Прыгающие капли масла вернули к жизни альтернативу квантовой теории
Силиконовая капляКадр из видео: Dan Harris и John Bush/MIT
Физики описали поведение прыгающих капель жидкости теорией, которая претендовала на роль альтернативы квантовой механике, но была отвергнута. Изучение прыгающих капель показало, что концепцию волн-пилотов рано сбрасывать со счета по крайней мере для некоторых макроскопических систем. Подробности приведены в статье американских ученых из Массачусетского технологического института и специалистов из Датского технологического университета в журнале Physics of Fluids, а кратко о работе рассказывает EurekAlert со ссылкой на Американский институт физики.
Открытие прыгающих под действием вибрации капель было сделано еще в 2005 году. Французские исследователи из университета Париж-7 во главе с Ивом Кудером обнаружили, что если взять неглубокую емкость с силиконовым маслом и заставить ее совершать колебания в вертикальной плоскости, то при определенной частоте и амплитуде колебаний от поверхности масла отделяется прыгающая по поверхности капля. Эффект сначала был описан с позиций классической механики, однако через некоторое время ученые заметили, что такие капли можно описать и с использованием тех методов, которые обычно используются для описания квантовых объектов.
Феномен активно изучался на протяжении восьми лет разными группами исследователей, причем в ходе этих работ ученым удалось даже продемонстрировать эффект интерференции с единичной частицей, который в большинстве учебников фигурирует как исключительно квантовое явление. Однако в новой работе американо-датского коллектива речь идет не о квантовой механике, которая сформировалась в XX веке, а о концепции, которая разрабатывалась в 1920-х годах как альтернатива привычной современным физикам квантовой теории.
Теория волны-пилота является квантовой механикой (в ней есть все те же явления с квантованием физических величин) с так называемыми скрытыми параметрами. Она была впервые предложена Луи де Бройлем в 1927 году и в ней волновые функции возникают в результате некоторых волн, которые могут либо проявлять себя в виде реальных частиц, либо существовать сами по себе. Наличие в этой теории пустых волн, а также возникновение нелокальности, то есть появление в ней дальнодействия, привело к тому, что от концепции волны-пилота со временем отказались. Однако так как прыгающие по силиконовому маслу капли не являются квантовыми частицами, то накладываемые на квантовые теории ограничения в данном случае неприменимы: например, ничто не мешает волне на поверхности перемещаться без капли.
Исследователи показали, что капли масла можно описать при помощи волн-пилотов. Кроме того, ученым удалось выяснить, что и с точки зрения классической механики колебания ванночки с маслом представляют собой пример много более сложной системы, чем считалось ранее. Варьируя частоту и амплитуду колебаний физики обнаружили, что капли могут вести себя разным образом: в одном случае они прыгают с частотой вдвое меньше частоты колебаний жидкости, в другом они чередуют короткие и длинные прыжки и в третьем режиме подскакивания капель носят беспорядочный характер. Волны на поверхности при этом играют роль тех самых волн-пилотов, которые были предложены де Бройлем в своей теории.
По мнению физиков, в полной мере потенциал прыгающих капель как средства изучения квантовых моделей еще не раскрыт. Ученые рассчитывают продолжить работу для того, чтобы понять то, какие квантовые явления могут иметь место среди макроскопических объектов.
