Site Loader

Содержание

Квантово-полевая картина мира

Предпосылки возникновения современной картины мира

В теории относительности, созданной А. Эйнштейном, было впервые введено понятие относительности пространства и времени, а также понятие о кривизне единого четырехмерного пространственно-временного континуума. Это была последняя крупная теория в рамках электромагнитной картины мира. Начиная с конца 19 века между электромагнитной теорией и эмпирическими фактами выявлялась все больше и больше противоречий. А после открытия явления радиоактивности и выявления того, что оно связано с превращением одних элементов в другие и сопровождается испусканием альфа- и бета-лучей, появились новые модели атома, которые не соответствовали электромагнитной картине мира. А позднее, М. Планк, в ходе попыток построения теории излучения, высказал мнение, что процессы излучения не являются непрерывными. Таким образом, в начале 20 века появилось два представления о материи:

  • Либо материя состоит из дискретных частиц
  • Либо материя является абсолютно непрерывной.

Эти два представления являются несовместимыми, и попытки, предпринимаемые учеными-физиками их как-то совместить терпели неудачу. Это подтолкнуло к мнению, что наука находится в тупике, выхода из которого не существует. Ситуация ухудшилась, когда Н. Бор предложил новую модель атома, согласно которой, электрон, вращающийся вокруг ядра, не излучает энергии. Это предположение противоречило законам электродинамики. По мнению Бора, электрон излучает энергию порциями тогда, когда переходит с одной орбиты на другую. Это предположение казалось странным, однако именно оно способствовало выходу из тупика и формированию новых представлений о материи.

Позже Луи де Бойль предложил гипотезу, согласно которой материи присущи и непрерывность, и квантовость, то есть каждой частице соответствует определенная волна. Исследования Э. Шредингера и В. Гейзенберга в 1925-1927 гг. подтвердили эту гипотезу, а позднее М. Борн доказал тождественность квантовой механики Гейзенберга и волновой механики Шредингера.

Готовые работы на аналогичную тему

Замечание 1

Таким образом, представления о неизменности материи остались в прошлом, а вновь сложившиеся квантово-полевые представления о природе материи определяются как корпускулярно-волновой дуализм, подразумевающий, что у каждого элемента материи есть свойства частицы и волны.

Квантовая механика

Основой новой современной картины мира, получившей название квантово-полевой, лежит квантовая механика. Это новая теория, которая описывает состояние и движение микрообъектов материального мира. Она устанавливает метод описания и законы движения микрочастиц, к которым относятся элементарные частицы, атомы, атомные ядра, молекулы. Квантовая механика также занимается изучением связи величин, характеризующих частицы, с физическими величинами, измеряемыми экспериментальным путем. Законы квантовой механики дают возможность изучить строение атомов, а также установить природу химической связи и объяснить периодическую систему элементов, исследовать свойства элементарных частиц.

Квантовая механика способствовала изучению строения и свойств многих твердых тел, что до этого не представлялось возможным. Квантовая механика позволила изучить такие явления, как сверхпроводимость, ферромагнетизм, сверхтекучесть, а также исследовать природу нейтронных звезд и белых карликов. Кроме того, благодаря квантовой механике появилась возможность выявить механизм протекания термоядерных реакций, происходящих на Солнце и звездах.

Идеи квантово-полевой картины мира

С появлением новой картины мира было установлено, что элементарным частицам присуща такая особенность, как взаимопревращаемость и взаимозаменяемость. В квантово-полевой картине мира материальным объектом принимается квантовое поле, а при переходе его из одного состояния в другое число частиц меняется.

Движение в квантово-полевой картине мира определяется лишь как частный случай физического взаимодействия. Выделяются четыре основополагающих физических взаимодействия:

  • Электромагнитное
  • гравитационное
  • Сильное
  • Слабое.

В основе их описания лежит принцип близкодействия. Он означает, что взаимодействия передаются соответствующими полями от точки к точке, скорость передачи взаимодействия всегда является конечной и не превышает скорость света в вакууме, которая равна 300 000 км/с.

Предположения об относительности пространства и времени, а также их зависимости от материи, основы которой были заложены еще в электромагнитной картине мира, в новой, квантово-полевой картине мира утверждаются. Согласно теории относительности, время и пространство не являются независимыми друг от друга и соединяются в четырехмерном пространственно-временном континууме.

Замечание 2

Закономерность и причинность в квантово-полевой картине мира принимают вероятностную форму, то есть выступают в виде статистических законов. Это свидетельствует о более глубоком уровне исследования природных закономерностей.

Еще одним принципиальным отличием квантово-полевой картины от предыдущих механической и электромагнитной является определение места и роли человека во Вселенной. Человек перестает быть лишь одним из объектов природы. Квантово-полевая картина мира рассматривает человека как наблюдателя, который определяет получаемую картину мира. Помимо этого, в современной, квантово-полевой, картине мира считается, что существование человека определяет то, каким является современный мир, а появление человека является закономерным результатом эволюции Вселенной.

Однако, как механическая и электромагнитная, современная картина мира тоже не лишена недостатков. К ним относятся:

  • Безуспешные попытки создания единой теории всех взаимодействий
  • Не выяснено, почему наблюдаются зафиксированные значения зарядов, масс элементарных частиц
  • Не сформулирована теория вакуума
  • Не существует теории, описывающей развитие Вселенной до «большого взрыва», а также способной предсказать ее будущее.

Замечание 3

Квантово-полевая, или как ее называют иначе, квантово-релятивистская, картина мира сейчас лишь проходит стадию становления. С развитием науки к ней добавляются новые теории, новые гипотезы, и возможно, указанные недостатки будут устранены и появятся ответы на существующие вопросы.

4. Становление квантово-полевой картины мира. Диалектика природы и естествознания

4. Становление квантово-полевой картины мира

В начале XX в. эмпирически полученные данные о строении атома и о законах излучения оказались в противоречии с теорией электродинамики Максвелла, и это вело к принципиально новым представлениям о материи и движении. С одной стороны, представления о материи как о непрерывном бесконечном электромагнитном поле подтверждались огромным количеством экспериментальных данных, с другой — факты прерывности излучения и факты, свидетельствующие о сложном строении атома, нельзя было игнорировать. Таким образом, возникли два несовместимых представления о материи: или она абсолютно непрерывна, или она состоит из дискретных частиц. В начале XX в. предпринимались многочисленные попытки совместить эти две точки зрения на материю (и на весь мир). При этом возникло множество предположений и гипотез, но все они, как правило, не могли объяснить, как могут существовать взаимоисключающие представления о материи. Многим казалось, что физика зашла в тупик, из которого нет выхода. Как выразился один из крупных физиков, П. Иордан, в этой науке воцарилось «беспокойство и смятение»[72].

Это смятение усугубилось, когда в 1913 г. Н. Бор предложил свою модель атома. Он предполагал, что электрон, вращающийся вокруг ядра, вопреки законам электродинамики не излучает энергии. Он излучает ее порциями лишь при перескакивании с одной орбиты на другую. Данное предположение первоначально казалось странным и непонятным даже таким физикам, как Э. Резерфорд, который является одним из авторов планетарной модели атома[73].

Однако именно модель атома Бора в значительной степени способствовала формированию новых физических представлений о материи и движении. В 1924 г. Луи де Бройль, используя аналогию между принципами наименьшего действия в механике и оптике, высказал гипотезу о соответствии каждой частице определенной волны. Иными словами, каждой частице материи присущи и свойство волны (непрерывность) и дискретность (квантовость). Тогда, отмечал де Бройль, становилась понятной теория Бора[74].

Эти физические представления нашли подтверждение в работах, выполненных в 1925–1927 гг. Э. Шредингером и В. Гейзенбергом. Первый на основе гипотезы де Бройля нашел волновое уравнение для частиц, а второй, развивая идеи Бора, дал основное уравнение квантовой механики в матричной форме. Вскоре М. Борном была показана тождественность волновой механики Шредингера и квантовой механики Гейзенберга.

В формировании квантово-полевой картины природы большую роль сыграла диалектическая идея о единстве прерывного и непрерывного. Тот, кто принимал эту идею, легко воспринял корпускулярно-волновой дуализм в представлениях о материи и движении. При построении первой квантовой теории поля — электродинамики Дирака — оно рассматривалось как совокупность частиц, а квантовые частицы — как возбуждение поля. Тем самым устанавливалась неразрывная взаимосвязь элементарных частиц и квантовых полей.

В настоящее время открыто несколько сот элементарных частиц. По массе они делятся на две группы: тяжелые (адроны) и легкие частицы (лептоны). При этом сначала было теоретически предсказано, а затем экспериментально подтверждено, что каждой элементарной частице соответствует античастица, обладающая противоположным знаком заряда и некоторыми другими квантовыми характеристиками. Одна из основных особенностей элементарных частиц — их универсальная взаимозависимость и взаимопревращаемость. Каждому виду элементарных частиц соответствуют свои формы взаимодействия. Кроме ранее известных электромагнитных (в которых участвуют частицы, обладающие электрическим зарядом) и гравитационных взаимодействий (в которых участвуют вообще все частицы) были открыты два новых вида взаимодействий: сильные, в которых участвуют адроны, и слабые, в которых участвуют лептоны. При этом происходит обмен виртуальными (короткоживущими) частицами, различными для разных видов взаимодействия. Это расширило представления о самом механизме взаимодействия. В современной физике основным материальным объектом является квантовое поле. Оно может находиться в возбужденном состоянии. При переходе поля из одного состояния в другое число частиц меняется.

Несмотря на тесную взаимосвязь понятий поля и частицы, понятие поля как совокупности частиц не исчерпывает его содержания. Специфика квантово-полевого понимания материи выражается и в том, что поле сохраняется даже тогда, когда частицы в нем отсутствуют. Такое состояние поля называется невозбужденным («нулевым»). Его не совсем точно называют вакуумом: в таком поле отсутствуют лишь частицы, но само поле остается протяженной материальной физической реальностью. Это подтверждено экспериментально. Представление о невозбужденных полях играет все более важную роль в квантово-полевой картине мира.

Ее особенность состоит в том, что в характеристике взаимопревращения частиц не действует закон сохранения их числа, т. е. частицы могут возникать, уничтожаться и превращаться в строгом соответствии с определенными законами сохранения (энергии, импульса, заряда и некоторых других специфически-квантовых величин). Совокупность этих законов в конечном счете является формой выражения всеобщего закона сохранения материи и движения[75].

Современные квантово-полевые представления о материи и движении не получили еще своей окончательной формулировки. Во-первых, в процессе развития атомной техники и эксперимента открываются все новые и новые разновидности микрообъектов. Во-вторых, в последние годы были сначала предсказаны теоретически, а затем зафиксированы экспериментально составные части квантовых частиц — так называемые кварки. Из них состоят все элементарные частицы, кроме лептонов. Поэтому стали говорить о кварках и лептонах как о фундаментальных частицах, из которых состоят все элементарные частицы. Однако в последнее время появились гипотезы о существовании еще более «элементарных» частиц, структурных элементов, из которых состоят кварки и лептоны. Эти гипотетические частицы названы «перонами». Как видно, в развитии квантово-полевых представлений подтверждается ленинское положение о неисчерпаемости материи вглубь.

Спецификой квантово-полевых представлений о закономерности и причинности является то, что они выступают в вероятностной форме. Уравнения поля, выражающие объективные связи и законы, отражают и возможности тех или иных квантовых процессов, которые могут произойти в данной квантовой системе. В частности, вероятностная обусловленность тех или иных ее свойств выражена в соотношениях неопределенностей сопряженных пар физических величин: координаты и импульса, времени и энергии и некоторых других. Вследствие этих неопределенностей об элементарной частице нельзя говорить как о частице в обыденном понимании.

По мере того, как складывались квантово-полевые представления о материи и движении, о взаимосвязи и взаимодействии, о причинности и закономерности, строились различные общие теории. Сначала они охватывали лишь отдельные виды взаимодействий. Так, вслед за квантовой электродинамикой (теорией электромагнитных взаимодействий) была разработана теория слабых взаимодействий. Затем предпринимались многочисленные, но малоплодотворные попытки теоретического описания сильных взаимодействий. Но вскоре вследствие ряда возникших трудностей построение новых теорий затормозилось. Ученые пришли к выводу, что для дальнейшего развития физики необходимы принципиально новые идеи[76]. В. Гейзенберг, например, указывал, что надо отказаться от ряда устаревших понятий и по-новому сформулировать такие понятия, как «состояние», «часть» и «целое», «пространственная протяженность» и некоторые другие[77].

Это свидетельствовало о том, что квантово-полевая картина мира была недостаточно разработана в качестве исходной основы для построения этих теорий. Поэтому такие теории неизбежно были ограниченными; в них необходимо было вносить поправки и дополнения, с тем чтобы согласовать теоретические выводы с данными эксперимента. В результате они переставали быть подлинными теориями и превращались в свод полуэмпирических правил и закономерностей[78].

Однако за последние годы содержание квантово-полевой картины мира значительно расширилось. Прежде всего в соответствии с новыми экспериментами углублялись квантово-полевые представления о материи и движении, что оказывало влияние на картину мира в целом. В процессе более обстоятельного изучения взаимодействий между частицами было установлено, что понятие «состоять из» приобретает особый смысл. Оказалось возможным образовывать частицы с малой массой из частиц с большой массой. Таким образом, понятия «часть» и «целое» становились относительными, поскольку «часть» могла быть больше «целого». На этой основе сложились представления о том, что различия между микромиром и макромиром также относительны. Возникла гипотеза о «фридмонах» как о таких объектах, которые обладают космическими масштабами, но для внешнего наблюдателя проявляются как частицы сколь угодно малых размеров.

С открытием кварков и с разработкой гипотезы о «перонах» более глубокими стали и представления о материи и движении. Так, обнаружилось, что кварки и антикварки, составляющие протон и другие сложные частицы, связаны посредством особых виртуальных частиц — глюонов, взаимодействие которых тем слабее, чем ближе кварки находятся друг к другу. Создается представление, что внутри сложных частиц кварки относительно независимы друг от друга, обладают значительными «степенями свободы». Но при их удалении друг от друга взаимосвязь кварков становится столь большой, что «выбить» кварк из частицы оказывается практически невозможным. По всей вероятности, вне составленных из них частиц кварки и антикварки вообще не существуют. При таком углублении и расширении представлений о частицах и их взаимодействиях открываются новые возможности для построения квантовых теорий.

Перед современной физикой поставлена задача «великого объединения» — построения единой теории, охватывающей все виды взаимодействий элементарных частиц. Только такая теория могла бы рассматриваться в рамках достаточно разработанной картины мира в качестве фундаментальной квантово-полевой теории. Вместе с тем с ее появлением можно было бы считать завершенным формирование основ квантово-полевой картины мира. Отдельные элементы такого «великого объединения» уже созданы. Так, в 1967 г. С. Вейбергом и А. Саламом была разработана теория, объединяющая электромагнитные и слабые взаимодействия. Вслед за этим возникла задача объединения в одной теории этих взаимодействий с сильными взаимодействиями.

Однако в поисках такой единой теории физики натолкнулись на трудности, что свидетельствует о недостаточной разработанности ее основ. По-видимому, нужны качественно новые идеи и гипотезы. В этом плане плодотворным оказалось предположение о спонтанном нарушении симметрии вакуума, что связано с расширением представлений о вакууме как особом виде квантово-полевой материи: хотя вакуум является нулевым (основным) состоянием квантовой системы, он тем не менее обладает не нулевой энергией. Для дальнейшего успешного развития физики необходимо прежде всего углубление философских основ современной научной картины мира.

Таким образом, изучение особенностей современной революции в физике позволяет сделать ряд важных методологических выводов. Прежде всего необходима доработка квантово-полевой картины мира в соответствии с положениями о неисчерпаемости материи и многообразии ее видов, разнообразии взаимодействий, присущих квантовым объектам, объективности законов квантовой физики. Только на этом пути возможно правильное понимание необычных экспериментально установленных особенностей квантовых объектов.

Учитывая закономерности развития предыдущих физических картин мира, можно сделать вывод о том, что ключевой проблемой современной картины мира является, с одной стороны, углубление квантово-полевых представлений о материи и движении и, с другой — разработка таких представлений о пространстве и времени, которые полностью соответствовали бы квантово-полевому пониманию материи и движения.

В существующей картине мира наряду с новым, квантово-полевым пониманием материи и движения сохранились старые, электродинамические (релятивистские) представления о пространстве и времени. На этом основании некоторые физики пришли даже к выводу о неприменимости понятий пространства и времени в микромире, о том, что эти понятия якобы устарели и от них надо отказаться. На самом же деле устарели не понятия пространства и времени, а представления о них. В этом плане заслуживают внимания идеи квантования пространства и времени, идеи связи пространства и времени с внутренней симметрией элементарных частиц. Возможны и иные гипотезы об особенностях квантово-полевых объектов и форм их существования[79].

Качественные изменения представлений о пространстве и времени непосредственно связаны с разработкой нового математического аппарата, соответствующего квантово-полевой картине мира.

Таким образом, современная революция в физике открыла новые пути для развития этой науки. Однако новая физическая картина мира, пришедшая на смену старой, сложилась не сразу. Более того, до сих пор углубляются и расширяются основные для нее квантово-полевые представления о материи и движении, о взаимосвязи и взаимодействии; совершенствуются представления о причинности и закономерности. Главная задача в завершении квантово-полевой картины мира состоит в том, чтобы разработать такие квантово-полевые представления о пространстве и времени, которые качественно отличались бы от релятивистских и находились бы в полном соответствии с квантово-полевыми представлениями о материи и движении.

Квантово-полевая картина мира

Концепции современного естествознания


Лекция 11. Квантово-полевая картина мира (КПКМ)

1. Формирование идеи квантования физических величин
2. Корпускулярно-волновой дуализм света и вещества
3. Соотношения неопределенностей Гейзенберга
4. Основные понятия и принципы КПКМ 

Контрольные вопросы
Литература 

В основе современной КПКМ лежит новая физическая теория – квантовая механика, описывающая состояние и движение микрообъектов. Это – четвертая (после механики, электродинамики и теории относительности) фундаментальная физическая теория. Она является базой для развития современного естествознания.

В основе квантовой механики лежат фундаментальные идеи о квантовании физических величин и корпускулярно-волновом дуализме (единстве корпускулярного и континуального подхода к описанию мира).

1. Формирование идеи квантования физических величин

Определение: физические величины, которые могут принимать лишь определенные дискретные значения, называются квантованными. А само их выражение через квантовые числа называется квантованием. Сама идея квантования сформировалась на основе ряда открытий в конце 19-го – начале 20-го века. Рассмотрим основные из них.

Открытие электрона. В 1897 г. был открыт электрон. Его заряд оказался наименьшим, элементарным. Заряд любого тела равен целому числу элементарных зарядов. Таким образом, заряд дискретен, а равенство q=±ne представляет собой форму квантования электрического заряда.

Тепловое излучение. Во второй половине 19 в. в результате исследования теплового излучения был открыт ряд законов: Кирхгофа, Стефана-Больцмана, Вина. Однако из теории, основанной на традиционных представлениях об электромагнитных излучениях, следовало, что энергия теплового излучения на всех частотах (во всем интервале длин волн)равнялась бесконечности, что противоречило закону сохранения энергии. Особенно ярко это противоречие проявлялось в области коротких длин волн, поэтому оно получило название «ультрафиолетовой катастрофы». 

В 1900 г. Макс Планк (1858-1947) для выхода из этой ситуации предложил следующую гипотезу (впоследствии названную квантовой гипотезой Планка): электромагнитное излучение испускается отдельными порциями – квантами, величина которых пропорциональна частоте излучения. Гипотеза Планка фактически стала началом новой физики – квантовой физики (старая при этом получила название классической). Согласно этим представлениям энергия кванта e = h×n, где n — частота, а h – постоянная Планка, равная 6,626×10-34 Дж×с. Она является фундаментальной физической константой (квант действия).

Таким образом, если в классической физике считалось, что энергия может изменяться непрерывно и принимать любые, сколь угодно близкие значения, то согласно квантовым представлениям, она может принимать лишь дискретные значения, равному целому числу квантов энергии W =n×h×n, где n = 1,2,3… — целые числа.

В конце 19 в. в результате экспериментов были установлены законы фотоэффекта – явления выбивания электронов из вещества под действием света: 1) независимость энергии выбиваемых электронов от интенсивности света, а зависимость ее только от частоты световой волны и 2) наличие для каждого вещества «красной» границы фотоэффекта, т.е. минимальной частоты, при которой фотоэффект еще возможен. Эти законы не могли быть объяснены на основе представлений ЭМКМ.

В 1905 г. А. Эйнштейн, приняв гипотезу Планка, расширил ее, предположив, что свет не только излучается квантами, но и распространяется и поглощается тоже квантами (названными впоследствии фотонами). Таким образом, свет представляет собой поток световых частиц – фотонов. Как видно, это возвращает нас к корпускулярным воззрениям Ньютона, но на новом уровне.

Энергия фотона e = h×n = mc2, импульс P = mc = hn/c = h/l. Эти соотношения означали, что масса покоя фотона m0 = 0 (покоящийся фотон не существует), а скорость его равна скорости света. Масса движения фотона m = hn/c2 = P/c. На основе фотонных представлений и закона сохранения и превращения энергии Эйнштейн записывает основное уравнение фотоэффекта hn = A + Ek (энергия фотона расходуется на работу выхода электрона из атома и придание ему кинетической энергии.

К началу документа

2. Корпускулярно-волновой дуализм света и вещества.

В истории развития учения о свете сменяли друг друга корпускулярная теория света (Ньютон) и волновая (Р. Гук, Ч. Гюйгенс, Т. Юнг, Ж. Френель), представлявшая свет как механическую волну. В 70-х годах после утверждения теории Максвелла под светом стали понимать электромагнитную волну.

В начале 20-го века на основе экспериментов было неопровержимо доказано, что свет обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Было также обнаружено, что в проявлении этих свойств существуют вполне определенные закономерности: чем меньше длина волны, тем сильнее проявляются корпускулярные свойства света.

В 1924 г. французский физик Л. де Бройль выдвинул смелую гипотезу: корпускулярно-волновой дуализм имеет универсальный характер, т.е. все частицы, имеющие конечный импульс Р, обладают волновыми свойствами. Так в физике появилась знаменитая формула де Бройля , где m – масса частицы, V – ее скорость, h – постоянная Планка.

В настоящее время волновые свойства микрочастиц находят широкое применение, например, в электронном микроскопе. Современные электронные микроскопы позволяют видеть молекулы и даже атомы вещества (увеличение в 105-106 раз).

При проявлении у микрообъекта корпускулярных свойств его волновые свойства существуют как потенциальная возможность, способная при определенных условиях перейти в действительность (диалектическое единство корпускулярных и волновых свойств материи).

По современным представлениям квантовый объект – это не частица, не волна, и даже не то и не другое одновременно. Квантовый объект – это нечто третье, не равное простой сумме свойств частицы и волны. Для выражения свойства квантового объекта у нас в языке просто нет соответствующих понятий. Но, поскольку сведения о микрообъекте, о его характеристиках мы получаем в результате взаимодействия его с прибором (макрообъектом), то и описывать этот микрообъект приходится в классических понятиях, т.е. используя понятия волны и частицы.

Принцип дополнительности. Итак, из сказанного выше следует, что корпускулярные и волновые свойства микрообъекта являются несовместимыми в отношении их одновременного проявления, однако они в равной мере характеризуют объект, т.е. дополняют друг друга. Эта идея была высказана Н. Бором и положена им в основу важнейшего методологического принципа современной науки, охватывающего в настоящее время не только физические науки, но и все естествознание – принципа дополнительности (1927). Суть принципа дополнительности по Н. Бору сводится к следующему: как бы далеко не выходили явления за рамки классического физического объяснения, все опытные данные должны описываться при помощи классических понятий. Для полного описания квантово-механических явлений необходимо применять два взаимоисключающих (дополнительных) набора классических понятий, совокупность которых дает наиболее полную информацию об этих явлениях как о целостных.

Важно отметить, что идея дополнительности рассматривалась Бором как выходящая за рамки чисто физического познания. Он считал (и эта точка зрения разделяется в настоящее время), что интерпретация квантовой механики «имеет далеко идущую аналогию с общими трудностями образования человеческих понятий, возникающих из разделения «субъекта и объекта».

Принцип дополнительности, как общий принцип познания может быть сформулирован следующим образом: всякое истинное явление природы не может быть определено однозначно с помощью слов нашего языка и требует для своего определения, по крайней мере, двух взаимоисключающих дополнительных понятий. К числу таких явлений относятся, например, квантовые явления, жизнь, психика и др. Бор, в частности, видел необходимость применения принципа дополнительности в биологии, что обусловлено чрезвычайно сложным строением и функциями живых организмов, которые обеспечивают им практически неисчерпаемые скрытые возможности.

К началу документа

3. Соотношения неопределенностей Гейзенберга

Двойственная природа микрочастиц поставила науку перед вопросом о границах применимости понятий классической физики в микромире. В классической механике всякая частица движется по определенной траектории и всегда имеет вполне определенные (точные) значения координаты, импульса, энергии. По-другому обстоит дело с микрочастицей. Микрочастица, обладая волновыми свойствами, не имеет траектории, а значит, не может иметь одновременно определенных (точных) значений координаты и импульса. Другими словами, мы можем говорить о значениях координаты и импульса микрочастицы только с некоторой степенью приближения. Меру этой неопределенности (неточности) в значениях координаты и импульса, энергии и времени нашел в 1927 г. В Гейзенберг. Он показал, что эти неопределенности (неточности) удовлетворяют следующим соотношениям:

DX×DPX³h; DY×DPY³h; DZ×DPZ³h; DW×Dt³h.

Эти неравенства называются соотношениями неопределенностей Гейзенберга.

Таким образом, если мы знаем положение X импульс Р микрочастицы (например, электрона в атоме) с погрешностями DX и DPX, то эта погрешность не может быть меньше, чем h. Этот предел мал, поскольку мала сама h – постоянная Планка, но он существует, и это фундаментальный закон природы. Важно заметить, что эта неопределенность не связана с несовершенством наших приборов. Речь о том, что принципиально нельзя определить одновременно координату и импульс частицы точнее, чем это допускает соотношение неопределенностей. Этого нельзя сделать точно, так же как нельзя превысить скорость света, достичь абсолютного нуля температур, поднять себя за волосы, вернуть вчерашний день.

Из соотношения неопределенностей видно, что с увеличением массы частицы ограничения, накладываемые им уменьшаются. Например, для пылинки m=10-13кг, координата которой получена с точностью до ее размеров, т.е. DX=10-6м, получаем DVX=1,0×10-15 м/с. Эта неопределенность практически не будет сказываться ни при каких скоростях, с которыми может двигаться частица. Для макроскопических тел соотношение неопределенностей не будет вносить никаких ограничений в возможность применить для них понятия координаты и скорости одновременно. Дело в том, что постоянная Планка в этих случаях может рассматриваться пренебрежимо малой. Это приводит к тому, что квантовые свойства изучаемых объектов оказываются несущественными, а представления классической физики – полностью справедливыми. Аналогично при скоростях, намного меньших скорости света, выводы теории относительности совпадают с выводами классической механики.

Таким образом, классическая механика является предельным случаем квантовой механики и релятивистской механики.

Это положение связано с так называемым принципом соответствия, имеющим важное философское и методологическое значение. Принцип соответствия может быть сформулирован следующим образом:

Теории, справедливость которых была экспериментально установлена для определенной группы, с появлением новой теории не отбрасываются, а сохраняют свое значение для прежней области явлений, как предельная форма и частный случай новых теорий.

К началу документа

4. Основные понятия и принципы КПКМ

Как и все предшествующие картины Мира, КПКМ представляет собой процесс дальнейшего развития и углубления наших знаний о сущности физических явлений. Процесс становления и развития КПКМ продолжается и прошел уже ряд стадий, в частности:

1) утверждение корпускулярно-волновых представлений о материи;
2) изменение методологии познания и отношения к физической реальности;

Пояснение: Ранее считалось, что устройство мира можно познавать, не вмешиваясь в него, не влияя на протекающие в нем процессы, т.е. находясь как бы вне его, вне абсолютной физической реальности. Эйнштейн не включал в понятие «физическая реальность» акт наблюдения, а Бор считал его важным элементом физической реальности. Картина реальности в квантовой механике становится как бы двуплановой: с одной стороны в нее входят характеристики исследуемого объекта, а с другой – условия наблюдения. Таким образом, в КПКМ появляется принцип относительности к средствам наблюдения.

Все рассмотренные ранее картины мира отличались своей трактовкой таких фундаментальных понятий как пространство и время, движение, принцип причинности, взаимодействия. Рассмотрим, как они представлены в КПКМ.

Пространство и время. При рассмотрении МКМ подчеркивалось, что пространство и время в ней абсолютны и независимы друг от друга. Для характеристики объекта в пространстве вводились три пространственные координаты (X,Y,Z), а для обозначения времени независимо от них вводилась одна временная координата t. В СТО и ЭМКМ они потеряли абсолютный и независимый характер. Появилось новое пространство-время как абсолютная характеристика четырехмерного Мира (пространственно-временного континуума Минковского). И новая величина – пространственно-временной интервал стал оставаться неизменным (инвариантным) при переходе от одной системы отсчета к другой.

Причинность. В МКМ при описании объектов используется два класса понятий: пространственно-временные, которые дают кинематическую картину движения и энергетически импульсные, которые дают динамическую (причинную) картину. В МКМ и ЭМКМ они независимы. В КПКМ, в соответствии соотношением неопределенностей они не могут применяться независимо друг от друга, они дополняют друг друга. Таким образом, пространство, время и причинность оказались относительными и зависимыми друг от друга.

Независимость пространства, времени и причинности в МКМ позволяет говорить о точной локализации объекта в пространстве, его траектории, об однозначной причинно-следственной связи (лапласовский детерминизм), об одновременном, точном измерении координат и скорости, энергии и времени.

В квантовой механике относительность пространства-времени и причинности приводит к неопределенности координат и скорости в данный момент, к отсутствию траектории движения микрообъекта. И если в классической физике вероятностным законам подчинялось поведение большого числа частиц, то в квантовой механике поведение каждой частицы подчиняется не динамическим (детерминистским), а статистическим законам. Таким образом, причинность в современной КПКМ имеет вероятностный характер (вероятностная причинность).

Взаимодействие. Все многообразие взаимодействий подразделяется в современной физической картине мира на 4 типа: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. По современным представлениям все взаимодействия имеют обменную природу, т.е. реализуются в результате обмена фундаментальными частицами – переносчиками взаимодействий. Каждое из взаимодействий характеризуется так называемой константой взаимодействия, которое определяет его сравнительную интенсивность, временем протекания и радиусом действия. Рассмотрим кратко эти взаимодействия.

1. Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре. Константа взаимодействия равна приблизительно 100, радиус действия порядка 10-15, время протекания t ~10-23с. Частицы – переносчики — p-мезоны.

2. Электромагнитное взаимодействие: константа порядка 10-2, радиус взаимодействия не ограничен, время взаимодействия t ~ 10-20с. Оно реализуется между всеми заряженными частицами. Частица-переносчик – фотон (g-квант).

3. Слабое взаимодействие связано со всеми видами b-распада, многие распады элементарных частиц и взаимодействие нейтрино с веществом. Константа взаимодействия порядка 10-13, t ~ 10-10с. Это взаимодействие, как и сильное, является короткодействующим: радиус взаимодействия r~10-18м. Частица – переносчик — векторный бозон.

4. Гравитационное взаимодействие является универсальным, однако в микромире учитывается, так как из всех взаимодействий является самым слабым и проявляется только при наличии достаточно больших масс. Его радиус действия не ограничен, в ремя также не ограничено. Обменный характер гравитационного взаимодействия до сих пор остается под вопросом, так как гипотетическая фундаментальная частица гравитон пока не обнаружена.

К началу документа

Контрольные вопросы

1. Назовите основные этапы формирования КПКМ
2. Что такое «ультрафиолетовая катастрофа»?
3. Какая гипотеза легла в основу квантовой физики?
4. В чем заключается общность современных воззрений на природу света и представлений Ньютона?
5. Чему равна масса покоя фотона?

6. Запишите основное уравнение фотоэффекта.
7. Что такое корпускулярно-волновой дуализм?
8. Напишите и объясните формулу де Бройля.
9. Объясните понятие «квантовый объект».
10. В чем заключается сущность принципа дополнительности в квантовой физике? Как общего принципа познания?

11. Кто автор принципа дополнительности?
12. Запишите соотношение неопределенностей. Объясните его.
13. Как зависят ограничения, накладываемые соотношением неопределенностей, от массы частицы?
14. Поясните утверждение: «классическая механика является предельным случаем квантовой механики и релятивистской механики».
15. Охарактеризуйте понятия пространства и времени с позиций КПКМ.

16. Как следует понимать принцип причинности в рамках КПКМ?
17. Назовите типы взаимодействий. Чем характеризуются типы взаимодействий?
18. Какие взаимодействия следует учитывать при описании объектов и явлений микромира?
19. Какие взаимодействия следует учитывать при описании объектов и явлений макромира?
20. Какое взаимодействие является самым слабым?

Литература

1. Дягилев Ф.М. Концепции современного естествознания. — М.: Изд. ИЭМПЭ, 1998.
2. Дубнищева Т.Я.. Концепции современного естествознания. Новосибирск: Изд-во ЮКЭА, 1997.

К началу документа

Права на распространение и использование курса принадлежат
Уфимскому Государственному Авиационному Техническому Университету

Обновлено 19.02.2002.
Web-мастер О.В. Трушин

Каталог радиолюбительских схем. Квантово-полевая картина мира.

Каталог радиолюбительских схем. Квантово-полевая картина мира.

Квантово-полевая картина мира.

Основу современной физической картины мира составляют квантовая механика, фундаментальные идеи о квантовании физических величин и корпускулярно-волновой дуализм.
В 1897 г. был открыт электрон, его заряд оказался элементарным, т.е. самым наименьшим, существующим в природе в свободном состоянии. Заряд любого тела равен целому числу элементарных зарядов, следовательно, электрический заряд дискретен.
В 1900 г. М. Планк предложил квантовую гипотезу (лат. quantitus — количество): электромагнитное излучение испускается отдельными порциями — квантами, величина которых пропорционально частоте излучения. Им была введена новая фундаментальная физическая константа (квант действия) — постоянная Планка h = 6,6×10-34
В 1905 г. А. Эйнштейн на основе квантовой гипотезы Планка выдвигает предложение, что свет, электромагнитное излучение оптического диапазона, не только излучается, но распространяется и поглощается квантами.
В 1911 г. Э. Резерфорд предложил планетарную модель строения атома: в атоме имеется положительное ядро, в котором сосредоточена практически вся масса атома; число положительных зарядов ядра атома соответствует числу электронов, вращающихся вокруг ядра по круговым орбитам, и порядковому номеру элемента в таблице Д.И. Менделеева.
В 1913г. Н. Бор сформулировал два постулата, отражающих суть его теории атома. Первый постулат: существуют стационарные состояния атома, находясь в которых он не излучает и не поглощает энергии, а электроны внешней электронной орбиты находятся на ближайшем от ядра атома расстоянии. Постулат второй: при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую происходит излучение или поглощение кванта энергии, равного разности энергий этих стационарных состояний.
В 1924 г: Луи де Бройль высказал гипотезу о соответствии каждой частице определенной длины волны, т. е. каждой частице материи присущи и свойства волны (непрерывность), и дискретность (квантовость). Эти представления нашли подтверждение в работах Э. Шредингера и В. Гейзенберга (1925-1927 гг.), а вскоре М. Борн показал тождественность волновой механики Шредингера и квантовой механики Гейзенберга.
В свете представленной квантово-полевой картины мира основные понятия получили новые обоснования.

Материя.

На уровне микромира деление материи на вещество и поле условно; материя обладает корпускулярными и волновыми свойствами, но проявляет их в зависимости от условий; дискретность и непрерывность материи находятся в диалектическом единстве.

Движение.

В мире микрообъектов движение не имеет определенной траектории, поскольку микрообъект, обладая волновыми и корпускулярными свойствами, не может иметь одновременно вполне определенных значений координаты и скорости (импульса).

Пространство. Время.

В квантово-полевой картине мира окончательно утверждаются представления об относительности пространства и времени, они перестают быть независимыми друг от друга и, согласно теории относительности, сливаются в единое четырехмерное пространство-время.

Взаимодействие.

Согласно данной физической картине мира различают четыре вида фундаментальных взаимодействий в природе: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Свойство элементарных частиц, которых в настоящее время насчитывается свыше 300, определяются в основном первыми тремя видами взаимодействий.

Электромагнитные поля и их лечебное применение.

Все физические тела имеют три составляющие: вещество, энергию и информацию, которые образуют единое целое в сложной зависимости между собой. Биологическое действие любого физического фактора происходит с постоянным обменом информацией, энергией и веществом.
Вещество и энергия — категории более привычны, в частности потому, что определяемы и измеряемы.
Понятие информации — одно из важнейших, так как процесс управления связан с получением, накоплением и передачей информации.
И если при действии механических и термических факторов наиболее заметны энергетические составляющие, при воздействии электрического тока ясно выделяются вещественные составляющие, то при воздействии электромагнитного поля можно выделить особые свойства, представляющие собой информационное значение.
Электрические и магнитные явления связаны с особой формой существования материи – электрическими и магнитными полями и их взаимодействием. Эти поля настолько взаимозависимы, что принято говорить о едином электромагнитном поле (ЭМП). Электромагнитное поле оказывает особые воздействия на биологические системы.
Электромагнитное поле может существовать как в вещественной среде, так и в вакууме. Важным его свойством является неограниченность в пространстве: хотя по мере удаления от движущихся зарядов поле значительно ослабевает, но конечных границ не имеет.
Любые процессы в организме — соединение двух молекул, перенос кислорода, деление клетки, сокращение мышцы — приводит к возникновению, перемещению, или исчезновению зарядов, рождаются токи, изменяется структура электромагнитных полей. При этом эти поля подобны у человека как вида, подобны для каждого органа, каждой системы в организме человека. По характеру изменения биотоков делается заключение о здоровье или патологии исследуемых органов и систем в организме человека. Но любой биоток в биоструктурах (нервное волокно, мышца, соединительная ткань), создаёт вокруг себя магнитное поле, копирующее форму тока, а, следовательно, и отражающее информацию, содержащуюся в нем. Это несущее информацию электромагнитное поле, распространяясь за пределы организма, воздействует на окружающие биообъекты, которые используют его в виде универсального языка общения между собой. При изменении физического и психического состояния человека меняются характеристики его электромагнитного поля. В настоящее время ЭМП признаются носителями информационной функции в природе, заключающейся в обмене информации между биообъектами и их взаимосвязями с неорганическим миром.
Представить себе конкретно, каким образом взаимодействуют поля различных органов, как формируется при этом структура общего поля, сегодня трудно.
Логика живого, присущее живому стремление к постоянному упорядочению внутренних структур подсказывают, что электромагнитные взаимодействия не случайны. Из множества полей отдельных элементов должно складываться суммарное поле организма с определенной закономерной структурой. Таким образом, мы принимаем положение, что изменение характеристик ЭМП является информативным признаком функционального состояния органов и систем организма.

Шкала электромагнитных волн.

Вся шкала условно подразделяется на шесть диапазонов: радиоволны (длинные, средние и короткие), инфракрасные, видимые, ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-излучение.
Радиоволны обусловлены переменными токами в проводниках и электронными потоками. Инфракрасное, видимое и ультрафиолетовое излучения исходят из атомов, молекул и быстрых заряженных частиц. Рентгеновское излучение возникает при внутриатомных процессах, гамма-излучение имеет ядерное происхождение.
В медицине принято следующее условное разделение электромагнитных колебаний на частотные диапазоны.
Низкие (НЧ) До 20 Гц
Звуковые (ЗЧ) 20 Гц -20 кГц
Ультразвуковые или надтональные (УЗЧ) 20 кГц -200 кГц
Высокие (ВЧ) 200 кГц – 30 МГц
Ультравысокие (УВЧ) 30 МГц – 300 МГц
Сверхвысокие (СВЧ) 300 МГц – 300 ГГц
Крайневысокие (КВЧ) Свыше 300 ГГц

Принято деление оптического спектра на инфракрасное излучение (длина волн 780 нм — 1 мкм), видимое (780 — 380 нм, 760-400 нм) и ультрафиолетовое (380 — 100 нм).
В последние годы все шире распространяются и развиваются методы, основанные на выработке и передаче организму сигналов очень малой мощности, не вызывающих заметных изменений температуры тканей, но определяющих потоки информации, регулирующие направления функционирования организма. Принципиальная особенность этих методов — дозированное целенаправленное низкоинтенсивное воздействие, поскольку во всех биологических системах живого организма при многих заболеваниях физико-химические и биохимические процессы происходят на низких энергетических уровнях.
Одна из рабочих гипотез этих методов основана на способности живого организма избирательно откликаться на действие внешнего электромагнитного излучения (ВЭИ) крайне низкой интенсивности. При этом реакция организма возникает на строго индивидуальной — терапевтической частоте, что отчетливо регистрируется (ЭКГ, ЭЭГ, МЭГ, методика Р.Фолля). Такое воздействие вызывает типичные колебания уровня биологически активных веществ в тканях мозга и соматической периферии и посредством сложной цепи преобразований включает в организме мощные механизмы саморегуляции, в результате чего достигается ярко выраженный терапевтический эффект. Под влиянием низкоинтенсивного излучения изменяются клеточные мембраны и внутриклеточные образования, что приводит к увеличению активности транспортировки веществ через мембрану и усилению основных биоэнергетических процессов, т.е. низкоинтенсивное излучение оказывает выраженное регенеративное, трофическое, обезболивающее и противовоспалительное действие. Кроме того, оно стабилизирует тканевое дыхание и вызывает активацию гуморального и клеточного иммунитета. Иммунные сдвиги при этом имеют противовирусную и антимикробную направленность, что может быть использовано для профилактики и лечения вирусных заболеваний и сочетанной терапии бактериальных инфекций.
Таким образом, лечение состоит в инициировании имеющихся в организме резервов для борьбы с возникшей патологией.
Созданные на этих принципах приборы успешно используют для лечения широко распространенных заболеваний, таких как язвенная болезнь желудка и двенадцатиперстной кишки, ишемическая болезнь сердца, гипертоническая болезнь и т.д.. Разрабатываются нами методики применения в дерматологии, урологии, гинекологии, онкологии.
Изложенные выше научные принципы реализованы в медицинском аппарате «DETA-QUANTUM» НПП «ЭЛИС» в режиме электромагнитной терапии.
Источник материала:
© НПП ЭЛИС, 2003 г.
E-mail: [email protected]



Сравнительная характеристика механической, электромагнитной и квантово-полевой картин мира.

Одним из результатов внедрения принципа универсального эволюционизма было возникновение синергетики. В классической науке господствовало убеждение, что материи свойственна тенденции к понижению степени ее упорядоченности, стремление к равновесию, что в энергетическом смысле означает хаотичность. Такой взгляд на природу был сформулирован в рамках равновесной термодинамики (то есть, науки о превращении различных видов энергии друг в друга).

Однако уже в то время когда принцип не убывания энтропии во Вселенной считался универсальным и непреложным, были известны системы противоречащие ему. Степень их упорядоченности, со временем не убывала, а возрастала. К ним относились, прежде всего, живые организмы и их сообщества. Когда принцип эволюционизма, был распространен на другие уровни организации материи, противоречие стало еще заметнее. Стало очевидно, что для сохранения целостной не противоречивой картины мира нужно признать, что в природе действует не только разрушительный, но и созидательный принцип. Что материя способна самоорганизовываться и самоусложняться. На волне этих проблем возникла синергетика – теория самоорганизации.

В настоящее время она развивается по нескольким направлениям: синергетика (Г. Хакен), неравновесная термодинамика (И. Пригожин) и др.

Общими положениями для всех для них являются следующие:

1. процессы разрушения и созидания во Вселенной по меньшей мере равноправны.

2. процессы созидания нарастания сложности и упорядоченности) имеют единый алгоритм независимо от природы систем в которых они осуществляются.

Таким образом, синергетика ставит перед собой задачу выявление некого универсального механизма, с помощью которого осуществляется самоорганизация как в живой, так в неживой природе.

Физическая картина мира. Степень разработанности физики была настолько велика, что она смогла создать собственную картину мира.

Физическая картина мира рассматривается как физическая модель природы, включающая в себя фундаментальные физические и философские идеи, физические теории, наиболее общие понятия, принципы и методы познания, соответствующие определенному историческому этапу развития физики.

Основой для выделения отдельных ее типов служит качественное изменение фундаментальных идей, являющихся базой для физической теории и наших представлений о структуре материи и формах ее существования.

В истории естествознания было три последовательно сменявших друг друга физические картины мира: механическая, в рамках которой не могли найти объяснения электромагнитные явления; электромагнитная; квантово-полевая.

Механическая картина мира.В 16-17 вв. вместо натурфилософской утвердилась механистическая картина мира, распространившая на все явления в мире законы механики Галилея – Ньютона, которые принимались за основу всех других законов природы.

Основу механической картины мира составил атомизм — теория, которая весь мир, включая человека, рассматривала как совокупность огромного числа мельчайших, неделимых, абсолютно твердых материальных частиц — атомов. Они перемещаются в пространстве и времени в соответствии с законами механики, которые считались фундаментальными законами мироздания. Поэтому ключевым понятием механической картины мира было понятие движения, которое понималось как механическое перемещение и объяснялось на основе трех законов Ньютона.

В соответствии с механической картиной мира Вселенная представляла собой хорошо отлаженный механизм, действующий по законам строгой необходимости, в котором все предметы и явления связаны между собой жесткими причинно-следственными отношениями. В таком мире нет случайностей, они полностью исключались.

Жизнь и разум в механической картине мира не обладали никакой качественной спецификой. Человек рассматривался как природное тело в ряду других тел.

На основе механической картины мира в XVIII — начале XIX в. были разработаны земная, небесная и молекулярная механика. Однако развитие физики показало несостоятельность такой методологии. Это стало ясно при попытках описать тепловые, электрические и магнитные явления с помощью законов механики, что оказалось невозможным (электромагнитные явления слишком отличались от механических процессов). Развитие науки раскрыло относительный характер механической картины мира. Несостоятельной оказалась не сама механическая картина мира, а ее исходная философская идея — механицизм. В результате в XIX в. в физике наступил кризис, который свидетельствовал, что физика нуждалась в существенном изменении своих взглядов на мир. Так, в недрах механической стали складываться элементы новой — электромагнитной — картины мира.

Электромагнитная картина мира. Наибольший вклад в формирование данного представления о мире внесли работы М. Фарадея и Д. Максвелла. После создания последним на основе открытого Фарадеем явления электромагнитной индукции теории электромагнитного поля стало возможным говорить о появлении электромагнитной картины мира.

Теория электромагнитного поля Максвелла ознаменовала собой начало нового этапа в физике. В соответствии с ней мир стал представляться единой электродинамической системой, построенной из электрически заряженных частиц, взаимодействующих посредством электромагнитного поля.

Важнейшими понятиями новой теории являются: заряд, который может быть как положительным, так и отрицательным; напряженность поля — сила, которая действовала бы на тело, несущее единичный заряд, если бы оно находилось в рассматриваемой точке.

Когда электрические заряды движутся друг относительно друга, появляется дополнительная магнитная сила. Поэтому общая сила, объединяющая электрическую (покоящиеся заряды) и магнитную (движущиеся заряды) силы, называется электромагнитной. Все многообразие этих сил и зарядов описывается системой уравнений классической электродинамики. Они известны как уравнения Максвелла.

Кардинально изменились представления о материи. Согласно электромагнитной картине мира материя существует в виде вещества и поля. Они строго разделены, и их превращение друг в друга невозможно. Главным из них является поле, а значит, основным свойством материи является непрерывность в противовес дискретности.

Расширилось также и понятие движения. Оно стало пониматься не только как простое механическое перемещение, но и как распространение колебаний в поле. Соответственно, законы механики Ньютона уступили свое господствующее место законам электродинамики Максвелла.

Электромагнитная картина мира требовала нового решения проблемы физического взаимодействия. Ньютоновский принцип дальнодействия заменялся фарадеевским принципом близкодействия, который утверждал, что любые взаимодействия передаются полем от точки к точке, непрерывно и с конечной скоростью.

Электромагнитная картина мира произвела настоящий переворот в физике. Она базировалась на идеях непрерывности материи, материального электрического поля, неразрывности материи и движения, связи пространства и времени как между собой, так и с движущейся материей.

Случайность все еще пытались исключить из физической картины мира. Но в середине XIX в. впервые появилась фундаментальная физическая теория нового типа, которая основывалась на теории вероятности. Это была кинетическая теория газов, или статистическая механика. Случайность, вероятность наконец-то нашли свое место в физике и были отражены в форме так называемых статистических законов.

Не менялось в электромагнитной картине мира представление о месте и роли человека во Вселенной. Его появление считалось лишь капризом природы.

На смену ей пришла новая — квантово-полевая — картина мира, объединившая в себе дискретность механической картины мира и непрерывность электромагнитной картины мира.

Квантово-полевая картина мира. В основе современной квантово-полевой картины мира лежит новая физическая теория — квантовая механика. Законы квантовой механики составляют фундамент изучения строения вещества.

В соответствии с квантово-полевой картиной мира любой микрообъект, обладая волновыми и корпускулярными свойствами, не имеет определенной траектории движения и не может иметь определенных координат и скорости (импульса). В квантовой механике, в отличие от классической физики, поведение каждой микрочастицы подчиняется не динамическим, а статистическим законам.

Общая картина реальности в квантово-полевой картине мира как бы двупланова: с одной стороны, в нее входят характеристики исследуемого объекта, а с другой — условия наблюдения, от которых зависит определенность этих характеристик. Это означает, что картина реальности в современной физике является не только картиной объекта, но и картиной процесса его познания.

Ушли в прошлое представления о неизменности материи, о возможности достичь конечного предела ее делимости.

Кардинально меняется представление о движении, которое становится лишь частным случаем фундаментальных физических взаимодействий, которых известно четыре вида: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое.

Окончательно утверждаются представления об относительности пространства и времени, их зависимости от материи. Они перестают быть независимыми друг от друга и согласно теории относительности сливаются в едином четырехмерном пространстве-времени, которое не существует вне материальных тел.

Также новая картина мира впервые включила в себя наблюдателя, от присутствия которого зависели получаемые результаты исследований. Более того, был сформулирован так называемый антропный принцип, который утверждает, что наш мир таков, каков он есть, только благодаря существованию человека. Отныне появление человека считается закономерным результатом эволюции Вселенной.

Принципы современной физики.Важной частью современной физической картины мира являются четыре принципа современной физики — наиболее общие законы, влияние которых распространяется на все физические процессы, все формы движения материи.

Принцип симметрии. Симметрия (от греч. symmetria — со­размерность) — однородность, пропорциональность, гармония каких-либо материальных объектов.

Есть целый ряд симметрии, связанных с описанием каких-либо изменений сложных естественных процессов, но не фиксируемых в наблюдениях (они становятся заметны лишь в уравнениях, описывающих природные процессы).

С точки зрения физики симметричным является объект, который в результате определенных преобразований остается неизменным, инвариантным. Инвариантность — это неизменность какой-либо величины при изменении физических условий, способность не изменяться при определенных преобразованиях.

Есть целый ряд симметрии, действующих в микромире. Они описывают разные аспекты взаимопревращений элементарных частиц и лежат в основе таких законов, как, например, закон сохранения электрического заряда.

Принцип дополнительности и соотношения неопределенностей. Принцип дополнительности является основополагающим в современной физике. Он был сформулирован в 1927 г. Н. X. Д. Бором.

Человек — существо макроскопическое, поэтому его органы чувств не воспринимают микропроцессов. Понятия, которыми человек пользуется для описания предметов и явлений окружающего мира, — макроскопические понятия. С их помощью можно легко описать любые физические процессы, проходящие в макромире, но применить эти понятия для описания микрообъектов полностью нельзя, так как они неадекватны процессам микромира.

Но других понятий у человека нет. Поэтому, чтобы компенсировать неадекватность своего восприятия и представления об объектах микромира, ему приходится применять два дополняя, друг друга набора понятий, которые с точки зрения классической науки взаимно исключают друг друга. Это — частицы и волны. Только в совокупности они дают исчерпывающую информацию о квантовых явлениях.

Частным выражением принципа дополнительности является сформулированное В. Гейзенбергом в 1927 г. соотношение неопределенностей, которое иллюстрирует отличие квантовой теории от классической механики.

Если в классической механике мы допускаем, что можно абсолютно точно знать координаты, импульс и энергию частицы в любой момент времени, то в квантовой механике это невозможно. В соответствии с принципом неопределенности, чем точнее фиксирован импульс, тем большая неопределенность будет в значении координаты, и наоборот. Также соотносятся энергия и время. Точность измерения энергии обратно пропорциональна длительности процесса измерения. Причина этого во взаимодействии прибора с объектом измерения.

Принцип суперпозиции (наложения) — это допущение, согласно которому результирующий эффект представляет собой сумму эффектов, вызываемых каждым воздействующим явлением в отдельности при отсутствии влияния друг на друга. Поэтому в ньютоновской физике этот принцип неуниверсален и во многих случаях справедлив лишь приближенно.

В микромире, наоборот, принцип суперпозиции — фундаментальный принцип, который наряду с принципом неопределенности составляет основу математического аппарата квантовой механики. В квантовой теории его интерпретируют так: пока не проведено измерение, бессмысленно спрашивать, в каком состоянии находится физическая система. Иными словами, до измерения система находится в суперпозиции двух возможных состояний, т. е. ее состояние неопределенно. Акт измерения переводит физическую систему скачком в одно из этих состояний.

Физическая картина Мира

(электромагнитная)

Э

Формируется на основе начал электромагнетизма М. Фарадея (1791-1867 гг.), теории электромагнитного поля Д. Максвелла (1831-1879 гг.), электронной теории Г.А. Лоренца (1853-1828 гг.), постулатов теории относительности А. Эйнштейна (1879-1955 гг.)

лектромагнитная картина мир

аХарактерные особенностиВ рамках электромагнитной картины мира сложилась полевая, континуальная (непрерывная) модель реальности. Материя — единое непрерывное поле с точечными силовыми центрами – электрическими. Мир — электродинамическая система, построенная из электрически заряженных частиц, взаимодействующих посредством электромагнитного поля

В электромагнитную картину мира было введено понятие вероятности

Движение — распространение колебаний в поле, которые описываются законами электродинамики

Принцип близкодействия – взаимодействия любого характера передается полем от точки к точке непрерывно и с конечной скоростью

Реляционная (относительная) концепция пространства и времени: пространство н время связаны с процессами, происходящими в поле, т.е. они несамостоятельны и зависимы от материи

Игнорирование дискретной, атомистической природы вещества приводит максвелловскую электродинамику к целому ряду противоречий, которые снимаются с созданием Г. Лоренцом электронной теории или микроскопической электродинамики. Последняя восстанавливает в своих правах дискретные электрические заряды, но она сохраняет н поле как объективную реальностьА. Эйнштейн ввел в электромагнитную картину мира идею относительности пространства и времени. Так появилась общая теория относительности, ставшая последней крупной теорией, созданной (1916 г.) в рамках электромагнитной картины мира

Квантово-полевая картина мира. Понятие материи

1. Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Выполнил: Милевский Алексей 411-ПСо

2. Понятие материи

Материи присущи и
непрерывность, и
квантовость, то есть
каждой частице
соответствует
определенная волна.
Согласно электромагнитной картине мира
окружающий человека мир представляет собой
сплошную среду — поле, которое может иметь в
разных точках различную температуру,
концентрировать разный энергетический потенциал,
по-разному двигаться и т.д.
Луи де Бойль предложил гипотезу, согласно которой
материи присущи и непрерывность, и квантовость, то
есть каждой частице соответствует определенная
волна. Исследования Э. Шредингера и В. Гейзенберга
в 1925-1927 гг. подтвердили эту гипотезу, а позднее М.
Борн доказал тождественность квантовой механики
Гейзенберга и волновой механики Шредингера.

5. Квантовая механика

Основой новой современной
картины мира, получившей
название квантово-полевой,
лежит квантовая механика. Это
новая теория, которая описывает
состояние и движение
микрообъектов материального
мира. Она устанавливает метод
описания и законы движения
микрочастиц, к которым
относятся элементарные
частицы, атомы, атомные ядра,
молекулы.

6. Идеи квантово-полевой картины мира

Движение в квантово-полевой картине мира
определяется лишь как частный случай
физического взаимодействия. Выделяются
четыре основополагающих физических
взаимодействия:
Электромагнитное
гравитационное
Сильное
Слабое.

7. Отличие квантово-полевой картины мира от других

Принципиальным отличием квантово-полевой картины от
предыдущих механической и электромагнитной является
определение места и роли человека во Вселенной. Человек
перестает быть лишь одним из объектов природы. Квантовополевая картина мира рассматривает человека как наблюдателя,
который определяет получаемую картину мира.

9. Вывод

Квантово-полевая, или как
ее называют иначе,
квантово-релятивистская,
картина мира сейчас лишь
проходит стадию
становления. С развитием
науки к ней добавляются
новые теории, новые
гипотезы, и возможно,
указанные недостатки
будут устранены и
появятся ответы на
существующие вопросы.

10. Литература

https://spravochnick.ru/koncepciya_sovremennogo
_estestvoznaniya/ponyatie_kartiny_mira_i_ee_vidy
/kvantovo-polevaya_kartina_mira/
http://www.n-ir.ru/kvantovo_polevaj_kartina_mira.html

ЧОУ ВО «ИСГЗ» — Факультет управления, экономики и права

Телефон:
+7(843) 292-09-19
Декан факультета:
Валиева Арина Рафаилевна,
кандидат юридических наук
E-mail:
Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
 
Адрес:
420111, Республика Татарстан,
г. Казань, ул. Профсоюзная, д. 13/16 
Положение о факультете

 

Главной целью функционирования факультета является подготовка компетентных бакалавров по экономическим и гуманитарным направлениям подготовки, специалистов среднего звена обладающих специальными знаниями и навыками, позволяющими работать в условиях современного мира социально активных и способных к реализации своих возможностей.

Факультет управления экономики и права создан в сентябре 2017 года и является структурным подразделением института.

ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ФАКУЛЬТЕТА:

  • Управление деятельностью входящих в состав факультета кафедр и предметно-цикловых комиссий (ПЦК) по реализации основных образовательных программ высшего образования и программ подготовки специалистов среднего звена;
  • Организация, координация и контроль учебной, методической, научной и воспитательной работы входящих в состав факультета кафедр и ПЦК;
  • Обеспечение качества образования, соответствующего современным потребностям гражданина и российского общества;
  • Воспитание высоконравственных, физически и духовно развитых членов общества с активной гражданской позицией.

 

В настоящее время в структуре факультета работают следующие кафедры и ПЦК: 

Юридическое отделение

  • Кафедра конституционного и административного права;
  • Кафедра теории и истории государства и права;
  • Кафедра гражданского права и процесса;
  • Кафедра уголовного права и процесса;
  • Кафедра предпринимательского права;
  • Кафедра международного и европейского права

 

Отделение управления и экономики

  • Кафедра философии и гуманитарных дисциплин;
  • Кафедра менеджмента;
  • Кафедра бухгалтерского учета и финансов;
  • Кафедра экономики и предпринимательства;
  • Кафедра государственного и муниципального управления;
  • Кафедра прикладной информатики и математики;
  • Кафедра перевода и теоретической лингвистики

 

Отделение среднего профессионального образования

  • ПЦК общеобразовательных и гуманитарных дисциплин;
  • ПЦК учётно-экономических дисциплин и дисциплин банковского дела;
  • ПЦК юридических дисциплин;
  • ПЦК гостиничного сектора

Шесть вещей, которые каждый должен знать о квантовой физике

Квантовая физика обычно пугает с самого начала. Это немного странно и может показаться нелогичным даже для физиков, которые сталкиваются с этим каждый день. Но это не непонятно. Если вы читаете что-то о квантовой физике, вам следует помнить о шести ключевых концепциях. Сделайте это, и вы обнаружите, что квантовую физику намного легче понять.

Все сделано из волн; Также, Частицы

Есть много мест, с которых можно начать такого рода обсуждение, и это ничуть не хуже других: все во Вселенной имеет одновременно и корпускулярную, и волновую природу. В фэнтезийной дуологии Грега Медведя есть строчка ( The Infinity Concerto и The Serpent Mage ), где персонаж, описывающий основы магии, говорит: «Все — волны, без каких-либо волн, на любом расстоянии». Мне всегда очень нравилось это поэтическое описание квантовой физики — в глубине души все во Вселенной имеет волновую природу.

Конечно, все во Вселенной также имеет природу частиц. Это кажется совершенно безумным, но это экспериментальный факт, разработанный с помощью удивительно знакомого процесса:

(есть также анимированная версия этого, которую я сделал для TED-Ed).

Конечно, описание реальных объектов как частиц и волн обязательно несколько неточно. Собственно говоря, объекты, описываемые квантовой физикой, не являются ни частицами, ни волнами, а являются третьей категорией, которая разделяет некоторые свойства волн (характерную частоту и длину волны, некоторые распространяются в пространстве) и некоторые свойства частиц (они обычно являются счетными и могут быть в некоторой степени локализованным).Это приводит к оживленным дебатам в сообществе преподавателей физики о том, действительно ли уместно говорить о свете как о частице во вводных курсах физики; не потому, что есть какие-либо споры о том, имеет ли свет некоторую природу частиц, а потому, что наименование фотонов «частицами», а не «возбуждением квантового поля» может привести к неправильным представлениям некоторых студентов. Я склонен не соглашаться с этим, потому что многие из тех же опасений могут быть подняты по поводу называния электронов «частицами», но это является надежным источником разговоров в блогах.

Эта природа квантовых объектов «дверь номер три» отражена в иногда сбивающем с толку языке, который физики используют, говоря о квантовых явлениях. Бозон Хиггса был обнаружен на Большом адронном коллайдере как частица, но вы также услышите, как физики говорят о «поле Хиггса» как о делокализованной вещи, заполняющей все пространство. Это происходит потому, что в некоторых обстоятельствах, например, в экспериментах на коллайдере, удобнее обсуждать возбуждения поля Хиггса таким образом, чтобы подчеркнуть его характеристики, подобные частицам, в то время как в других обстоятельствах, например, при общем обсуждении того, почему определенные частицы имеют массу, это больше удобно обсуждать физику с точки зрения взаимодействия с квантовым полем, заполняющим Вселенную.Это просто другой язык, описывающий один и тот же математический объект.

Квантовая физика дискретна

Эти колебания создавали изображение «застывшего» света. (Источник: Принстон)

Это прямо в названии — слово «квант» происходит от латинского «сколько» и отражает тот факт, что квантовые модели всегда включают что-то, поступающее в дискретных количествах. Энергия, содержащаяся в квантовом поле, входит в целые числа, кратные некоторой фундаментальной энергии.Для света это связано с частотой и длиной волны света — высокочастотный коротковолновый свет имеет большую характеристическую энергию, а низкочастотный длинноволновый свет имеет небольшую характеристическую энергию.

Однако в обоих случаях полная энергия, содержащаяся в конкретном световом поле, является целым числом, кратным этой энергии — в 1, 2, 14, 137 раз — и никогда не является такой странной дробью, как полторы, π, или квадратный корень из двух. Это свойство также проявляется в дискретных уровнях энергии атомов и энергетических зонах твердых тел — одни значения энергии допустимы, другие — нет.Атомные часы работают из-за дискретности квантовой физики, используя частоту света, связанную с переходом между двумя разрешенными состояниями цезия, чтобы поддерживать время на уровне, требующем широко обсуждаемой «дополнительной секунды», добавленной на прошлой неделе.

Сверхточная спектроскопия также может использоваться для поиска таких вещей, как темная материя, и является частью мотивации для института фундаментальной физики низких энергий.

Это не всегда очевидно — даже некоторые фундаментально квантовые вещи, такие как излучение черного тела, по-видимому, связаны с непрерывным распределением.Но если вникнуть в математику, всегда есть некоторая детализация лежащей в основе реальности, и это большая часть того, что приводит к странности теории.

Квантовая физика вероятна

Один из самых удивительных и (по крайней мере, исторически) противоречивых аспектов квантовой физики заключается в том, что невозможно с уверенностью предсказать результат одного эксперимента с квантовой системой.Когда физики предсказывают результат какого-либо эксперимента, предсказание всегда принимает форму вероятности нахождения каждого из конкретных возможных результатов, а сравнения между теорией и экспериментом всегда включают вывод распределений вероятностей из многих повторяющихся экспериментов.

Математическое описание квантовой системы обычно принимает форму «волновой функции», обычно представленной в уравнениях греческой буквой psi: Ψ. Существует много споров о том, что именно представляет собой эта волновая функция, которые можно разбить на два основных лагеря: те, кто думает о волновой функции как о реальной физической вещи (жаргонный термин для этих теорий — «онтические» теории, заставляющие какого-то остроумного человека дублировать их сторонники «пси-онтологи») и те, кто считает волновую функцию просто выражением наших знаний (или их отсутствия) относительно основного состояния конкретного квантового объекта («эпистемологические» теории).

В любом классе базовых моделей вероятность нахождения результата определяется не волновой функцией напрямую, а квадратом волновой функции (во всяком случае, грубо говоря; волновая функция — это сложный математический объект (то есть он включает в себя мнимые числа). как квадратный корень из отрицательного), и операция получения вероятности немного сложнее, но «квадрат волновой функции» достаточно, чтобы понять основную идею). Это известно как «правило Борна» в честь немецкого физика Макса Борна, который первым предложил это (в сноске к статье в 1926 году), и некоторым людям кажется уродливым добавлением ad hoc .В некоторых частях сообщества квантовых фондов предпринимаются активные усилия, чтобы найти способ вывести правило Борна из более фундаментального принципа; на сегодняшний день ни один из них не был полностью успешным, но он порождает много интересных научных исследований.

Это также аспект теории, который приводит к тому, что частицы, например, находятся в нескольких состояниях одновременно. Все, что мы можем предсказать, — это вероятность, и до измерения, которое определяет конкретный результат, измеряемая система находится в неопределенном состоянии, которое математически отображается в суперпозицию всех возможностей с разными вероятностями.Считаете ли вы это, что система на самом деле находится во всех состояниях одновременно, или просто находится в одном неизвестном состоянии, во многом зависит от ваших представлений об онтических и эпистемических моделях, хотя обе они подвержены ограничениям из следующего пункта список:

Квантовая физика нелокальна

Последний крупный вклад Эйнштейна в физику не получил широкого признания, в основном потому, что он был неправ.В статье 1935 года со своими младшими коллегами Борисом Подольским и Натаном Розеном («статья EPR») Эйнштейн дал четкое математическое изложение того, что беспокоило его в течение некоторого времени, идеи, которую мы теперь называем «запутанностью».

В документе EPR утверждается, что квантовая физика допускает существование систем, в которых измерения, сделанные в удаленных друг от друга местах, могут быть коррелированы таким образом, что предполагает, что результат одного определяется другим. Они утверждали, что это означает, что результаты измерений должны быть определены заранее с помощью некоторого общего фактора, потому что альтернатива потребовала бы передачи результата одного измерения в местоположение другого со скоростью, превышающей скорость света.Таким образом, квантовая механика должна быть неполной, являясь простым приближением к какой-то более глубокой теории (теории «локальной скрытой переменной», когда результаты конкретного измерения не зависят от чего-либо дальше от места измерения, чем сигнал может пройти в точке измерения). скорость света («локальная»), но определяются некоторым фактором, общим для обеих систем в запутанной паре («скрытая переменная»)).

Это считалось странной сноской около тридцати лет, поскольку казалось, что не было возможности проверить ее, но в середине 1960-х ирландский физик Джон Белл более подробно разработал последствия статьи ЭПР.Белл показал, что можно найти обстоятельства, при которых квантовая механика предсказывает корреляции между удаленными измерениями, которые сильнее, чем любой возможной теории того типа, который предпочитают E, P и R. Это было экспериментально проверено в середине 1970-х годов Джоном Клаузером, широко считается, что серия экспериментов Алена Аспекта в начале 1980-х окончательно показала, что эти запутанные системы не могут быть объяснены какой-либо локальной теорией скрытых переменных.

Наиболее распространенный подход к пониманию этого результата — сказать, что квантовая механика нелокальна: результаты измерений, выполненных в определенном месте, могут зависеть от свойств удаленных объектов таким образом, что нельзя объяснить с помощью движущихся сигналов. со скоростью света.Однако это не позволяет посылать информацию со скоростью, превышающей скорость света, хотя было множество попыток найти способ использовать для этого квантовую нелокальность. Их опровержение оказалось на удивление продуктивным делом — подробнее см. Статью Дэвида Кайзера Как хиппи спасли физику . Квантовая нелокальность также играет центральную роль в проблеме информации в испаряющихся черных дырах и в споре о «брандмауэре», который в последнее время вызвал большую активность.Есть даже некоторые радикальные идеи, предполагающие математическую связь между запутанными частицами, описанными в статье EPR, и кротовыми норами.

Квантовая физика (в основном) очень мала

Изображения атома водорода в квантовом телескопе. (Источник: Stodolna et al. Phys. Rev …. [+] Lett.)

Квантовая физика имеет репутацию странной, потому что ее предсказания разительно отличаются от нашего повседневного опыта (по крайней мере, для людей — тщеславие моей книги состоит в том, что собакам она не кажется такой уж странной).Это происходит потому, что вовлеченные эффекты становятся меньше по мере увеличения объектов — если вы хотите однозначно увидеть квантовое поведение, вы в основном хотите видеть частицы, ведущие себя как волны, а длина волны уменьшается по мере увеличения импульса. Длина волны макроскопического объекта, такого как собака, гуляющая по комнате, настолько смехотворно мала, что если вы разложите все так, чтобы один атом в комнате был размером с всю Солнечную систему, длина волны собаки была бы размером с один атом в этой солнечной системе.

Это означает, что по большей части квантовые явления ограничиваются масштабом атомов и элементарных частиц, где массы и скорости достаточно малы, чтобы длины волн стали достаточно большими для непосредственного наблюдения. Однако в целом ряде областей предпринимаются активные усилия по увеличению размеров систем, демонстрирующих квантовые эффекты, до больших размеров. Я написал кучу статей об экспериментах группы Маркуса Арндта, показывающих волнообразное поведение все более и более крупных молекул, и есть группа групп в «опто-механике полости», пытающихся использовать свет для замедления движения кусков кремния вниз. до такой степени, что станет ясной дискретная квантовая природа движения.Есть даже некоторые предположения, что это можно было бы сделать с подвесными зеркалами массой в несколько граммов, что было бы удивительно круто.

Квантовая физика не волшебство

Комикс из «Выжить в мире» Данте Шеперд. (http://survivingtheworld.net/Lesson1518.html) … [+] Используется с разрешения.

Предыдущий пункт очень естественно ведет к следующему: как ни странно это может показаться, квантовая физика категорически , а не магия.Вещи, которые он предсказывает, странны по стандартам повседневной физики, но они строго ограничены хорошо понятными математическими правилами и принципами.

Итак, если кто-то приходит к вам с «квантовой» идеей, которая кажется слишком хорошей, чтобы быть правдой — свободная энергия, мистические целительные силы, невозможные космические двигатели — это почти наверняка так. Это не значит, что мы не можем использовать квантовую физику, чтобы делать удивительные вещи — вы можете найти действительно классную физику в мирских технологиях — но эти вещи остаются в рамках законов термодинамики и простого здравого смысла.

Итак, вот и все: основы квантовой физики. Я, вероятно, упустил некоторые вещи или сделал некоторые заявления, которые недостаточно точны, чтобы угодить всем, но это должно, по крайней мере, служить полезной отправной точкой для дальнейшего обсуждения.

Что такое квантовая механика? Квантовая физика: определение, объяснение

Квантовая механика — это раздел физики, относящийся к очень малому.

Это приводит к очень странным выводам о физическом мире.В масштабе атомов и электронов многие уравнения классической механики, описывающие движение вещей с повседневными размерами и скоростями, перестают быть полезными. В классической механике объекты существуют в определенном месте в определенное время. Однако в квантовой механике объекты вместо этого существуют в тумане вероятностей; у них есть определенный шанс оказаться в точке A, другой шанс оказаться в точке B и так далее.

Три революционных принципа

Квантовая механика (КМ) развивалась на протяжении многих десятилетий, начиная с набора спорных математических объяснений экспериментов, которые математика классической механики не могла объяснить.Это началось на рубеже 20-го века, примерно в то же время, когда Альберт Эйнштейн опубликовал свою теорию относительности, отдельную математическую революцию в физике, описывающую движение вещей с высокими скоростями. Однако, в отличие от теории относительности, происхождение КМ нельзя приписать какому-либо одному ученому. Скорее, несколько ученых внесли свой вклад в создание трех революционных принципов, которые постепенно получили признание и экспериментальную проверку в период с 1900 по 1930 год. Это:

Квантованные свойства : Некоторые свойства, такие как положение, скорость и цвет, могут иногда встречаться только в конкретные, установленные суммы, очень похожие на циферблат, который «щелкает» от номера к номеру.Это поставило под сомнение фундаментальное предположение классической механики, согласно которому такие свойства должны существовать в гладком непрерывном спектре. Чтобы описать идею о том, что некоторые свойства «щелкают», как циферблат с определенными настройками, ученые придумали слово «квантованный».

Частицы света : Свет иногда может вести себя как частица. Первоначально это было встречено резкой критикой, поскольку противоречило 200-летним экспериментам, показавшим, что свет ведет себя как волна; очень похоже на рябь на поверхности спокойного озера.Свет ведет себя аналогичным образом в том смысле, что он отражается от стен и огибает углы, а гребни и впадины волны могут складываться или сокращаться. Добавленные гребни волн приводят к более яркому свету, а волны, которые нейтрализуют, создают темноту. Источник света можно представить себе как шар на палке, который ритмично опускают в центр озера. Излучаемый цвет соответствует расстоянию между гребнями, которое определяется скоростью ритма мяча.

Волны материи : Материя также может вести себя как волна.Это противоречит примерно 30-летним экспериментам, показывающим, что материя (например, электроны) существует в виде частиц.

Квантованные свойства?

В 1900 году немецкий физик Макс Планк попытался объяснить распределение цветов, излучаемых по спектру при свечении раскаленных докрасна и раскаленных добела объектов, таких как нити лампочек. Придумав физический смысл уравнения, которое он вывел для описания этого распределения, Планк понял, что оно подразумевает, что испускаются комбинации только определенных цветов (хотя и большого их количества), особенно тех, которые были целыми числами, кратными некоторому базовому значению.Каким-то образом цвета были квантованы! Это было неожиданно, поскольку считалось, что свет действует как волна, а это означает, что значения цвета должны быть непрерывным спектром. Что может запрещать атомам создавать цвета между этими кратными целыми числами? Это казалось настолько странным, что Планк считал квантование не более чем математическим трюком. Согласно Хельге Крагу в своей статье 2000 года в журнале Physics World «Макс Планк, упорный революционер»: «Если в декабре 1900 года в физике произошла революция, казалось, ее никто не заметил.Планк не был исключением… »

Уравнение Планка также содержало число, которое позже станет очень важным для будущего развития КМ; сегодня оно известно как« Постоянная Планка ».

Квантование помогло объяснить другие загадки физики. Эйнштейн использовал гипотезу квантования Планка, чтобы объяснить, почему температура твердого тела изменилась на разные величины, если вы поместили такое же количество тепла в материал, но изменили начальную температуру.

С начала 1800-х годов наука о спектроскопии показала, что разные элементы излучают и поглощают свет определенных цветов, называемых «спектральными линиями».«Хотя спектроскопия была надежным методом определения элементов, содержащихся в объектах, таких как далекие звезды, ученые были озадачены вопросом , почему каждый элемент дает именно эти линии. В 1888 году Йоханнес Ридберг вывел уравнение, описывающее спектральные характеристики. линии, испускаемые водородом, хотя никто не мог объяснить, почему это уравнение работает. Это изменилось в 1913 году, когда Нильс Бор применил гипотезу Планка о квантовании к «планетарной» модели атома Эрнеста Резерфорда 1911 года, которая постулировала, что электроны вращаются вокруг ядра так же, как и планеты вращается вокруг Солнца.Согласно Physics 2000 (сайт Университета Колорадо), Бор предположил, что электроны ограничены «особыми» орбитами вокруг ядра атома. Они могли «прыгать» между специальными орбитами, и энергия, производимая прыжком, вызвала свет определенных цветов, наблюдаемых в виде спектральных линий. Хотя квантованные свойства были изобретены как простой математический трюк, они объяснили так много, что стали основополагающим принципом QM.

Частицы света?

В 1905 году Эйнштейн опубликовал статью «Об эвристической точке зрения на излучение и преобразование света», в которой он представил свет, движущийся не как волну, а как своего рода «кванты энергии».Эйнштейн предположил, что этот пакет энергии может «поглощаться или генерироваться только целиком», в частности, когда атом «прыгает» между квантованными частотами колебаний. Это также применимо, как будет показано несколько лет спустя, когда электрон «скачки» между квантованными орбитами. Согласно этой модели, «кванты энергии» Эйнштейна содержали разность энергий скачка; при делении на постоянную Планка эта разность энергий определяла цвет света, переносимого этими квантами. Представляя свет, Эйнштейн предложил взглянуть на поведение девяти различных явлений, включая определенные цвета, которые, по описанию Планка, испускаются нитью накаливания лампочки.Он также объяснил, как определенные цвета света могут выбрасывать электроны с металлических поверхностей — явление, известное как «фотоэлектрический эффект». Однако Эйнштейн не был полностью оправдан в своем стремлении к этому, сказал Стивен Классен, доцент физики в Университете Виннипега. В статье 2008 года «Фотоэлектрический эффект: реабилитация истории для физического класса» Классен утверждает, что кванты энергии Эйнштейна не являются необходимыми для объяснения всех этих девяти явлений. Определенные математические трактовки света как волны все еще способны описывать как определенные цвета, которые, как описал Планк, излучаются нитью накаливания лампочки, так и фотоэлектрический эффект.Действительно, в спорном присуждении Эйнштейну Нобелевской премии 1921 года Нобелевский комитет только признал «его открытие закона фотоэлектрического эффекта», которое конкретно не основывалось на понятии квантов энергии.

Примерно через два десятилетия после статьи Эйнштейна термин «фотон» получил широкое распространение для описания квантов энергии благодаря работе Артура Комптона 1923 года, который показал, что свет, рассеянный электронным лучом, меняет цвет. Это показало, что частицы света (фотоны) действительно сталкивались с частицами материи (электронами), что подтвердило гипотезу Эйнштейна.К настоящему времени стало ясно, что свет может вести себя и как волна, и как частица, что положило «дуальность волна-частица» света в основу КМ.

Волны материи?

С момента открытия электрона в 1896 году доказательства того, что вся материя существовала в форме частиц, постепенно накапливались. Тем не менее, демонстрация дуальности света волна-частица заставила ученых усомниться в том, ограничивается ли материя действием только в качестве частиц. Возможно, дуализм волна-частица может звучать справедливо и для материи? Первым ученым, добившимся существенного прогресса в этом рассуждении, был французский физик Луи де Бройль.В 1924 году де Бройль использовал уравнения специальной теории относительности Эйнштейна, чтобы показать, что частицы могут проявлять волнообразные характеристики и что волны могут проявлять характеристики, подобные частицам. Затем, в 1925 году, два ученых, работая независимо и используя разные направления математического мышления, применили рассуждения де Бройля, чтобы объяснить, как электроны вращаются в атомах (явление, которое было необъяснимо с помощью уравнений классической механики). В Германии физик Вернер Гейзенберг (вместе с Максом Борном и Паскуалем Джорданом) добился этого, разработав «матричную механику».Австрийский физик Эрвин Шредингер разработал аналогичную теорию, названную «волновой механикой». В 1926 году Шредингер показал, что эти два подхода эквивалентны (хотя швейцарский физик Вольфганг Паули отправил Джордану неопубликованный результат, показывающий, что матричная механика является более полной).

Гейзенберг -Модель Шредингера атома, в которой каждый электрон действует как волна (иногда называемая «облаком») вокруг ядра атома, заменила модель Резерфорда-Бора. Одним из условий новой модели было то, что концы волна, которая образует электрон, должна встретиться.В «Квантовой механике в химии, 3-е изд.» (W.A. Benjamin, 1981) Мелвин Ханна пишет: «Введение граничных условий ограничило энергию дискретными значениями». Следствием этого условия является то, что разрешено только целое количество гребней и впадин, что объясняет, почему некоторые свойства квантованы. В модели атома Гейзенберга-Шредингера электроны подчиняются «волновой функции» и занимают «орбитали», а не орбиты. В отличие от круговых орбит модели Резерфорда-Бора, атомные орбитали имеют множество форм — от сфер до гантелей и ромашек.

В 1927 году Уолтер Хайтлер и Фриц Лондон продолжили развитие волновой механики, чтобы показать, как атомные орбитали могут объединяться в молекулярные орбитали, эффективно показывая, почему атомы связываются друг с другом, образуя молекулы. Это была еще одна проблема, которую нельзя было решить с помощью математики классической механики. Эти открытия дали начало области «квантовой химии».

Принцип неопределенности

Также в 1927 году Гейзенберг внес еще один важный вклад в квантовую физику.Он рассудил, что, поскольку материя действует как волны, некоторые свойства, такие как положение и скорость электрона, являются «дополнительными», то есть существует предел (связанный с постоянной Планка) того, насколько хорошо может быть известна точность каждого свойства. Согласно тому, что получило название «принцип неопределенности Гейзенберга», было рассмотрено, что чем точнее известно положение электрона, тем менее точно может быть известна его скорость, и наоборот. Этот принцип неопределенности применим и к объектам повседневного размера, но он незаметен, потому что неточность чрезвычайно мала.По словам Дэйва Славена из Morningside College (Sioux City, IA), если скорость бейсбольного мяча известна с точностью до 0,1 мили в час, максимальная точность, с которой можно узнать положение мяча, составляет 0,000000000000000000000000000008 миллиметров.

Вперед

Принципы квантования, дуальности волна-частица и принцип неопределенности открыли новую эру для QM. В 1927 году Поль Дирак применил квантовое понимание электрических и магнитных полей, чтобы дать толчок к изучению «квантовой теории поля» (QFT), которая рассматривала частицы (такие как фотоны и электроны) как возбужденные состояния основного физического поля.Работа в QFT продолжалась десять лет, пока ученые не столкнулись с препятствием: многие уравнения в QFT перестали иметь физический смысл, потому что они давали результаты бесконечности. После десятилетия застоя в 1947 году Ганс Бете совершил прорыв, применив технику, названную «перенормировкой». Здесь Бете осознал, что все бесконечные результаты связаны с двумя явлениями (в частности, «собственной энергией электрона» и «поляризацией вакуума»), так что наблюдаемые значения массы электрона и заряда электрона могут быть использованы для исчезновения всех бесконечностей.

С момента открытия перенормировки КТП послужила основой для развития квантовых теорий о четырех фундаментальных силах природы: 1) электромагнетизм, 2) слабое ядерное взаимодействие, 3) сильное ядерное взаимодействие и 4) гравитация. Первым озарением, полученным с помощью QFT, было квантовое описание электромагнетизма с помощью «квантовой электродинамики» (QED), которая добилась успехов в конце 1940-х — начале 1950-х годов. Затем было квантовое описание слабого ядерного взаимодействия, которое было объединено с электромагнетизмом, чтобы построить «теорию электрослабого взаимодействия» (EWT) на протяжении 1960-х годов.Наконец, в 1960-х и 1970-х годах пришла квантовая трактовка сильного ядерного взаимодействия с использованием «квантовой хромодинамики» (КХД). Теории QED, EWT и QCD вместе составляют основу Стандартной модели физики элементарных частиц. К сожалению, КТП еще предстоит создать квантовую теорию гравитации. Эти поиски продолжаются и сегодня в исследованиях теории струн и петлевой квантовой гравитации.

Роберт Кулман — научный сотрудник Университета Висконсин-Мэдисон, защитив докторскую диссертацию. в химическом машиностроении.Он пишет о математике, науке и о том, как они взаимодействуют с историей. Следуйте за Робертом @PrimeViridian . Следуйте за нами @LiveScience , Facebook и Google+ .

Дополнительные ресурсы

Относительность против квантовой механики: битва за вселенную | Физика

Это самая большая проблема, самая маленькая из проблем. В настоящее время у физиков есть два отдельных свода правил, объясняющих, как устроена природа.Существует общая теория относительности, которая прекрасно объясняет гравитацию и все, что она определяет: вращение планет, сталкивающиеся галактики, динамику расширяющейся Вселенной в целом. Это здорово. Затем есть квантовая механика, которая управляет тремя другими силами — электромагнетизмом и двумя ядерными силами. Квантовая теория чрезвычайно искусна в описании того, что происходит, когда атом урана распадается или когда отдельные частицы света попадают в солнечный элемент. Это мало.

Теперь о проблеме: теория относительности и квантовая механика — это фундаментально разные теории, которые имеют разные формулировки.Это не просто вопрос научной терминологии; это столкновение действительно несовместимых описаний реальности.

Конфликт между двумя половинами физики назревал уже более века — спровоцированный парой работ Эйнштейна 1905 года, одна из которых описывает теорию относительности, а другая — квантовую, — но недавно он вступил в интригующую, непредсказуемую новую фазу. . Два известных физика заняли крайние позиции в своих лагерях, проводя эксперименты, которые, наконец, смогли решить, какой из подходов является первостепенным.

В принципе, вы можете думать о разделении между теорией относительности и квантовыми системами как о «гладком» и «коротком». В общей теории относительности события непрерывны и детерминированы, что означает, что каждая причина соответствует определенному локальному следствию. В квантовой механике события, вызванные взаимодействием субатомных частиц, происходят скачками (да, квантовыми скачками) с вероятностными, а не определенными результатами. Квантовые правила разрешают связи, запрещенные классической физикой. Это было продемонстрировано в недавно широко обсуждаемом эксперименте, в котором голландские исследователи опровергли местный эффект.Они показали, что две частицы — в данном случае электроны — могут мгновенно влиять друг на друга, даже если они находятся на расстоянии мили. Когда вы пытаетесь интерпретировать гладкие релятивистские законы в кратком квантовом стиле или наоборот, все идет ужасно неправильно.

Относительность дает бессмысленные ответы, когда вы пытаетесь уменьшить ее до квантового размера, в конечном итоге опускаясь до бесконечных значений в своем описании гравитации. Точно так же квантовая механика сталкивается с серьезными проблемами, когда вы раздуваете ее до космических размеров.Квантовые поля несут определенное количество энергии даже в кажущемся пустом пространстве, и количество энергии увеличивается по мере того, как поля становятся больше. Согласно Эйнштейну, энергия и масса эквивалентны (это сообщение E = mc 2 ), поэтому накопление энергии в точности похоже на накопление массы. Достаточно большой, и количество энергии в квантовых полях станет настолько большим, что создаст черную дыру, которая заставляет Вселенную складываться сама по себе. Ой.

«Квантовая механика предоставила концептуальные инструменты для Большого адронного коллайдера.Фотография: Rex Features

Крейг Хоган, астрофизик-теоретик из Чикагского университета и директор Центра астрофизики элементарных частиц в Фермилабе, переосмысливает квантовую сторону с помощью новой теории, согласно которой квантовые единицы пространства сами по себе могут быть достаточно большими для непосредственного изучения. Тем временем Ли Смолин, член-основатель Института теоретической физики Периметра в Ватерлоо, Канада, стремится продвинуть физику вперед, возвращаясь к философским корням Эйнштейна и расширяя их в интересном направлении.

Чтобы понять, о чем идет речь, взгляните на прецеденты. Когда Эйнштейн открыл общую теорию относительности, он не только заменил теорию гравитации Исаака Ньютона; он также представил новый взгляд на физику, который привел к современной концепции Большого взрыва и черных дыр, не говоря уже об атомных бомбах и корректировке времени, необходимой для GPS вашего телефона. Точно так же квантовая механика сделала гораздо больше, чем просто переформулировала уравнения электричества, магнетизма и света из учебника Джеймса Клерка Максвелла.Он предоставил концептуальные инструменты для Большого адронного коллайдера, солнечных элементов, всей современной микроэлектроники.

То, что выходит из пылающей пыли, может быть не чем иным, как третьей революцией в современной физике с ошеломляющими последствиями. Он мог бы сказать нам, откуда пришли законы природы и построен ли космос на неопределенности или он является фундаментально детерминированным, когда каждое событие окончательно связано с причиной.

Маленький — красивый

Хоган, поборник квантового воззрения, можно назвать физиком на фонарных столбах: вместо того, чтобы бродить в темноте, он предпочитает сосредоточить свои усилия там, где яркий свет, потому что именно там вы скорее всего, удастся увидеть что-нибудь интересное.Это руководящий принцип, лежащий в основе его текущих исследований. Он отмечает, что столкновение между теорией относительности и квантовой механикой происходит, когда вы пытаетесь проанализировать, что делает гравитация на чрезвычайно коротких расстояниях, поэтому он решил действительно хорошо взглянуть на то, что происходит прямо здесь. «Я уверен, что есть эксперимент, который мы можем провести, и мы сможем увидеть что-то в том, что происходит, в этом интерфейсе, чего мы до сих пор не понимаем», — говорит он.

Основное предположение в физике Эйнштейна — предположение, восходящее к Аристотелю, на самом деле — состоит в том, что пространство непрерывно и бесконечно делимо, так что любое расстояние можно разделить на еще меньшие.Но Хоган сомневается, правда ли это. Он утверждает, что точно так же, как пиксель — это наименьшая единица изображения на вашем экране, а фотон — наименьшая единица света, может существовать нерушимая наименьшая единица расстояния: квант пространства.

Грубое пространство не вполне соответствует идеям теории струн или любой другой предложенной физической модели

В сценарии Хогана было бы бессмысленно спрашивать, как гравитация ведет себя на расстояниях, меньших, чем один кусок пространства.У гравитации не было бы возможности работать в самых маленьких масштабах, потому что таких масштабов не существовало бы. Иными словами, общая теория относительности была бы вынуждена примириться с квантовой физикой, потому что пространство, в котором физики измеряют эффекты теории относительности, само было бы разделено на неразрывные квантовые единицы. Театр реальности, в которой действует гравитация, разворачивается на квантовой сцене.

Хоган признает, что его концепция звучит немного странно даже для многих его коллег по квантовой стороне вещей.С конца 1960-х группа физиков и математиков разрабатывала структуру, называемую теорией струн, чтобы помочь согласовать общую теорию относительности с квантовой механикой; с годами она превратилась в стандартную мейнстримную теорию, даже несмотря на то, что она не смогла выполнить большую часть своих ранних обещаний. Как и решение в виде кусочков пространства, теория струн предполагает фундаментальную структуру пространства, но оттуда они расходятся. Теория струн утверждает, что каждый объект во Вселенной состоит из колеблющихся струн энергии.Подобно короткому пространству, теория струн предотвращает гравитационную катастрофу, вводя во Вселенную конечный наименьший масштаб, хотя единичные струны значительно меньше даже пространственных структур, которые пытается найти Хоган.

Коренастое пространство плохо согласуется с идеями теории струн — или любой другой предложенной физической модели, если на то пошло. «Это новая идея. Этого нет в учебниках; это не предсказание какой-либо стандартной теории, — говорит Хоган без тени озабоченности.«Но ведь стандартной теории нет, правда?»

Если он прав насчет кусочков пространства, это выбьет из строя многие текущие формулировки теории струн и вдохновит на новый подход к переформулировке общей теории относительности в квантовых терминах. Это предложит новые способы понимания внутренней природы пространства и времени. И, что самое странное, возможно, это укрепило бы представление о том, что наша, казалось бы, трехмерная реальность состоит из более основных, двумерных единиц. Хоган серьезно относится к метафоре «пиксель»: подобно тому, как телевизионное изображение может создавать впечатление глубины из множества плоских пикселей, он предполагает, что само пространство может возникать из набора элементов, которые действуют так, как будто они обитают только в двух измерениях.

Подобно многим идеям из далекого края современной теоретической физики, рассуждения Хогана могут подозрительно походить на ночное философствование в общежитии первокурсников. Что отличает их от других, так это то, что он планирует подвергнуть их жесткому экспериментальному испытанию. Прямо сейчас.

Начиная с 2007 года, Хоган начал думать о том, как создать устройство, которое могло бы измерять чрезвычайно мелкую зернистость пространства. Как оказалось, у его коллег было много идей о том, как это сделать, опираясь на технологии, разработанные для поиска гравитационных волн.В течение двух лет Хоган составил предложение и работал с сотрудниками из Fermilab, Чикагского университета и других учреждений над созданием машины для обнаружения фрагментов, которую он более изящно называет «голометром». (Название представляет собой эзотерический каламбур, отсылающий к геодезическому инструменту 17-го века и теории о том, что двумерное пространство может казаться трехмерным, по аналогии с голограммой.)

Под слоями концептуальной сложности голометр технологически немногим больше, чем лазерный луч, полуотражающее зеркало для разделения лазера на два перпендикулярных луча и два других зеркала для отражения этих лучей по паре 40-метровых туннелей.Лучи откалиброваны для регистрации точного положения зеркал. Если пространство короткое, места расположения зеркал будут постоянно блуждать (строго говоря, блуждание совершает само пространство), создавая постоянные случайные вариации в их разделении. Когда два луча перекомпонованы, они будут немного рассинхронизированы, и величина расхождения покажет масштаб кусков пространства.

Для шкалы фрагментов, которую надеется найти Хоган, ему нужно измерить расстояния с точностью 10 -18 м, что примерно в 100 м меньше, чем атом водорода, и собрать данные со скоростью около 100 м показаний в секунду. .Удивительно, но такой эксперимент не только возможен, но и практичен. «Мы смогли сделать это довольно дешево из-за достижений в фотонике, множества готовых деталей, быстрой электроники и тому подобного», — говорит Хоган. «Это довольно спекулятивный эксперимент, поэтому вы бы не стали его проводить, если бы он не был дешевым». Голометр сейчас гудит, собирая данные с целевой точностью; он рассчитывает получить предварительные показания к концу года.

У Хогана есть своя доля яростных скептиков, включая многих в сообществе теоретиков-физиков.Причину разногласий легко понять: успех голометра означал бы провал многих работ, проводимых в теории струн. Однако, несмотря на этот поверхностный спор, Хоган и большинство его коллег-теоретиков разделяют глубокое убеждение: они в целом согласны с тем, что общая теория относительности в конечном итоге окажется подчиненной квантовой механике. Остальные три закона физики подчиняются квантовым правилам, поэтому вполне логично, что гравитация тоже должна.

Однако для большинства современных теоретиков вера в примат квантовой механики еще глубже.На философском — эпистемологическом — уровне они рассматривают крупномасштабную реальность классической физики как своего рода иллюзию, приближение, которое возникает из более «истинных» аспектов квантового мира, действующего в чрезвычайно малых масштабах. Коренастое пространство, безусловно, соответствует этому мировоззрению.

Хоган сравнивает свой проект с знаменательным экспериментом Майкельсона-Морли 19 века, в ходе которого проводились поиски эфира — гипотетической субстанции пространства, которая, согласно ведущей теории того времени, передавала световые волны через вакуум.Эксперимент ничего не нашел; этот озадачивающий нулевой результат помог вдохновить Эйнштейна специальную теорию относительности, которая, в свою очередь, породила общую теорию относительности и в конечном итоге перевернула весь мир физики с ног на голову. В дополнение к исторической связи эксперимент Майкельсона-Морли также измерил структуру пространства с помощью зеркал и расщепленного луча света, следуя установке, очень похожей на установку Хогана.

«Мы делаем голометр в таком духе. Если мы чего-то не видим или видим что-то, в любом случае это интересно.Причина проведения эксперимента состоит в том, чтобы просто посмотреть, сможем ли мы найти что-то, что руководствовалось бы теорией », — говорит Хоган. «Вы узнаете, из чего сделаны ваши коллеги-теоретики, по тому, как они отреагируют на эту идею. Существует целый мир математического мышления. Я надеюсь на экспериментальный результат, который заставит людей направить теоретическое мышление в другом направлении ».

Независимо от того, найдет он свою квантовую структуру пространства или нет, Хоган уверен, что голометр поможет физике решить ее проблему большого и малого.Он покажет правильный (или исключит неправильный) способ понять лежащую в основе квантовую структуру пространства и то, как это влияет на протекающие через него релятивистские законы гравитации.

Видение шире

Если вы ищете совершенно другое направление, Смолин из Института периметра — ваш мужчина. Там, где Хоган мягко идет против течения, Смолин — полный несогласный: «Ричард Фейнман сказал мне кое-что, когда я был аспирантом. Примерно он сказал: «Если все ваши коллеги пытались доказать, что что-то правда, но потерпело неудачу, это могло быть связано с тем, что это неправда.«Что ж, теория струн существует уже 40 или 50 лет без определенного прогресса».

И это только начало более широкой критики. Смолин считает, что маломасштабный подход к физике по своей сути неполон. Текущие версии квантовой теории поля прекрасно объясняют, как ведут себя отдельные частицы или небольшие системы частиц, но они не принимают во внимание то, что необходимо для разумной теории космоса в целом. Они не объясняют, почему реальность похожа на , это на , а не на что-то другое.В терминах Смолина квантовая механика — это просто «теория подсистем Вселенной».

Более плодотворный путь вперед, по его мнению, — это рассмотрение Вселенной как единой огромной системы и построение теории нового типа, которая может применяться ко всему этому. И у нас уже есть теория, которая обеспечивает основу для этого подхода: общая теория относительности. В отличие от квантовой модели, общая теория относительности не допускает места для внешнего наблюдателя или внешних часов, потому что нет «внешнего».Вместо этого вся реальность описывается в терминах отношений между объектами и между различными областями пространства. Даже такую ​​простую вещь, как инерция (сопротивление вашей машины движению до тех пор, пока ее не заставит двигатель, и ее тенденция продолжать движение после того, как вы уберете ногу с акселератора), можно считать, что она связана с гравитационным полем любой другой частицы. во вселенной.

«Что, если бы Вселенная была полностью пустой, за исключением двух астронавтов, один из которых вращался, а другой неподвижен?» Фотография: НАСА / Рейтер

Это последнее утверждение достаточно странно, поэтому стоит остановиться на мгновение, чтобы рассмотреть его более внимательно.Рассмотрим проблему мышления, тесно связанную с той, которая изначально привела Эйнштейна к этой идее в 1907 году. Что, если бы Вселенная была полностью пуста, за исключением двух астронавтов? Один из них крутится, другой неподвижен. Вращающийся чувствует головокружение, делая в космосе колеса телеги. Но какой из двух крутится? С точки зрения любого космонавта, вращается другой. Эйнштейн утверждал, что без какой-либо внешней ссылки невозможно сказать, какой из них правильный, и нет причин, по которым один должен ощущать эффект, отличный от того, который испытывает другой.

Различие между двумя астронавтами имеет смысл только тогда, когда вы повторно вводите остальную вселенную. Таким образом, в классической интерпретации общей теории относительности инерция существует только потому, что вы можете измерить ее относительно всего космического гравитационного поля. То, что верно в этой мыслительной проблеме, верно для каждого объекта в реальном мире: поведение каждой части неразрывно связано с поведением любой другой части. Если вы когда-нибудь чувствовали, что хотите стать частью чего-то большого, что ж, это правильный вид физики для вас.Это также, по мнению Смолина, многообещающий способ получить более подробные ответы о том, как на самом деле устроена природа, во всех масштабах.

«Общая теория относительности — это не описание подсистем. Это описание всей вселенной как замкнутой системы », — говорит он. Поэтому, когда физики пытаются разрешить противоречие между теорией относительности и квантовой механикой, для них кажется разумной стратегией последовать примеру Эйнштейна и достичь как можно большего.

Смолин остро осознает, что он выступает против преобладающей приверженности мелкомасштабному, квантовому мышлению.«Я не хочу мешать; просто так бывает. Моя роль состоит в том, чтобы четко обдумать эти сложные вопросы, изложить свои выводы и позволить пыли осесть », — радушно говорит он. «Я надеюсь, что люди примут участие в аргументации, но я действительно надеюсь, что аргументы приведут к проверяемым предсказаниям».

На первый взгляд идеи Смолина кажутся прекрасной отправной точкой для конкретных экспериментов. Он предполагает, что хотя все части Вселенной связаны в пространстве, они также могут быть связаны во времени.Его аргументы привели его к гипотезе о том, что законы физики меняются на протяжении всей истории Вселенной. За прошедшие годы он разработал два подробных предложения о том, как это может произойти. Его теория космологического естественного отбора, которую он выработал в 1990-х годах, рассматривает черные дыры как космические яйца, из которых вылупляются новые вселенные. Совсем недавно он разработал провокационную гипотезу о появлении законов квантовой механики, названную принципом приоритета, и эту гипотезу гораздо легче проверить.

Принцип приоритета Смолина возникает как ответ на вопрос, почему физические явления воспроизводимы. Если вы проведете эксперимент, который проводился ранее, вы ожидаете, что результат будет таким же, как и в прошлом. (Чуть спичкой, и она загорится; зажгите другую спичку таким же образом, и… вы поняли идею.) Воспроизводимость — настолько знакомая часть жизни, что мы обычно даже не задумываемся о ней. Мы просто приписываем последовательные результаты действию естественного «закона», который действует одинаково во все времена.Смолин предполагает, что эти законы действительно могут проявиться со временем, поскольку квантовые системы копируют поведение аналогичных систем в прошлом.

Один из возможных способов выявить проявление в действии — провести эксперимент, который никогда раньше не проводился, поэтому нет прошлой версии (то есть прецедента), которую можно было бы скопировать. Такой эксперимент может включать создание очень сложной квантовой системы, содержащей множество компонентов, находящихся в новом запутанном состоянии. Если принцип приоритета верен, первоначальный ответ системы будет по существу случайным.Однако по мере повторения эксперимента приоритет возрастает, и реакция должна стать предсказуемой… теоретически. «Систему, с помощью которой Вселенная создает прецедент, было бы трудно отличить от шума экспериментальной практики, — признает Смолин, — но это не невозможно».

Хотя приоритет может проявляться в атомном масштабе, его влияние будет общесистемным, космическим. Это связано с идеей Смолина о том, что маломасштабное редукционистское мышление кажется неправильным способом решения больших головоломок.Заставить два класса физических теорий работать вместе, хотя и важно, но тоже недостаточно. Он хочет знать — все мы хотим знать — почему Вселенная такая, какая она есть. Почему время движется вперед, а не назад? Как мы оказались здесь, с этими законами и этой вселенной, а не с некоторыми другими?

Отсутствие сколько-нибудь значимого ответа на эти вопросы в настоящее время указывает на «что-то глубоко неправильное в нашем понимании квантовой теории поля», — говорит Смолин. Как и Хоган, его меньше беспокоит результат любого эксперимента, чем более обширная программа поиска фундаментальных истин.Для Смолина это означает возможность рассказать полную, связную историю о Вселенной; это означает способность предсказывать эксперименты, но также и объяснять уникальные свойства, которые создали атомы, планеты, радуги и людей. Здесь он снова черпает вдохновение у Эйнштейна.

«Урок общей теории относительности снова и снова является триумфом реляционализма», — говорит Смолин. Наиболее вероятный способ получить важные ответы — это взаимодействовать со Вселенной в целом.

А победитель есть?

Если вы хотели выбрать рефери в дебатах между большими и малыми, вы вряд ли могли бы сделать лучше, чем Шон Кэрролл, эксперт по космологии, теории поля и гравитационной физике из Калифорнийского технологического института.Он хорошо разбирается в теории относительности, разбирается в квантовой механике и имеет здоровое чувство абсурда: он называет свой личный блог Нелепой Вселенной. Сразу же Кэрролл присуждает большую часть очков квантовой стороне. «Большинство из нас, участвующих в этой игре, считает, что квантовая механика гораздо более фундаментальна, чем общая теория относительности», — говорит он. Это было преобладающей точкой зрения с 1920-х годов, когда Эйнштейн пытался и неоднократно не мог найти недостатки в противоречивых предсказаниях квантовой теории.Недавний голландский эксперимент, демонстрирующий мгновенную квантовую связь между двумя удаленными друг от друга частицами — событие, которое Эйнштейн высмеивал как «жуткое действие на расстоянии», — только подчеркивает силу доказательств.

Иллюстрация Оуэна Гилдерслива

Если смотреть шире, реальная проблема заключается не в противопоставлении общей теории относительности и квантовой теории поля, как объясняет Кэрролл, а против классической динамики и квантовой динамики. Относительность, несмотря на кажущуюся странность, классическая в том, что касается причин и следствий; квантовая механика определенно не так.Эйнштейн был оптимистичен в отношении того, что некоторые более глубокие открытия откроют классическую детерминированную реальность, скрывающуюся за квантовой механикой, но такой порядок еще не обнаружен. Продемонстрированная реальность жутких действий на расстоянии доказывает, что такого порядка не существует.

«Во всяком случае, люди недооценивают степень, в которой квантовая механика полностью отбрасывает наши представления о пространстве и локальности [представление о том, что физическое событие может влиять только на свое непосредственное окружение]. Этого просто нет в квантовой механике », — говорит Кэрролл.Они могут быть крупномасштабными впечатлениями, которые возникают из очень разных мелкомасштабных явлений, таких как аргумент Хогана о трехмерной реальности, возникающей из двумерных квантовых единиц пространства.

Несмотря на это кажущееся одобрение, Кэрролл считает голометр Хогана долгим, хотя и признает, что он исключен из области его исследований. С другой стороны, он не особо считает попытки Смолина начать с космоса как фундаментальную вещь; он считает эту идею столь же абсурдной, как и попытку аргументировать, что воздух более фундаментален, чем атомы.Что касается того, какая квантовая система может вывести физику на новый уровень, Кэрролл остается в целом оптимистичным в отношении теории струн, которая, по его словам, «кажется очень естественным продолжением квантовой теории поля». Во всех этих аспектах он верен господствующему в современной физике квантовому мышлению.

И все же постановление Кэрролла, хотя и почти полностью про-квантовое, не является чисто одобрением мелкомасштабного мышления. По-прежнему существуют огромные пробелы в том, что может объяснить квантовая теория. «Наша неспособность выяснить правильную версию квантовой механики смущает», — говорит он.«И наш нынешний способ мышления о квантовой механике — это просто полный провал, когда вы пытаетесь думать о космологии или всей Вселенной. Мы даже не знаем, сколько времени «. И Хоган, и Смолин поддерживают это мнение, хотя и расходятся во мнениях относительно того, что им делать в ответ. Кэрролл предпочитает восходящее объяснение, согласно которому время возникает из мелкомасштабных квантовых взаимодействий, но объявляет себя «полностью агностиком» в отношении конкурирующего предположения Смолина о том, что время является более универсальным и фундаментальным.Что касается времени, то все еще не решено.

Какими бы ни были теории, большой масштаб неизбежно важен, потому что это мир, в котором мы живем и наблюдаем. По сути, вселенная в целом — это ответ, и задача физиков состоит в том, чтобы найти способы сделать так, чтобы она выскочила из их уравнений. Даже если Хоган прав, его кусочки пространства должны соответствовать гладкой реальности, с которой мы сталкиваемся каждый день. Даже если Смолин ошибается, существует целый космос с уникальными свойствами, которые необходимо объяснить — то, что, по крайней мере, на данный момент, одна квантовая физика не может сделать.

Расширяя границы понимания, Хоган и Смолин помогают физике установить эту связь. Они подталкивают его к примирению не только между квантовой механикой и общей теорией относительности, но и между идеей и восприятием. Следующая великая теория физики, несомненно, приведет к новой красивой математике и невообразимым новым технологиям. Но лучшее, что он может сделать, — это создать более глубокий смысл, связанный с нами, наблюдателями, которые могут определить себя как фундаментальный масштаб Вселенной.

Это эссе впервые появилось в 29 выпуске Nautilus. Чтобы узнать больше, посетите nautil.us

Следите за долгим чтением в Twitter по адресу @gdnlongread или подпишитесь на длинное еженедельное электронное письмо здесь.

Автостопом по квантовой теории поля

Второй в нашей серии о новых экспериментах в ЦЕРНе.


Фото: Инеке Хуйзинг

Примечание редактора: это вторая статья из серии, посвященной поискам новой физики в ЦЕРНе.

В этой серии статей исследуется аномалия, о которой ученые ЦЕРН объявили в декабре прошлого года на Большом адронном коллайдере (LHC), где протоны сталкиваются со скоростью, близкой к скорости света. Моя первая статья объясняла, как два детектора наблюдали результаты, расходящиеся с предсказаниями Стандартной модели. На жаргоне ученых они обнаружили «дифотонный избыток при 750 ГэВ». (Моя первая статья объясняет, что это значит.)

Этот может иметь большое значение.Стандартная модель, которая выдерживала все экспериментальные испытания в течение сорока лет, является нашей лучшей теорией элементарных частиц, из которых состоит материя и силы, о которых мы знаем. Если аномалия сохранится, мы столкнемся лицом к лицу с ограничениями Стандартной модели.

Но это большое «если». Результаты слишком предварительные, чтобы сейчас что-то сказать наверняка. К счастью, в этом месяце ЦЕРН возобновил эксперименты на LHC и, как ожидается, сделает еще одно объявление этим летом.Новые данные могут показать, что аномалия была просто статистическим шумом, но что бы ни случилось, из этих усилий можно многому научиться, чтобы исследовать границы нашего понимания. Мы можем узнать что-то о природе или узнать, что существующая теория выдержала еще одно испытание. В любом случае, проследив за тем, как делается наука, вы поймете, почему это так увлекательно — как процесс, так и результаты.

В преддверии летнего объявления я расскажу вам о нашем нынешнем понимании физики элементарных частиц: Стандартной модели, бозоне Хиггса и о том, почему мы подозреваем, что БАК может найти что-то, выходящее за рамки Стандартной модели.Для этого мне нужно дать вам представление о том, как работает Вселенная в этих невероятно малых масштабах. Эта вторая часть закладывает основу, исследуя базовый язык физики элементарных частиц. Этот язык называется квантовой теорией поля, но это не столько конкретная теория, сколько основа для всех наших фундаментальных теорий природы, как хорошо проверенных (квантовая электродинамика и квантовая хромодинамика, которые являются частями Стандартной модели), так и многого другого. умозрительные (суперсимметрия и квантовая гравитация).

• • •

Квантовый мир странный. В малых масштабах частицы могут действовать как волны, объекты могут проходить сквозь твердые стены, и чем больше вы знаете о том, где что-то находится, тем меньше вы знаете, насколько быстро это движется. Благодаря этим странным явлениям слово «квант» часто синонимично слову «магия» в фильмах, книгах и массовой культуре. (Этим отношением, к сожалению, злоупотребляют многие шарлатаны, желающие окутать себя атрибутами науки.) Это, конечно, не волшебство, но его действительно трудно понять.Великий датский физик и лауреат Нобелевской премии Нильс Бор сказал: «Любой, кого не шокирует квантовая теория, не понимает ее». Действительно, существуют фундаментальные вопросы о поведении физики в самых маленьких масштабах, на которые у нас пока нет удовлетворительных ответов.

Квантовая теория поля — это основной язык наиболее точной из когда-либо созданных физических теорий.

Однако наше понимание квантового мира значительно расширилось со времен Бора. В самом деле, есть важные различия между квантовой механикой, разработанной в начале двадцатого века, и квантовой теорией поля, о которой я расскажу здесь.Мы до сих пор используем первое во многих ситуациях, не только в физике, но и в технике: ваш компьютер полагается на «магию» квантовой механики для своего существования. Но последняя представляет собой более глубокую, более фундаментальную теорию, которую вы получаете, когда требуете от квантовой механики соблюдения правил специальной теории относительности Эйнштейна — описания того, что происходит, когда объекты движутся со скоростью, близкой к скорости света. Специальная теория относительности — это теория, которая дает нам самое известное уравнение в истории E = mc 2 , которое говорит нам, что масса может быть преобразована в энергию и наоборот.В результате любая теория, включающая специальную теорию относительности, должна иметь дело с созданием или разрушением частиц. Квантовая механика не могла учесть эту возможность; квантовая теория поля может.

Когда вы используете правила квантовой теории поля для вычислений, это поистине невероятно. Это позволило нам сформулировать самую точную научную теорию из когда-либо созданных, способную делать прогнозы с точностью до одной триллионной доли. Я попытаюсь объяснить некоторые из этих правил, чтобы дать представление о том, как я думаю о вещах и их взаимодействиях в этих невероятно малых масштабах (и очень высоких скоростях).Например, как представить себе, что происходит, когда физик говорит: «на LHC мы столкнулись с двумя протонами, движущимися со скоростью, близкой к скорости света, и создали бозон Хиггса; он длился примерно 10 22 секунд, прежде чем распался на несколько фотонов »?

Я буду уклоняться от философских вопросов, которые таятся в основе квантового мира: вопросы о реальности волновой функции, скрытых переменных или мультивселенных. В моей повседневной трудовой жизни я придерживаюсь позиции, которую иногда называют «заткнись и посчитай.«Философские вопросы интересны и важны, но мне не нужно на них отвечать, чтобы проводить свои исследования. С этой точки зрения я дам вам представление о том, как я смотрю на квантовый мир: как движутся частицы и как они взаимодействуют друг с другом. Конечно, это не даст вам глубоких практических знаний о квантовой теории поля, но моя цель — провести некоторые полезные аналогии для понимания того, что происходит на LHC.

Поля и квантовые поля
Фундаментальная проблема, с которой мы сталкиваемся, когда пытаемся визуализировать квантовое поведение, заключается в том, как описать то, что есть вещи.Рассмотрим электроны, фотоны и кварки. Это частицы или волны? Мы думаем о частицах как о точечных предметах, которые имеют определенное местоположение, например, о маленьких бильярдных шарах. Волны же, напротив, распространяются в пространстве и демонстрируют такие свойства, как дифракция и интерференция.

Но спрашивать, является ли что-то частицей или волной, все равно что спрашивать, был ли Гоббс из комикса Кэлвин и Гоббс антропоморфным тигром (каким его видел Кальвин) или мягкой игрушкой-тигром (как его видели все).Ясно, что в мире комиксов Гоббс был просто Гоббсом: у него были такие свойства, как антропоморфные тигры, и свойства, такие как чучела животных, но он был сам по себе, и включение его в любую категорию упустило бы некоторые важные свойства Гоббса, его присущие ему свойства. Гоббсовость. Точно так же мы не должны спрашивать, является ли электрон частицей или волной; это отдельная вещь. В частности, электроны — это возбуждения определенного квантового поля — электронного поля. В некоторых ситуациях возбуждение может выглядеть как частица, а в других — действовать как волна, но принуждение квантового поля к любой из этих категорий приведет к упущению некоторых из его внутренних свойств.

Так что же такое квантовое поле? Существует множество квантовых полей, в том числе по одному для каждой фундаментальной частицы: электронное поле, фотонное поле, множество кварковых полей, поле Хиггса и так далее. В следующей паре статей будут рассмотрены области, которые, как мы знаем, существуют вокруг нас, — те, из которых состоит все, что вы видите и к чему прикасаетесь. А пока я буду говорить в более общем плане: как вы должны представить себе эти поля? Ну, квантовое поле — это, прежде всего, поле . Не все поля являются квантовыми, поэтому давайте сначала подумаем о полях в целом.

Поле — это набор значений, присвоенных каждому месту в пространстве и времени. Рассмотрим некоторые повседневные неквантовые поля. Прямо сейчас вы сидите в комнате с температурным полем . В каждом месте комнаты и в каждый момент времени значение поля задается одним числом — температурой. Вы также находитесь в поле ветра . В каждом месте и в каждый момент времени значение поля ветра дается серией чисел, которые указывают как скорость ветра, так и его направление.Простейшие примеры квантовых полей похожи на поле температуры: они имеют одно значение в каждой точке. Более сложные квантовые поля похожи на поле ветра: у них есть набор значений в каждой точке, которые позволяют им кодировать информацию, такую ​​как направленность.

Вы можете подумать, что поле — это просто хитрый трюк для отслеживания чего-то более фундаментального. В конце концов, такие поля, как поле температуры и поле ветра, являются просто математическими приборами для представления некоторых более фундаментальных физических качеств материи в каждой точке пространства и времени.Так неужели мир полностью опустил поля? Насколько мы можем судить прямо сейчас, квантовых поля нельзя объяснить чем-то более фундаментальным. Они — то, из чего все сделано: распределение ценностей повсюду в пространстве и времени. (Если есть что-то более фундаментальное, мы не знаем, что это такое, и все, что мы знаем, это то, что если немного отступить от этой более глубокой теории, квантовые поля появляются как основные строительные блоки.) Поля — это то, что они являются, а не математическими заменами чего-то еще.Если вас это немного не устраивает, и вы хотите знать, что это за поля «на самом деле», я могу только сказать, присоединяйтесь к клубу. Частью такого рода научных исследований является то, что ответы, которые мы находим, порой просто вызывают больше вопросов.

Одной из важных особенностей полей является то, что они могут изменяться со временем. Температурное поле изменяется, когда температура в каком-то месте меняется от одного момента времени к другому. Точно так же может меняться квантовое поле. Обычно поле находится в невозмущенном состоянии, как поверхность озера в безветренный день.Для большинства известных нам квантовых полей это значение покоя равно нулю. (Единственное известное нам исключение — это поле Хиггса, и возникающая в результате странность наличия ненулевого значения покоя повсюду будет в центре внимания другой статьи.)

Я должен упомянуть важное различие между полями воды и квантовыми полями. Когда вы ищете изменения на поверхности озера, вы выбираете одну конкретную систему координат для работы — систему, в которой вы неподвижны относительно поверхности озера.Ваше описание озера может кардинально измениться, если вы выберете другую систему отсчета. Квантовая теория поля отличается: как я упоминал ранее, это релятивистская теория , что означает, что она работает независимо от того, как вы двигаетесь во Вселенной. К сожалению, возможно, единственное, что мы, люди, умеем визуализировать хуже, чем квантовое поведение, — это относительность, поэтому я не буду здесь останавливаться на этом аспекте. Но я хочу отметить, что, делая это упрощение, я заставил квантовые поля немного походить на старую (неправильную) теорию под названием эфир .Поверьте, эти два понятия не эквивалентны.

Возвращаясь к примеру с водным полем: если вы бросите камень в спокойное озеро, вы вызовете движение воды. Если опустить уровень воды в одном месте, она отскочит вверх, вызывая колебания. Это вертикальное движение воды будет распространяться по озеру горизонтально, заставляя воду в других местах колебаться вверх и вниз. Проще говоря, водное «поле» образует волну. То же самое верно и для квантового поля: если вы его возмущаете, вы заставите поле в этом месте начать колебаться назад и вперед вокруг своего значения покоя.(Обратите внимание, что когда я говорю об осцилляции квантового поля, я не имею в виду, что поле движется в пространстве — вверх / вниз, влево / вправо, вперед / назад, в отличие от движения воды на поверхности озера. значения поля в каждой точке меняются. Волна в поле означает определенную закономерность в значениях поля в разных точках пространства-времени. Само поле не движется в пространстве: оно уже есть везде.)

Как возмущать квантовое поле? Я объясню это немного позже.А пока просто представьте, что вы заставили поле колебаться в определенной точке, как вода в точке, куда брошен камень. Это колебание заставит поле колебаться поблизости, что приведет к большим колебаниям в другом месте, распространяясь. как волна. Эти колебательные состояния называются «возбуждениями» поля, и они обладают большей энергией, чем состояние покоя. Именно эти возбуждения мы могли бы назвать частицами: они переносят энергию.

Частицы как возбуждение квантовых полей
Возможно, вы озадачены.Мы начали с поля, присвоения значений каждому месту в пространстве и времени. Затем мы вызвали колебания, которые добавили энергии полю. Значения поля меняются, и изменения распространяются — но где во всем этом частицы?

Именно здесь вступает в игру квантовая природа этих полей . Квантовые волны — колебания в квантовом поле — отличаются от волн на озере, от колебаний поля ветра или поля температуры.Существенное отличие состоит в том, что вы всегда можете представить себе волну на озере, изменения температуры, скорость или направление ветра все меньше и меньше. Но квантовые возбуждения квантованы , что означает, что они приходят дискретными сгустками. Например, невозможно создать волну в электронном поле, которая соответствует половине электрона с половиной единицы электрического заряда. Вы получите все или ничего не получите.

Тем не менее, существует способов генерации волны в электронном поле, которые соответствуют частице, имеющей большую или меньшую энергию или больший или меньший импульс.В неквантовом мире энергия и импульс частицы должны сочетаться с тем, что мы называем «массой» частицы. Другими словами, для неквантового объекта, если вы скажете мне, сколько энергии имеет объект и с какой скоростью он движется, я могу сказать вам, какова масса объекта. Странно то, что в общем случае возбуждения квантового поля не обязательно должны удовлетворять этому соотношению. Это могло бы означать, что вы можете получить возбуждение электронного поля, которое не имеет массы электрона.Но если вы попытаетесь это сделать, произойдет кое-что очень интересное.

Представьте ребенка на качелях. Если вы потянете качели назад и отпустите их один раз, ребенок начнет раскачиваться вперед и назад с определенным периодом. Если вы хотите, чтобы ребенок качался выше, вы должны его подтолкнуть. Вы инстинктивно знаете, как толкать их, чтобы они раскачивались выше: вы толкаете их синхронно с движением качелей. Если вы этого не сделаете, вы будете толкать в эту сторону , в то время как ребенок будет раскачивать в эту сторону : вы погасите движение, и раскачивание быстро прекратится.Мы говорим, что качели имеют «собственную частоту», и если вы хотите, чтобы колебания продолжались, вы должны работать с ней. Физики называют это явление «резонансом».

Квантовое поле имеет свойство, подобное собственной частоте колебания. Назовите это свойство «массой». Если вы пинаете поле так, чтобы возбуждение имело энергию и импульс в правильной комбинации, чтобы добавить к этой «массе», волна, которую вы создали в поле, продолжит свой веселый путь (вот почему мы можем назовем это свойство «массой», поскольку оно соответствует минимальной энергии, которую вы можете дать полю для создания самоподдерживающегося возбуждения, и из Эйнштейна мы знаем, что E = mc 2 ).Но если соотношение между энергией и импульсом не складывается с массой, возбуждение не продлится очень долго: подобно выталкиванию из времени на качелях, волна быстро утихнет.

Это свойство квантовых полей многое объясняет. Почему, например, каждый электрон во Вселенной имеет одинаковую массу 510 998 910 электрон-вольт? Ну, любой эксперимент требует времени для проведения, поэтому электроны, которые мы можем измерить, — это электроны, которые задержались достаточно долго, чтобы их можно было измерить, — это возбуждения, которые не исчезли быстро.Это означает, что именно эти волны в квантовом поле настроены правильно, так что энергия и импульс суммируются правильно. Таким образом, когда мы измеряем их свойства, они будут иметь «массу», которая задается внутренними свойствами поля. Эти свойства везде одинаковы, поскольку поле пронизывает всю Вселенную. Итак, каждый электрон, который мы можем найти и измерить, является возбуждением одного и того же поля и, следовательно, имеет одинаковую массу. Могут быть возбуждения электронного поля, не обладающие нужной массой, но они не длятся достаточно долго, чтобы мы могли их взвесить.Если у вас есть доступ к коллайдеру частиц, вы могли бы настроить некоторые из этих короткоживущих возбуждений и продемонстрировать, что частицы действительно могут существовать с «неправильной» массой, хотя и кратковременно.

Квантовые поля также помогают объяснить принцип неопределенности Гейзенберга, один из основных фактов квантовой механики, который гласит, что чем точнее вы знаете местоположение частицы в любой момент времени, тем меньше вы можете знать об ее импульсе. Подумайте о квантовом возбуждении, чье местоположение вы точно знаете, как всплеск воды в момент после того, как вы бросили камень в озеро.Но затем подумайте, что сделает этот всплеск воды сразу после того, как камень утонет: он распространится во всех направлениях. В каком же направлении движется «частица»? Вы не знаете — он движется во все стороны. В качестве альтернативы представьте себе волну, направление движения которой вы точно знаете. На поверхности воды это будет бесконечная серия волн, устойчиво движущихся в одном направлении, как океанские волны, прежде чем они упадут на пляж. Но бесконечный ряд волн не локализован в одном месте.Таким образом, вы не можете предсказать, где находится «частица». Когда вы будете искать его, вы можете найти его везде, где существуют эти волны.

Взаимодействия полей
Понимание квантовых полей само по себе является достижением, но реальное действие заключается в понимании того, как взаимодействуют частицы и поля. Вы можете представить частицы как волны в их полях — электроны в электронных полях, фотоны в фотонном поле и так далее. Но эти поля должны иметь возможность общаться друг с другом. В конце концов, движущиеся электроны могут генерировать возбуждение в фотонном поле — основе радио, лампочек и лазеров.Как происходят эти разговоры?

Если вы дергаете за струну на гитаре, она начинает вибрировать — вы создали волну на струне. Но струны прибиты к дереву, что может передавать колебания от одной струны к другой. Вы можете увеличивать или уменьшать механическое соединение между двумя струнами, что облегчает или затрудняет передачу энергии. Кроме того, частота волн, которые могут поддерживаться на каждой струне, различна, поэтому волна, которая будет длиться долгое время на одной струне, может быстро затухнуть на другой.Выдергивание струны для создания ля не будет работать на струне, настроенной на воспроизведение ля-ля. (Как и в случае со свинг-сетом, «толчки» струны A будут не синхронизированы с собственной частотой струны B. )

Вот как можно представить взаимодействие частиц. Различные струны на гитаре подобны различным типам полей, хотя все поля сосуществуют в каждой точке пространства и времени, что затрудняет их изображение, чем хорошо разделенные гитарные струны. Подобно тому, как разные строки связаны механически, разные поля иногда связаны: мы говорим, что такие поля «связаны».«Возбуждение одного поля может вызвать возбуждение в других связанных с ним полях, точно так же, как волна на одной гитарной струне может вызвать вибрацию соседних струн. И так же, как различные настройки гитарных струн могут препятствовать тому, чтобы волны на одной струне вызывали колебания на другой, свойства каждого поля (сродни параметру «масса», о котором я говорил выше) могут предотвратить скачок возбуждения в одном конкретном поле. Другая. Тот факт, что поля квантованы, означает, что возбуждение в одном поле должно быть точно такого размера, чтобы производить устойчивое возбуждение в другом поле.Правила того, как эти поля взаимодействуют друг с другом, кажутся сложными, но более глубокое изучение обнаруживает потрясающую простоту, подпадающую под действие концепции, которую мы называем «симметрией» — идея, о которой я расскажу в следующей части этой серии.

Например, электрон, движущийся в электронном поле, деформирует поле связанных фотонов. Если электрон не ускоряется, деформация фотонного поля — это то, что мы называем «электрическим и магнитным полем» электрона. Но если вы ускоряете электрон, вы начинаете сотрясать фотонное поле, и деформация может превратиться в возбуждение, которое мы называем фотонами.Результат — то, что мы называем светом.

Мы говорили о том, что поля могут возбуждать другие поля, но также возможно, что поля возбуждают сами себя. Однако фотонное поле относительно слабо связано с квантовыми полями заряженных частиц (таких как электроны) и вообще не связано с самим собой. Вследствие этого последнего факта, когда я сижу здесь и смотрю на свет, исходящий из окна, на волны фотонов, идущих к моему глазу от солнца, не влияют фотонные волны, исходящие от источников света на потолке.Вот как действуют водные волны: если вы посмотрите, как волны, идущие вслед за лодкой, проходят сквозь волны на озере, там, где волны перекрывают друг друга, вода будет неровной и беспорядочной, но после того, как волны пройдут друг через друга, они продолжатся. как ни в чем не бывало. Волны на воде, как свет, не соединяются друг с другом.

Поля, которые слабо связаны друг с другом и сами с собой, являются большим подспорьем для физиков элементарных частиц. Математику несвязанных («свободных») квантовых полей легко решить, но уравнения, описывающие поведение связанных полей, не могут быть решены точно, поэтому мы должны приблизиться к ответу.Поля, которые не совпадают строго, позволяют нам сказать, что наши приближения хорошие — ошибка небольшая. Например, мы можем вычислить, как поле электрона влияет на поле фотона, не слишком заботясь о том, как поле фотона, в свою очередь, влияет на поле электрона, а затем о том, как поле фотона затем реагирует на этот отклик, до бесконечности. Если мы проведем эти вычисления, мы знаем, что в какой-то момент можем спокойно проигнорировать эту петлю обратной связи, потому что на каждой итерации способность одной волны влиять на другую очень мала.Именно в анализе таких «слабосвязанных» полей действительно проявляется квантовая теория поля, позволяющая делать невероятно точные предсказания о том, как частицы движутся и взаимодействуют.

Действительно, наиболее точной из когда-либо созданных физических теорий является квантовая электродинамика, квантовая теория поля, описывающая электричество, магнетизм и свет, и своим большим успехом она обязана слабой связи. Физики-экспериментаторы могут измерить одну конкретную величину, магнитный момент электрона, с точностью до двенадцати десятичных знаков.Физики-теоретики могут вычислить ту же величину с той же точностью, используя четыре итерации идеи о том, что электронное поле взаимодействует с фотонным полем, которое взаимодействует с электронным полем, и так далее. Примечательно то, что теоретическое значение согласуется с экспериментальным значением. Теоретики могут пойти дальше, вычисляя эту величину до пяти или шести и т. Д., Но поскольку два поля слабо связаны, каждая итерация будет постепенно менее важна для окончательного ответа, и поскольку экспериментальное значение неизвестно за пределами двенадцать знаков после запятой, нет смысла проводить эти более точные теоретические вычисления.

Однако другие поля сильно связаны друг с другом : в отличие от волн на озере или фотонов, их волны не проходят друг через друга свободно. Вместо этого, когда они взаимодействуют, волны бросают каждое поле в хаотический беспорядок; движение одного поля сильно зависит от движения другого поля, и наоборот. Если бы волны на воде были сильно связаны, то при пересечении двух волн после прохождения «мимо» друг друга форма каждой волны изменилась бы. Кварки, например, сильно связаны с полем, называемым глюонным полем.В отличие от слабой связи между фотонами и электронами (или между фотонами и кварками), любое возмущение в кварковом поле заставляет глюонное поле двигаться синхронно; но как только глюонное поле движется, кварковое поле, в свою очередь, реагирует на это движение и так далее, взад и вперед. На первый взгляд из-за такой сильной связи трудно увидеть наличие двух полей. В конце концов, если мы не можем перемещать поле кварков, не перемещая поле глюонов, как мы можем узнать, что они различны?

Вот почему мы говорим о протонах и нейтронах, хотя на самом деле они представляют собой мешки из кварков и глюонов.Когда вы покачиваете кварк или глюонное поле, вы заставляете все остальные поля двигаться вместе с ним. Это все еще вызывает возбуждение и волны, которые все еще выглядят как частицы. Но поскольку мы не можем видеть отдельные поля, мы видим, что весь конгломерат движется как единое целое, поэтому мы говорим о «протонном поле» или «нейтронном поле». (Таких полей гораздо больше, все просто сложные комбинации кварковых и глюонных полей.) Только глядя на очень короткие расстояния и за очень короткое время, мы можем отделить это движение всех полей и увидеть только один кварк или один. глюон действует независимо.

Создание бозона Хиггса
Мы видели, что самые фундаментальные вещи во Вселенной — это квантовые поля. Они квантуются, и они колеблются, и иногда они передают свои колебания другим полям. Давайте соберем все это вместе и попробуем представить себе бозон Хиггса, создаваемый на LHC.

Когда я представляю себе, что происходит на БАК, когда рождается бозон Хиггса, я представляю волны двух протонов, движущихся навстречу друг другу с противоположных направлений.Протоны — это связка осциллирующих полей — кварковых и глюонных полей — все движутся вместе, образуя то, что мы видим как единую частицу. Они направляются вдоль кольца LHC деформациями фотонного поля (то есть магнитными полями, создаваемыми мощными магнитами), которые действуют как барьеры, толкая эти волны по искривленной траектории. В конце концов, эти две протонные волны направляются к точке пересечения и движутся мимо друг друга с невероятной энергией и невероятной скоростью (99,9999991% скорости света).В этот момент иногда один из колеблющихся глюонов в одном из пучков, составляющих протон, объединяется с колеблющимся глюоном в другом протоне, создавая волну в ранее спокойном поле Хиггса. Это называется «синтез глюонов». Немного энергии протонов просачивается, и в поле Хиггса рождается новое возбуждение — новая частица. Само поле Хиггса существует всегда, везде в пространстве-времени, но возбуждение поля было создано только тогда, когда колебания в связанных полях были переданы.Поскольку глюонные поля лишь слабо и косвенно связаны с полем Хиггса, это очень редкое событие.

По мере удаления возбуждения, которое мы называем бозоном Хиггса, остатки объединенных кварковых и глюонных полей, которые составляют сталкивающиеся протоны, на мгновение оказываются неуравновешенными; потеряв энергию в поле Хиггса, волны больше не имеют правильных свойств, чтобы двигаться как одна в форме, которую мы называем протонами. Например, их энергия и импульс больше не будут составлять правильную массу для длительного возбуждения протонного поля.В конце концов, после беспорядочного перераспределения энергии между всеми кварковыми и глюонными полями, поля сортируются сами по себе, образуя новые стабильные волны, соответствующие новым частицам. Но это займет немного времени, и к тому времени колебания, которые когда-то были протонами, уйдут далеко от вновь созданной частицы Хиггса.

По мере того, как это колебание в полях Хиггса развивается во времени, его колебания могут передаваться в одно из других полей, с которыми связано поле Хиггса: например, поле фотонов или кварковые поля.Невозможно точно предсказать, когда это произойдет или в какое поле произойдет передача, но в конечном итоге энергия, переносимая в поле Хиггса , будет передаваться , вызывая колебания в одном из этих других полей. Когда это происходит, мы говорим, что бозон Хиггса распался: поле Хиггса снова становится спокойным, а на его месте появляются новые возбуждения в других полях (пара фотонов, кварк и антикварк или что-то еще). Эти частицы затем сами улетят, рассеиваясь на других возбуждениях других полей, притягивая и толкая другие поля, как волна в своем собственном квантовом море.

• • •

Приведенные мной аналогии — всего лишь аналогии. Вы, конечно, можете согнуть их в неправильном направлении, и картина, которую я нарисовал, является лишь плохим отражением математики квантовой теории поля. Чтобы делать прогнозы и анализировать эксперименты, мы, конечно, превращаем эту картину во что-то гораздо более точное — то, что мы можем использовать для вычислений. Например, вы не можете точно сказать, где окажется энергия в поле Хиггса, но вы, , можете, , очень точно сказать о вероятности ее попадания в разные поля; есть 0.Вероятность 23%, что Хиггс распадется на два фотона.

Но вам не нужно знать математику, чтобы понять, что физики делают на LHC. Вооружившись этой картиной квантового мира, мы обратимся в следующей статье ко всем областям, о которых мы знаем, как описано в Стандартной модели физики элементарных частиц. После знакомства с зоопарком частиц вокруг нас я объясню, что происходит с полем Хиггса и, в частности, с бозоном Хиггса, и почему они показывают, насколько странной является наша Вселенная.

Квантовая механика, интерпретации | Интернет-энциклопедия философии

Квантовая механика — это физическая теория, разработанная в 1920-х годах для объяснения поведения материи в атомном масштабе. Впоследствии она стала, пожалуй, самой успешной эмпирически успешной теорией в истории физики. Однако трудно понять квантовую механику как описание физического мира или как физическое объяснение наблюдаемых нами экспериментальных результатов.Попытки понять квантовую механику как описательную и объяснительную, изменить ее таким образом, чтобы ее можно было понять, или аргументировать, что такое понимание не требуется, могут быть приняты как версии проекта интерпретации квантовой механики.

Проблемный характер квантовой механики проистекает из того факта, что теория часто представляет состояние системы с помощью суммы нескольких членов, где каждый член, по-видимому, представляет отдельное физическое состояние системы. Более того, эти термины взаимодействуют друг с другом, и это взаимодействие имеет решающее значение для предсказаний теории.Если понимать это представление буквально, создается впечатление, что система существует сразу в нескольких несовместимых физических состояниях. И все же, когда физик производит измерение в системе, только одно из этих несовместимых состояний проявляется в результате измерения. Что делает это особенно загадочным, так это то, что в физической природе измерения нет ничего, что могло бы отдать предпочтение одному из терминов над другими.

Согласно копенгагенской интерпретации квантовой механики, решение этой загадки состоит в том, что квантовое состояние не следует рассматривать как описание физической системы.Скорее, роль квантового состояния состоит в том, чтобы суммировать то, что мы можем ожидать, если проведем измерения в системе. Согласно многомировой интерпретации, квантовое состояние — это , которое следует рассматривать как описание системы, и решение загадки состоит в том, что каждый член в этом описании дает соответствующий результат измерения. То есть для любого квантового измерения обычно существует нескольких результатов измерения, происходящих на разных «ветвях» реальности. Согласно теориям скрытых переменных, квантовое состояние — это частичное описание системы, где остальная часть описания дается значениями одной или нескольких «скрытых» переменных.Решение загадки в этом случае состоит в том, что скрытые переменные выбирают одно из физических состояний, описываемых квантовым состоянием, как фактическое состояние . Согласно теориям спонтанного коллапса, квантовое состояние является полным описанием системы, но динамические законы квантовой механики являются неполными, и их необходимо дополнить процессом «коллапса», который устраняет все члены состояния, кроме одного, во время процесс измерения.

Эти и другие интерпретации представляют нам очень разные картины природы физического мира (или, в случае Копенгагена, вообще никакой картины), и у них разные сильные и слабые стороны.Вопрос, как определиться между ними, — открытый.

Содержание

  1. Развитие квантовой механики
  2. Копенгагенская интерпретация
  3. Интерпретация многих миров
  4. Теории скрытых переменных
  5. Теории спонтанного коллапса
  6. Прочие интерпретации
  7. Выбор интерпретации
  8. Ссылки и дополнительная литература

1. Развитие квантовой механики

Квантовая механика была разработана в начале двадцатого века в ответ на несколько загадок, касающихся предсказаний классической (до 20–90–203–90–204 века) физики.Классическая электродинамика, успешно описывающая большое количество явлений, приводит к абсурдному выводу, что электромагнитная энергия в полой полости бесконечна. Он также предсказывает, что энергия электронов, испускаемых из металла посредством фотоэлектрического эффекта, должна быть пропорциональна интенсивности падающего света, тогда как на самом деле энергия электронов зависит только от частоты падающего света. В совокупности с преобладающим представлением об атомах как об облаках положительного заряда, содержащих крошечные отрицательно заряженные частицы (электроны), классическая механика предполагает, что альфа-частицы, выпущенные в тонкую золотую фольгу, должны проходить прямо сквозь них, тогда как на самом деле небольшая их часть отражается. обратно к источнику.

В ответ на первую загадку Макс Планк предположил в 1900 году, что свет может излучаться или поглощаться только в целых единицах h n , где n — частота света, а h — постоянная величина. Это гипотеза о том, что энергия квантуется — что это дискретная, а не непрерывная величина — от которой квантовая механика получила свое название. Эта гипотеза может быть использована для объяснения конечного количества электромагнитной энергии в полой полости.В 1905 году Альберт Эйнштейн предположил, что квантование энергии может решить и вторую загадку; минимальное количество энергии, которое может быть передано электрону от падающего света, составляет h n , и, следовательно, энергия испускаемых электронов пропорциональна частоте света.

Эрнест Резерфорд решил третью загадку в 1911 году, посчитав, что положительный заряд в атоме сосредоточен в небольшом ядре с достаточной массой, чтобы отразить альфа-частицу, которая сталкивается с ним.Согласно разработанной Нильсом Бором в 1913 году этой модели, электроны вращаются вокруг этого ядра, но для этих орбитальных электронов допустимы только определенные энергии. Опять же, энергия квантуется. Модель имеет дополнительное преимущество в объяснении спектра света, испускаемого возбужденными атомами; поскольку разрешены только определенные энергии, возможны только определенные длины волн света, когда электроны прыгают между этими уровнями, и это объясняет, почему спектр света состоит из дискретных длин волн, а не континуума возможных длин волн.

Но квантование энергии вызывает столько же вопросов, сколько и дает ответов. Среди них: Почему разрешены только определенные энергии? Что мешает электронам в атоме непрерывно терять энергию и двигаться по спирали к ядру, как предсказывает классическая физика? В 1924 году Луи де Бройль предположил, что электроны похожи на волны, а не на частицы, и что причина, по которой разрешены только определенные энергии электронов, заключается в том, что энергия является функцией длины волны, и только определенные длины волн могут без остатка соответствовать электронной орбите для заданная энергия.К 1926 году Эрвин Шредингер разработал уравнение, определяющее динамическое поведение этих материальных волн, и родилась квантовая механика.

Эта теория оказалась поразительно успешной. В течение года после формулировки Шредингера Клинтон Дэвиссон и Лестер Гермер продемонстрировали, что электроны проявляют эффекты интерференции, точно так же, как световые волны: когда электроны отражаются от регулярно расположенных атомов кристалла, их волны усиливают друг друга в некоторых направлениях и нейтрализуются в другие, что приводит к тому, что в одних направлениях обнаруживается больше электронов, чем в других.Этот успех продолжается. Квантовая механика (в форме квантовой электродинамики) правильно предсказывает магнитный момент электрона с точностью примерно до одной триллионной части, что делает ее самой точной теорией в истории науки. И пока его репутация в сфере прогнозирования безупречна: никакие данные не противоречат этому.

Но на описательном и объяснительном уровне теория квантовой механики менее чем удовлетворительна. Обычно, когда вводится новая теория, ее сторонники ясно понимают предполагаемую физическую онтологию — вид объектов, которыми управляет теория.На первый взгляд квантовая механика ничем не отличается, поскольку она управляет эволюцией волн в пространстве. Но есть, по крайней мере, две причины, почему рассматривать эти волны как настоящие физические сущности проблематично.

Во-первых, хотя в случае интерференции электронов количество электронов, прибывающих в определенное место, можно объяснить с точки зрения распространения волн через устройство, каждый электрон обнаруживается как частица с точным местоположением, а не как распространяющаяся волна.Как заметил Макс Борн в 1926 году, интенсивность (квадрат амплитуды) квантовой волны в определенном месте дает вероятность того, что частица находится там; это правило Борна для присвоения вероятностей результатам измерений. Вторая причина сомневаться в реальности квантовых волн состоит в том, что квантовые волны распространяются не в обычном трехмерном пространстве, а в пространстве размером 3 n , где n — количество частиц в рассматриваемой системе. Следовательно, совсем не ясно, действительно ли лежащая в основе онтология распространяется на волны, распространяющиеся в пространстве.Действительно, стандартная терминология заключается в том, чтобы называть квантово-механическое представление состояния системы волновой функцией , а не волной, что, возможно, указывает на отсутствие метафизической приверженности: математическая функция, которая представляет систему, имеет форму волны, даже если он на самом деле не представляет волну.

Итак, квантовая механика — феноменально успешная теория, но совсем не ясно, что она говорит нам о лежащей в основе природе физического мира.Квантовая механика, возможно, уникальная среди физических теорий, нуждается в интерпретации, чтобы объяснить нам, что она означает. Четыре вида интерпретации подробно описаны ниже (а некоторые другие — более кратко). Первые две — копенгагенская интерпретация и многомировая интерпретация — берут за отправную точку стандартную квантовую механику. Третья и четвертая — теории скрытых переменных и теории спонтанного коллапса — начинаются с модификации теории квантовой механики и поэтому, возможно, лучше описаны как предложения по замене квантовой механики тесно связанной теорией.

2. Копенгагенская интерпретация

Самый ранний консенсус относительно значения квантовой механики сформировался вокруг работ Нильса Бора и Вернера Гейзенберга в Копенгагене в течение 1920-х годов и, следовательно, стал известен как копенгагенская интерпретация. Позиция Бора состоит в том, что наше представление о мире обязательно классическое; мы думаем о мире в терминах объектов (например, волн или частиц), движущихся в трехмерном пространстве, и это единственный способ, которым мы можем думать об этом.Квантовая механика не допускает такой концептуализации ни в терминах волн, ни в частицах, поэтому квантовый мир в принципе для нас непознаваем. Квантовая механика не должна рассматриваться как описание квантового мира, равно как и эволюция квантового состояния во времени не должна рассматриваться как причинное объяснение наблюдаемых нами явлений. Скорее, квантовая механика представляет собой чрезвычайно эффективный инструмент для прогнозирования результатов измерений, который принимает конфигурацию измерительного устройства (описанную классически) в качестве входных данных и производит вероятности для возможных результатов измерения (описываемых классически) в качестве выходных данных.

Иногда утверждают, что копенгагенская интерпретация является продуктом логического позитивизма, который процветал в Европе в тот же период. Логические позитивисты считали, что содержательное содержание научной теории исчерпывается ее эмпирическими предсказаниями; любые дальнейшие предположения о природе мира, которые приводят к этим результатам измерений, в буквальном смысле бессмысленны. Это определенно имеет некоторый резонанс с копенгагенской интерпретацией, особенно описанной Гейзенбергом.Но взгляды Бора существенно отличаются от взглядов Гейзенберга и являются скорее кантианскими, чем позитивистскими. Бор счастлив сказать, что микромир существует, и что его нельзя рассматривать в терминах причинности, и то и другое было бы бессмысленными утверждениями с точки зрения позитивистов. Однако Бор считает, что мы мало что можем сказать о микромире. Бор, как и Кант, думает, что мы можем мыслить вещи только определенным образом и что мир, как он есть сам по себе, не поддается такой концептуализации.Если это верно, то наши фундаментальные физические теории неизбежно не могут описать мир таким, какой он есть, и тот факт, что мы не можем понять квантовую механику как описание мира, не должен нас беспокоить.

До тех пор, пока человек не убежден в позиции Канта относительно нашего концептуального доступа к миру, он может не найти заявления Бора о том, что мы можем вообразить убедительными. Однако мотивацию для принятия интерпретации в копенгагенском стиле можно сделать независимой от какой-либо всеобъемлющей философской позиции.Поскольку интенсивность волновой функции в определенном месте дает вероятность того, что частица займет это место, естественно рассматривать волновую функцию как отражение наших знаний о системе, а не как описание самой системы. Эта точка зрения, которой придерживался Эйнштейн, предполагает, что квантовая механика неполна, поскольку она дает нам только инструментальный рецепт для вычисления вероятностей результатов, а не описание основного состояния системы, которое порождает эти вероятности.Но позже было доказано (как мы увидим), что при определенных правдоподобных предположениях невозможно построить такое описание основного состояния. В то время Бор не знал, что задача Эйнштейна невыполнима, но ее очевидная трудность дает некоторые основания рассматривать квантовый мир как непостижимый.

Однако копенгагенская интерпретация имеет как минимум два основных недостатка. Во-первых, значительная часть ранних свидетельств квантовой механики проистекает из ее способности объяснять результаты интерференционных экспериментов с участием таких частиц, как электроны.Настойчивость Бора в том, что квантовая механика не является описательной, убирает это объяснение (хотя, конечно, рассмотрение волновой функции как описание только нашего знания не лучше). Во-вторых, позиция Бора требует «разрыва» между макроскопическим миром, описываемым классическими концепциями, и микроскопическим миром, относящимся к квантовой механике (но не описываемым ею). Поскольку макроскопические объекты состоят из микроскопических компонентов, похоже, что макроскопические объекты также должны подчиняться законам квантовой механики; не может быть такого «разреза», резкого или расплывчатого, ограничивающего сферу применимости квантовой механики.

3. Многовирное толкование

В 1957 году Хью Эверетт предложил радикально новый способ интерпретации квантового состояния. Его предложение состояло в том, чтобы рассматривать квантовую механику как описательную и универсальную; квантовое состояние является подлинным описанием рассматриваемой физической системы, и макроскопические системы так же хорошо описываются этим способом, как и микроскопические. Это сразу решает обе вышеупомянутые проблемы; нет «разрыва» между микро- и макромирами, и сохраняется объяснение интерференции частиц в терминах волн.

Непосредственной проблемой, стоящей перед такой реалистичной интерпретацией квантового состояния, является происхождение результатов квантовых измерений. Напомним, что в случае интерференции электронов обнаруживается не распространяющаяся волна, а частица с четко определенным местоположением, где интенсивность волновой функции в определенном месте дает вероятность того, что частица находится там.

Как Эверетт объясняет эти факты? Он предлагает моделировать сам процесс измерения квантово-механически.Нет никаких сомнений в том, что измерительные устройства и люди-наблюдатели допускают квантово-механическое описание, но, учитывая предположение, что квантовая механика применима ко всем материальным объектам, такое описание должно быть доступно, по крайней мере, в принципе. Поэтому для простоты рассмотрим ситуацию, в которой интенсивность волновой функции для электрона в конце эксперимента отлична от нуля только в двух областях пространства, A и B. Детекторы в этих местах также могут быть смоделированы с использованием волновой функции с В результате компонент волновой функции электрона в точке A вызывает соответствующее изменение волновой функции A-детектора, и аналогично в точке B.Таким же образом мы можем смоделировать экспериментатора, который наблюдает за детекторами, используя волновую функцию, в результате чего изменение волновой функции A-детектора вызывает изменение волновой функции наблюдателя, соответствующее тому, что A-детектор видит срабатывает, и изменение волновой функции B-детектора вызывает изменение волновой функции наблюдателя, соответствующее тому, что B-детектор сработал. Таким образом, конечное состояние наблюдателя моделируется двумя отдельными волновыми структурами , наложенными друг на друга , во многом так же, как наложены два изображения на фотографии с двойной экспозицией.

Таким образом, волновая структура системы электрон-детектор-наблюдатель состоит из двух отдельных ветвей, ветви A-исход и ветви B-исхода. Поскольку эти две ветви относительно причинно изолированы друг от друга, мы можем описать их как два разных мира , в одном из которых электрон попадает в детектор в точке A, а наблюдатель видит срабатывание A-детектора, а в другом из которых электрон попадает в детектор в точке B, и наблюдатель видит срабатывание B-детектора. Однако к этому разговору о мирах нужно относиться осторожно; существует только один физический мир, описываемый квантовым состоянием, но поскольку наблюдатели (наряду со всеми другими физическими объектами) демонстрируют эту ветвящуюся структуру, это , как если бы мир постоянно делился на несколько копий.Неясно, поддерживал ли сам Эверетт эти разговоры о мирах, но это понимание его работы стало каноническим; назовите это интерпретацией многих миров .

Таким образом, согласно многомировой интерпретации, каждый физически возможный результат измерения фактически происходит в некоторой ветви квантового состояния, но, будучи обитателем определенной ветви состояния, конкретный наблюдатель видит только один результат. Это объясняет, почему в эксперименте по интерференции электронов результат выглядит как дискретная частица, хотя объект, который проходит через интерференционное устройство, является волной; каждая точка в волне генерирует свою собственную ветвь реальности, когда попадает на детекторы, поэтому изнутри каждой из результирующих ветвей кажется, что входящий объект был частицей.

Главное преимущество многомировой интерпретации состоит в том, что это реалистичная интерпретация, которая буквально воспринимает физику стандартной квантовой механики. Это часто вызывает недоверие, поскольку влечет за собой, что люди (наряду с другими объектами) постоянно разветвляются на бесчисленные копии, но это само по себе не является аргументом против. Тем не менее, разделение людей ведет к философским трудностям, касающимся идентичности и вероятности, и они (особенно последние) представляют собой настоящие трудности, с которыми сталкивается подход.

Проблема идентичности — философски знакомая проблема: если человек разделяется на две копии, то копии не могут быть идентичны (то есть тому же человеку, что и) исходному человеку, иначе они были бы идентичны ( один и тот же человек, как) друг друга. В литературе были разработаны различные решения. Можно последовать примеру Дерека Парфита и тут же закусить пулю: какие случаи деления, подобные этому, показывают, что строгая идентичность не является полезным понятием для описания отношений между людьми и их преемниками.Или можно последовать примеру Дэвида Льюиса и спасти строгую идентичность, указав, что человек — это четырехмерная история , а не трехмерный объект. Согласно этой фотографии, есть два человека (две полные истории), присутствующие как до, так и после события деления; сначала они перекрываются, но позже расходятся. Идентичность с течением времени сохраняется, поскольку каждый из людей до разделения идентичен ровно одному из людей после разделения. Обе эти позиции были предложены как потенциальные решения проблемы личностной идентичности во многомировой вселенной.Третье решение, которое иногда упоминается, состоит в том, чтобы оговорить, что человек — это целое ветвящейся сущности, так что предварительно разделенное лицо идентично и ее преемникам, и (несмотря на нашу первоначальную интуицию в противном случае) преемники являются идентичны друг другу.

Итак, проблема идентичности допускает ряд возможных решений, и вопрос лишь в том, как выбрать между ними. В самом деле, кто-то может возразить, что нет необходимости выбирать между ними, поскольку выбор является прагматическим в отношении наиболее полезного языка для описания разветвленных лиц.

Проблема вероятности, однако, потенциально более серьезна. Как отмечалось выше, квантовая механика делает свои прогнозы в форме вероятностей: квадрат амплитуды волновой функции в определенной области говорит нам о вероятности того, что частица находится там. Поразительное соответствие наблюдаемого распределения результатов с этими вероятностями — вот что подтверждает нашу уверенность в квантовой механике. Но согласно многомировой интерпретации, каждый результат измерения на самом деле происходит в некоторой области реальности, и хорошо информированный наблюдатель это знает.Трудно понять, как соотнести это с понятием вероятности; На первый взгляд кажется, что каждый исход имеет вероятность 1 как объективно, так и эпистемически. В частности, если результат измерения дает две ветви, одна с большим квадратом амплитуды, а другая с малым квадратом амплитуды, трудно понять, почему мы должны рассматривать первую как более вероятную, чем вторую. Но если мы не сможем этого сделать, эмпирический успех квантовой механики испарится.

Следует отметить, однако, что основы вероятности изучены плохо.Когда мы бросаем два кубика, шанс выпадения 7 выше, чем шанс выпадения 12. Но нет единого мнения относительно значения случайных заявлений или относительно того, почему более высокий шанс выпадения 7 должен ограничивать наши ожидания или поведение. Так что, возможно, квантовый ветвящийся мир находится не в худшей форме, чем классический линейный мир, когда дело доходит до понимания вероятности. Мы можем не понимать, как квадрат амплитуды волновой функции может действовать как случайность, руководствуясь нашими ожиданиями, но, возможно, это не препятствие для постулирования того, что она работает.

Более позитивный подход был разработан Дэвидом Дойчем и Дэвидом Уоллесом, утверждая, что при некоторых правдоподобных ограничениях рационального поведения рациональные люди должны вести себя так, как будто квадраты амплитуд волновых функций — это случайность. Если объединить это с функционалистским отношением к случайности — что все, что функционирует как случай в управлении поведением , является случайностью — тогда эта программа обещает подтвердить утверждение о том, что квадраты амплитуд волн являются шансами. Однако предположения, на которых основан аргумент Дойча-Уоллеса, могут быть оспорены.В частности, они полагают, что нерационально заботиться о ветвлении как таковом, : наличие двух преемников, испытывающих данный результат, не лучше и не хуже, чем наличие одного преемника, испытывающего такой результат. Но неясно, что это вопрос рациональности больше, чем вопрос о том, лучше ли иметь несколько счастливых детей, чем иметь одного счастливого ребенка.

Еще одно беспокойство по поводу теории многих слов, которая в значительной степени развеялась, касается онтологического статуса миров.Утверждалось, что постулирование многих миров онтологически расточительно. Однако в настоящее время существует консенсус в том, что миры являются возникающими сущностями, такими же, как столы и стулья, и разговоры о мирах — это просто удобный способ говорить об особенностях квантового состояния. С этой точки зрения, многомировая интерпретация не включает никаких сущностей, помимо тех, которые представлены квантовым состоянием, и как таковая является онтологически скупой. Остается остаточное беспокойство о том, что количество ветвей сильно зависит от математического выбора того, как представлять квантовое состояние.Уоллес, однако, принимает эту неопределенность, утверждая, что, хотя многомировая вселенная является ветвящейся, у нее нет четко определенного числа ветвей. Если это приемлемо, это каким-то образом помогает разрешить вышеупомянутую озабоченность по поводу рациональности заботы о ветвлении как таковом : если нет количества ветвей, то заботиться об этом нерационально.

4. Теории скрытых переменных

Интерпретация многих миров заставит нас поверить в то, что мы ошибаемся, когда думаем, что квантовое измерение приводит к уникальному результату; на самом деле такое измерение приводит к множеству результатов, возникающих в нескольких ветвях реальности.Но, возможно, это слишком много, чтобы его проглотить, или, возможно, проблемы, касающиеся идентичности и вероятности, упомянутые выше, непреодолимы. В этом случае можно прийти к выводу, что квантовая механика неполна, поскольку в квантовом состоянии нет ничего, что выделяло бы один из многих возможных результатов измерения в качестве единственного фактического результата измерения . Как упоминалось выше, это была точка зрения Эйнштейна. Если эта точка зрения верна, то квантовая механика нуждается в доработке путем добавления дополнительных переменных, описывающих фактическое состояние мира.Эти дополнительные переменные обычно известны как скрытые переменные .

Однако теорема, доказанная Джоном Беллом в 1964 году, показывает, что при определенных правдоподобных предположениях такое пополнение квантовой механики со скрытыми переменными невозможно. Один из вариантов доказательства касается свойств пары частиц. Каждая частица имеет свойство, называемое вращением: когда вращение частицы измеряется в каком-то направлении, получается результат вверх или вниз .Предположим, что спин каждой частицы можно измерить вдоль одного из трех направлений, разнесенных на 120 °. Квантовая механика предсказывает, что если спины частиц измеряются в одном и том же направлении, они всегда согласуются (оба вверх или оба вниз ), но если они измеряются в разных направлениях, они согласуются в 25% случаев и не согласен в 75% случаев. Согласно подходу со скрытыми переменными, частицы имеют определенные значения вращения для каждого из трех направлений измерения до измерения.Вопрос в том, как приписать частицам значения спина, чтобы воспроизвести предсказания квантовой механики. Белл доказал, что это невозможно сделать; задача невыполнима.

Многие физики на основе теоремы Белла пришли к выводу, что никакое пополнение квантовой механики скрытыми переменными невозможно. Однако это не был вывод Белла. Вместо этого Белл пришел к выводу, что одно из предположений, на которое он опирался в своем доказательстве, должно быть ложным. Во-первых, Белл предположил, что локальность — что результат измерения, выполненного на одной частице, не может влиять на свойства другой частицы.Это кажется безопасным, потому что измерения двух частиц могут быть широко разделены, так что сигнал, несущий такое влияние, должен будет распространяться быстрее света. Во-вторых, Белл предположил, что независимость — что свойства частиц не зависят от того, какие измерения будут проводиться на них. Это предположение также кажется безопасным, потому что выбор измерения может быть сделан с использованием устройства рандомизации или свободной воли экспериментатора.

Несмотря на кажущуюся надежность своих предположений, Белл знал, когда доказывал свою теорему, что завершение квантовой механики со скрытыми переменными было явно построено Дэвидом Бомом в 1952 году.Бом предположил, что помимо волны, описываемой квантовым состоянием, существует также набор частиц, положения которых задаются скрытыми переменными. Волна толкает частицы в соответствии с новым динамическим законом, сформулированным Бомом, и закон таков, что если положения частиц изначально статистически распределены согласно квадрату амплитуды волны, то они всегда распределяются таким образом. Таким образом, в эксперименте по интерференции электронов существование волны объясняет эффект интерференции, существование частиц объясняет, почему каждый электрон наблюдается в определенном месте, а новый закон Бома объясняет, почему вероятность наблюдения электрона в данном месте местоположение задается квадратом амплитуды волны.Как часто указывал Белл, называть теорию Бома теорией скрытых переменных неправильно, поскольку именно значения скрытых переменных — положения частиц — непосредственно наблюдаются при измерении. Тем не менее название прижилось.

Теория Бома, таким образом, представляет собой конкретный пример теории скрытых переменных квантовой механики. Однако это не контрпример к теореме Белла, поскольку он нарушает предположение Белла о локальности. Новый закон, введенный Бомом, явно нелокален: движение каждой частицы частично определяется положением всех других частиц в этот момент.В случае эксперимента со спином Белла измерение одной частицы мгновенно влияет на движение другой частицы, даже если частицы находятся далеко друг от друга. Это на первый взгляд нарушение специальной теории относительности, поскольку согласно специальной теории относительности одновременность зависит от выбора координат, что делает невозможным определение «мгновенного» каким-либо объективным образом. Однако это не означает, что теория Бома сразу опровергается специальной теорией относительности, поскольку вместо этого можно взять теорию Бома, чтобы показать необходимость добавить универсальный стандарт одновременности к специальной теории относительности.Белл признал эту возможность. Стоит отметить, что хотя теория Бома требует мгновенного действия на расстоянии, она также не позволяет контролировать эти влияния, чтобы посылать сигнал; нет «Белл-телефона».

Бом выбирает позиции как свойства, описываемые скрытыми переменными его теории. Его причина в том, что вполне вероятно, что мы непосредственно наблюдаем именно за положением вещей, и, следовательно, завершения квантовой механики с помощью положений достаточно, чтобы гарантировать, что измерения будут иметь уникальные результаты.Но можно построить измерения, в которых результат записывается не в позиции, а в каком-то свойстве. В ответ на эту возможность можно было бы предложить добавить скрытые переменные, описывающие каждое свойство частиц одновременно, а не только их положение. Однако теорема, доказанная Кохеном и Спекером в 1967 году, показывает, что никакая такая теория не может воспроизвести предсказания квантовой механики. Второй ответ — придерживаться теории Бома как таковой и утверждать, что, хотя такие измерения могут изначально не иметь уникального результата, они быстро приобретут уникальный результат, поскольку записывающее устройство становится коррелированным с положением окружающих объектов в окружающей среде.

Последний способ учесть такие измерения в рамках теории скрытых переменных — сделать их случайными. То есть, вместо того, чтобы дополнять волновую функцию переменными, описывающими фиксированное свойство (положение вещей), можно позволить самому состоянию волновой функции определять, какие свойства системы описываются скрытыми переменными в то время. Идея состоит в том, что алгоритм приписывания скрытых переменных системе таков, что всякий раз, когда выполняется измерение, алгоритм приписывает определенное значение свойству, регистрирующему результат измерения.Такие теории известны как модальные теории. Но в то время как теория Бома предоставляет явный динамический закон, описывающий движение частиц во времени, модальные теории обычно не предоставляют динамический закон, управляющий их скрытыми переменными, и это считается слабым местом подхода.

Модальные теории, такие как теория Бома, обходят теорему Белла, нарушая предположение Белла о локальности. В модальном случае правило для принятия решения о том, какие свойства системы должны быть определены, зависит от полного состояния волновой функции в конкретный момент, и это позволяет измерению одной частицы влиять на свойства, приписываемые другой частице, какой бы удаленной она ни была.Как упоминалось выше, эту проблему можно решить, дополнив специальную теорию относительности предпочтительным стандартом одновременности. Но это широко рассматривается как специальное и необоснованное дополнение к элегантной и хорошо подтвержденной физической теории. В самом деле, та же самая нагрузка часто предъявляется к самим скрытым переменным; они являются специальным и необоснованным дополнением к квантовой механике. Однако, если теории скрытых переменных окажутся единственной жизнеспособной интерпретацией квантовой механики, сила этого заряда значительно уменьшится.

Тем не менее, возможно, удастся построить теорию скрытых переменных, не нарушающую локальность. Таким образом, чтобы обойти теорему Белла, необходимо будет нарушить предположение о независимости — предположение о том, что свойства частиц не зависят от того, какие измерения будут проводиться на них. Поскольку можно выбирать измерения по своему усмотрению, изначально трудно понять, как это предположение могло быть нарушено. Но есть несколько способов сделать это.Во-первых, можно просто признать, что в мире существуют грубые, беспричинные корреляции. Нет причинно-следственной связи (в любом направлении) между моим выбором измерения для (в настоящее время удаленной) частицы и ее свойствами, но, тем не менее, между ними существует корреляция. Этот подход требует отказа от принципа общей причины — принципа, согласно которому корреляция между двумя событиями указывает либо на то, что одно вызывает другое, либо на то, что они имеют общую причину. Тем не менее, в отношении этого принципа нет единого мнения.

Второй подход состоит в том, чтобы постулировать общую причину корреляции — прошлое событие, которое причинно влияет как на выбор измерения, так и на свойства частицы. Но в отсутствие какого-то массового невидимого заговора со стороны Вселенной часто можно гарантировать отсутствие общей причины в прошлом, изолировав измерительный прибор от внешних воздействий. Однако измерительное устройство и измеряемая частица обязательно будут взаимодействовать в future , а именно, когда происходит измерение.Было высказано предположение, что это будущее событие может представлять собой причинно-следственную связь, объясняющую корреляцию между свойствами частиц и измерениями, которые должны быть выполнены на них. Для этого необходимо, чтобы более поздние события могли вызывать более ранние события — эта причинная связь может действовать как назад во времени, так и вперед во времени. По этой причине этот подход известен как ретропричинный подход.

Ретропричинный подход позволяет объяснять корреляции между отдаленными событиями без мгновенного действия на расстоянии, поскольку комбинация обычных причинно-следственных связей и ретропричинных связей может составлять причинную цепочку, которая оказывает влияние между одновременными удаленными событиями.Такие объяснения не требуют абсолютного стандарта одновременности, и, следовательно, ретропричинные теории скрытых переменных легче согласовать со специальной теорией относительности, чем нелокальные теории скрытых переменных.

Теория Бома оперирует двухэлементной онтологией — волной, управляющей набором частиц. Ретропричинные теории различаются по своим онтологическим предпосылкам. Некоторые — ретропричинные теории Бома — включают две волны, управляющие набором частиц; одна волна несет «прямые причинные» влияния на частицы из начального состояния системы, а другая несет «обратные причинные» влияния на частицы из конечного состояния системы.Но, возможно, удастся обойтись только частицами, с волновой функцией, представляющей наши знания о положениях частиц, а не о состоянии реального объекта. Идея состоит в том, что взаимодействие между причинными влияниями на частицы из прошлого и будущего может объяснить все наблюдаемые нами квантовые явления, включая интерференцию. Однако в настоящее время это всего лишь многообещающая исследовательская программа; никаких явных динамических законов для такой теории не сформулировано.

5.Теории спонтанного коллапса,

Теории скрытых переменных пытаются завершить квантовую механику, постулируя дополнительную онтологию в дополнение к (или, возможно, вместо) волновой функции. С другой стороны, теории спонтанного коллапса (по крайней мере, на начальном этапе) принимают волновую функцию как полное представление состояния системы и вместо этого постулируют, что динамический закон стандартной квантовой механики — уравнение Шредингера — не совсем верен. Уравнение Шредингера линейно; это означает, что если начальное состояние A приводит к конечному состоянию A ’, а начальное состояние B приводит к конечному состоянию B’, то начальное состояние A + B приводит к конечному состоянию A ’+ B’.Например, если измерительное устройство, питающее частицу со вращением вверх, приводит к показанию со скоростью вращения вверх, а измерительное устройство, питающее частицу со вращением вниз, приводит к показанию частицы со вращением вниз, то измерительное устройство подает частицу, состояние которой является сумма состояний с повышенным и пониженным вращением в конечном итоге окажется в состоянии, которое является суммой чтения с повышением и понижением вращения. Это множество результатов измерений, охватываемых многомировой интерпретацией.

Чтобы избежать суммирования различных результатов измерений, необходимо изменить основное динамическое уравнение квантовой механики так, чтобы оно стало нелинейным.Первое предложение в этом направлении было сделано Джаном Карло Гирарди, Альберто Римини и Туллио Вебером в 1986 году; она стала известна как теория GRW. Теория GRW добавляет неприводимо вероятностный термин «коллапс» к детерминированной динамике Шредингера. В частности, для каждой частицы в системе существует небольшая вероятность того, что в единицу времени волновая функция подвергнется процессу, в котором она мгновенно и прерывисто локализуется в координатах этой частицы. В процессе локализации состояние волны умножается на узкую гауссову форму (колоколообразная кривая), так что, если волна изначально была распределена в координатах рассматриваемой частицы, она в конечном итоге сконцентрировалась вокруг определенной точки.Точка, в которой центрируется этот процесс коллапса, является случайной, с распределением вероятностей, заданным квадратом амплитуды волны до коллапса (усредненной по гауссовой кривой коллапса).

Это работает следующим образом. Скорость коллапса отдельной частицы очень мала — примерно один коллапс за сто миллионов лет. Поэтому для отдельных частиц (и систем, состоящих из небольшого числа отдельных частиц) следует ожидать, что они подчиняются уравнению Шредингера. И это именно то, что мы наблюдаем; на микроскопическом уровне нет известных исключений из уравнения Шредингера.Но макроскопические объекты содержат порядка триллиона триллионов частиц, поэтому мы должны ожидать около десяти миллионов коллапсов в секунду для такого объекта. Более того, в твердых объектах положения этих частиц сильно коррелированы друг с другом, поэтому коллапс в координатах любой частицы в объекте имеет эффект локализации волновой функции в координатах каждой частицы в объекте. Это означает, что если волновая функция макроскопического объекта распространяется на несколько различных местоположений, он очень быстро коллапсирует до состояния, в котором его волновая функция сильно локализована вокруг одного местоположения.

В случае интерференции электронов каждый электрон проходит через устройство в виде распространяющейся волны. Маловероятно, что процесс коллапса повлияет на эту волну, что важно, так как его распространенный характер важен для объяснения интерференции: компоненты волны, проходящие разными путями, должны иметь возможность объединяться и либо усиливать друг друга, либо нейтрализовать друг друга. . Но когда электрон обнаружен, его положение указывается чем-то, что мы можем наблюдать напрямую, например, по положению макроскопического указателя.Таким образом, чтобы измерить местоположение электрона, положение указателя должно соответствовать положению электрона. Поскольку волна, представляющая электрон, является растянутой, волна, представляющая указатель, первоначально также будет распространяться. Но в течение доли секунды процесс самопроизвольного коллапса локализует указатель (и электрон) в четко определенной позиции, что дает уникальный результат измерения, который мы наблюдаем.

Подход со спонтанным коллапсом связан с более ранними предложениями (например, Джона фон Неймана) о том, что сам процесс измерения вызывает коллапс, который сводит множество ветвей волны до измерения к единственному наблюдаемому результату.Однако, в отличие от предыдущих предложений, он обеспечивает физический механизм для процесса коллапса в форме отклонения от стандартной динамики Шредингера. Этот механизм имеет решающее значение; без него, как мы видели, процесс измерения не может дать однозначного результата.

Обратите внимание, что, в отличие от теории Бома, в теории GRW нет частиц на фундаментальном уровне. В случае интерференции электронов поведение частицы проявляется во время измерения; измеряемая система до измерения демонстрирует только волнообразное поведение.Строго говоря, сказать, что система содержит n частиц, означает просто сказать, что ее волновое представление имеет 3 n измерений, и выделение одной из этих частиц на самом деле означает лишь сосредоточить внимание на форме волны в трех измерениях. этих размеров.

Непосредственная трудность, с которой сталкивается теория GRW, заключается в том, что локализация волны, вызванной коллапсом, не идеальна. В процессе коллапса волна умножается на гауссову функцию, которая имеет сильный пик вокруг своего центра, но которая везде не равна нулю.Никакая часть волновой функции перед коллапсом не сводится к нулю этим процессом; если волновая функция представляет собой набор возможных результатов измерения, волновая составляющая, соответствующая одному результату, становится большой, а волновая составляющая, соответствующая другим, становится маленькой, но они не исчезают. Поскольку одной из причин для принятия теории спонтанного коллапса является кажущаяся неспособность многомировой интерпретации восстановить вероятностные утверждения, нельзя утверждать, что малые члены по своей сути маловероятны.Вместо этого, похоже, что процесс спонтанного коллапса GRW не обеспечивает уникальных результатов измерений.

Вторая трудность теории GRW состоит в том, что волновая функция — это не объект в трехмерном пространстве, а объект, занимающий многомерное пространство с тремя измерениями для каждой «частицы» в рассматриваемой системе. Дэвид Альберт утверждал, что это делает трехмерный мир опыта иллюзорным .

Третья трудность теории GRW состоит в том, что процесс коллапса мгновенно действует на пространственно разделенные части системы; он мгновенно умножает волновую функцию везде на гауссову.Как и теория Бома, теория GRW нарушает предположение о локальности Беллса, поскольку измерение, выполненное на одной частице, может мгновенно повлиять на состояние удаленной частицы (хотя в случае теории GRW разговоры о «частицах» должны быть выражены в терминах координат волновой функции). Как обсуждалось в связи с теорией Бома, это требует объективной концепции одновременности, которая отсутствует в специальной теории относительности, и поэтому трудно понять, как согласовать теорию GRW с теорией относительности.

Один из способов ответа на эти трудности, отстаиваемый Жирарди, состоит в том, чтобы постулировать трехмерное распределение массы в дополнение к волновой функции и определяемое ею, так что наш опыт определяется непосредственно распределением массы, а не волновой функцией. Это является ответом на вторую трудность, поскольку распределение массы, которое мы непосредственно испытываем, является трехмерным, и, следовательно, наше восприятие трехмерного мира достоверно. Это также может помочь решить первую проблему, поскольку массовая плотность, соответствующая нереальным результатам измерения, вероятно, будет незначительной по сравнению с фоновой массовой плотностью, окружающей фактический результат измерения (например, массовая плотность воздуха).Плотность массы Гирарди не предназначена для решения третьей трудности; это требует модификации самого процесса коллапса, и было разработано несколько предложений по построению релятивистского процесса коллапса на основе теории GRW.

Альтернативный подход к трудностям, с которыми сталкивается теория GRW, — адаптировать предложение Джона Белла о том, что центр каждого события коллапса следует рассматривать как «вспышку определенности», из которой строятся повседневные объекты и повседневный опыт.Родерих Тумулка развил это предположение в «яркую» теорию спонтанного коллапса, в которой волновая функция рассматривается инструментально как функция, которая связывает распределение вспышек в один момент времени с распределением вероятностей вспышек в более позднее время. Согласно этому предложению, члены малых волн, соответствующие неактуальным результатам измерений, могут быть поняты прямо вероятностным способом: существует лишь небольшая вероятность того, что вспышка будет связана с таким термином, и, следовательно, только небольшая вероятность того, что не — будет реализован фактический результат измерения.Вспышки расположены в трехмерном пространстве, поэтому не стоит беспокоиться, что трехмерность — это иллюзия. А поскольку вспышки, в отличие от волновой функции, расположены в пространстве-времени точек , легче представить себе примирение между яркой теорией и специальной теорией относительности.

6. Прочие интерпретации

Есть несколько других доступных интерпретаций квантовой механики, которые не вписываются ни в одну из рассмотренных выше категорий. Вот некоторые из них.

Последовательная интерпретация историй (или декогерентных историй), разработанная Робертом Гриффитсом, Мюрреем Гелл-Манном и Джеймсом Хартлом и защищенная Роландом Омнесом, математически представляет собой нечто среднее между теориями коллапса и теориями скрытых переменных. Подобно теориям спонтанного коллапса, подход последовательной истории включает последовательные локализации волновой функции. Но в отличие от теорий спонтанного коллапса, эти локализации не рассматриваются как физические события, а просто как средство выбора конкретной истории рассматриваемой системы как актуальной, так же как скрытые переменные выбирают конкретную историю как действительную.Если все локализации ограничивают положение частицы, то выбранная история напоминает бомовскую траекторию. Но подход согласованных историй также позволяет локализациям ограничивать свойства, отличные от положения, что приводит к более общему классу возможных историй.

Однако не всем таким наборам историй можно приписать согласованные вероятности: в частности, эффекты интерференции часто препятствуют приписыванию вероятностей, подчиняющимся стандартным аксиомам, историям.Однако для систем, которые сильно взаимодействуют с окружающей средой, эффекты помех быстро подавляются; это явление называется декогеренцией. Декогерентным историям можно приписать согласованные вероятности — отсюда два альтернативных названия этого подхода. Предполагается, что только согласованные наборы историй могут описывать мир, но кроме этого требования согласованности, нет никаких ограничений на типы разрешенных историй. Действительно, Гриффитс утверждает, что не существует уникального набора возможных историй: существует множество способов построения наборов возможных историй, где один из каждого набора является актуальным, даже если альтернативные реальности, созданные таким образом, описывают мир взаимно несовместимыми способами.Однако при отсутствии онтологии многих миров некоторые беспокоятся о том, как такое множество истинных описаний мира может быть связным. Гелл-Манн и Хартл отвечают на такие опасения, утверждая, что организмы развиваются, чтобы использовать относительную предсказуемость одного из конкурирующих наборов историй.

Транзакционная интерпретация, первоначально разработанная Джоном Крамером, также включает в себя элементы как коллапса, так и подходов со скрытыми переменными. Он начинается с наблюдения, что некоторые версии динамического уравнения квантовой механики допускают волновые решения, движущиеся как назад во времени, так и вперед во времени.Обычно первые решения игнорируются, но транзакционная интерпретация сохраняет их. Как и в теориях ретропричинных скрытых переменных, бегущие назад волны могут передавать информацию об измерениях, которые должны быть выполнены в системе, и, следовательно, позволяют транзакционной интерпретации уклоняться от заключения теоремы Белла.

Транзакционная интерпретация устанавливает правила, согласно которым обратная и прямая волны генерируют «транзакции» между подготовительными событиями и событиями измерения, и одна из этих транзакций используется для представления фактической истории рассматриваемой системы, где вероятности назначаются транзакциям через версия правила Борна.Формирование транзакции чем-то напоминает спонтанный коллапс волновой функции, но из-за ретропричинного характера теории можно сделать вывод, что волновая функция никогда не существует в предколлапсной форме, поскольку завершенная транзакция существует как вневременной элемент. в истории Вселенной. Следовательно, некоторые ставят под сомнение степень, в которой история с прямыми и обратными волнами представляет собой подлинное объяснение формирования транзакции, поднимая вопросы о применимости транзакционной интерпретации как описания квантового мира.Рут Кастнер отвечает на эти вызовы, развивая возможностную интерпретацию транзакций, встраивая транзакционную интерпретацию в динамическую картину времени, в которой множественные будущие возможности развиваются в единую действительность настоящего.

Реляционные интерпретации, такие как разработанные Дэвидом Мермином и Карло Ровелли, полагают, что квантовая механика касается отношений между системами, а не свойств самих отдельных систем. Согласно такой интерпретации, нет необходимости приписывать свойства отдельным частицам для объяснения корреляций, демонстрируемых экспериментом Белла, и, следовательно, можно обойти теорему Беллса, не нарушая ни локальности, ни независимости.Внешне этот подход напоминает подход Эверетта, согласно которому системы обладают свойствами только относительно данной ветви волновой функции. Но в то время как эвереттианцы обычно говорят, что такое отношение, как наблюдатель, видящий конкретный результат измерения, имеет место на основе свойств наблюдателя и измеряемой системы внутри ветви, Мермин отрицает наличие таких взаимосвязей; скорее, само отношение является фундаментальным. Следовательно, это не интерпретация многих миров, поскольку относительные к миру свойства обеспечивают взаимосвязь, которую отрицают реляционные интерпретации.Однако без таких отношений трудно понять реляционную квантовую механику как описание единственного мира . Однако, ссылаясь на аналогии с пространственно-временными свойствами в релятивистских теориях, Ровелли настаивает на том, что квантовая механика приписывает системе свойства относительно состояния второй системы (например, наблюдателя).

Информационные интерпретации, такие как разработанные Джеффри Бубом и Карлтоном Кейвсом, Кристофером Фуксом и Рюдигером Шаком, интерпретируют квантовую механику как описание ограничений на наши степени веры.Они разрабатывают правила квантовой достоверности по аналогии с правилами классической теории информации, выражая разницу между квантовыми системами и классическими системами в информационных терминах, например, в терминах неизбежной потери информации, связанной с квантовым измерением. Некоторые сторонники информационной интерпретации занимают явно инструменталистскую позицию: квантовая механика — это просто убеждения наблюдателей, рассматриваемые как внешние по отношению к рассматриваемым квантовым системам.Другие считают свою информационную интерпретацию реалистичной в том смысле, что в принципе ее можно применить ко всей вселенной, а «информация» служит новым физическим примитивом. Однако адекватность информационного подхода как реалистического может быть поставлена ​​под сомнение, например, на том основании, что он не обеспечивает динамику эволюции фактического состояния мира во времени. Баб отвечает, что описание теоретико-информационных свойств результатов наших измерений может быть самым глубоким объяснением, на которое мы можем надеяться.

7. Выбор интерпретации

Оставляя в стороне интерпретации, такие как Копенгаген, которые избегают описания квантового мира, интерпретации, обсужденные выше, представляют нам ряд очень разных онтологических картин. Интерпретация многих миров говорит нам, что основная природа физических объектов волнообразна и ветвится. Теория Бома добавляет к этой волне частицы, а некоторые теории скрытых переменных пытаются избавиться от волны как физического объекта. Теория GRW, как и многомировая интерпретация, считает волны фундаментальными, но отвергает многомировую картину ветвящейся Вселенной.Другие теории спонтанного коллапса добавляют к волне распределение плотности массы или заменяют волну точечными вспышками. Теория GRW является недетерминированной, рассматривая квантово-механические вероятности как подлинные объективные шансы, фигурирующие в фундаментальных физических законах. Теория Бома детерминирована, поскольку физические законы не предполагают случайностей, что делает квантовые вероятности просто эпистемическими. Интерпретация многих миров не включает в себя объективных шансов в законах, но тем не менее (в случае успеха) рассматривает квантово-механические вероятности как объективные шансы, основанные на ветвящемся процессе.

Таким образом, кажется, что мы имеем классический случай недоопределенности: хотя экспериментальные данные убедительно подтверждают квантовую механику, неясно, подтверждают ли эти данные метафизическую картину многомиров, Бома, GRW или какую-то другую альтернативу. Поскольку есть сомнения в том, что недодетерминированность когда-либо действительно проявлялась в истории науки, это яркий пример.

Тем не менее, природа и даже существование этого недоопределения могут быть оспорены.Стоит отметить, что теории спонтанного коллапса отличаются своими эмпирическими предсказаниями от стандартной квантовой механики; процесс коллапса разрушает эффекты интерференции, и чем больше объект, тем быстрее ожидается, что эти эффекты будут обнаружены. В настоящее время различия между теориями спонтанного коллапса и стандартной квантовой механикой находятся за пределами досягаемости возможных экспериментов, поскольку малые объекты нельзя удерживать изолированными достаточно долго, а большие объекты вообще нельзя изолировать.Даже в этом случае эмпирическая недоопределенность между теориями спонтанного коллапса и другими интерпретациями не является принципиальным вопросом и в какой-то момент может быть решена в пользу той или иной стороны.

Недоопределенность между теориями скрытых переменных и многомировой интерпретацией носит иной характер. Эти две интерпретации эмпирически эквивалентны, и поэтому никакие экспериментальные данные не могут сделать выбор между ними. Похоже, здесь мы имеем дело с принципиальной недоопределенностью.Можно попытаться сделать выбор между ними на основе неэмпирических теоретических достоинств, таких как простота и элегантность. В отношении подобных мер многомировая интерпретация несомненно выиграет, поскольку теории скрытых переменных начинаются с математического формализма многомировой интерпретации и добавляют сложную и, возможно, специальную дополнительную теоретическую структуру. Но суждение о теориях на основе внетеоретических достоинств — спорное занятие, особенно если мы принимаем победителя как проводника по метафизической природе мира.

С другой стороны, есть основания полагать, что либо многомировая интерпретация, либо теории скрытых переменных могут оказаться несостоятельными. Как отмечалось выше, неясно, может ли многомировая интерпретация объяснить истинность вероятностных утверждений, а если и не может, то не удается установить контакт с эмпирическими свидетельствами. С другой стороны, неясно, можно ли согласовать какую-либо теорию скрытых переменных со специальной теорией относительности (и обобщить на квантовую теорию поля), а если нет, то подход со скрытыми переменными, возможно, неадекватен.

Некоторые утверждали, что в интерпретации квантовой механики нет недетерминированности, поскольку сама по себе многомировая интерпретация непосредственно следует из буквального прочтения стандартной теории квантовой механики. Верно, что как теории скрытых переменных, так и теории спонтанного коллапса дополняют или модифицируют стандартную квантовую механику, поэтому, возможно, только многомировая интерпретация квалифицируется как интерпретация стандартной квантовой механики, а не как тесно связанная с ней теория.Интерпретация многих миров может быть единственной разумной интерпретацией квантовой механики в ее нынешнем виде, и могут быть веские методологические причины против модификации успешных научных теорий. Однако, учитывая возможность того, что квантовая механика согласно многомировой интерпретации на самом деле не является успешной научной теорией (из-за проблемы вероятности), кажется разумным рассмотреть модификации стандартной теории.

Тем не менее, безусловно верно, что не может быть недоопределенным в квантовой механике, поскольку вполне возможно, что только одна из описанных здесь интерпретаций окажется приемлемой.В самом деле, возможно, что ни одна из этих интерпретаций не окажется приемлемой, поскольку все они сталкиваются с нерешенными трудностями. Следовательно, интерпретация квантовой механики все еще остается открытым вопросом.

8. Ссылки и дополнительная литература

  • Альберт, Дэвид З. Квантовая механика и опыт . Издательство Гарвардского университета, 1992.
    • Нетехнический обзор различных интерпретаций квантовой механики и связанных с ними проблем.
  • Белл, Джон Стюарт . Разговорчивый и невыразимый в квантовой механике: Сборник статей по квантовой философии . Издательство Кембриджского университета, 2004.
    • Сочетание технических и нетехнических статей, включая оригинальное доказательство теоремы Белла 1964 года и обсуждения различных интерпретаций квантовой механики, особенно теорий скрытых переменных.
  • Бом, Дэвид. Квантовая теория . Прентис-Холл, 1951.
    • Классический учебник квантовой механики, в первых главах которого рассказывается об историческом развитии теории.
  • Бом, Дэвид и Бэзил Дж. Хили. Неделимая вселенная: онтологическая интерпретация квантовой теории . Рутледж, 1993.
    • Руководство по теории Бома и ее следствиям от ее создателя. Технические по частям.
  • Баб, Джеффри. Bananaworld: Квантовая механика для приматов . Издательство Оксфордского университета, 2016.
    • Доступное введение в феномен запутанности и расширенный аргумент в пользу информационной интерпретации квантовой механики.
  • Кушинг, Джеймс Т. Квантовая механика: историческая случайность и гегемония Копенгагена . Издательство Чикагского университета, 1994.
    • Сравнение копенгагенской интерпретации и теории Бома и защита точки зрения, согласно которой первая стала канонической в ​​основном по социальным причинам.
  • Наголенники, Хилари. «Вероятность в интерпретации Эверетта». Философский компас 2.1 (2007): 109-128.
    • Нетехнический обзор попыток найти место для вероятности в разветвленной вселенной Эверетта.
  • Кастнер, Рут. Транзакционная интерпретация квантовой механики: реальность возможности . Издательство Кембриджского университета, 2013.
    • Нетехническое введение в интерпретацию транзакций и развитие «возможностной» версии в ответ на возражения.
  • Модлин, Тим. Квантовая нелокальность и относительность . Блэквелл, 1994.
    • Нетехническое руководство по проблемам согласования квантовой механики с теорией относительности.
  • Мермин, Н. Дэвид. «Квантовые загадки для всех». Философский журнал 78 (1981): 397-408.
    • Нетехническое изложение теоремы Белла и обсуждение ее последствий.
  • Ней, Алисса и Дэвид З. Альберт, ред. Волновая функция: Очерки метафизики квантовой механики . Издательство Оксфордского университета, 2013.
    • Очерки онтологического статуса волновой функции, включая вопрос о том, делает ли реализм волновой функции иллюзорным трехмерный мир опыта.
  • Омнес, Роланд. Понимание квантовой механики . Издательство Принстонского университета, 1999.
    • Доступная (но частично в меру техническая) защита последовательного исторического подхода.
  • Прайс, Хью. Стрелка времени и точка Архимеда: новые направления в физике времени . Издательство Оксфордского университета, 1997.
    • Расширенная, нетехническая защита ретропричинной интерпретации скрытых переменных квантовой механики.
  • Ровелли, Карло. «Реляционная квантовая механика». Международный журнал теоретической физики 35 (1996): 1637-1678.
    • Изложение и защита реляционной квантовой механики. Умеренно техничный по частям.
  • Сондерс, Саймон, Джонатан Барретт, Адриан Кент и Дэвид Уоллес, ред. Множество миров?: Эверетт, квантовая теория и реальность . Издательство Оксфордского университета, 2010.
    • Сборник эссе о многомировой интерпретации, за и против, технической и нетехнической.Включает эссе Питера Бирна по истории интерпретации Эверетта.
  • Уоллес, Дэвид. Эмерджентная мультивселенная: Квантовая теория в соответствии с интерпретацией Эверетта . Издательство Оксфордского университета, 2012.
    • Изложение и защита многомировой интерпретации, уделяя особое внимание проблеме вероятности. Технические по частям.

Информация об авторе

Питер Дж. Льюис
Электронная почта: plewis @ miami.edu
Университет Майами
США

Квантовая физика и абсолютный ноль: 13,7: Космос и культура: NPR

Кьелл Суварди Линдер / Getty Images

Кьелл Суварди Линдер / Getty Images

На прошлой неделе физики из Национального института стандартов и технологий сообщили, что они охладили объект до температуры в миллион раз ниже комнатной.Это был рекорд для сверхсложной науки о сверхохлаждении.

В этой области исследователи постепенно приближаются к состоянию абсолютного нуля температуры, но никогда не достигают его. Это наука, у которой есть несколько очень крутых (очень задуманных) приложений, включая сверхчувствительные детекторы гравитационных волн для «прослушивания» далеких слияний черных дыр.

Но, выходя за рамки этих приложений, почему переохлаждение так сложно с самого начала? Почему мы не можем просто достичь абсолютного нуля градусов и покончить с этим?

Ответ на этот вопрос подводит нас прямо к одной из самых поразительных особенностей квантовой вселенной: мир никогда не отдыхает.

Чтобы понять, что это означает, напомним себе о значении слова «температура». Не вдаваясь в технические подробности (здесь действительно следует говорить об энтропии), для физиков температура является мерой случайного движения. Представьте, что молекулы газа в воздухе вокруг вас — это маленькие шарики вещества. Чем выше температура воздуха, тем быстрее эти маленькие шарики материи будут рикошетить по комнате, отскакивая от стен и друг друга. Итак, охлаждение воздуха означает поиск способов замедлить молекулы.С этой точки зрения нет никаких концептуальных причин, по которым вы не могли бы полностью остановить их. Сделайте это, и воздух будет иметь температуру «абсолютного нуля» градусов (в единицах, называемых Кельвинами. В градусах Фаренгейта это будет -459,67 градусов).

Но, оказывается, природа так не работает. Вселенная не «делает» нулевую температуру, потому что не совершает нулевого движения.

Представление о материи и движении описанным выше способом — это то, что мы, физики, называем «классической картиной».«В классической физике материя состоит из крошечных частиц« вещества », а движение — это просто изменение положения частиц во времени. Все это имеет интуитивный смысл, основанный на нашем опыте восприятия мира в масштабе бейсбольных мячей и валунов. Сто лет назад физики начали исследовать мир в масштабе атомов. Они обнаружили, что классическая интуитивная картина не годилась для объяснения своих экспериментов.

В ответ они разработали новый вид физики. поразительный всплеск творчества, они сохранили ключевые принципы классического мира, такие как сохранение энергии, но добавили новые правила.Одним из них был принцип неопределенности, который, по сути, говорил нам, что реальность нечеткая на своем корневом уровне. Если быть точным, определенные пары свойств, такие как движение и положение, никогда не могут быть известны точно. Принцип неопределенности не говорит о том, что с нашими приборами что-то не так. Вместо этого он говорит нам, что с нашей классической интуицией что-то не так. В частности, когда дело доходит до движения, оно говорит нам, что невозможно точно узнать положение и движение частицы. Чем больше вы фиксируете положение частицы, тем шире диапазон ее скоростей.

Так при чем здесь температура?

Абсолютный ноль должен означать остановку частиц. Но это означало бы, что вы точно знали, где они. Вы их прекрасно «локализовали». Если это так, то принцип неопределенности требует, чтобы в их движении была некоторая неопределенность. Нельзя точно знать, что они находятся в полном покое. Более глубокий смысл этой квантовой логики состоит в том, что Вселенная никогда не может находиться в состоянии покоя. Существует «предел» того, насколько можно замедлить (или охладить).Спуститься ниже этого этажа невозможно (хотя ученые все умнее обходят его края).

Последствия этого могут быть довольно странными. Представьте, что мы помещаем частицу, например электрон, в ящик. Теперь мы спрашиваем: какое состояние системы электрон + ящик с наименьшей энергией? В классической физике это был бы просто неподвижный электрон, то есть нулевое движение, следовательно, нулевая энергия. Но квантовая физика не допускает такой вещи, как нулевая энергия (из-за принципа неопределенности).Вместо этого система имеет ненулевую энергию «основного состояния», когда электрон отскакивает назад и вперед между стенками ящика. Это так низко, как вы можете. Электрон не остановить.

Развивайте эту идею дальше, и вы получите восхитительную идею энергии вакуума. Здесь принцип неопределенности требует, чтобы не могло быть чистого и совершенного вакуума с состоянием нулевой энергии. Таким образом, в квантовой физике вакуум не пуст, а представляет собой бурлящую пену «виртуальных частиц», которые никогда не проявляются, но, тем не менее, оказывают поддающееся проверке влияние на частицы, которые мы видим.

Без вакуума. Нет нулевой энергии. Нет нулевой температуры. Отсутствие здравого смысла в отношении поведения мира.

Открытие того, что квантовый мир является основой нашего классического опыта, основанного на здравом смысле, было триумфом науки. Это было подтверждением способности науки вывести нас за пределы наших ограниченных чувств и ограниченных представлений. Невозможно «изобразить» этот квантовый мир нашим классическим воображением. Вместо этого мы обнаружили новый рубеж.

По своей сути квантовая физика показала нам, что этот мир, в котором мы живем, динамичен до самой своей сути: гудит, рев, вздрагивает и дрожит, как бесконечная картина Джексона Поллака.Он не просто богаче, чем мы представляли, но еще более странный и чудесный, чем мы можем себе представить.

Этот вид, скрытый за невозможностью абсолютного нуля температуры, — дар, который наука дала всем нам. Что нам теперь с этим делать?

Адам Франк — соучредитель блога 13.7, профессор астрофизики в Университете Рочестера, автор книги и самопровозглашенный «евангелист науки». Вы можете быть в курсе того, что думает Адам, в Facebook и Twitter: @ adamfrank4

границ | Время, стрела времени и квантовая механика

1.Вступление; Определение времени

Вселенная, как мы ее знаем, характеризуется структурой, называемой пространством-временем , в которой происходит событий . События характеризуются, прежде всего, их положениями в пространстве и моментами во времени, все вместе указываются в терминах координат. Количество необходимых координат, обычно действительных чисел, называется измерением пространства-времени. Координата, указывающая время, очень особенная. Это единственная координата, в которой имеет смысл определять порядок в данных значениях, порядок времени.Этот порядок определяет ориентацию, называемую стрелкой времени. Это позволяет нам определять порядок (или, по крайней мере, частичный) всех событий.

Всякий раз, когда мы строим моделей , которые объясняют существование и природу событий, крайне важно иметь такой порядок событий; он позволяет нам объяснять их последовательно: одно событие может быть причиной последующего события, если его временная переменная меньше, или оно может быть следствием события, если его временная координата выше.Трудно, возможно, невозможно разработать модель нашей Вселенной, если для модели не определен порядок описания событий.

Это фактически приведет нас к тому, чтобы дать определение времени, которое является более первичным, более основным, чем все другие составляющие нашей модели, включая понятие пространства. Известно, что наша Вселенная хранит в себе воспоминания о событиях, которые происходили в прошлом. Всякий раз, когда мы строим модель нашей Вселенной, управляемую «законами физики», она должна иметь совершенно однозначный рецепт порядка, в котором законы природы должны накладываться на все происходящие события .Рассматривайте законы физики как компьютерную программу для расчета следующей последовательности событий. Данные, которые мы должны ввести в программу, могут быть получены из событий, рассчитанных ранее. Они могут не возникать из событий, которые еще необходимо указать, потому что в этом случае могут возникнуть конфликты: если событие A влияет на характеристики события B , тогда событие B не должно реагировать на изменение события A , в противном случае правила перестают быть уникальными; они будут буквально круглыми, что сделает их противоречивыми или двусмысленными, и по этой причине они не будут подходить для объяснения наблюдаемых явлений.

Обратите внимание, что это полная противоположность принципу действия Ньютона: если событие A действует на событие B с некоторой силой, событие B должно , а не , реагировать обратно на A . Принцип действия Ньютона, действие = противодействие, отличается, потому что он имеет пространственно-подобные направления и потому, что он часто игнорирует некоторые задействованные минутные задержки: (обратное) действие не может распространяться быстрее скорости света.

Порядок, вызванный правилом « A влияет на B , но B не может повлиять на A », — это то, без чего мы не можем обойтись.Действительно, допуская, что Вселенная допускает существование такого элементарного принципа действия противодействия, мы получаем уникальное определение времени :

Время — это порядок, в котором наши модели природы предсказывают, предписывают или объясняют события .

Обратите внимание, что это определение времени предполагает, что мы конструируем модели для объяснения нашей Вселенной. Если бы один только собирал данные, не пытаясь их объяснить, нам не понадобилось бы никакого понятия времени.Ведь данные могли быть представлены нам в «не хронологическом» порядке. Именно наша модель обязательно требует заказа. Любой параметр, любая координата, которая монотонно увеличивается в этом порядке, будет полезной временной координатой.

Заметьте также, что квантовая механика не является исключением из нашего правила; это также требует определения упорядоченной временной координаты. Мы можем сказать это, потому что уравнение Шредингера включает исключительно производную первого порядка по времени. Следовательно, необходимо только одно граничное условие, принятое за ситуацию в далеком прошлом, чтобы определить ситуацию в будущем.

Первичное определение времени, данное выше, только определяет порядок времени, но не связывает время с действительными числами. Фактически, использование целых чисел для подсчета событий, которые мы вычислили, было бы более подходящим. Учитывая огромные размеры нашей Вселенной и чрезвычайно короткие временные последовательности, которые, как ожидается, будут иметь отношение к масштабу Планка, можно ожидать, что эти целые числа, если они вообще существуют, будут чрезвычайно большими, больше ~ 10 60 . Уменьшение масштаба этих чисел для практического использования, вероятно, будет достаточным, чтобы объяснить, почему в настоящее время действительные числа кажутся более полезными, чем целые числа, для обозначения времени.

Согласно специальной теории относительности, можно иметь события, которые разделены на пространственно-подобных событиях. Это означает, что могут быть события A, и B, , поэтому наша модель позволяет нам вычислить, что происходит в A и B без необходимости указывать их порядок. Важность этого состоит в том, что данное выше определение времени не является уникальным; это особенность понятия времени, которую необходимо принимать во внимание при построении более продвинутых моделей, но она, по-видимому, менее проста в том, что касается первых принципов.

Среди заданных автору вопросов был один по специальной теории относительности. Вопросы, касающиеся специальной теории относительности в связи с вопросом о времени и его стрелке, обсуждаются в Приложении B.

2. Квантовая механика

Теория квантовой механики, возможно, является одним из величайших открытий физики; он произвел революцию в нашем понимании молекул, атомов, излучения и мира субатомных частиц. Однако даже сейчас, почти 100 лет спустя, все еще нет полного согласия относительно того, что теория говорит нам о реальности , или даже о том, существует ли «реальность» вообще.Некоторые авторы придерживаются идеи, что всех «реальностей» существуют где-то в каких-то альтернативных вселенных, и что эти вселенные вместе эволюционируют как «мультивселенная».

Автор данной статьи не согласен с такими идеями. Квантовая механика — превосходное описание мира крошечных вещей, но на первый взгляд квантовая механика, кажется, просто отражает невежество человечества. Мы не знаем , какую реальность он описывает, и пока это так, мы не должны удивляться тому, что, в определенном смысле, все возможные реальности играют роль всякий раз, когда мы пытаемся сделать наилучшее возможное предсказание исхода событий. эксперимент.Тот факт, что многие из нас испытывают технические трудности с реализацией такой мысли в уравнениях, которые, как известно, работают лучше всего сегодня, вполне может быть вызван недостатком воображения относительно того, как в конечном итоге будет найдено правильное представление.

Автор провел собственный анализ известных фактов и пришел к выводу, что копенгагенская доктрина, то есть консенсус, достигнутый многими мировыми экспертами в начале двадцатого века, частично во время их многочисленных встреч в Датский капитал почти прав: существует волновая функция, или, скорее, то, что мы называем квантовым состоянием, являющееся вектором в гильбертовом пространстве, которое подчиняется уравнению Шредингера.Абсолютные квадраты компонентов вектора могут использоваться для описания вероятностей, когда мы хотим что-то предсказать или объяснить. Были разработаны мощные методы, позволяющие угадать правильное уравнение Шредингера, если кто-то знает, как вещи развиваются классически, то есть в старых теориях, куда квантовая механика еще не была включена. Все это прекрасно работает. Однако, согласно Копенгагену, есть один вопрос, который следует задать , а не : «Как выглядит реальность из всего, что движется в наших экспериментальных условиях?» или: что на самом деле происходит?

Согласно Копенгагену, такой вопрос никогда не может быть решен с помощью какого-либо эксперимента, поэтому на него нет ответа в рамках набора логических утверждений, которые мы можем сделать о мире.Period, schluss, fini. Эти вопросы бессмысленны.

Мы оспариваем именно этот ответ. Даже если на такого рода вопросы нельзя ответить с помощью экспериментов , мы все равно можем теоретически попытаться построить достоверные модели реальности. Представьте себе известного детектива Шерлока Холмса, входящего в комнату, с мертвым телом, лежащим на полу. Дверь открыта, и окно тоже. Совершено преступление. Преступник прошел через окно или дверь? Или случилось что-то совсем другое? Шерлок Холмс обдумывает все возможности, но он не скажет: преступник прошел через окно и через дверь, используя волновую функцию и т. Д.и т.д. Ясно, что такие ответы не принимаются в обычном мире. Шерлок Холмс вполне может прийти к выводу, что он не может получить ответ с уверенностью, но он может попытаться выяснить, что могло привести к тому, что произошло. Нам промыли мозги, чтобы принять волновые функции в мире атомов? Не следует ли нам здесь также спросить, что это было на самом деле или что могло быть, что происходило?

Возможно, мы говорим не на том языке. Может быть, атомы и молекулы не существуют в том виде, в каком мы их себе представляем.Возможно, истинные степени свободы Природы очень разные, и только когда мы рассматриваем статистику многих атомов, наш язык, который предполагает, что это частицы, подчиняющиеся квантовым уравнениям, может работать правильно.

Когда первые попытки построить такие модели потерпели неудачу, исследователи попробовали другой путь: может быть, можно доказать , что не существует вообще никакой реальности, вероятности которой можно уловить в терминах уравнения Шредингера? Предположим, что мы налагаем условия на такие модели, как , местонахождение и причинно-следственная связь .Можно ли доказать или опровергнуть существование реалистичных моделей?

То, что произошло потом, хорошо известно. Первым такой вариант рассмотрел Эйнштейн и его соавторы Подольский и Розен [1] и Джаммер [2]. Они задумали эксперимент Gedanken , чтобы показать, что квантовая механика не может точно дать локальное описание того, что происходит. Этот вывод на самом деле несколько противоречив, потому что квантовая механика использовалась для максимально точного описания возможных предсказаний, и этот результат редко кто-либо оспаривал; действительно, позже это было подтверждено реальными экспериментами.

Установка была пересмотрена Беллом в соответствии с несколько более реалистичным сценарием с использованием спинов частиц, и он дал очевидное противоречие в более точной формулировке: Теорема Белла:

Никакая физическая теория локальных скрытых переменных никогда не сможет воспроизвести все предсказания квантовой механики;

результат квантово-механических расчетов некоторых нелокальных корреляций противоречит любому приемлемому «классическому» объяснению по крайней мере в два раза. Неравенство, названное неравенством Белла , впоследствии было обобщено и уточнено [3].

3. Причинность, корреляции и квантовая механика

Это открытие не осталось бесспорным. Многие авторы пытались найти изъян в аргументах Эйнштейна и Белла, но с логической точки зрения они казались безупречными. Белл предположил, что детерминизм означает, что можно построить модель, любую модель, в которой классические уравнения управляют поведением динамических переменных, и где в мельчайших масштабах, где эти переменные описывают данные, законы эволюции не оставляют ни малейшей двусмысленности; здесь нет волновых функций, нет статистических соображений, поскольку все, что происходит, контролируется определенностью.Более того, есть некое ощущение локальности: законы управляют всеми процессами, используя только данные, которые расположены в определенных местах, в то время как действия на расстоянии или в обратном направлении запрещены. Классические степени свободы, которые «действительно» существуют, назывались «beables».

Здесь возникает первая тема для обсуждения: что означает «действие назад во времени»? В «Новой кухне» Белл [4, 5] как можно точнее сформулировал, что означает «причинность вперед во времени»:

Теория считается локально причинной, если вероятности, связанные со значениями локальных beables в пространственно-временной области 1, не изменяются посредством спецификации значений локальных beables в пространственно-подобной разделенной области 2, когда то, что происходит в обратном свете конус 1 уже достаточно определен […]

Предполагается, что область 2 полностью находится за пределами светового конуса 1 в прошлом, поэтому то, что там происходит, должно быть несущественным.Звучит хорошо, и многие исследователи согласны с этим, но есть проблема:

Область 2 также имеет световой конус прошлого, и если мы рассмотрим некоторые модификации событий в 2, они могут не согласовываться с тем, что мы постулировали в области 1, поскольку два световых конуса прошлого перекрываются.

Следовательно, корреляций между данными в области 1 и области 2 не могут быть исключены. На самом деле, известно, что такие корреляции повсеместно встречаются в физическом мире, так что же на самом деле означает «причинность Белла»?

Беллу нужно было сказать, что в любой модели , описывающей законы природы, только данные в прошлом световом конусе 1 должны определять, что происходит в 1, в то время как он не должен был ссылаться на корреляции. Однако неравенства Белла касаются корреляций , и предполагается, что они отсутствуют за пределами светового конуса.

В том же духе отвергается «обратная причинность»: прошлое не должно зависеть от будущего. Это верно в следующем смысле: наша модель не должна требовать знания данных в будущем, чтобы предписывать данные в настоящее время (она должна требовать только данные в световом конусе прошлого). Корреляции действительно происходят. Фактически, если наша модель отражает обратимость во времени — что делает большинство моделей, — тогда данные внутри светового конуса будущего могут быть использованы для определения, то есть для восстановления настоящего или прошлого, из будущего.

Выше были выделены слова наша модель . Здесь важно то, что причинность не может быть особенностью или свойством самих физических данных, а скорее свойством уравнений движения, с помощью которых мы пытаемся имитировать эти данные. Если две разные теории можно использовать для описания одного и того же набора данных, то одна из этих теорий может иметь причинно-следственную связь, а другая — нет. Это элемент «парадокса» Белла, который, возможно, не был подчеркнут в достаточной степени.

Большинство моделей природы обратимы во времени; мы можем запустить основные уравнения назад во времени так же легко, как и вперед во времени. Это означает, что теории с причинностью, направленной вперед во времени, также должны иметь причинность в обратном направлении; Белл проигнорировал это.

Тем не менее, есть веская причина, по которой глубокий результат Белла сегодня считается неопровержимым большинством исследователей. Действия наблюдателей в квантовых экспериментах считаются полностью классическими и отражают свободную волю наблюдателей .Чтобы опровергнуть теорему Белла, свобода воли наблюдателей должна быть соотнесена с квантовыми данными в прошлом. Большинство исследователей считает это «абсурдом». В следующем разделе и в приложениях A и C ответ этого автора относительно того, почему эти корреляции могут быть не столь абсурдными, в конце концов, освещается более подробно.

Теория, использованная автором, была названа «Интерпретация клеточного автомата (CA)» [6], но, возможно, предпочтительным названием является «анализ векторного пространства». Идея заключается в том, что классическая система может быть проанализирована путем связывания любого состояния системы вектором, так что все состояния вместе образуют ортонормированный базис векторного пространства, называемого гильбертовым пространством.«Анализ векторного пространства» состоит из математических процедур, которые стали возможными при выполнении любых преобразований в этом векторном пространстве. В итоге получается уравнение Шредингера точно так же, как в квантовой механике. Таким образом, анализ векторного пространства противоречит теореме Белла. Наша теория состоит из утверждения, что то, что мы сегодня называем квантовой механикой, может быть результатом анализа в векторном пространстве некоторой классической системы. «CA-интерпретация» квантовой механики состоит из предположения, что это правда, в то время как мы воздерживаемся от дальнейших попыток идентифицировать классическую систему, лежащую в основе этого.Однако автор надеется, что поиск подходящих классических моделей будет продолжен и принесет свои плоды.

Мы заканчиваем этот раздел замечанием о существовании ограничения, называемого «причинность», которое может быть наложено на любую модель элементарных частиц. Это не оспаривается, но на самом деле много используется в квантованных теориях поля. Это условие рассматривает операторы ϕ ( x ) в квантовых теориях поля, описывающие (элементарные или составные) поля ϕ в 4-пространственно-временных координатах x .Пусть x 1 и x 2 разделены пробелом. Тогда у нас есть для коммутатора

(x1-x2) 2> 0 → [ϕ (x1), ϕ (x2)] = 0. (3.1)

Это говорит о том, что любая операция ϕ ( x 1 ), действующая на любое квантовое состояние в точке пространства-времени x 1 , не может повлиять на результат какого-либо динамического эффекта ϕ ( x ). 2 ) с размером x 2 . В Стандартной модели элементарных частиц это условие «нет телефона Белла» выполняется и имеет важные приложения в расчетах.Однако это условие не различает причинно-следственные связи в прямом направлении времени от причинно-следственных связей в обратном направлении, поэтому его нельзя использовать для получения неравенств, таких как неравенство Белла. Условие «без телефона Bell» не зависит от стрелки времени.

4. Колокол и неравенство ЧШ

Эксперимент Белла Геданкен, по сути, очень похож на установку Эйнштейна Розена Подольского. Создано локальное устройство, которое может испускать две запутанные частицы, α и β , которые покидают машину в противоположных направлениях.Алиса ( A ) и Боб ( B ) оба выбирают, измерять ли свойство X или свойство Y частиц, которые они могут видеть. Алиса выбирает настройку a для измерения α , а Боб устанавливает b для измерения β .

Корреляции, необходимые для объяснения квантово-механического результата, требуют, чтобы настройки a и b , выбранные Алисой и Бобом, коррелировали друг с другом, а также (классические) спины двух запутанных частиц.Автор рассчитал минимальное количество корреляции, необходимое для получения квантового результата. Мы нашли следующее распределение [6]:

W (a, b, λ) = C | sin (2a + 2b-4λ) | , (4.1)

, где a — угол, выбранный Алисой для ее измерения, b — угол Боба, а λ — параметр, описывающий поляризацию запутанных фотонов, создаваемых источником и обнаруженных Алисой и Бобом. W — это распределение вероятностей, а C — нормировочная константа.Он имеет трехчастную корреляцию : всякий раз, когда мы интегрируем все значения a , или все значения b , или все значения λ, мы получаем плоское распределение.

Чтобы строго показать, что такие особенности корреляции неприемлемы для любой теории, которая порождает квантовую механику из классических законов механики, Беллу пришлось сформулировать свое определение причинности. Выше мы указали, что его определение не применимо к физическим системам, поэтому можно было бы закончить обсуждение здесь и сейчас, поскольку корреляционные функции не ограничены световыми конусами.Однако большинство исследователей считает корреляционную функцию (4.1) неприемлемой. Как может случиться так, что решения Алисы и Боба, принятые по доброй воле, все же могут быть соотнесены с чем-то, что произошло раньше, — поляризацией, выбранной запутанными фотонами, испускаемыми источником? «Знали» ли эти фотоны, какие настройки выберут Алиса и Боб позже, или это случай «заговора»? Как одиночный фотон может управлять классическими динамическими переменными a и b ?

Чтобы объяснить это, мы теперь резюмируем, как работает анализ векторного пространства.Предположим, у нас есть классическая теория, например, в масштабе Планка 10 −33 см. Обычно это клеточный автомат. Обычно это может быть 21099 состояний в каждом см 3 . Каждое из этих состояний называется «онтологическим», что означает, что оно реализовано или не реализовано, но суперпозиций не существует. Это именно то, что Эйнштейн, Белл и другие хотели опровергнуть. Просто для того, чтобы заниматься математикой, мы теперь прикрепляем базисный вектор к каждому из этих онтологических состояний.Они настроены так, что образуют ортонормированный базис 21099-мерного векторного пространства, в каждом cm 3 . В такт часам, обычно с частотой Планка около 10 44 Гц, эти состояния переходят в другие состояния. Это мы пишем с использованием матрицы эволюции, которая состоит из единицы в каждой строке и в каждом столбце и нулей во всех остальных местах.

Используемая нами математика состоит в диагонализации этой матрицы. Это дает нам собственные состояния энергии, то есть гамильтониан.Обнаруживается, что состояния этой модели подчиняются уравнению Шредингера. Теперь все собственные энергетические состояния являются суперпозициями онтологических состояний, и если мы ограничимся состояниями с энергиями ниже 1 ТэВ для каждого возбуждения, то это будет соответствовать очень крошечному подпространству всего гильбертова пространства, в то время как каждое состояние, которое мы можем использовать, является суперпозиция онтологических состояний. Без потери общности, мы можем интерпретировать коэффициенты этих суперпозиций, взяв их абсолютные квадраты для обозначения вероятностей.Это дополнительно поясняется в Приложении A. Здесь важно отметить, что «реальность» всегда описывается как одно из исходных онтологических состояний, а не как суперпозиция, тем не менее мы можем использовать уравнение Шредингера для описания как онтологических состояний, так и суперпозиций. . Элементы онтологического базиса всегда развиваются в другие элементы этого базиса, а суперпозиции — в суперпозиции. Мы называем это законом сохранения онтологии .

Есть веская причина, по которой многие попытки создать реалистичные модели, объясняющие нарушение неравенств Белла, потерпели неудачу, а именно: в этих моделях была предпринята попытка имитировать суперпозиции определенных режимов в терминах других допустимых режимов работы автомата.Гораздо лучше сохранять суперпозиции такими, какие они есть, суперпозициями действительных автоматных режимов, которые по этой причине не могут сами по себе действовать как онтологические состояния. Вместо этого происходит следующее: если рассматривать некоторую суперпозицию физических состояний, на самом деле рассматривается вероятностная смесь, но то, что именно истинные, несмешанные, физические состояния различаются от одного эксперимента к другому, таким образом, что конечное состояние никогда не может быть в суперпозиции. Поскольку эта функция имеет огромное значение, мы объясняем некоторые технические детали этого момента в Приложении A.

Теперь мы можем видеть, что при выводе своих неравенств Белл и CHSH должны были сделать предположения, с которыми мы не можем согласиться. Их основное предположение состоит в том, что Алиса и Боб могут выбирать, что измерять, и что это не должно коррелировать с онтологическим состоянием запутанных частиц, испускаемых источником. Однако, когда при выборе своих настроек Алиса или Боб хоть немного меняют свое мнение, их классические настройки представляют собой онтологическое состояние, отличное от прежнего. Фотон, на который они смотрят сейчас, будет суперпозицией старых фотонов, которые они хотели обнаружить, но все состояние, фотон плюс настройки, будет ортогональным предыдущему.В частности, из-за онтологического закона сохранения новый фотон, на который они смотрят, должен быть онтологическим. Алиса и Боб не имеют свободы воли смотреть на фотоны, которые не являются онтологическими. Итак, передумав, Алиса и / или Боб должны были перевести вселенную в онтологическое состояние, отличное от предыдущего, и эта модификация восходит к миллиардам лет, вплоть до происхождения вселенной. Это можно было бы назвать ретро-причинностью, но это просто связано с тем, что уравнения (как классические, так и квантовые), в принципе, могут быть решены в обратном направлении во времени.

Как следствие, настройки Алисы и Боба могут и будут коррелированы с состоянием частиц, испускаемых источником, просто потому, что эти три переменные действительно имеют общие переменные в своих прошлых световых конусах. Изменение, необходимое для реализации вселенной с новыми настройками, также должно подразумевать изменения в перекрывающихся областях этих трех световых конусов прошлого. Это потому, что вселенная всегда заставляет себя оставаться онтологической.

Ограничение, заключающееся в том, что вселенная всегда должна находиться в онтологическом состоянии, является единственным ограничением.Это означает, что Алиса и Боб все еще имеют свободную волю в классическом смысле; они могут выбрать любое из онтологических состояний вселенной, независимо от того, какой генератор случайных чисел или лотерею они использовали. Но они не могут поместить Вселенную в суперпозицию состояний, а это только то, что мы можем сделать в наших математических моделях при изучении вероятностных распределений, желая привести их в такую ​​форму, чтобы мы могли применять уравнения Шредингера.

Итак, давайте подчеркнем и резюмируем этот важный момент:

Всякий раз, когда кажется, что наблюдатели используют свою «свободную волю» для выбора настроек детекторов, которые они используют, они не могут «изменить свое мнение», если микроскопические данные постоянно не изменяются.Среди прочего, (запутанные) фотоны в эксперименте Белла будут перегруппированы в какое-то другое квантовое состояние таким образом, что фотоны, в конечном итоге измеренные, всегда будут в онтологическом состоянии : они заставляют детектор либо щелкать, либо не щелкать. щелкают, но они никогда не могут заставить детекторы перейти в суперпозицию состояний.

В частности, если мы предположим, что Вселенная началась с данного фиксированного состояния в точке t = 0 (Большой взрыв), то у любого наблюдателя больше нет возможности изменить свое мнение; его действия фиксированы, даже если он думал, что имеет свободную волю.Параметры a и b коррелируют с поляризациями фотонов λ, которые не следует путать с «причинно-следственной связью назад во времени».

Связанный квантовый парадокс, который был выдвинут как еще одна иллюстрация квантовой странности, — это так называемый парадокс GHZ. Этот парадокс представляет интерес, потому что его разрешение можно описать в терминах чрезмерно упрощенной модели Вселенной, иллюстрирующей важную роль наблюдателя как части системы.В Приложении C мы объясняем, что происходит в теории клеточного автомата, когда проводится этот Gedanken-эксперимент.

5. Потеря информации и стрела времени

Большинство известных физических теорий, объясняющих очевидное отсутствие симметрии обращения времени, содержат элементы термодинамики и энтропии. Фактически, в этих описаниях природы можно элегантно объяснить отсутствие этой симметрии, обвиняя ее в асимметрии в граничных условиях . При написании дифференциальных уравнений для законов природы всегда нужно добавлять то, что мы знаем о границах.Что касается границ в космических направлениях, мало что известно, так как Вселенная выглядит очень однородной, и никаких граничных эффектов никогда не было обнаружено. Вселенная либо строго бесконечна в направлениях, подобных пространству, либо мы живем на пространственно компактном многообразии, таком как 3-сфера или тор. Эти граничные условия демонстрируют большую симметрию.

Однако во времениподобном направлении полной симметрии быть не может. Вселенная, кажется, изначально была очень маленькой, возможно, все началось в одной точке.Эта точка, должно быть, была высокоупорядоченной, с очень маленькой или, возможно, нулевой общей энтропией. Это разумное граничное условие в начале времени.

С другой стороны, когда время становится очень большим, мы не видим необходимости в каких-либо граничных условиях; Вселенная может просто продолжать бесконечно расширяться, претерпевая постоянное увеличение энтропии. Таким образом, у нас есть уравнения, симметричные относительно обращения времени, но асимметричные по своим граничным условиям. Этого достаточно, чтобы объяснить наблюдаемую сегодня асимметрию времени.

Однако есть примеры математических систем, в которых существуют особенности, которые могут быть отнесены либо к основной части системы, либо к границе, так что отнесение всех эффектов нарушения симметрии к границе может не всегда работать.

Пока мы придерживаемся квантово-механического описания всех микроскопических динамических законов, мы находим на нашем пути теорему CPT, которая подразумевает, что если мы объединим обращение времени T с обращением четности P и взаимообменом частица-античастица C , то эта симметрия идеальна.Мы вполне могли бы придерживаться нашего вердикта, что граничные условия Природы в направлении времени достаточны, чтобы объяснить стрелу времени.

Однако можно заметить, что можно рассматривать другой источник асимметрии обращения времени. Как объяснялось в предыдущих разделах, этот автор не верит, что «квантовая механика» будет последней и постоянной основой для основных законов природы. Если мы откажемся от него, чтобы заменить его некоторыми классическими идеями, потребность в симметрии обращения времени также исчезнет.Мы могли бы выбрать основную теорию, в которой информация в классическом смысле может исчезнуть. Что касается клеточных автоматов, системы, в которых информация действительно теряется, являются гораздо более общими, чем системы, в которых информация сохраняется, так что переключение направления времени приводит к гораздо более драматическим изменениям.

Как такие модели могут привести к эффективным квантовым теориям? Возникает ли вновь симметрия относительно обращения местного времени? Мы утверждаем, что для автомата возможность генерировать статистические корреляции, основанные исключительно на анализе векторного пространства, то есть на векторах, эволюционирующих в гильбертовом пространстве, которые приводят к квантовой механике, может быть довольно общей и включать модели с потерей информации.

Способ борьбы с потерей информации в этом контексте очень прост в принципе, но чрезвычайно сложен на практике. Принципиальный способ справиться с этим — введение информационных классов : мы идентифицируем элементы ортонормированного базиса гильбертова пространства не с отдельными состояниями автомата, а с информационными классами. Информационный класс определяется как класс состояний в автомате, обладающих тем свойством, что через конечный промежуток времени все они развиваются, чтобы стать одним и тем же состоянием в автомате.В принципе, такие классы могут стать чрезвычайно большими, но на практике вероятность того, что два состояния, которые похожи друг на друга в один момент времени, превратятся в точно такое же состояние в ближайшем будущем, могут быстро упасть до нуля с течением времени, поэтому что информационные классы могут оставаться управляемыми. Формально они могут стать достаточно большими, чтобы формировать состояния, которые можно различить, только изучая данные, живущие на граничной поверхности, а не уточняя, что происходит в массиве. Это то, что мы видим в физических уравнениях для черных дыр, называемых голографией , так что это можно рассматривать как косвенное свидетельство в пользу основных моделей с потерей информации.

В базовых моделях с потерей информации акт обращения времени принимает очень интересную форму: обратное время онтологических состояний в гильбертовом пространстве (beables) имеет тенденцию формировать квантовые суперпозиции beables в обращенном времени гильбертовом пространстве. Это, возможно, может объяснить, почему суперпозиции следуют тем же законам природы, что и онтологические состояния, но пока мы просто рассматриваем эти общие наблюдения как нечто, о чем нужно помнить, когда, подобно Шерлоку Холмсу, мы пытаемся выяснить это с точки зрения модели, которые могли бы иметь место на самом деле, когда вся информация, которую мы смогли получить, принимает форму квантовых суперпозиций.

Авторские взносы

Автор подтверждает, что является единственным соавтором данной работы, и одобрил ее к публикации.

Заявление о конфликте интересов

Автор заявляет, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Автор благодарит Т. Модлина, П. У. Моргана, Т. Майерса, Т. Норсена и многих других за обстоятельное обсуждение этих и связанных с ними вопросов в веб-журналах.Я также благодарен редакторам и рецензентам, которые настояли на дополнительных пояснениях, чтобы улучшить исходную рукопись.

Сноски

Список литературы

1. Эйнштейн А., Подольский Б., Розен Н. Можно ли считать квантово-механическое описание физической реальности полным? Phys Rev. (1935) 47 : 777.

Google Scholar

2. Джаммер М. Концептуальное развитие квантовой механики . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Макгроу-Хилл (1966).

Google Scholar

3. Клаузер Дж. Ф., Хорн М. А., Шимони А., Холт Р. А.. Предлагаемый эксперимент для проверки локальных теорий скрытых переменных. Phys Rev Lett. (1969) 23 : 880–4. DOI: 10.1103 / PhysRevLett.23.880

CrossRef Полный текст | Google Scholar

4. Bell JS. О парадоксе Эйнштейна Подольского и Розена. Физика (1964) 1 : 195.

Google Scholar

5. Bell JS. Новая кухня. В: Белл М., Готфрид К., Вельтман М., редакторы. Об основах квантовой механики. Разговорчивый и непроизносимый в квантовой механике . Анн-Арбор, Мичиган: Мичиганский университет (2001). п. 216–34.

Google Scholar

6. ‘т Хоофт Г. Клеточно-автоматная интерпретация квантовой механики. В: Фундаментальные теории физики , 1-е изд., Т. 185. Чам: Springer International Publishing (2016). п. 298.

Google Scholar

8. Гринбергер Д., Хорн М., Цайлингер А. Выход за рамки теоремы Белла.В: Кафатос М., редактор. Теорема Белла, квантовая теория и концепции Вселенной . Дордрехт: Kluwer Academic (1989), стр. 69–72.

Google Scholar

9. Кауфман Б. Кристаллическая статистика. II. Функция распределения оценена спинорным анализом. Phys Rev. (1949) 76 : 1232.

Google Scholar

Приложение

A. Суперпозиции и вероятности Борна

Всякий раз, когда теории с классической логикой предлагаются для объяснения квантовых явлений, часто возникают следующие вопросы: Вопрос 1: В эксперименте Белла пара частиц — назовем их фотонами — находится в запутанном состоянии.В онтологической теории кажется, что эта пара частиц «заранее знает», какая суперпозиция состояний будет позже выбрана Алисой и Бобом для своих измерений. Почему это не нарушает причинно-следственную связь?

Вопрос 2: Почему квадраты амплитуд точно представляют вероятности результатов измерений? (правило Борна)

И вопрос 3: Что происходит, когда волновая функция схлопывается? А что происходит, когда производится измерение или наблюдение?

Все эти вопросы тесно связаны, и на них можно ответить вместе в том, что было объявлено ранее как «Интерпретация квантовой механики с помощью клеточного автомата» [6].

Основная идея состоит в том, что на крошечной шкале расстояний, имеющей значение в физике, предположительно в масштабе Планка, около 10 — 33 см, существуют законы физики, которые наиболее эффективно формулируются без ссылки на гильбертово пространство, квантовые суперпозиции, кубиты или даже действие на расстоянии. У нас есть клеточный автомат или что-то очень похожее на него. Клеточный автомат лучше всего рассматривать как базовую компьютерную программу, в которой в рамках масштабного предприятия параллельных вычислений цифровые данные, локализованные в какой-то сетке, обновляются в такт чрезвычайно быстрых часов.Скорость часов может в некоторых случаях отличаться, но мы не хотим вдаваться в подробности. Самое главное, информация распространяется с ограниченной скоростью, в основном со скоростью света, и вся эта информация является классической. Временно для простоты мы предполагаем, что система обратима во времени, хотя, как объяснялось ранее, в этом может не быть необходимости.

Это явно та теория, которую Эйнштейн, Белл и многие другие думали, что они могут опровергнуть, но, как мы сейчас объясним более подробно, это еще не конец истории.Существуют различные аспекты системы, которые требуют более тщательного изучения, в частности, повсеместное присутствие очень сильных корреляций на микромасштабе, которое проникает на макроскопические расстояния, и тот факт, что в принципе невозможно сжать («застегнуть») система в более детализированную модель, которая воспроизводит все детали. Как только кто-то пытается что-то сжать, возникают неопределенности, которые проявляются в виде квантовых суперпозиций. Но я забегаю вперед своих аргументов, давайте рассмотрим ситуацию в осмысленном порядке.Более полная история представлена ​​в ‘т Хоофте [6].

В принципе, автомат может находиться в огромном количестве различных состояний, примерно 21099 состояний на каждый кубический сантиметр (число, полученное при допущении одной логической степени свободы в кубической планковской длине). Только если мы рассмотрим все эти состояния, систему можно будет увидеть детерминированной. Каждое из этих состояний важно, но из-за сильной корреляции мы воспринимаем наш мир так, как будто существует гораздо меньше возможных состояний, обычно 21050 в см 3 (одна логическая степень свободы в 1 ТэВ −3 ).Однако сжатие системы не может быть выполнено без потери информации; требуется более мощная техника.

Так получилось, что существует более мощная техника; мы называем это «анализом векторного пространства». В математике это не новость. Например, в теории групп оказалось полезным давать матричные представления элементов группы. Рассмотрим подмножество группы перестановок. Элементы набора, в котором происходят перестановки, представлены как ортонормированные векторы в нашем векторном пространстве.Размерность этого векторного пространства равна размерности (количеству элементов) множества. Он может быть конечным или бесконечным. Это векторное пространство и есть наше гильбертово пространство. Теперь можно использовать все математические приемы, доступные для векторов, для исследования свойств группы. Например, можно диагонализовать матрицы. Это включает в себя ортогональные (унитарные) преобразования всех видов векторов.

Предполагается, что мы можем сделать то же самое в наборе состояний автомата. После ряда преобразований мы получаем матрицы, представляющие эволюцию, диагональные или почти диагональные.Эффективная размерность нашего гильбертова пространства теперь может быть значительно уменьшена за счет факторизации больших его частей. Однако они не разлагаются на исходные разделительные линии нашего ортонормированного множества. Мы получаем разные виды векторов, которые теперь являются суперпозициями векторов исходного набора. Все это просто математическая манипуляция; физика осталась прежней.

В частности, закон эволюции представляет собой онтологическую матрицу в терминах исходных онтологических состояний; онтологическая унитарная матрица — это матрица, содержащая только один, а для остальных нули во всех ее строках и всех ее столбцах (допустимы произвольные фазовые коэффициенты, если каждая строка и каждый столбец содержит только один элемент с абсолютным значением один, а все остальные элементы матрицы обращаются в нуль).После некоторой комбинации обширных линейных суперпозиций наши матрицы будут выглядеть гораздо более общими, чем раньше.

В то время как каждое из наших 21099 состояний эволюционирует в другое состояние за такие малые единицы времени, как планковское время, порядка 10 — 44 секунды, мы обнаружим суперпозиции состояний, которые развиваются намного медленнее. Эффективная единица времени теперь будет обратной энергией наиболее энергичных частиц в наших ускорителях частиц. Эти энергии на много порядков ниже, чем энергия Планка, поэтому действительно, мы имеем гораздо меньшее гильбертово пространство, чем исходное.То, что известно о физике сегодня, — это законы эволюции этого крошечного подпространства гильбертова пространства. Поскольку здесь зависимость от времени намного медленнее, мы можем записать закон эволюции в терминах эрмитовского гамильтониана: уравнения Шредингера. Мы постулируем детерминизм только в исходной модели клеточного автомата с его огромным количеством состояний, а не в эффективной редуцированной модели, которую сегодня называют физикой. Может ли эта система нарушить неравенство Белла / CSHS?

Сначала нам нужно указать, как выполняется наблюдение, в терминах состояний исходного автомата.Предположим, мы хотим установить присутствие планеты. Внутри планеты атомы и молекулы плотно упакованы, так что мир внутри очень сильно отличается от состояния вакуума. Теперь предположим, что состояние вакуума представлено состояниями в автомате, которые показывают разные статистические содержания и корреляции, чем состояния, которые представляют плотно упакованные атомы и молекулы. Локально статистические различия между этими состояниями могут быть незначительными; наша способность отличать состояние вакуума от твердого материала может быть далека от совершенства; говорят, что внутри небольшого объема 3 мм данное состояние имеет вероятность (1 — ε) / (1 + ε) быть вакуумом, а не горной породой.Для всей планеты мы должны возвести это число в степень, равную объему планеты, измеренному в мм 3 . Таким образом, можно почти с уверенностью обнаружить, что поблизости есть планета, а не вакуум.

Планета — классический объект. Мы только что обнаружили, что такие классические объекты должны быть достаточно хорошо идентифицированы и охарактеризованы в терминах исходных состояний автомата. Предположим, что это справедливо для всех объектов, которые мы обычно называем «классическими», не обязательно такими большими, как планеты.Когда мы проводим измерения или наблюдаем, мы должны смотреть на большое подмножество классических состояний автомата.

Теперь рассмотрим квантовый эксперимент. Мы не можем использовать все гильбертово пространство, потому что оно содержит слишком много состояний. Поэтому мы используем сильно редуцированное подпространство гильбертова пространства, которое представляет только частицы с низкой энергией. Все эти состояния являются суперпозициями состояний клеточного автомата. Определение нашего начального состояния | ψ init , как и мы, мы все еще представляем его как суперпозицию онтологических состояний | ont〉 i :

| ψ〉 init = ∑iαi | ont, init〉 i; ∑i | αi | 2 = 1.(A1)

На этом этапе нам просто нужно определить , что | αi | 2 представляет вероятность того, что онтологическое состояние | ont〉 i является нашим начальным состоянием. Из математики теории линейного представления было бы трудно вывести какую-либо другую связь между вероятностями и амплитудами, кроме этой. В любом случае, в дальнейшем мы увидим, что то, что справедливо для начального состояния, будет продолжаться для всех состояний, достигнутых в более поздние времена.

Итак, давайте рассмотрим эволюцию этого состояния.Наши математические процедуры разложения наших векторов состояний никогда не влияли на закон физической эволюции онтологических состояний. Это означает, что, , пока мы используем линейные уравнения Шредингера , также и в более поздние времена соотношение (A1) продолжает сохраняться вплоть до конечного состояния:

| ψ〉 final = ∑iαi | ont, final〉 i; ∑i | αi | 2 = 1. (A2)

Обратите внимание, что базис состояний изменится, но коэффициенты суперпозиции _ i останутся неизменными, а значит, и вероятности останутся прежними.А теперь рассмотрим измерения. Мы сравниваем окончательное наложенное состояние с онтологическими состояниями, в которых должна оказаться система. Это снова онтологические состояния | ont, final〉 i уравнения (A2). Теперь α i наконец распознаются как представляющие вероятности для конечного состояния. Правило вероятности Борна — простое следствие математической теории представлений. Ответ на вопрос, откуда взялось правило вероятности Борна, состоит в том, что если мы поместим его в начальное состояние, правило Борна останется неизменным на протяжении всей эволюции.

Обратите внимание, что если мы начали с одного онтологического состояния | ont, init〉 1 , тогда конечное состояние будет автоматически также будет одним онтологическим состоянием | ont, final〉 1 . Это остается верным, если мы используем уравнение Шредингера для описания эволюции. Следовательно, уравнение Шредингера автоматически вызовет коллапс конечного состояния в одно онтологическое состояние, если исходное состояние было одним онтологическим состоянием.Причина, по которой в обычной квантовой механике этого не происходит, заключается в том, что мы не используем полное уравнение Шредингера для всех состояний, а только для состояний с более низкой энергией, для которых уравнение известно, и мы идеализировали начальное состояние, невольно заменяя онтологическое начальное состояние суперпозицией, отсюда вероятностное распределение начальных онтологических состояний.

Часто утверждают, что квантовые вероятности следует рассматривать как фундаментально отличные от классических неопределенностей, которые возникают из-за незнания начального состояния; Однако в нашем подходе квантовые вероятности существуют по тем же причинам, что и в классических теориях.

Теперь рассмотрим эксперимент ЭПР / Белла. Мы не строим явно микроскопическую классическую модель для всех взаимодействий Стандартной модели. Хотя были предложены общие стратегии для такой конструкции, воспроизвести все симметрии Природы все еще слишком сложно. Однако мы утверждаем, что любое противоречие с неравенствами Белла / CHSH исчезло.

Когда Алиса и Боб проводят наблюдение, они не могут выбрать суперпозицию состояний фотона, а только один онтологический фотон.Результатом измерения Алисы всегда является онтологическое состояние формы | a, A ont , где a — выбранная настройка, заданная углом, а A = ± 1 — ее результат. Вместе с выводом Боба конечное классическое состояние | a, A, b, B ont . В нашей модели расчет дает суперпозицию,

ψ〉 final = α1 | a, +, b, +〉 ont + 2 | a, +, b, -〉 ont (A3) + Α3 | a, -, b, +〉 ont + α4 | a, -, b, -〉 ont, (A4)

Наблюдаемый результат никогда не является конечным состоянием формы (A2) или (A3), но всегда одно конкретное онтологическое состояние, | ont, final〉 1 .Расчет модели дает запутанную суперпозицию онтологического состояния | a, b 〉, объединенные (умноженные) с суперпозицией четырех состояний | +, +〉, | +, -〉, | -, +〉 и | -, -〉.

Если мы изменим начальное состояние, вычисленное конечное состояние будет другой запутанной суперпозицией, но онтологическое состояние будет основано на углах a, b и измерениях A и B . Изменение начального онтологического состояния всегда приводит к единственному конечному онтологическому состоянию, никогда не суперпозиции, поскольку коэффициенты α i никогда не изменяются.

В изложении эксперимента Беллом было заблуждение то, что он думал, что изменение настроек a и b приведет к другому наложению измерений A = ± и B = ±. В нашем векторном представлении любая модификация a и b , независимо от того, насколько она крошечная, требует модификации начального онтологического состояния. Новое онтологическое состояние будет ортогональным, следовательно, полностью не связанным с предыдущим, так что два фотона, испущенные источником, не могут быть связаны с фотонами, испущенными ранее.Таким образом, идея о том, что можно изменить настройки ( a, b ) без изменения поляризации запутанных фотонов, испускаемых источником, является иллюзией.

Можно также сказать, что настройки a и b оказываются запутанными с поляризованными фотонами. Как только настройки будут зафиксированы, фотоны будут находиться только в одном онтологическом состоянии. Я не буду вдаваться в это описание слишком сильно, потому что в конце у нас должна быть только одна настройка и одно онтологическое состояние фотона.

Наиболее важное различие между нашей презентацией и обычной обработкой наблюдений Белла состоит в том, что наблюдатели Алиса и Боб вместе с выбранными ими настройками a и b , являются частями физической системы . Любое изменение настроек ( a, b ), независимо от того, сделано ли оно «по доброй воле» или иным образом, потребует другого начального онтологического состояния.

Б. Причинность и стрела времени в специальной теории относительности

В рамках CA-интерпретации квантовой механики со специальной теорией относительности трудно справиться в этой процедуре, поскольку группу Лоренца или группу Пуанкаре, как известно, сложно реализовать, поскольку эти группы не компактны.Вполне возможно, что преобразования Пуанкаре связывают онтологические состояния не с другими онтологическими состояниями, а с суперпозициями онтологических состояний. Тем не менее, наличие или отсутствие симметрии не должно вызывать нашего непосредственного беспокойства. Мы можем, например, предположить, что только однородная часть группы Лоренца является подлинной симметрией на онтологическом уровне или, возможно, приблизительной симметрией.

Более важной особенностью специальной теории относительности является тот факт, что она ограничивает скорость распространения сигналов.Теперь это довольно легко наложить на модели или теории CA. Мы просто предполагаем, что в такт часам содержимое данной ячейки нашего автомата может быть передано только в соседнюю ячейку. Таким образом, сигналы никогда не могут распространяться быстрее, чем скорость этого процесса. За пределами соответствующего светового конуса тогда гарантируется выполнение уравнения (3.1) «Телефон без звонка».

Как мы заявили в разделе 3, это единственное приемлемое условие причинности для физических моделей, как классических, так и квантовых.Это подразумевает, что временное упорядочение — это только частичное упорядочение — для пространственно-подобных разделенных событий временное упорядочение не имеет значения. Стрелка времени определяется как порядок, в котором уравнения для наших моделей (классический, квантовый, клеточный автомат теорий континуального поля) должны применяться в наших модельных симуляциях. Таким образом, релятивистские теории будут иметь такую ​​же стрелу времени, как и нерелятивистские. Как мы подчеркивали в разделе 1. фундаментальное определение времени, а также его стрелка, могут быть применены только к нашим моделям Природы, но не к самим физическим данным.Это также относится к концепции причинности.

Трудность наложения симметрии Лоренца и Пуанкаре для моделей CA сохраняется, когда обратимость времени нарушается на онтологическом уровне, но модели, в которых скорость распространения информации ограничена, можно легко расширить до необратимости во времени. Это происходит почти автоматически.

C. Парадокс GHZ и 6-битная Вселенная

Есть много новых версий, обобщений и уточнений оригинальных экспериментов Gedanken, рассмотренных EPR и Bell.Иногда парадоксы касаются не только вероятностей, но даже определенностей, когда видны столкновения с «классической» физикой, но все они имеют общее то, что один или несколько наблюдателей выбирают между двумя или более различными параметрами, которые измеряют свойства квантовых объектов, чьи операторы не ездят на работу.

Интересным случаем, в котором магическая тайна, кажется, достигает новых высот, является парадокс GHZ. Мы кратко резюмируем установку, которая более подробно объяснена в литературе [8, 7].

Источник сконструирован таким образом, что он испускает три запутанных частицы, каждая из которых имеет два возможных спиновых состояния, ± 1. Произведенное квантовое состояние —

. ψ = 12 (| +, +, +〉 — | -, -, -〉). (C1)

Рассматриваются следующие операторы: σx, ya, b, c, где a, b и c относятся к трем частицам a, b и c и

. σxa | ±, ⋯〉 = | ∓, ⋯〉 σya | ±, ⋯〉 = ± i | ∓, ⋯〉 (C2)

, в то время как σx, yb и σx, yc действуют одинаково на частицу b и c соответственно.Нетрудно вывести, что эти операторы подчиняются

. XXX≡ σxaσxbσxc = −1XYY ≡ σxaσybσyc = 1YXY ≡ σyaσxbσyc = 1YYX ≡ σyaσybσxc = 1. (C3)

Три матрицы Паули σ i , действующие на одну и ту же частицу, антикоммутируют, σxa, σya = -σyaσxa, в то время как две матрицы Паули, действующие на разные частицы, коммутируют. Таким образом, получается, что если мы переставляем две пары σ-операторов в уравнении (C3), появляются два знака минус, что позволяет нам легко вывести, что все четыре оператора в уравнении (C3) коммутируют друг с другом.Следовательно, все операторы в уравнении (C3) могут быть измерены одновременно, и результат всегда подчиняется (C3).

Теперь три частицы отправляются трем разным наблюдателям, которые находятся в трех разных запечатанных комнатах. Каждый наблюдатель решает «по своему усмотрению» выбрать измерение либо X = σ x , либо Y = σ y . Наблюдатели не могут общаться друг с другом, поэтому они не знают, что выбирают другие.Они просто тщательно записывают, измеряют ли они X или Y , и каков их результат, +1 или -1. После долгой серии измерений они выходят из своих комнат и сравнивают записи.

Все наблюдатели в среднем обнаружили столько же плюсов, сколько минусов, потому что математические ожидания X = σ x и Y = σ y равны нулю. Кроме того, отсутствует парная корреляция, поскольку для каждой пары ожидаемые значения для XX , XY , YX и YY также равны нулю.Но эти три наблюдения коррелированы: трехточечные корреляции, приведенные в уравнении (C3), очень сильны.

Более того, они кажутся противоречащими классической логике. Список наблюдений будет подчиняться (C3). Но при каждом запуске можно было бы спросить: что бы нашел этот наблюдатель, если бы он выбрал другую настройку или, в более общем плане, учитывая, что частица входит в его комнату, и он измеряет либо X , либо Y , каков был бы исход в любом случае? Поэтому мы добавляем в список наблюдений при каждом запуске все возможные ответы: XXX, XXY , ⋯, YYY .Теперь возьмем последние три уравнения (C3). Возьмите их продукт. Поскольку каждые Y встречаются в продукте ровно дважды, вместе Y всегда дают +1 в продукте. Остались три X s. Получаем XXX = +1. Но это неправильно, это нарушает первое уравнение уравнения (C3). Следует сделать вывод, что три запутанные частицы заранее знают, выберут ли их наблюдатели X или Y . По-видимому, наблюдения, которые фактически не проводились, вообще не имеют четко определенных значений для X или Y .Они называются противоречащими фактам . Квантовая механика запрещает контрфактические наблюдения. Как такое может случиться в клеточном автомате?

В этом случае анализ векторного пространства предполагает, что простая модель может быть построена для всей Вселенной. В этой вселенной всего 6 бинарных динамических переменных. Априори эта Вселенная могла начать выбирать любое из 2 6 = 64 различных начальных состояния.

Как и наша реальная вселенная, эта модельная вселенная, возможно, началась с Большого взрыва.На тот момент реализованы не все возможные состояния. Были разрешены только 48 из 64 начальных состояний. В течение периода хаоса 48 состояний могли быть взломаны много раз, но есть 16 состояний, которые невозможно реализовать в любой момент. Так запрограммированы законы природы для модельной вселенной.

В начале эксперимента отбираются три частицы. Это три из 6 бит. Все они могут быть +1 или -1. Теперь у нас есть три наблюдателя: A, B и C .Каждый из них должен решить, выбрать ли X или Y . Каждый из них хватается за то, что может найти в своей комнате. Этот бит представляет их свободную волю. Это может быть что угодно, но его свойства определяются законами природы. Каждый наблюдатель знает, что вероятность того, что этот бит будет +1 или -1, будет равна, поэтому наблюдатели будут убеждены, что они действуют по доброй воле. Есть 2 3 = 8 возможных членов в последовательности XXX, YXX , ⋯, YYY .В 4 из них (где число Y четное) существует ограничение: разрешены только 4 из 2 3 = 8 возможных ответов. Следовательно, 4 × 4 = 16 исходов запрещены. Вот что здесь говорят законы природы: из всех онтологических состояний 16 запрещены.

Таким образом, мы утверждаем, что классические законы природы в 6-битной Вселенной могут прекрасно воспроизводить «чудо» GHZ, но мы должны признать, что свободная воля наблюдателя контролируется законами природы в такой же степени, как и все другие явления.

Конечно, квантовые физики возражают, что это несправедливо: «вы использовали« ретро-причинность », чтобы установить свои законы природы». Что ж, точка зрения, представленная в основной части этой статьи, заключается в том, что законы природы обычно инвариантны относительно обращения времени, и это означает, что если полное состояние Вселенной известно в настоящее время, это также вызывает ограничения для разрешенных состояний. в прошлом, и отсюда наши ограничения. Мы просто не можем ожидать «совершенной» свободы воли в нашей Вселенной.Может быть, вы думаете, что это «заговор». Пусть так, но законы природы в нашем подходе в первую очередь классические.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *