Три капли для оживления физики

( Декабрь 2019, idb )

Занятное и совершенно случайное, казалось бы, совпадение по времени двух не самых заметных событий в науке – как повод обратить внимание на Процесс. Важный процесс очень больших перемен, тихо и неприметно идущих в фундаментальной науке.

Два одновременных события, послуживших поводом для этого текста, хотя и имеют вполне отчетливую тематическую взаимосвязь, произошли в совершенно разных странах и абсолютно независимо друг от друга. Иначе говоря, их совпадение по времени тут чисто случайное – согласно всем общепринятым критериям для того, что вообще трактуется наукой как случайности.

С другой стороны, есть известная околонаучная теория Карла Густава Юнга – о так называемых синхрониях. Где синхрониями именуются события нашей жизни, внешне никак не связанные на уровне причинно-следственных связей, однако демонстрирующие не только отчетливую когерентность, то есть взаимную согласованность друг с другом, но и более того, способные вполне ощутимо структурировать общий ход событий на более крупном, глобальном – или иначе нелокальном – масштабе.

История, рассказываемая здесь, как раз и будет посвящена именно такого вот рода вещам. Тому, как «случайно синхронные» и очевидно независимо происходящие события науки глобально структурируют и взаимно согласовывают всякие локальные процессы, происходящие на существенно разных направлениях научных исследований.

Событие первое – конкурс научных фотографий, ежегодно устраиваемый британским Королевским обществом (или национальной Академией наук, в более привычной для всех терминологии). В декабре были подведены итоги конкурса-2019 и выбран, соответственно, победитель – та самая фотография трех капель, что помещена в заголовке статьи. О том, что она изображает в научном смысле, сопутствующий комментарий рассказывает так:

Победитель конкурса – фотография «Квантовые капельки», автор Aleks Labuda. Данная фотография дает представление об экспериментальном доказательстве теоретической работы в области гидродинамических аналогов для квантовых эффектов.

Эти капельки силиконового масла подпрыгивают сколь угодно долго на поверхности бассейна силиконового масла, вибрирующего с частотой 15 Герц. Те волны, что порождаются на поверхности жидкости этими капельками, оказываются аналогичны квантово-механическим волнам, направляющим динамику поведения квантовых частиц. Так что в движениях своих прыгающие капельки подобны квантовым частицам, а в поведении своем они подобны квантовым волнам.

Волновые поля, порождаемые капельками, играют роль посредников как в их взаимодействиях с окружающей средой и друг с другом, так и даже во взаимодействиях с самими собой – подобно тому, как ведут себя одиночные электроны, интерферирующие сами с собой в эксперименте с двойной щелью.

Данный феномен прыгающих капелек был открыт в 2005 году Ивом Кудэ (Университет Париж Дидро) и знаменует собой первую для реального мира демонстрацию теории волны-пилота, предложенной Луи де Бройлем в 1927 году. Это поведение предоставляет не только интуитивно понятный, но и поддающийся измерениям подход к загадкам корпускулярно-волновой двойственности.

Общедоступно изложенный рассказ с подробностями как об открытии феномена прыгающих капель, так и о его несомненной важности для науки, можно найти в тексте «Квантовая физика как она есть» . Здесь же в процитированном «представлении победителя» следует обратить внимание на слова о том, будто теорию пилотной волны предложил Луи де Бройль в 1927 году. Данное утверждение нельзя считать полностью корректными, коль скоро сам этот термин, pilot-wave, появился лишь четверть века спустя, в 1952. И ввел его в физику совсем другой теоретик, Дэвид Бом.

Но коль скоро Бом по сути дела переоткрыл и математически развил те же самые отвергнутые и забытые всеми идеи, что были предложены де Бройлем в 1920-е годы, то объясняется эта некоторая путаница в терминологии вполне естественно. На сегодняшний день, однако, спустя еще почти 70 лет после публикаций Дэвида Бома подобные нюансы представляются уже несущественными.

Куда более существенным оказывается то, что собственно ИДЕЯ двух теоретиков – о более внятном и наглядном подходе к загадкам квантовой физики через гидродинамику с её каплями и волнами – идея эта вплоть до сегодняшнего дня не только не признана верной и самоочевидной, но и продолжает трактоваться большинством как сомнительная в своей полезности…

Как же такое (спросит кто-то) вообще возможно? Ведь ясная идея «волны и капли», причем не только полностью соответствующая уравнениям квантовой механики, но и наглядно подтверждаемая несложными настольными опытами, упорно отвергается в угоду такой мутной интерпретации, которая вообще ничего объяснить внятно не способна, фактически. А просто заявляет, что вопросы об особо темных и неясных местах квантовой теории спрашивать «не положено». Ибо математика формул – это и есть окончательный ответ науки для непостижимых загадок природы…

Намного более подробный и развернутый ответ большой науки на исходный наивный вопрос – как же такое возможно? – дает обзорная статья в свежем выпуске российского журнала «Успехи физических наук» (Белинский А В, «О концепции «волны-пилота» Дэвида Бома», УФН 189 1352–1363, 2019 ). Это, собственно, и есть «событие второе» из синхроний декабря 2019.

Здесь, конечно же, нет никакого смысла пересказывать содержание работы, свободно доступной для всех на официальном сайте издания и в известном стиле «Методические заметки» разбирающей историю столетних уже, считай, хождений физиков вокруг хорошей идеи, так и не ставшей общепринятой. Но непременно следует, однако, обратить внимание на самую последнюю, десятую главу этой статьи, где вкратце рассказано о новейших вариантах развития для теории де Бройля–Бома в XXI веке.

Причем особо пристального внимания в этой финальной главе заслуживают три самые неприметные вещи:

  • (1) то, что в основной текст статьи не вошло, но сообщается в сноске-примечании;
  • (2) то, что дословно цитируется из важной работы – но без кавычек и без указания на источник цитаты;
  • (3) то действительно новое, наконец, что в явном виде не называется вообще никак, хотя по смыслу слов, используемых для описания «этого» в статье, присутствует совершенно определенно…

Каждый из этих моментов имеет смысл разобрать чуть подробнее. Ибо в них, собственно, и заключается суть процесса. Незаметного процесса Великих Перемен в фундаментальных основах физической науки.

(1) То, что убрано из основного текста в сноску

В центре рассказа главы 10 – сравнительно недавняя разработка австрийского теоретика Герхарда Грёссинга, который математически показывает, что базовые уравнения квантовой механики можно выводить из классических по своей сути представлений. Или, выражаясь чуть иначе, из соображений здравого смысла – когда для особо мутных и абстрактных идей квантовой физики можно, оказывается, подыскивать внятные-понятные механические модели и аналогии.

Среди наиболее привлекательных аспектов модели Грёссинга имеются как сугубо теоретические, так и наглядно экспериментальные. О теоретических плюсах модели рассказано в основном тексте методической статьи УФН (про полное соответствие итоговых уравнений, выводимых из существенно иных соображений, давно известным уравнениям вроде волновой функции Шрёдингера и волны-пилота Бома). А вот плюсы экспериментальные, напрямую соотносящие модель Грёссинга и пилотную волну с прыгающими каплями-ходоками от Ива Кудэ и Эммануэля Фора, почему-то убраны в сноску.

Цитируя соответствующий фрагмент статьи, сделано это так:

[Выводя из классических соображений новое описание субквантовых процессов и макроскопическое уравнение диффузии,  Грёссинг получает уравнение, в точности совпадающее с уравнениями Бома для волны-пилота.] Важную роль в этой картине играет собственная частота частицы, которая резонирует во всем объеме с частотой вакуумных колебаний.[здесь сноска] …

[Текст сноски] Сравните с постоянством частоты вибрации (то есть подпитки энергией) для всего объема жидкости в экспериментальном поддоне в макроскопических опытах группы Кудэ с «блуждающими капельками», получившими широкую известность ввиду сильной аналогии между ними и основными квантовыми эффектами движения. В частности, возникающие там волны также имеют диффузионный характер.

Дабы сразу стало ясно, что наглядные опыты с прыгающими каплями в вибрирующем поддоне играют для модели Грёссинга действительно большую роль, имеет смысл указать на одну из наиболее свежих его с коллегами работ 2018 года, Vacuum Landscaping: Cause of Nonlocal Influences without Signaling (arXiv:1806.05466). Где отчетливые взаимосвязи новой теории как с идеями де Бройля-Бома, так и экспериментами Кудэ-Фора показаны явно и с подобающими деталями.

На эту работу, впрочем, нынешняя статья в УФН не ссылается никак. Но еще более важным и существенным представляется отсутствие ссылки на другую статью совсем иного автора. По той уже причине, что данная работа цитируется здесь обильно и дословно – но вообще без её упоминания.

(2) То, что цитируется без ссылок на источник

В тексте главы 10 «Модель Гроссинга» неоднократно и как нечто общеизвестное упоминается феномен физики под названием «диффузионные волны». Но если вы захотите уточнить, что это такое, то обнаружите нечто неожиданное.

В тексте русскоязычной Википедии, к примеру, про этот феномен нет ничего. Более того, абсолютно ничего про «diffusion wave» вам не сообщит и самый большой-всеобъемлющий англоязычный Wikipedia-раздел всемирной энциклопедии, где собраны, казалось бы, сведения уже почти обо всём. И совсем уж странно выглядит то, что даже специализированный научный журнал «Успехи физических наук» среди великого множества своих статей за многие десятилетия своего существования также не находит хоть что-то содержательное про диффузионные волны…

Все эти странности вовсе не означают, конечно же, что в бескрайних просторах интернета трудно найти информацию на данный счет. Диффузионные волны – это очень давно, еще с XIX века известный феномен физики. Вот только непростая судьба его сложилась таким образом, что со второй половины века XX-го наиболее глубокими-серьезными исследованиями данной темы занимались в основном ученые секретные, работающие в областях вроде физики нейтронов или освоения космоса.

Ну а ученым открытой науки и промышленности, соответственно, очень многое из уже известного пришлось переоткрывать самостоятельно. Своего рода итоговая обзорная статья об успехах открытой науки на данном направлении, «Диффузионные волны и их применения», была опубликована в августе 2000 года Андреасом Манделисом, канадским физиком греческого происхождения (Andreas Mandelis, «Diffusion Waves and their Uses». Physics Today 53, 8, 29. 2000 ).

Поскольку происходило это еще до известных событий 11 сентября 2001 (после которых история XXI века пошла сильно не туда), статья Манделиса вызвала в научном сообществе не только заметный резонанс, но и множество воспоминаний от ветеранов секретной физики, где они рассказывали про открытие тех же самых вещей несколькими десятилетиями ранее. Фрагменты этих воспоминаний можно найти в другом, чуть более позднем выпуске того же журнала: «Many Uses for Diffusion Waves». Physics Today 54, 3, 100 (2001) .

В годы после 2001, правда, – на фоне вновь нараставшей секретности и общей истерии вокруг «угроз терроризма» – поднятая было тема государственных научных тайн стала звучать все глуше и глуше. Но как бы там ни было, примечательная работа Манделиса уже успела прочно и навсегда войти в ценнейший фонд научных знаний. А здесь, соответственно, надо процитировать те моменты работы, что особо важны для нашего рассказа о прыгающих каплях.

«У диффузионных волн нет волновых фронтов, их нельзя фокусировать в пучок, и они не распространяются очень далеко. Однако, они формируют базис сразу для нескольких новых и революционных технологий. [ … ]

Дальнейшее исследование уравнений диффузионной волны приводит к физическим артефактам бесконечной скорости распространения поля, хотя и с исчезающе малой амплитудой в местах, находящихся далеко от источника. Это крайне странное свойство, но оно очень хорошо соотносится с результатами экспериментов и приводит к неожиданным пертурбациям-возмущениям в масштабе всей области сразу. [ … ]

Поскольку распространение происходит мгновенно, в уравнении нет никаких бегущих волн, никаких волновых фронтов, и никакой фазовой скорости. Вместо этого все пространство как бы «дышит» в одной фазе с осциллирующим источником. В мире диффузионных волн есть только пространственно коррелированные фазовые лаги-задержки, определяемые длиной диффузии. А в изотропной среде нет никакой направленности поля; в отличие от ультразвуковых или лазерных лучей, пучки диффузионной волны не могут быть запущены в каком-то конкретном направлении.

Но наиболее, быть может, интригующий аспект диффузионных волн – и это именно то, что лежит в сердцевине их практических приложений – это то, что они предлагают относительно простой инструмент для порождения пространственной когерентности в случайных ансамблях диффузионной энергии или частиц. »

Дабы ясно и понятно для всех соотнести физику диффузионных волн с феноменом прыгающих капель, достаточно указать на простой и наглядный факт – из опытов с вибрирующим поддоном. Хотя все капли прыгают на поверхности масла сами по себе и вроде бы случайно, вся физика их движений оказывается взаимно согласованной – когерентной – с частотой вибраций поддона. Причем эта взаимная согласованность движений никак не зависит от расстояний между частицами – то есть «распространяется мгновенно»…

(3) То, что подразумевается, но не называется

В главе 10 разбираемой здесь статьи из УФН имеется, в частности, такой абзац, цитируя его дословно:

« … Следует обратить внимание на нелокальные свойства диффузионных волн. Так как «скорость их распространения» не ограничена, исходное уравнение не приводит ни к бегущим волнам, ни к волновым фронтам, ни к фазовой скорости. Скорее, целая область как будто дышит в фазе с осциллирующим источником. В мире диффузионных волн существуют только пространственно коррелированные фазовые лаги, определяемые диффузионной длиной. »

Для всех, кто знаком теперь с общим контекстом, совсем несложно, наверное, заметить, откуда позаимствованы данные фразы. Однако здесь пора обратить внимание уже не на статью-первоисточник, а на очень важные слова о пространстве, которое «дышит» в фазе с равномерно осциллирующим источником волн.

Ибо эта важная фраза – по сути дела мост к существенно новой области физической науки, быстро и успешно развивающейся в XXI веке под общим названием физика живой или активной материи. В качестве общедоступного, популярно изложенного введения в эту тему можно порекомендовать такие тексты: Живая физика сверхтекучести (и при чём здесь гравитация)  ; Истории прыгающей капли (и при чём тут квантовая физика) ; Бессмертные квантовые частицы (и при чём тут биология).

В качестве намного более серьезного и обстоятельного материала в тему имеется свежий обзор одного из конкретных направлений – от его ведущего исследователя: Арансон И С «Топологические дефекты в активных жидких кристаллах» УФН 189 955–975 (2019).

Ну а для того, чтобы сформировалось развернутое представление о важности новых идей для общего прогресса в физической науке, вполне подойдут три таких текста. Три текста о наиболее примечательных аспектах квантовой биологии частиц: про их дыхание , про метаболизм  и про симбиоз .

В своей же совокупности все эти идеи медленно, но верно перемещают концепцию живой материи (неразрывно связанной с живым пространством) в самую сердцевину фундаментальной науки об устройстве природы. Именно в этом, собственно, и заключается нынешний неприметный процесс «оживления физики».

Так что всем нам, как ни крути, выпало жить в действительно великое время перемен.

С чем и хочется всех поздравить…

# # #

Дополнительное чтение:

Квантовая физика как она есть

Живая физика сверхтекучести (и при чем тут гравитация)

Истории прыгающей капли (и при чём тут квантовая физика)

Бессмертные квантовые частицы (и при чем тут биология)

Квантовая Биология Частиц (Дыхание)

Метаболизм в биофизике квантовых частиц

Первый универсальный ключ (Симбиоз в основах нуклеосинтеза)

# #

Основные источники:

Royal Society Publishing Photography Competition (2019 winners)

Белинский А В, «О концепции «волны-пилота» Дэвида Бома», УФН 189 1352–1363, 2019 https://ufn.ru/ru/articles/2019/12/f/

Gerhard Groessing, «On the Thermodynamic Origin of the Quantum Potential», Physica A 388 (2009) 811-823, arXiv:0808.3539

Gerhard Groessing, Siegfried Fussy, Johannes Mesa Pascasio, Herbert Schwabl. «Vacuum Landscaping: Cause of Nonlocal Influences without Signaling». arXiv:1806.05466

Andreas Mandelis, «Diffusion Waves and their Uses». Physics Today 53, 8, 29 (2000); https://doi.org/10.1063/1.1310118

«Many Uses for Diffusion Waves». Physics Today 54, 15 (2001): https://doi.org/10.1063/1.4796271 ; https://doi.org/10.1063/1.4796264 ; https://doi.org/10.1063/1.4796266