Краткая история квантовых альтернатив +19


«Копенгагенская» квантовая механика говорит, что реальность не существует, пока она не измерена, поэтому многие продолжают искать альтернативы этой интерпретации



В 1915 году Альберт Эйнштейн с помощью своих друзей разработал теорию гравитации, перевернувшую всё то, что мы считали самим фундаментом физической реальности. Мысль о том, что населяемое нами пространство не может быть совершенно описано евклидовой геометрией, была непостижимой; настолько, что философ Иммануил Кант, во многих смыслах радикальный мыслитель, заявил, что никакая теория физики не сможет с ней справиться.

Позже физик Вернер Гейзенберг указал на смысл ошибки Канта. Великий философ постулировал, что наше интуитивное понимание древней геометрии Евклида означало, что она была необходимым основанием физической реальности. На самом деле это оказалось неверным, поставив под вопрос всю философскую систему Канта.

Несмотря на радикальный разрыв с прошлыми представлениями о пространстве и времени, теории Эйнштейна вскоре соединились с идеями Ньютона как часть "классической физики". Человечество вынуждено было это сделать, потому что революция научной мысли оказалась столь глубокой, что создала яркий след в истории науки: разработку теории квантовой физики.

Что можно назвать научной революцией более глубокой, чем общая теория относительности? Что могло создать тектонический сдвиг, более мощный, чем идея о том, что сами пространство и время искривляются материей?

Чтобы понять это, мы сначала должны попытаться понять: такова неотъемлемая странность, присущая квантовой механике. Как только мы начнём чувствовать себя некомфортно в квантовом мире, то начнём понимать, почему после появления на сцене КМ физики пытались создать ей альтернативы — альтернативы, воссоздающие те же фантастические соответствия с экспериментами, в то же время сохраняющие часть классического ядра, согласующегося с нашим глубинным интуитивным пониманием о том, как должна себя вести природа.

Всё что вы знаете — неверно


Наше глубинное интуитивное понимание природы реальности возникает из наблюдений и взаимодействия с миром вокруг нас, начиная с самого детства. Ещё до того, как мы сможем это выразить, мы начинаем понимать причинно-следственные связи. Причиной любого происходящего события бывает другое произошедшее событие. Мир предсказуем.

Позже мы становимся искушённее. Мы признаём, что наше понимание причин ограничено и осознаём неопределённость их следствий. Возможно, мы даже изучаем теорию вероятностей и статистику и узнаём, как выразить пределы нашего знания в математическом виде. Но мы считаем, что это только наши ограничения и что незримо для нас природа закулисно продолжает использовать точные правила причин и следствий. Когда мы бросаем монетку, то только нехватка информации о движении монеты и воздуха заставляет нас говорить, что вероятность выпадения орла равна одной второй. Мы предполагаем, что если бы мы знали все подробности и у нас был достаточно большой компьютер для выполнения вычислений, то нам не пришлось бы полагаться на вероятности.

Однако такой «реалистичный» взгляд на вещи не может пережить (и не пережил) полученных при экспериментах над фотонами и другими субатомными частицами жестких данных. Это не физики из-за своей упрямой несговорчивости решили создать теорию, противоречащую нашим самым драгоценным интуитивным ощущениям о реальности: на самом деле, это результаты экспериментов упорно отказывались соответствовать любым классическим интерпретациям. Изобретение квантового формализма был актом отчаяния — единственным, который оказался работающим. Если мы ограничим себя, задавая вопросы, допускаемые квантовой теорией, то будем вознаграждены правильными ответами. Но если мы будем упорствовать, пытаясь уяснить то, что говорит нам теория, с помощью концепций классического мира, то придём в замешательство.

Будучи студентом-физиком, я увидел учебную демонстрацию того, что позволило мне бросить краткий взгляд на невидимую странность окружающего нас мира. Вы можете повторить этот опыт дома, воспользовавшись всего лишь фонариком или лазерной указкой, а также тремя поляризационными фильтрами (можно также использовать стёкла из разбитых солнцезащитных очков с поляризацией). Расположите два фильтра в ряд, оставив между ними зазор. Пропустите свет через эту пару и поворачивайте один фильтр до тех пор, пока свет не перестанет проходить; оси их поляризации стали перпендикулярными. Теперь вставьте третий фильтр между первыми двумя. Вы увидите, что свет начнёт проходить через эту конструкцию: каким-то образом добавление лишнего фильтра позволяет пропускать свет.

Эта демонстрация была частью вводной части курса по квантовой механике. На протяжении нескольких недель мы были погружены в формализм квантовой теории, из которого это кажущееся парадоксальным поведением возникает как тривиальное следствие.

Есть люди, утверждающие, что здесь нет парадокса и что такое поведение можно объяснить при классическом подходе. И в каком-то смысле они совершенно правы. Но результаты настольной демонстрации, потрясающие студентов, уже знакомых с классической физикой, очевидно возникают из квантового формализма. И это что-то да значит.


Двухщелевой эксперимент с электронами.

Учёные первых десятилетий прошлого века столкнулись с гораздо более поразительными и необъяснимыми результатами экспериментов. Часто упоминают показанный выше эксперимент с двумя щелями. Выполняя этот эксперимент с электронами или фотонами, мы получим одинаковые результаты: интерференционную картину, как будто из двух щелей возникли две мешающие друг другу волны. Это показывает, что свет является волной и что даже частицы с массой, такие как электроны, похоже, ведут себя в таких условиях как волны.

Но эксперимент можно изменить двумя любопытными способами. Во-первых, если замедлить частоту испускания частиц (фотонов, электронов или даже целых молекул) так, чтобы за раз через щели проходила только одна частица, то результат не изменится. Это должно означать, что частица каким-то образом разделяется на две, проходит через обе щели и взаимодействует сама с собой! Во-вторых, если внести любое изменение в установку, чтобы она фиксировала, через какую щель проходит частица, то интерференционная картина исчезает и заменяется на паттерн, который можно было ожидать, если бы частицы были обычными частицами без волновых свойств: просто два симметричных распределения, центрированные относительно каждой из щелей.

Сложно было найти теорию, которая бы и объясняла результаты, и устраивала бы всех. Было похоже, что фотоны или электроны иногда решали вести себя как волны, а иногда как частицы, в зависимости от того, на что хотел смотреть экспериментатор.

Дальше всё становилось ещё страннее. Технологии развились до такой степени, что мы можем выбирать, какой тип измерения делать уже после того, как частица начала своё путешествие. Результаты таких экспериментов с «отложенным выбором» остались теми же. Если мы смотрим, чтобы увидеть, какое направление выбрала частица, то интерференция разрушается. Если мы, так сказать, отвернёмся, то знакомая интерференционная картина возвращается. И тем не менее частица должна была «решить», вести ли себя как частица или как волна ещё до прохождения через щели и до создания окончательной конфигурации эксперимента.

Результаты экспериментов с отложенным выбором заставили не одного физика сделать предположение о том, что информация о выборе поведения частицы или волны передаётся назад во времени, от времени выбора в какое-то время до того, как частица пройдёт сквозь устройство. То, что это предположение обсуждалось с полной серьёзностью, должно дать вам некое представление о том, насколько сложно было объяснить результаты экспериментов в микромире с помощью набора концепций (таких как причинность), взятых из наших реалистичных взглядов на мир. Объяснение с возвратом назад во времени продержалось до недавнего момента, когда провели эксперимент с медленными и холодными атомами гелия в похожей схеме. Атомы проходили через установку под действием только гравитации, поэтому между моментом прохождения и выбором способа наблюдения за ними проходило значительное время. Хотя физики иногда описывают некоторые очень быстрые субатомные процессы как использующие ограниченную форму путешествия назад во времени, большая длительность в экспериментах с гелием сделала невозможной существование такого объяснения.

Что же нам остаётся? Результаты этих и многих других экспериментов просто невозможно описать с помощью традиционных концепций на основе реальности: о том, что объекты существуют с определённым набором свойств; что если мы решаем не измерять отдельное свойство, оно всё равно имеет какое-то значение. Физики имели опыт работы с неопределённостью задолго до квантовой революции, но эта неопределённость была совершенно другого типа. Это была неопределённость знания, подразумевавшая неизвестный, но существующий, уровень детерминированной реальности под тем, что мы непосредственно воспринимаем.

Если мы отбросим все эти понятия, столь фундаментальные для нашего понимания мира, то чем же нам их заменить? Ведь они не просто стали интуитивной частью нашего повседневного опыта, но и служат фундаментом других областей науки.

То, что мы не видим


В девятнадцатом веке детерминизм на микроскопическом уровне привёл к первому огромному успеху вероятностных рассуждений в физике: кинетической теории газов. Она была основана на старой идее о том, что материя состоит из гигантского количества простых атомов, отталкивающихся друг от друга подобно субмикроскопическим шарикам для пинг-понга. Благодаря нескольким простым допущениям, а также хорошей доле математики, создавшим кинетическую теорию учёным удалось вывести известные нам законы термодинамики как средние значения поведения идеальных атомов. Кинетическая теория показала, как наблюдаемые нами явления могут возникать из усреднённого поведения множества процессов, которые мы неспособны наблюдать непосредственно. Тем не менее, эти усреднённые поведения действовали в соответствии с известными детерминированными законами классической механики — на них основывалась вся теория.


Частицы, демонстрирующие броуновское движение.

Даже в двадцатом веке многие учёные не верили в реальность атомов. Поворотным моментом стала статья Эйнштейна о броуновском движении, опубликованная в 1905 году. В ней применялись статистические рассуждения, показавшие, что хаотические движения подвешенных в воде частиц пыльцы можно объяснить бомбардировкой невидимым множеством частиц.

Эйнштейн получил свою Нобелевскую премию не за эту работу, и не за другую статью 1905 года, в которой ввёл понятие относительности E = mc2. Премия была вручена ему за ещё одну работу, опубликованную в том же году и посвящённую фотоэффекту. Эта публикация ненамеренно запустила процесс, который привёл к крушению нашей классической реальности.

Заработавшая Эйнштейну премию статья объясняла множество загадочных результатов экспериментов по взаимодействию света и материи. В ней постулируется, что свет поглощается и испускается из материи дискретными величинами энергии, называемыми квантами. Эта работа ознаменовала рождение квантовой физики — и это дитя Эйнштейна начало развиваться в направлении, раздражавшем даже собственного отца.

Следующие два десятилетия стали свидетелями взрыва экспериментальных исследований в новой области атомной физики и химии. Электрон освободили от оков атома и начали экспериментировать непосредственно с ним. В результатах экспериментов стали появляться ещё более странные явления, появился ряд неполных теорий и моделей, математических трактовок для описания микромира. Всё постепенно начало соединяться вместе и физики наконец оказались способными предсказывать экспериментальные результаты. Но это требовало непривычной, абстрактной математической структуры и набора правил, связывающих её с измеряемыми аспектами природы, а именно квантовой механики. (Эта история рассказывается в очень хорошо написанной книге Дэвида Линдли).

К третьему десятилетию двадцатого века почти все учёные приняли реальность атомов и даже более мелких частиц. Но они представляли их как невидимые крошечные версии знакомых объектов: для сравнения использовались планеты, бильярдные шары и песчинки. Большинство учёных, не относившихся к небольшому кружку, создавшему или понявшему новую теорию, предполагали, что она является ещё одной версией чего-то вроде кинетической теории газов. И сегодня большинство людей, вероятно, считают похожим образом: атомы и другие составляющие части микромира могут обладать экзотическими свойствами и следовать странным математическим правилам, но они, по крайней мере, принимают участие в известной нам реальности. Однако квантовая механика утверждает нечто обратное.

Одна из ключевых фигур в её разработке — Нильс Бор (со значительным влиянием Макса Борна и Вернера Гейзенберга), который был также одной из самых странных фигур в истории физики. Бор был физиком-философом, утомлявшим своих коллег произнесением длинных, развёрнутых, иногда непостижимых предложений. Хотя он, без сомнений, в совершенстве знал теорию и был известен решением нескольких загадок на начальном этапе исследования атомов, но часто предпочитал манипуляциям с уравнениями досужие, бесцельные разговоры. Он настаивал на необходимости понимания значения всего. (Его поиски значения не разделяли некоторые из других пионеров квантовой физики, потому что они уже начали исследования, исповедуя подход «Заткнись и вычисляй!».)


Родовой герб Нильса Бора.

Частично вдохновлённый теорией физики, которую помогал создавать, Бор постепенно начал разрабатывать её мистическую сторону, и даже добавил в свой герб символ «инь-ян».

Это первое понимание или интерпретация квантовой механики позже стала известна как «копенгагенская интерпретация» в честь университета Бора. Она по-прежнему является стандартным взглядом на квантовую механику, даже несмотря на отсутствие формального определения. Скорее, это набор получивших всеобщее одобрение практических правил, относящихся к тем частям теории, которые можно наблюдать в лаборатории. Их можно сформулировать различными способами; вот одна из версий, отражающая современное понимание основных аспектов:

  • Состояние (позиция, импульс и т.д.) системы полностью определяется её «волновой функцией» — математическим объектом, который детерминированно преобразуется согласно уравнениям квантовой механики. Волновую функцию невозможно наблюдать непосредственно; однако она даёт нам вероятность того, что в момент выполнения измерений мы обнаружим систему в конкретном состоянии. Такими «системами» могут быть элементарные частицы, например, электроны и протоны, атомы или даже крупные молекулы. В процессе измерения волновая функция и её вероятности «стягиваются» к измеренному значению.
  • Нет никакой «реальности», кроме вычисления вероятностей. Нет никакого лежащего в его основе слоя детерминированности; нет никаких скрытых механизмов, регистрирующих то, что будет измерено перед проведением измерений. Эти вероятности не отражают нехватку наших знаний, как в классической статистической физике, потому что нет ничего, о чём можно иметь знания. Существует только вероятность.
  • Существуют фундаментальные ограничения того, что может быть измерено, описанные отношениями неопределённости: определённые пары величин можно одновременно измерить с определённой степенью точности (примерами могут служить позиция-импульс и время-энергия). Это никак не связано с технологиями или способами проведения экспериментов; эти ограничения являются частью природы и их невозможно избежать.

Копенгагенская интерпретация хорошо справляется во всеми запутанностями, окружающими такие явления, как описанные выше эксперименты с отложенным выбором. Нет никакой необходимости отправлять таинственные сигналы, путешествующие назад во времени, или создавать сложные теории, предназначенные для сохранения наших представлений о реальности. Нам просто необходимо отказаться от этих представлений и принять тот факт, что свойства не существуют независимо от их измерения. Величины становятся реальными только при их измерении, и квантовая механика говорит нам, что они — всего лишь вероятности различных реальностей.

Выхода нет?


Последствия квантовой механики вместе с копенгагенской интерпретацией неинтуитивны, причудливы и неприемлемы метафорически. Именно первичность вероятностей и уничтожение детерминированной причинности заставили Эйнштейна возразить, что бог «не играет в кости с миром». Так почему же физики с радостью приняли эту теорию? Почему мы не можем сказать, что могут существовать детерминированные «скрытые параметры», ставшие причинами вероятностей квантового мира?

Важнейшей и непосредственной причиной является теорема Белла. Эта теорема, доказанная Джоном Стюартом Беллом в 1964 году, показывает, что если существует слой скрытых параметров, которые мы не можем измерить, то определённые эксперименты должны давать определённые результаты. На сегодняшний день существует множество свидетельств чрезвычайно точных экспериментов, что измерения не дают таких результатов. Логика требует признать, что в микромире не существует неизвестного детерминированного слоя.

Теорема Белла может позволить сосуществовать нашим результатам экспериментов и детерминированным скрытым параметрам только при одном условии: влияние этих параметров должно распространяться быстрее скорости света. Однако такое влияние не может быть истинной, классической передачей информации, потому что возможность этого исключается специальной теорией относительности. Как указал Эйнштейн, перемещение информации быстрее скорости света ещё больше нарушит наши представления о причинах и следствиях: оно позволит следствиям предварять причины, даже на уровне макромира.

Ещё одна возможность заключается в том, чтобы позволить скрытым параметрам передавать эфемерное воздействие квантовой механики, которое распространяется мгновенно, но не переносит информации в классическом смысле. Эти таинственные воздействия Эйнштейн издевательски называл «жутким дальнодействием», но именно ими мы объясняем результаты измерений запутанных частиц. Для них измерение состояния частицы может сообщить нам, каким будет результат измерения другой частицы, находящейся на произвольном расстоянии. Теории, избегающие влияния теоремы Белла, допуская существование скрытых переменных, передающих некое мгновенное воздействие на расстоянии, называются «нелокальными теориями скрытых параметров». Но они являются единственным способом сделать квантовую механику более комфортной для нас.


Менее известный эксперимент с трубой Шрёдингера.

Свобода имеет свою цену


Вас не должно удивлять, что физики искали выход из ситуации с самых первых дней квантовой механики. Но как может быть возможно что-то иное, если теорема Белла не оставляет нам выхода?

В основе любой теоремы всегда лежат допущения, явные и неявные. В доказательстве Белла используется довольно простая математика и, похоже, не применяются никакие допущения, которые бы мы не приняли уже как истинные. Но отчаянно сложные проблемы вдохновляют людей на отчаянные меры. Квантовые теоретики искали альтернативы копенгагенской интерпретации, исследуя некоторые из таких негласно принятых допущений — тех, которые редко подвергаются сомнению, потому что никто не может представить, что они не истинны.

Квантовая логика


Одно из таких неисследованных допущений затрагивает правила логики, на которых основывается любой вид рассуждения, в том числе и математика. Интерпретации квантовой механики, меняющие саму логику, пытаясь что-то заменить, называются квантовой логикой. Эта область знания имеет почтенную родословную и берёт начало с Джона фон Неймана, потрясающего эрудита, написавшего раннюю математическую формулировку квантовой теории. Ещё в 1930-х он показал, что математическая структура теории привязана к логике, отличающейся от лежащей в основе классической физики аристотелевой логики. Исследования в этой области продолжают оставаться экзотическим (и восхитительным) полем для изучения; пока никто не создал полнофункциональную, удовлетворительную альтернативу копенгагенской интерпретации.

Хотя эта область очень глубока и является довольно таинственной, существуют простые примеры того, как знакомая нам логика плохо подстраивается под квантовый мир и того, как можно создать ей альтернативу. Одной из первых в литературе встречается уникальная квантовая идея суперпозиции состояний. В квантовом мире наши обычные понятия о реальности заменяются волновой функцией, которая даёт нам вероятности обнаружения системы в различных состояниях. Если система может быть только в одном из двух состояний, то до выполнения самих измерений она находится в состоянии, являющемся ни одним из них, или и тем, и другим: в суперпозиции. Популярный пример этого — мысленный эксперимент с «котом Шрёдингера», который считается одновременно живым и мёртвым, пока не открыта коробка, в которой он сидит. Эксперимент является драматическим конфликтом с классической механикой и нашими повседневными представлениями о реальности: «кот» требует, чтобы система на самом деле находилась в одном из двух возможных состояний, и только акт измерения открывает нам, каким всё это время было состояние.


Эрвин Шрёдингер

Один из возможных способов придать суперпозиции смысл заключается в том, чтобы применить другие правила логики. В привычной нам логике если утверждение p (допустим, «электрон находится в состоянии с ориентированным вверх спином») ложно, и утверждение q («электрон находится в состоянии с ориентированным вниз спином») тоже ложно, то p ? q (где ? означает «или») также должно быть ложно. Именно так и бывает с классическими измерениями. В квантовой механике p не может быть истинным, если не было измерено. Должно ли оно считаться «ложным» в классическом смысле, или чем-то иным — это уже другой вопрос. Аналогично, q тоже не может быть истинным. Однако сочетание p ? q должно быть истинным, потому что таково определение суперпозиции, в которой находится электрон перед измерением. Поэтому наша квантовая логика должна позволить p ? q быть истинным в случае, когда ни p, ни q не являются истинными, в противоположность аристотелевой логике.

Может показаться странным полагаться на изменение правил самой логики. Но таким образом мы можем спустить странность квантовой механики на один-два уровня, с уровня физики до уровня правил, которые мы можем использовать для рассуждений.

Стохастическая механика


Эта интепретация, или объяснение квантовой механики, оставляет логику нетронутой, но добавляет новый физический процесс. Современная и многообещающая отрасль стохастической механики началась со статьи 1966 года Эдварда Нельсона, смело заявившего:

«В этой статье мы должны показать, что радикальное отклонение от классической физики, вызванное появлением сорок лет назад квантовой механики, не было необходимым».

Основной результат статьи впечатляет: автор выводит уравнение Шрёдингера — центральное уравнение квантовой механики — допуская, что частицы подвергаются воздействию быстро колеблющейся случайной силы. Следовательно, микроскопические частицы, например, электроны, демонстрируют нечто похожее на броуновское движение. Выводя уравнение, Нельсон активно использует математику из статистической физики.

Со времени статьи Нельсона эта область стабильно развивалась и привлекла к себе большое сообщество исследователей. Некоторыми из её интригующих успешных достижений являются объяснение квантованного момента количества движения («спина»), квантовая статистика и знаменитый двухщельный эксперимент. Однако стохастическая механика ещё далека от того, чтобы заменить копенгагенскую интепретацию или традиционную квантовую механику. В ней используется то, что выглядит как нефизическое мгновенное действие на расстоянии и она даёт неверные прогнозы в некоторых видах измерений. Тем не менее, её апологеты не сдаются. Как говорит Нельсон в разборе этой темы, «как может быть теория быть настолько правильной и в то же время столь ошибочной?»

Теория волны-пилота


Эта версия квантовой механики возвращается к самым началам области. Если первый кусок квантового паззла был положен на место в 1905 году Эйнштейном, когда он объяснил, как свет поглощается и испускается из материи дискретными величинами, то второй фрагмент был положен в 1924 году Луи де Бройлем. Де Бройль заявил, что в то время как световые волны могут вести себя как частицы, частицы наподобие электронов могут вести себя как волны.

На следующий год де Бройль оформил свою теорию волны-пилота, в которой волны материи, наблюдаемые в реальных физических объектах, порождаются движением частиц. В каком-то смысле это было первоначальной интепретацией квантовой механики, но её вскоре победила копенгагенская интерпретация. Идеи де Бройля были открыты заново в 1950-х Дэвидом Бомом, давшим им дальнейшее развитие. В этой формулировке волновая функция также управляется уравнением Шрёдингера, но теория волны-пилота добавляет выведенное из него уравнение, непосредственно влияющее на движение частиц. Частицы считаются имеющими реальные траектории, существующие независимо от измерений; характерные квантовые эффекты, такие как интерференция в эксперименте с двумя щелями, возникают из-за сложных траекторий, по которым следуют электроны или фотоны во время эксперимента. Эта интерпретация воссоздаёт большую долю поведения квантового мира, сохраняя при этом реализм. Она возвращает вероятность обратно на привычное нам место, то есть вероятность снова становится показателем нашего неполного знания, а не неотъемлемой частью природы.


Луи де Бройль

Серьёзным препятствием для теории волны-пилота является то, что создаваемые ею траектории частиц сложны и часто причудливы; ещё одно препятствие заключается в том, что для неё необходима чрезвычайная нелокальность, в принципе описывающая движение частицы как зависящее от состояния всех остальных частиц Вселенной. Однако эта теория считается многими физиками самой многообещающей альтернативой копенгагенской интерпретации и активно исследуется.

Интригующей особенностью теории волны-пилота является возможность наблюдения аналогов некоторых прогнозируемых ею поведений, характерных для микроуровня, в макроскопическом масштабе. Видео с экспериментами отталкивающихся капель масла демонстрируют поразительное поведение, при котором капли играют роль субатомных частиц, а масляная ванная, над которой они подвешены, выполняет некоторые из функций волны-пилота.

Множественные миры


«Многомировая» интерпретация квантовой механики наделала много шуму в популярной прессе. Поэтому многие люди, в том числе и некоторые физики, приобрели неверные взгляды на эту теорию.

Эта интерпретация не настаивает на создании новой вселенной при выполнении каждого измерения, как считают обычно. Она просто всерьёз воспринимает традиционную квантовую механику как описание нашей Вселенной и всего находящегося в ней. Квантовая механика описывает частицу, например, электрон, как существующую в суперпозиции всех возможных состояний; при выполнении измерения суперпозиция заменяется измеренным состоянием. Многомировая точка зрения расширяет идею суперпозиции на управление всем, в том числе измерительной установкой и её операторами. Она отстаивает мнение о том, что для обеспечения целостности весь мир должен существовать в в суперпозиции.

Понятие «множества миров» относится к суперпозиции состояний, применённой ко всему миру; каждое потенциальное состояние, или Вселенная, уже существует в квантовомеханическом смысле, при котором каждое возможное состояние субатомной частицы обладает потенциальным существованием. Измерение состояния частицы выбирает один возможный результат и делает его реальным. Одновременно измерение выбирает один возможный результат для Вселенной: тот, который экспериментатор получил при этом конкретном измерении.

Множественные миры считаются детерминированными и устраняют необходимость стягивания волновой функции. Её критики заявляют, что она всё равно не может освободиться от центральной роли вероятности и не способна вместить в себя гравитацию.

Существует множество других альтернативных подходов, описать которые нам просто не хватит места. Часто они ближе к метафизике, чем к физике. Одной из таких идей, находящейся посредине между наукой и философией, является сверхдетерминизм. Хотя эта идея пока не смогла воссоздать результаты квантовой механики, она привлекает постоянное внимание, возможно благодаря репутации своего основного апологета — Нобелевского лауреата по физике Герарда ’т Хоофта. Сверхдетерминизм должен был стать лазейкой в теореме Белла и на самом деле был описан как возможный самим Беллом. Теория избегает базовых допущений теоремы Белла, рассматривая всё во Вселенной, в том числе сделанный экспериментатором выбор измерений, как определённое с начала времён. Естественно, он отрицает всякую возможность свободы воли. Интересным развитием теории в этой области является попытка ’т Хоофта воплощения своих идей созданием модели квантовой механики в клеточном автомате.

Метафоры метафизического беспокойства


Эйнштейн хорошо владел словом и глубоко понимал природу. Он оставил нам в наследство две колоритные фразы, которые продолжают цитировать для выражения нашей неудовлетворённости соответствующими аспектами квантовой механики: «жуткое дальнодействие» и «Бог [...] не играет в кости с миром».

Хотя копенгагенская интерпретация по-прежнему остаётся главенствующей, и со спокойствием принимает обе эти фразы, порождаемая ими мучительная неудовлетворённость будет продолжать мотивировать новые поколения физиков на поиски альтернативы. Эта альтернатива может быть дальнейшим развитием одной из описанных здесь моделей, одним из тех проектов, которые мы не смогли рассмотреть, или совершенно новой идеей. Но никто не может сказать точно, завоюет ли одна из них в будущем всеобщее признание.

Об авторе: Ли Филлипс — физик и постоянный автор Ars Technica. Ранее он писал о таких темах, как наследие языка программирования Fortran и изменившей физику Эмми Нётер.

Вы можете помочь и перевести немного средств на развитие сайта



Комментарии (11):

  1. Calvrack
    /#10804623

    Я верно понимаю что математика дает верные и рабочие предсказания, а физики мучаются какую трактовку выбрать? Но погодите — в соседней статье некто Итан говорит что все наоборот!

    • vassabi
      /#10804663

      не наоборот, а всё о том же,
      только математика дает еще больше рабочих предсказаний, чем даже позволяют выбрать нынешние технологии — отсюда и мучения физиков.

      • Calvrack
        /#10804711

        Ну тут какая словесная ловушка. Если предсказание проверено и рабочее, но оно как бы уже выбрано.
        А если предсказание получилось лишнее — надо думать математическая модель не достаточно аккуратна.
        А тут же речь о чем — математика что-то запрещает или предписывает — ну например невозможность изменения сопряженных параметров — физике приходится покориться, но она почему-то не хочет признавать позицию платонизма и требует примата над математикой.

        • vassabi
          /#10804935

          ну, математика и не настаивает на примате, она как раз вторична, ибо всего лишь описывает абстрактное поведение. К примеру, когда физик говорит про линейную зависимость, математика будет y=ax+b, и когда физик подставит значения a и b — то получит какое-то решение. Понятно, что математика «запретит» ему получить интеграл от этого уравнения не равный 1/2 * ax^2 +… и тд, но в целом и источник формул (с коэффициентами) и их интерпретация — на совести физиков-экспериментаторов и фантазии физиков-теоретиков.

          • hippohood
            /#10805591

            И математика со своим ограничением на интеграл может попасть впросак, потому что изначально линейная зависимость была предложена на основании данных полученных физиком с ограниченной точностью или на ограниченном интервале. Простой пример: коэффициент теплового расширения, или "законы" проведения идеального газа. Инженеры потом пыхтя добавляют квадратичные члены или z фактор

        • dioneo
          /#10805323 / -1

          Платонизм не опровержим, но он режется бритвой Оккама, которая в свою очередь даже не аксиома, а презумпция. Если физики и делают открытия в мире идей, то они действуют отличными от математиков методами. У них другой порядок рассмотрения гипотез.

  2. geisha
    /#10804995

    Несмотря на радикальный разрыв с прошлыми представлениями о пространстве и времени, теории Эйнштейна вскоре соединились с идеями Ньютона как часть "классической физики". Человечество вынуждено было это сделать, потому что революция научной мысли оказалась столь глубокой, что создала яркий след в истории науки: разработку теории квантовой физики.

    Очень сложный абзац.

  3. LanMaster
    /#10805195

    К слову о квантовой запутанности. Если, как известно, прекращение такой запутанности не позволяет передавать информацию, то что мешает передавать информацию мгновенно самим фактом прекращения запутанности?

    • Shkaff
      /#10805239 / +1

      Запутанность — статистическое свойство. Вы не можете понять, глядя на одну частицу, запутанна она или нет. Соответственно, и передать информацию "разрывом" запутанности не можете.

  4. apiksDen
    /#10805743

    А какое все же сейчас объяснение эксперимента с частицей которая «знает» будем ли мы ее измерять или нет?

    • GeekberryFinn
      /#10806107

      А ещё кот Шредингера при пристальном наблюдении перестаёт помирать! Точнее, если взять индивидуальные радиоактивные атомы, то при постоянном наблюдении они живут дольше, чем должны были жить исходя из периода их полураспада.