hakkab tilk “kõndima”. Perioodi jooksul moodustub muster. [12][13][14][15]
Kahe pilu katse demonstreerib laine-osakese duaalsust ning kahe pilu katset kasutatakse sageli illustreerimaks erinevusi ning sarnasusi mitmete kvantmehhaanika tõlgenduste vahel.
Katses juhitakse osakesi läbi barjääris oleva kahe pilu. Pilusid läbinud osakesi detekteerib ekraan pilude taga. Kui valgusel oleks osakese omadused, tekiks ekraanile pilude projektsioon. Kuid pärast pilude läbimist tekib ekraanile interferentsipilt, mis viitab, et valgusel on laine omadused, kuna valguslained interfereerusid üksteisega, luues heledamad ja tumedamad alad ekraanile. Samal ajal koosneb interferentsimuster varieeruva tihedusega esinevatest täpikestest. Katsetulemus illustreerib seega osakestel olevat valguse omadusi interferentsi pildi tekkimise näol, kui ka osakeste omadusi, mida tõestavad täpikesed ekraanil.
Modifitseeritud eksperimendi korral, kui üks pilu on suletud, ei teki interferentsimustrit, mille alusel saame järeldada, et mõlema pilu olemasolek mõjutab tulemusi.
Kui lisada kahe pilu katsele minimaalselt invasiivne detektor tuvastamaks, millise pilu osake läbis, kaob samuti interferentsimuster (“which-way experiment”). Interferentsimustri kadumine on seotud Bohmi mehaanikaga – läbitava pilu tuvastamine sisaldab interaktsiooni teise süsteemiga, seega uuritav süsteem ei saa olla kinnine süsteem, vaid suurema kinnise süsteemi alasüsteem. Sel juhul tekib lainefunktsiooni kollaps[16][1].
Kopenhaageni tõlgendus kvantmehaanikas väidab, et kui puudub detektor või mõõteseade pilude juures, on ka osakeste asukoht määramatu. Kuid detektori interaktsioon pilude juures osakesega põhjustab lainefunktsiooni kollapsi, mõõtmise tulemusena määratakse osakese asukoht, misjärel kaob osakese superpositsioon ja interferentsimustrit ei teki. [6]
Pilootlaineteooria annab alternatiivse seletuse osakeste käitumisele interferentsikatses. De Broglie-Bohmi teooria väidab, et osakesed liiguvad pilootlaine juhtimisel selgelt defineeritud trajektooridel ja osakeste kiirused määrab lainefunktsioon. Osake ise läbib täpselt ühe pilu, kuid osakese pilootlaine, mis osakest juhib, läbib mõlemad pilud. Osakese lõpp-positsioon detektorekraanil ning pilu, mille osake läbis, on määratud osakese algpositsiooniga. Algpositsioon ei ole teada ega kontrollitav, seega tundub detektsioonimuster olevat juhuslik.
Bohm pakkus 1952 välja, et lainefunktsioon konstrueerib kvantpotentsiaali, mis annab osakeste trajektooridele voo läbi kahe pilu. Bohm kirjeldas, et osake omab lainefunktsiooni, mis läbib mõlemad pilud. Seesama lainefunktsioon tekitab interferentsi iseendaga. Lainefunktsioon juhib osakese kvantpotentsiaali abil piirkonda, kus interferents on konstruktiivne ning mööda piirkonnast, kus interferents on destruktiivne. Seetõttu tekib interferentsimuster detektorekraanile. [1][17]
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.