Проблема Мотта представляет собой классическую загадку квантовой механики, которая впервые была сформулирована в 1927 году Альбертом Эйнштейном и Максом Борном и решена в 1929 году Невиллом Франсисом Моттом. Суть проблемы заключается в том, что квантовая теория предсказывает для альфа-частиц исходящих из радиоактивного распада сферически симметричную волновую функцию, однако на практике на экране камеры Вильсона наблюдаются чёткие линейные треки. Эта кажущаяся парадоксальность состояла в противоречии между теоретическим представлением волновой функции и тем, как частицы проявляются в измерениях, а решение Мотта оказало ключевое влияние на развитие квантовой теории измерений и декогеренции. Чтобы понять суть проблемы, важно вспомнить, что альфа-частица, испускаемая атомным ядром при радиоактивном распаде, излучается в форме сферической волны – то есть в теории, вероятность её обнаружения равномерно распределена по всем направлениям. Но экспериментальные данные из камер Вильсона, специальных приборов для визуализации следов заряженных частиц, показывают, что альфа-частица оставляет узкую, прямолинейную цепочку ионизированных капелек пара или газа, а не хаотично разбросанные точки.
На первый взгляд, такое поведение кажется невозможным с точки зрения базовой квантовой механики. Решение этой загадки было тесно связано с более глубоким пониманием взаимодействия квантовой системы с окружающей средой. Традиционное объяснение в те годы опиралось на идею коллапса волновой функции – при каждом взаимодействии с атомом газа волновая функция якобы "схлопывалась" в одном конкретном месте, формируя траекторию. Однако такой подход сталкивался с философскими и техническими трудностями, поскольку не объяснял природу и механику самого коллапса. Невилл Мотт предложил радикально иной взгляд, который базировался исключительно на уравнении Шредингера и не требовал постулирования коллапса.
Его анализ строился на рассмотрении полной системы из альфа-частицы и нескольких атомов газа в камере. Мотт взял пример с двумя атомами, расположенными в пространстве относительно источника, и сформировал волновую функцию, учитывающую состояние частиц и атомов одновременно. Таким образом, волновая функция представлялась как совокупность всех возможных состояний системы – как состояние альфа-частицы, так и возбуждённые или не возбужденные энергетические уровни этих атомов. Ключевым моментом в решении Мотта стало использование так называемого приближения Борна, позволяющего описать столкновение альфа-частицы с атомами газа как слабое возмущение. Благодаря этому он показал, что вероятность возбуждения атомов, а значит, образования капель пара, будет существенно возрастать только вдоль определённой прямой, проходящей от источника через эти атомы.
Если атомы не лежат на одной линии, вероятность их одновременного возбуждения стремится к нулю. Так на практике образуется цепочка ячеек, возбуждающихся последовательно вдоль прямой – что и приводит к наблюдаемым линейным трекам. Это объяснение является первым в истории примером того, что сейчас называют квантовой декогеренцией – процесса, в котором квантовая система, взаимодействуя с окружающей средой, «теряет» свои когерентные суперпозиции и приобретает классические свойства без необходимости драматического коллапса волновой функции. Вклад Мотта в теорию квантовых измерений был бесценен, поскольку он показал, как классическая картина может возникнуть из чисто квантовых уравнений в сложной многотельной системе. История исследования этой проблемы глубоко связана с именами таких великих учёных, как Борн, Эйнштейн, Паули и Гейзенберг.
Определённый интерес представляет и обсуждение на пятой Солвеевской конференции 1927 года, где Борн представил идею «редукции пакета вероятностей» – прообраз понятия коллапса волновой функции, которую в дальнейшем активно критиковали и перерабатывали. Паули, к примеру, выступал за полный квантово-механический расчёт всей системы с включением среды. Гейзенберг в своей книге 1930 года также подробно разбирал эту проблему, делая акцент на эквивалентности различных версий коллапса при измерениях. Позже Чарльз Галтон Дарвин продолжил линию Мотта, рассматривая все дополнительные степени свободы в волновой функции системы и предвосхитив современные представления о взаимодействии системы с окружением и возникновении классической реальности через декогеренцию. Его подход оказал серьёзное влияние на формирование современной интерпретации квантовой теории.
Современные учёные активно используют подход Мотта в прикладных исследованиях. Прежде всего, его методология нашла применение в квантовой теории декогеренции, сформированной в 1980-х годов такими исследователями, как Эрих Джоос и Ханни Спенцер (H. Dieter Zeh). Анализ Мотта используют для понимания влияния окружающей среды на сохранение квантовой когерентности в самых разнообразных системах — от элементарных частиц до макроскопических объектов. Также проблема Мотта имеет значение и в астрофизике с космологией.
В масштабах Вселенной механизмы, похожие на описанные Моттом, применяются для осмысления перехода от квантового хаоса на ранних этапах космического развития к классической структуре мирового пространства. Такие исследования проливают свет на фундаментальные вопросы о природе измерения и о реальности квантовых состояний в масштабах всей Вселенной. Пример с альфа-частицами и камерами Вильсона в рамках проблемы Мотта служит ярким свидетельством внутренней гармонии квантовой теории. Он демонстрирует, что несмотря на абстрактную природу волновых функций, квантовая механика способна объяснить наблюдаемые в эксперименте классические явления без обращения к «таинственным» постулатам. Вместо этого всё сводится к сложному взаимодействию системы с окружающей средой и формированию вероятностных корреляций между частями целого.
Таким образом, феномен линейных треков альфа-частиц в камер Вильсона, долгое время вызывавший вопросы, стал ядром одного из первых успешных примеров квантового описания измерений и основания для развития концепции декогеренции. Вклад Невилла Мотта долго остаётся актуальным и сегодня, вдохновляя исследователей на глубокое понимание перехода от квантового к классическому. Проблема Мотта не только позволила устранить фундаментальное противоречие в понимании корпускулярно-волнового дуализма, но и стала ключевым элементом в продвижении квантовой теории измерений как области, объединяющей математику, физику и философию науки. Она подчёркивает важность комплексного подхода к изучению квантовых систем, рассматривающих их как неотъемлемую часть окружающей среды, что обеспечивает более реалистичное описание экспериментальных результатов. В настоящее время, исследование таких явлений продолжается с использованием современных вычислительных возможностей и экспериментальных установок, позволяющих более точно моделировать взаимодействия квантовых частиц с большим числом окружающих элементов.
Знания, полученные благодаря проблеме Мотта, находят отражение в разработках квантовых технологий, включая квантовое моделирование, квантовые сенсоры и квантовую информатику, где управление декогеренцией и понимание эффекта измерений имеют решающее значение. В заключение, проблема Мотта является важнейшей вехой в истории квантовой физики, позволяющей понять механизм формирования классических наблюдаемых из квантовых основ. Её решение открывает двери к новым теориям и технологиям, соединяя в себе глубокие физические концепции и практические приложения.
