Przełomowe badania łączą dwa światy: fizykę klasyczną i kwantową
Przez dziesięciolecia fizyka klasyczna i mechanika kwantowa były postrzegane jako dwa odrębne porządki rządzące wszechświatem – jeden przewidywalny i intuicyjny, drugi pełen paradoksów, takich jak dualizm korpuskularno-falowy czy tunelowanie. Najnowsza praca naukowców z MIT i firmy Airbus, opublikowana w kwietniu 2026 roku, rzuca nowe światło na ten podział, sugerując, że fundamenty mechaniki kwantowej można wyprowadzić bezpośrednio z zasad klasycznych.
Nowy most między skalami
W artykule opublikowanym w czasopiśmie Proceedings of the Royal Society A, profesor Jean-Jacques Slotine z MIT oraz dr Winfried Lohmiller z Airbusa wykazali, że równanie Schrödingera – fundament mechaniki kwantowej – można rozwiązać w sposób ścisły, opierając się wyłącznie na klasycznej zasadzie najmniejszego działania (Hamiltona-Jacobiego).
Tradycyjnie uważano, że aby opisać obiekty w skali atomowej, należy porzucić klasyczne trajektorie na rzecz funkcji falowych i prawdopodobieństwa. Zespół Slotine’a i Lohmillera udowodnił jednak, że stosując klasyczne narzędzia do analizy gęstości płynu i dynamiki trajektorii, można uzyskać dokładnie te same wyniki, które daje mechanika kwantowa, bez konieczności wprowadzania dodatkowych, „dziwnych” postulatów.
Kluczowy składnik: klasyczna gęstość
Przełom polega na połączeniu klasycznego działania (action) z pojęciem gęstości prawdopodobieństwa traktowanej jak gęstość płynu w klasycznej hydrodynamice. Naukowcy pokazali, że:
- Zasada najmniejszego działania, która mówi, że rzucona piłka wybiera najkrótszą pod względem energii drogę, znajduje swoje odzwierciedlenie w ruchu cząstek kwantowych.
- Równanie ciągłości, znane z dynamiki płynów, pozwala opisać ewolucję gęstości prawdopodobieństwa w czasie.
Dzięki takiemu podejściu, zjawiska uznawane za czysto kwantowe, takie jak interferencja w doświadczeniu z dwiema szczelinami, można opisać jako interferencję klasycznych trajektorii ważonych ich gęstością.
Rozwiązanie zagadek: tunelowanie i atom wodoru
Badacze z powodzeniem zastosowali swój model do kilku klasycznych problemów mechaniki kwantowej:
- Doświadczenie z dwiema szczelinami: wykazano, że fala kwantowa powstaje z sumowania klasycznych ścieżek przechodzących przez obie szczeliny, co eliminuje potrzebę traktowania cząstki jako „rozmytej” w przestrzeni.
- Tunelowanie kwantowe: zjawisko przenikania cząstek przez bariery energetyczne, niemożliwe w tradycyjnej mechanice Newtona, zostało wyjaśnione poprzez klasyczną dynamikę gęstości, która pozwala na „przeciekanie” informacji o stanie cząstki przez barierę.
- Atom wodoru: zespół był w stanie wyprowadzić funkcję falową elektronu w atomie wodoru, opierając się na modelach zbliżonych do klasycznych orbit planetarnych, wzbogaconych o analizę gęstości płynu.
Implikacje dla przyszłości technologii
Odkrycie to ma nie tylko znaczenie teoretyczne, ale może zrewolucjonizować inżynierię:
- Obliczenia kwantowe: zrozumienie kwantowej natury bitów (kubitów) za pomocą klasycznych narzędzi może ułatwić projektowanie bardziej stabilnych procesorów kwantowych.
- Fizyka obliczeniowa: nowa metoda jest prostsza obliczeniowo niż całki po trajektoriach Feynmana, co pozwala na szybsze symulowanie układów kwantowych.
- Grawitacja kwantowa: stworzenie matematycznego pomostu między mechaniką klasyczną a kwantową przybliża nas do spójnej teorii łączącej ogólną teorię względności z fizyką mikroskali.
Świat kwantowy znacznie mniej tajemniczy
Praca Lohmillera i Slotine’a sugeruje, że „dziwność” kwantowa nie wynika z innej natury rzeczywistości w mikroskali, lecz z faktu, że dotychczasowe narzędzia matematyczne nie w pełni wykorzystywały potencjał fizyki klasycznej.
„Nie twierdzimy, że mechanika kwantowa jest klasyczna w sensie makroskopowym” – wyjaśnia prof. Slotine. „Pokazujemy jednak, że można ją opisać za pomocą klasycznych narzędzi, co czyni świat kwantowy znacznie mniej tajemniczym”.
Opublikuj komentarz