100 лет считали: нет энергии — нет движения. Квантовый мир сказал "неправильно"

Впервые ученым удалось измерить, с какой скоростью движутся квантовые частицы в «запрещённой» зоне — там, где классическая физика не допускает их существования. Исследование, опубликованное в Nature , показало: чем ниже энергия частицы, тем выше её скорость внутри потенциального барьера. Это открытие ставит под сомнение один из столпов альтернативной интерпретации квантовой механики — бомовскую механику.

Эксперимент проводился в оптическом микрорезонаторе, где фотоны ведут себя как двумерные массивные частицы. Инженеры создали систему из двух волноводов, между которыми могли туннелировать фотоны. Важно, что переход из одного волновода в другой происходил с известной скоростью — это и позволило превратить поперечный перенос в «часы», по которым исследователи измеряли продольную скорость фотонов.

Когда фотоны сталкивались с потенциальной ступенью — барьером, который должен был их полностью отражать, — часть из них проникала в него и экспоненциально затухала. Оказалось, что внутри барьера, где кинетическая энергия становится отрицательной, фотоны двигались тем быстрее, чем меньше была их энергия. Такая зависимость нарушает привычные представления: в классике или даже в бомовской интерпретации скорости частиц в этой зоне должны быть нулевыми.

Для проверки результатов авторы провели интерферометрический эксперимент . Он показал: фаза волновой функции в отражающей зоне практически не меняется — а значит, по Бому, частицы стоят на месте. Но измерения скорости через поперечный перенос говорят об обратном: движение есть, оно имеет определённую скорость и подчиняется универсальной зависимости.

Эта зависимость напоминает соотношение де Бройля, только для туннелирующих частиц: длина затухания волновой функции λ связана со скоростью как v=ℏ/(mλ)v = \hbar / (m \lambda)v=ℏ/(mλ). Также на её основе удалось точно воспроизвести время пребывания частиц внутри барьера — так называемое dwell time, которое оказалось конечным и хорошо согласуется с предсказаниями стандартной квантовой механики.

Более того, если следовать бомовской интерпретации, частицы с нулевой фазой не могут входить в барьер: у них нет тока, а значит, они просто застывают. Но наблюдения противоречат этому: частицы входят, движутся и выходят обратно, несмотря на отсутствие фазового градиента. А значит, бомовская картина, в которой движение определяется только фазой, не описывает реальные процессы при квантовом отражении.

Исследование не только вносит вклад в давний спор о времени туннелирования, но и показывает: амплитуда волновой функции — не просто вспомогательный элемент, а полноценный индикатор движения. Это может повлиять на будущее теоретической физики , особенно в вопросах интерпретации квантовой теории и поиске альтернатив стандартной модели.