Ейнштейн і пошук альтернативи квантової механікe

1. Все, що ви знаєте, помилково
2. Крім нашої здатності бачити
3. Втеча неможлива?
4. Свобода, за ціною
5. квантова логіка
6. стохастична механіка
7. Теорія пілотної хвилі
8. Метафори для метафізичної незручності

У 1915 році Альберт Ейнштейн, допомагаючи своїм друзям, розробив теорію гравітації, яка фактично скасувала основу «колишньої» фізичної реальності. Немислимо для того часу: простір, в якому ми живемо, лише частково описується евклідовій геометрією. Скасували і принципи, закладені механікою Ньютона, а разом з ними і стигмати класичної, «німецької» логіки, сформовані Еммануїлом Кантом. І все тому, що світ вийшов за межі земного буття, за межі світу як «земний» конструкції. гравітація перестала бути суто «земної» сутністю і підвладна тільки за допомогою математичних прийомів, запропонованих древніми греками.

Відомий фізик Вернер Гейзенберг пізніше вказав на наслідки філософських помилок Канта . Великий Кенігсбергський мислитель вважав, що наше розуміння давньої геометрії зумовлює існування загальної фізичної реальності. Тому опис природи неможливо за межами тривимірного простору. Але в 1915 році філософське будівлю науки покрилося найширшими тріщинами. Більше того, потрібно було заново зводити стіни і перебудовувати фундамент, що утримує тільки об'єкти відчутного світу. Виявилося, що стара фізика описує лише об'єкти середнього порядку, тоді як мікросвіт був викинутий за межі наукового пізнання.

Незважаючи на радикальний розрив з застарілими ідеями про природу простору і часу , Ейнштейн все ж зосередився на переосмисленні ньютонівської теорії як на частини «початкової фізики». Таким чином він забезпечив методологічний перехід від «класики» до квантової фізики.

Але що послужило точкою відліку для наукової революції, що відкрила шлях для створення загальної теорії відносності ? Що спровокувало сейсмічний зсув усвідомлення ймовірності існування викривленого простору і часу?

Для початку ми повинні усвідомити істотну дивина квантової механіки. Чому з тих пір, як квантовий світ з'явився на академічній сцені, фізики намагаються знайти альтернативу, яка дозволяє мікшувати класичне ядро ​​і квантову механіку? Або ми ще не відмовилися від класичного розуміння реальності, від якого втік Ейнштейн ще 100 років тому?

Все, що ви знаєте, помилково

Наше уявлення про реальність створюється ще з дитячого віку, коли ми починаємо контактувати з навколишнім світом. Формулювання уявлення про речі виникає тоді, коли причина і наслідок зв'язуються в одне ціле, а розглядаються явища шикуються в фізично відчутну послідовність. Світ здається цілком передбачуваним.

З віком навколишня дійсність ускладнюється. Розуміння межі контролю обмежує наше знання на користь визнання невизначеностей у відносинах причина - наслідки, які, в свою чергу, здатні мінятися місцями. Ми в змозі навіть вибудовувати статистичні моделі, але це не вирішує проблему вираження граничності нашого знання. Математична форма - це лише інструмент, який демонструє статичність, динамічність і ймовірність одного і того ж події. Все залежить від прийнятого початкового події, від заданої нами самими точки відліку. Ми тільки припускаємо, яка природа події і обчислюємо його природу.

Знаходячи монету на вулиці, ми з точністю можемо її описати її як статичне явище, тобто те, що є присутнім «тут і зараз», але ми нічого не знаємо, як вона потрапила на це місце, ми не знаємо її минуле, її «життєвий шлях »- в просторі і в часі. Відповідно, припускаючи, ми вибудовуємо ймовірності, але не надаємо гарантію, що та чи інша ймовірність є реальністю. Або, навпаки, описуючи реальність, впевнено заявити, що вона неваріатівна, незмінна по своїй фізичній природі.

Цей «реалістичний» погляд на світ не пережив натиску даних, отриманих при експериментуванні з фотонами і іншими субатомними частинками. Спочатку складалося враження, що фізики, в припадку впертою порочності, вирішили побудувати теорію, яка суперечить адекватним уявленням про реальність. Однак, незважаючи на результати експериментів, вони наполегливо використовували класичний інструментарій для своїх теоретичних викладок. По суті, винахід квантового формалізму - це акт відчаю, спровокований відсутністю experience понятійного і методологічного апаратів. Зрозуміло, що якщо б цього не сталося, то розвиток квантової механіки обмежилося б променевими хворобами подружжя Кюрі, про наявність яких на початку 20 століття тільки здогадувалися.

Невидиму дивина навколишнього світу можна окреслити і в домашніх умовах. Для цього знадобляться ліхтарик або лазерна указка, а також дешеві поляризаційні фільтри (зійдуть і лінзи сонцезахисних окулярів). Встановіть поспіль два фільтри на деяку відстань один від одного. Пропустіть світло через пару і повертаєте її до тих пір, поки не пройде світло таким чином, щоб осі їх поляризації перетиналися під прямим кутом. Після чого вставте третій фільтр між двома першими. Ви переконаєтеся, що додавання додаткового фільтра дозволяє пропускати світло.

Цей приклад часто використовується на лекціях по введенню в курс квантової механіки - парадоксальна поведінка частинок виникає як тривіальне наслідок фотонних потоків.

Вчені в перші десятиліття минулого століття зіткнулися з експериментальними даними, набагато більш вражаючими і незрозумілими, ніж наведений вище досвід. Чи виконуєте ви експеримент з електронами або фотонами, результат однаковий: на виході виходить інтерференційна картина, як ніби дві хвилі виходять з двох розрізів і заважають один одному. Це означає, що світло має хвильову природу і навіть частки з масою, такі як електрони, поводяться як хвилі в «природних» для себе умовах.

Але експеримент підкріплюється двома цікавими ефектами. По-перше, якщо сповільнюється швидкість випромінювання частинок (фотонів, електронів), результат не змінюється. Це має означати, так чи інакше, що частка розпадається на дві частини, проходить через обидва фільтра і ретрансформіруется в саму себе! По-друге, якщо вносяться певні зміни в пристрій для запису тієї «щілини», через яку проходить частинка, інтерференційна картина зникає і світло поводиться так, якби спостерігалися просто частки без хвилеподібних характеристик. Тобто частки двоїсті: це хвиля і не-хвиля в «класичному» розумінні. Все залежить від того, як експериментатор на них «подивиться».

Пізніше стало ще дивніше. Технологія просунулася до такої міри, що сьогодні ми можемо вирішувати, які вимірювання слід зробити після того, як частка почала свою подорож. І результати цих експериментів із затримкою вибору завжди однакові. Але якщо ми подивимося, в якому напрямку рухається частинка, то враження зовнішнього втручання руйнується. Якщо зміниться фізична природа нашого зору, то зміниться і знайома інтерференційна картина. Тим не менш, ми продовжуємо ставити собі питання: коли частка повинна «зважитися» діяти як частка, а коли - як хвиля?

Експериментування з уповільненим вибором призвело до припущення, що інформація про те, як поводиться частка, передається назад в часі з моменту «перетину» обладнання. Це пояснює результати експериментів на мікрорівні і формалізує деякий набір понять (наприклад, причинності). Останнім часом навіть було знайдено пояснення терміна «назад в часі», коли проходження частинок було розтягнуто до межі, - використовувалися повільні холодні атоми гелію. Атоми рухалися тільки під дією сили тяжіння, тому між їх рухом і вибором того, коли їх спостерігати, відбувалося досить багато часу. Виходить зовсім інший процес - субатомні процеси пов'язані з обмеженою формою зворотного подорожі в часі.

Інакше кажучи, результати цих експериментів просто не можуть бути описані з використанням традиційних концепцій, заснованих на повсякденної реальності: об'єкти існують з певним набором властивостей; проте якщо не вимірювати певну властивість, то це властивість все одно має особливе значення. Звичайно, фізики практикувалися при вирішенні проблеми невизначеності задовго до квантової революції, але це невизначеність зовсім іншого роду. Тоді (хоча і зараз, за ​​великим рахунком, теж) йшлося про невизначеність в знаннях, яка передбачала невідомий, але реальний рівень детерміністській реальності нижче рівня наукового сприйняття.

Якщо ми викинемо ідеї, фундаментальні для нашого розуміння світу, що чим їх замінити? Справа не тільки в тому, що вони є інтуїтивної частиною повсякденного досвіду. Вони служать основою для інших областей науки.

Крім нашої здатності бачити

У дев'ятнадцятому столітті мікроскопічний детермінізм привів до першого великого успіху імовірнісних міркувань у фізиці: кінетичної теорії газів. Ця теорія заснована на старої ідеї, що матерія складається з величезної кількості простих атомів, відскакують один від одного, як субмикроскопические кулі для пінг-понгу. На основі деяких припущень, підкріплених вищою математикою, прихильники кінетичної теорії вивели відомі закони термодинаміки як середні значення поведінки ідеалізованих атомів. Кінетична теорія показала, що речі, які ми спостерігаємо, можуть виникати на основі процесів, які були недоступними більш раннього поданням про фізичну природу світу. Проте, саме такі усереднення виводилися відповідно до відомими детерминистскими законами класичної механіки - інакше механіка Ньютона виявилася б «нерентабельною».

Навіть на початку XX століття багато вчених не вірили в реальність атомів. Переломний момент стався після статті Ейнштейна 1905 року, присвяченій броунівському русі. На основі статистики тоді ще молодий вчений показав, що нестійке рух зерен пилку, зважених у воді, можна пояснити бомбардуванням невидимим потоком частинок.

Ейнштейн , В кінці кінців, отримав Нобелівську премію ні за цю статтю, ні за іншого дослідження 1905 року, яке згодом призвело до створення теорії відносності і формули E = mc2. Йдеться ще про одну публікації - про фотоелектричні ефекті. Саме ця публікація запустила процес, який зруйнував нашу класичну реальності.

Ейнштейн завів розмову про цілий ряд експериментальних даних, по-новому описують взаємодію світла і речовини. Тепер ми знаємо, що світло поглинається і виділяється з матерії в дискретних кількостях енергії, званих квантами. Ця стаття знаменує собою народження квантової фізики, і це дитя Ейнштейна швидко зруйнувало те, що спочатку намагався зберегти батько.

У наступні два десятиліття стався вибух експериментальних досліджень на новій арені атомної фізики і хімії. Поза атома був виявлений електрон. Потім з'явився ряд неповних теоретичних моделей, математичних формализмов для опису мікросвіту. Речі в кінцевому підсумку почали об'єднуватися, і фізики, нарешті, навчилися передбачати експериментальні результати. Однак незабаром знадобилася незнайома, абстрактна математична структура, набір правил для взаімопрівязкі результатів експериментальних даних - так виникла теорія квантової механіки.

До третього десятиліття двадцятого століття майже всі вчені погодилися з реальністю атомів і навіть менших частинок. Але вони представляли їх як невидимі крихітні версії знайомих предметів: планети, більярдні кулі і піщинки використовувалися для порівняння навіть в «серйозних» роботах з фізики. Більшість вчених припускали, що це була інша версія чогось на кшталт кінетичної теорії газів. Більшість людей сьогодні, ймовірно, також думають: атоми і інші складові мікросвіту можуть мати екзотичні властивості і слідувати дивним математичним правилам, але вони беруть участь в «традиційної» фізичної реальності. Але квантова реальність зовсім інша.

Однією з ключових фігур у розвитку квантової теорії став данець Нільс Бор (включаючи значний внесок Макса Борна і Вернера Гейзенберга). Бор був філософом-фізиком, який дратував своїх колег, виступаючи з довгими, заплутаними, іноді «темними» - навіть на тлі Демокрита - лекціями. Хоча датчанин, безсумнівно, знав теорію і славився рішенням ранніх головоломок при вивченні атомів, він часто віддавав перевагу короткому і точному поясненню неспішне маніпулювання рівняннями. Бор наполягав на вимозі розуміння сенсу всього, - і тільки в цьому сенсі нагадував давньогрецького філософа.

Разом з тим саме він представив перше концептуальне розуміння квантової механіки , Відоме як «Копенгагенська інтерпретація». Разом з тим це як і раніше стандартний погляд на квантовий світ, хоча і формально певний. Для нас це, скоріше, набір загальноприйнятих емпіричних правил, що зв'язують елементи теорії з тим, що наблюдаетс в лабораторії. Вони можуть бути сформульовані різними способами, але методологічно відповідати прийнятим принципам.

Ось одна версія, яка відображає поточний розуміння її основних аспектів квантової механіки:

Стан (положення, імпульс і т. Д.) Системи повністю визначається її «хвильової функцією», математичної об'єктивізацією, яка еволюціонує, відповідно до рівнянь квантової механіки. Хвильова функція не спостерігається безпосередньо; одночасно існує ймовірність того, що при початковому вимірюванні виявиться система в певному стані. Такі «системи» є елементарними частинками - електронами і протонами, атомами або навіть молекулами. При вимірі хвильова функція «згортаються» до зафіксованим значенням.

Але реальність не виникає з розрахунку ймовірностей. Не існує основного детермінованого шару; немає прихованого обладнання, яке реєструє вимірювання до проведення вимірювання. Ці ймовірності не відображають наші знання, як в класичній статистичній фізиці, тому що нічого немає. Є тільки ймовірність.

Існують фундаментальні межі experience, описувані відносинами невизначеності: деякі пари величин ізмерятются одночасно тільки з певною точністю (положення / імпульс або енергія / час). Нічого спільного з технологією або експериментальної технікою; межа фізичної реальності неминучий.

Копенгагенська інтерпретація акуратно розправляється з усією плутаниною експериментів з уповільненим вибором, описаним вище. Немає необхідності посилатися на таємничі сигнали, що йдуть в «зворотному» часу, а тим більше шукати теоретичний привід для збереження наших уявлень про реальність. Нам просто потрібно відмовитися від цих консервативних ідей і визнати, що фізичні властивості не існують незалежно від їх вимірювання. Речі стають реальними лише при вимірюванні, саме вимір випливає з теоретичного визначення в «доізмеряемий» період, а квантова механіка приводить нас тільки до можливостям різних реальностей.

Втеча неможлива?

Квантова механіка, поряд з Копенгагенської інтерпретацією мали метафізичні наслідки. Первинність ймовірності і відмова від детермінованою причинності змусили Ейнштейна навіть поскаржитися на те, що Бог «не грає в кості із Всесвітом». Чому ж тоді фізики не відмовляються від причинності? Чому ми не можемо сказати, що можуть бути детерміновані «приховані змінні», які породжують ймовірності квантового світу?

Найсильнішим стримуючим фактором є теорема Белла. Ця теорема показує, що якщо існує шар прихованих змінних, які ми не можемо виміряти, то результати деяких експериментів повинні проявлятися певним чином. До теперішнього часу з надзвичайно точних експериментів зібрано безліч доказів того, що вимірювання не виходять за рамки розрахованої «визначеності». Логіка ж вимагає, щоб в мікросвіті не існувало невідомого детермінованого шару.

Теорема Белла дозволяє за однієї умови співіснувати експериментальним результатам і детермінованим прихованим змінним: вплив змінних має проходити швидше за світло. Цей вплив не може бути класичної передачею інформації, оскільки виключається спеціальної теорії відносності. Як вказував Ейнштейн, передача інформації швидше за світло призведе до ще більших казусів щодо наших уявлень про причини і наслідки. Інакше кажучи, це означає, що ефекти передують причин, навіть в макросвіті.

Інший момент Полягає в тому, щоб дозволіті прихованим зміннім надаваті квантово-механічний Вплив, Пожалуйста розповсюджується міттєво, но без информации в класичному СЕНСІ. Такі припущені були вісміяні Ейнштейном як «страшне дію на відстані», но смороду пояснюють результати вимірювань на заплутаніх частинка. Тут вимір стану частинки можна Передбачити, в тому чіслі, Яким буде результат вимірювання Іншої частинки, что находится як завгодно далеко. Теорії, які ухиляються від теореми Белла і дозволяють прихованим змінним надавати миттєве вплив на відстані, називаються «нелокальними прихованими теоріями змінних». Хоча це всього лише один із способів зробити квантову механіку більш зручною для нашої свідомості.

Свобода, за ціною

Не дивно, що фізики шукали вихід з перших днів квантової механіки. Але як може є щось ще, якщо теорема Белла не залишає нам виходу?

За будь-якої теоремою завжди існують припущення, як виявлення, так і невстановлені. Доказ Белла використовує досить просту математику і, здається, не приймає нічого, що ми все ще не сприймаємо як істину. Але відчайдушні проблеми вселяють відчайдушні заходи. Квантові теоретики шукали альтернативи Копенгагенської інтерпретації, вивчаючи деякі з тих невстановлених припущень - речі, які для більшості з нас не можуть бути невірними.

квантова логіка

Інтерпретації квантової механіки, які самі змінюють логіку, намагаються замінити щось, зване квантової логікою.

Джон Нейман, операціоналізіруя сучасне розуміння поля, запропонував певні фізичні наративи і заодно прописав ранню математичну формалізацію квантової теорії. Відповідно до його моделлю, математична структура квантової теорії заснована на логіці, відмінній від арістотелівської, характерною для класичної фізики. Дослідження в галузі квантової механіки тривають, але до сих пір залишаються екзотичним напрямком; до сих пір не створена повністю функціонуюча альтернатива Копенгагенської інтерпретації, хоча виникає питання наукової доцільності таких пошуків.

Існують кілька простих прикладів того, коли знайомі правила логіки незручні для квантового світу і на основі чого простежується альтернатива. Перш за все, мова йде про ідею суперпозиції станів. У квантовому світі наші нормальні уявлення про реальність замінюються хвильової функцією, яка надає ймовірності знаходження системи в різних станах. Якщо система може перебувати тільки в одному з двох станів, то до тих пір, поки не буде виконано фактичне вимір, вона залишається в стані, що відповідає вимозі цих двох ймовірностей: так виникає суперпозиція. Популярний приклад - уявний експеримент з «кішкою Шредінгера», яка, як кажуть, одночасно мертва і жива, поки не відкриється ящик, в якому вміщена. Така гіпотеза драматично конфліктує з класичною механікою і з нашими звичайними уявленнями про реальність, що вимагає, щоб система дійсно знаходилася тільки в одному з двох можливих станів. При цьому акт вимірювання показує тільки те, що зафіксовано на момент навіть не експерименту, а процедури запису, згодом яка визначається як результат експерименту.

Одним з можливих способів визначення суперпозиції є застосування різних правил логіки. Знайома картина: якщо пропозиція p (скажімо, твердження «електрон знаходиться в стані спін-вгору») помилково, а пропозиція q ( «електрон знаходиться в стані спін-вниз») помилково, то пропозиція p ∨ q (де ∨ означає «або» ) також повинна бути помилковою. І так відбувається з усіма класичними вимірами. У квантовій механіці p не може бути істиною, якщо вона не була виміряна. Чи слід вважати це «помилковим судженням» в класичному розумінні або чимось ще, - інше питання. Аналогічно, q також не може бути правдою. Однак комбінація p ∨ q може бути вірною, тому що це визначення суперпозиції, в якій знаходиться електрон, перш ніж ми його вимірюємо. Таким чином, квантова логіка дозволяє p ∨ q бути істинним судженням в тому випадку, коли і p, і q не відповідають істині.

Може здатися дивним наміри змінити правила логіки. Але таким чином можна підштовхнути дивина квантової механіки на рівень тих логічних стандартів, які ми використовуємо для висновків.

стохастична механіка

Подібна інтерпретація квантової механіки залишає в спокої традиційну логіку, але додає новий фізичний процес. Почала сучасного напрямку стохастичною механіки поклали з роботи Едварда Нельсона 1966 року народження, де він пише:

«Ми спробуємо показати в цій статті, що радикальний відхід від класичної фізики, яка створила квантову механіку 40 років тому, не потрібен».

Основний результат статті вражає: автор виводить рівняння Шредінгера, центральне рівняння квантової механіки, припускаючи, що частинки схильні до мінливої ​​випадкової силі. Тому мікроскопічні частинки, такі як електрони, описують як щось схоже на броунівський рух. Нельсон, як раніше Ейнштейн, використовує багато даних статистичної фізики для своїх висновків.

Починаючи з роботи Нельсона, виникає пояснення квантування моменту ( «спін») і квантової статистики. Однак стохастична механіка все ще далека від заміни Копенгагенської інтерпретації або звичайною квантової механіки. Вона включає те, що здається нефізичні миттєвим дією на відстані і дає невірні прогнози для певних типів вимірювань. Нельсон задає істинно квантовий питання: «Як теорія може бути настільки правильною, але все ж неправильної?»

Теорія пілотної хвилі

Ця версія квантової механіки сягає початку розуміння квантового поля. Якщо перша частина квантової головоломки була введена Ейнштейном в 1905 році, коли він пояснив, як поглинається світло і одночасно як він виділяється з матерії, то друга частина була надана Луї де Бройля в 1924 році. Де Бройль стверджував, що, хоча світлові хвилі можуть вести себе як частки, проте частки, такі як електрони, можуть вести себе як хвилі.

У наступному році де Бройль описав свою модель експериментально: хвилі розглядалися як реальні фізичні об'єкти, елементарні частинки. Це була, в певному сенсі, оригінальна інтерпретація квантової механіки, але незабаром її поглинула Копенгагенська інтерпретація. Ідеї ​​Де Бройля були заново відкриті в 1950-х роках Девідом Бомом, який розвинув їх далі. У його формулюванні хвильова функція як і раніше регулюється рівнянням Шредінгера, але експериментальна хвильова теорія додає до неї «направляє рівняння», яке безпосередньо впливає на рух частинок. Вважається, що частинки мають реальні траєкторії, що існують незалежно від їх вимірювання; характерні квантові ефекти, такі як інтерференція, є результатом проходження електронів або фотонів під час проведення експерименту. Пропонована інтерпретація відтворює більшу частину поведінки квантового світу, зберігаючи принцип реалізму. Імовірність повертається на своє традиційне місце опису наших неповних знань, перестає бути внутрішньою частина природи.

Одним з основних заперечень проти теорії пілотних хвиль є те, що траєкторії, які вона надає для частинок, є складними або навіть химерними; інше заперечення полягає в тому, що вона пов'язана з крайньою нелокальності, описуючи рух частинок в залежності від стану інших часток. Однак багато фізиків вважають цю теорію найбільш перспективною альтернативою Копенгагенської інтерпретації і продовжують предметні дослідження в цій області.

Інтригуючою особливістю теорії пілотної хвилі є можливість спостереження аналогів деякого своєрідного мікроскопічного поведінки, яке передбачає відповідні ефекти на рівні макрокосму. Але тоді виникає вимога «уповільнення» хвильового потоку, що в реальності не спостерігається.

Метафори для метафізичної незручності

Ейнштейн, крім своїх відкриттів, відомий ще двома хорошими якостями: відмінним почуттям гумору і глибоким розумінням фізичної природи навколишнього світу. Нам він заповідав пару мальовничих фраз, які чи то викликають дискомфорт, то чи наповнюють нас метафізичної незручністю: «страшне дію на відстані» і «бог не грає в кості із всесвітом».

У всякому разі, фізика - чи не єдина з пулу так званих «точних» наук, які постійно розвиваються. Більше того, навіть невизнані ідеї залишаються в рамках дозволеного в рамках можливої ​​академічної докси, хоча пошук наукової альтернативи часто стикається з бюрократичними труднощами, більше пов'язаних з особливостями функціонування університетів, ніж з охоронними інтересами «вченого» спільноти. У всякому разі, навіть альтернативщики здатні отримати статус фізика-теоретика, кафедру, лабораторію і фінансування. Інша справа - получітьнаучное визнання. Але ж і на першу лекцію Ейнштейна прийшло тільки три людини, з яких двоє були його лаборантами. Третім був сам Ейнштейн.