Принцип неопределенности в квантовой механике 12.11.2014

Квантовая механика представляет собой основу современной физики микромира и при всей своей парадоксальности прекрасно работает во всех известных ее разделах. Более того, из нее можно вывести и классическую физику (как предел квантовой механики, устремляя к нулю постоянную Планка h, определяющую за квантовые явления). Так что можно говорить о всеобщности законов квантовой механики. Но, несмотря на огромный успех, у нее есть существенный недостаток. Один из краеугольных камней квантовой механики, принцип неопределенности Гейзенберга (например, неопределенность в определении положения и импульса), не имеет никаких обоснований. Разумеется, практический успех - достаточное оправдание, чтобы принять это таинственное правило, но это не останавливает поисков физиками его объяснения.

Исследователи из Университета Южной Калифорнии, известный специалист в области теории струн профессор Ицхак Барс и его аспирант из России Дмитрий Рычков (окончил МГУ в 2005 году), предприняли попытку объяснить происхождение принципа неопределенности Гейзенберга, выведя его из струнной теории поля. Этот результат опубликован в журнале Physics Letters.

Как известно, теория струн была предложена в 1970-х годах для решения проблем квантовой гравитации и Стандартной модели. Успехи квантовой физики в описании трех негравитационных фундаментальных взаимодействий приводят физиков к мысли, что таким же образом может быть описано и гравитационное взаимодействие. Но, несмотря на активные исследования на протяжении многих десятилетий, квантовая теория гравитации до сих пор так и не создана.

Теория струн предполагает, что основная единица материи - микроскопическая струна (порядка планковской длины 10?35 м), а не точка, а что возможные взаимодействия материи представляют собой слияния или расщепления этих струн. Вот уже четыре десятилетия физики работают в этом направлении. Теория пережила два взлета-революции и периоды упадка. Трудность заключается в том, что нет никаких экспериментальных данных по теории струн. Эксперименты на таких маленьких масштабах в настоящее время за пределами технических возможностей науки. Из-за этого целый ряд физиков даже полагает теорию струн лишь "математическими фокусами". Работу ученых поддерживают надежды создать "теорию всего", а также ответить на вопросы, недоступные Стандартной модели, например, почему кварки и лептоны имеют электрический заряд, цвет и аромат, которые отличают их друг от друга, как определить из теории постоянную тонкой структуры 1/137 и ряд других постоянных и т. д.

Но до сих пор исследователи исходили из того, что теория струн создана в соответствии с квантовой механикой и работали только в направлении использования квантовой механики для попыток проверки струнной теории поля.

Авторы данной работы решили поступить наоборот. Предположив, что струнная теория поля верна, они использовали ее, чтобы попытаться подтвердить саму квантовую механику.

В работе, которая переформулирует струнную теорию поля на более ясном языке, Ицхак Барс и Дмитрий Рычков показали, что набор фундаментальных принципов квантовой механики, известных как "правила коммутации" (принципы неопределенности), могут быть получены из геометрии слияния и расщепления струн. Таким образом, вместо того, чтобы принять квантовые правила коммутации в качестве постулата, авторы получают их из физического процесса струнных взаимодействий.

Этот результат может послужить аргументом в пользу "физичности" теории струн. Ведь если с ее помощью удастся объяснить происхождение законов квантовой механики, то, по словам Ицхака Барса, это не только "может разгадать тайну, откуда исходит квантовая механика", но и откроет дверь для признания струнной теории поля, или пока еще не разработанного более широкого ее варианта, под названием M-теория, основой всей физики.