Nejlepší odpověď
Pokud jste vědec, neměli byste!
Stoupání opěrných bodů racionality je o pokusu pochopit, proč úspěšné nástroje fungují (vytvářejí dobré předpovědi), získávat nové poznatky a překonávat mylné představy. Věda je a vždy bude filozoficky podložena – je to proces, jehož cílem je dosáhnout lepšího porozumění vesmíru (uvažujte o vědecké metodě nebo Ph.D – filozofický doktorát).
Proč se tedy stalo tak běžným, že kvantoví fyzici opouštějí své vědecké kořeny a přijímají kulturu „drž hubu a výpočet“? Nejúčinnějším důvodem je, že navzdory skutečnosti, že vytváří fantasticky přesné statistické předpovědi, standardní formalismus kvantové mechaniky neposkytuje žádnou ontologickou jasnost ani nepřináší žádný vysvětlující význam. Kanonická kvantová mechanika je, jak říká Franck Laloë, neintuitivní a koncepčně relativně křehká. [i] Je to tak sužováno s konceptuálními obtížemi, že v roce 1927 Niels Bohr řekl: „Každý, kdo není šokován kvantovou teorií, tomu nerozumí.“ A o čtyřicet let později Richard Feynman řekl: „Nikdo nerozumí kvantové teorii.“ Stručně řečeno, kanonická kvantová mechanika se brutálně prosazuje jako konečná hra pro vědecké zpochybňování.
Stojí za zmínku, že stejný formalismus byl odvozen z různých základních předpokladů (těch, které neomezují naši schopnost zeptejte se, co se děje), ale drtivá většina fyziků si tyto filozoficky podloženější možnosti zcela neuvědomuje (odpověď Thada Robertsa na otázku Proč se více fyziků nepřipojuje k teorii pilotních vln?). Část odpovědi tedy spočívá v tom, že fyzici nebyli správně seznámeni s těmito dalšími interpretacemi.
Pokud jde o zbytek odpovědi … následujte mě králičí nivou.
Koncepční obtíže pod kvantovou mechanikou pochází z objektu, který používá k popisu fyzických systémů – stavový vektor | \ psi \ rangle. „Zatímco klasická mechanika popisuje systém přímým určováním poloh a rychlostí jeho komponent, kvantová mechanika nahrazuje tyto atributy složitým matematickým objektem | \ psi \ rangle, což poskytuje relativně nepřímý popis.“ [ii] Co přesně to znamená říci, že systém je lépe reprezentován stavovým vektorem než specifikací poloh a rychlostí jeho komponenty? Co představuje stavový vektor ve skutečnosti?
Nejobtížnější částí ontologicky pronikající kvantové mechaniky je zjišťování přesného stavu stavového vektoru. Popisuje samotnou fyzickou realitu, nebo zprostředkovává pouze určité (částečné) znalosti, které o realitě můžeme mít? Je to v zásadě statistický popis popisující pouze soubory systémů? Nebo popisuje jednotlivé systémy nebo jednotlivé události? Pokud předpokládáme, že stavový vektor je odrazem nedokonalé znalosti systému, neměli bychom očekávat, že alespoň v zásadě existuje lepší popis? Pokud ano, jaký by byl tento hlubší a přesnější popis reality? [iii]
Chcete-li si položit tuto otázku, zůstat otevřený možnosti, že na nějaké hlubší úrovni existuje úplnější popis, je v rozporu se standardní interpretací kvantové mechaniky. Je tomu tak proto, že standardní interpretace se nejen nedotkne základny s intuitivním znázorněním – pokusí se ji zakázat. [iv] Tvrdě tvrdí, že „přechod od možného ke skutečnému – je ze své podstaty nepoznatelný“. [v] Ale není důvod logicky se k tomuto tvrzení zavázat. Je stále možné, že existuje úplnější popis a že zvláštní efekty kvantové mechaniky lze spojit s konceptuálním obrazem.
Takže se scvrkává na otázku, co je to vlnová funkce – nazývaná také státní vektor. [vi] Podívejme se na tuto záhadu podrobněji.
Na rozdíl od klasické mechaniky, která popisuje systémy zadáním pozic a rychlostí jeho složek, používá kvantová mechanika k mapování fyzických systémů složitý matematický objekt zvaný stavový vektor. Vložení tohoto stavového vektoru do teorie nám umožňuje statisticky porovnat předpovědi s našimi pozorováními mikroskopického světa, ale toto vložení také generuje relativně nepřímý popis, který je otevřený mnoha stejně platným interpretacím. Abychom „skutečně porozuměli“ kvantové mechanice, musíme být schopni určit přesný stav stavového vektoru a musíme mít pro tuto specifikaci nějaké rozumné zdůvodnění. V současné době máme jen otázky. Popisuje stavový vektor samotnou fyzickou realitu nebo jen některé (částečné) znalosti reality? „Popisuje pouze soubory systémů (statistický popis) nebo také jeden systém (jednotlivé události)?Předpokládejme, že je skutečně ovlivněno nedokonalou znalostí systému, není tedy přirozené očekávat, že by alespoň v zásadě měl existovat lepší popis? “[Vii] Pokud ano, jaký by byl tento hlubší a přesnější popis reality? být?
Chcete-li prozkoumat roli stavového vektoru, zvažte fyzický systém vytvořený z N částic o hmotnosti, každý se šíří v obyčejných třech -rozměrný prostor. V klasické mechanice bychom k popisu stavu systému použili N pozic a N rychlosti. . Pro větší pohodlí můžeme také seskupit polohy a rychlosti těchto částic do jediného vektoru V , který patří do reálného vektorového prostoru s 6 N dimenze, nazývané fázový prostor . [viii]
Stavový vektor lze považovat za kvantový ekvivalent tohoto klasického vektoru V . Primární rozdíl spočívá v tom, že jako komplexní vektor patří do něčeho, co se nazývá komplexní vektorový prostor , známý také jako prostor států nebo Hilbertův prostor . Jinými slovy, místo kódování pravidelnými vektory, jejichž polohy a rychlosti jsou definovány ve fázovém prostoru , je stav kvantového systému kódován komplexními vektory, jejichž polohy a rychlosti žijí v prostoru států . [ix]
Přechod od klasické fyziky ke kvantové fyzice je přechod z fázového prostoru do prostoru stavů k popisu systému. V kvantovém formalismu má každý fyzický pozorovatelný systém (poloha, hybnost, energie, moment hybnosti atd.) Přidružený lineární operátor působící v prostoru stavů. (Vektory patřící do prostoru států se nazývají „kety“.) Otázkou je, je možné prostor států chápat klasickým způsobem? Dalo by se evoluci stavového vektoru chápat klasicky (pod projekcí místního realismu), kdyby například existovaly další proměnné spojené se systémem, které by náš současný popis / pochopení zcela ignoroval?
I když tato otázka visí ve vzduchu, připomeňme, že pokud je stavový vektor zásadní, pokud pod vektorem stavu opravdu není hlubší popis, pak musí být zásadní také pravděpodobnosti postulované kvantovou mechanikou. To by byla ve fyzice zvláštní anomálie. Statistická klasická mechanika neustále využívá pravděpodobnosti, ale tato pravděpodobnostní tvrzení se vztahují ke statistickým souborům. Vstupují do hry, když je známo, že studovaný systém je jedním z mnoha podobných systémů, které sdílejí společné vlastnosti, ale liší se na úrovni, která nebyla zkoumána (z jakéhokoli důvodu). Bez znalosti přesného stavu systému můžeme všechny podobné systémy seskupit do souboru a přiřadit tento stav možností našemu systému. To se děje z důvodu pohodlí. Rozmazaný průměrný stav souboru samozřejmě není tak jasný jako žádný z konkrétních stavů, které by systém ve skutečnosti mohl mít. Pod tímto souborem je podrobnější popis stavu systému (alespoň v zásadě), ale abychom mohli předpovídat, nemusíme rozlišovat přesný stav. Statistické soubory nám umožňují předpovídat, aniž bychom zkoumali přesný stav systému. Ale naše neznalost tohoto přesného stavu nutí tyto předpovědi být pravděpodobnostní.
Lze totéž říci o kvantové mechanice? Popisuje kvantová teorie soubor možných stavů? Nebo poskytuje vektor stavu nejpřesnější možný popis jediného systému? [x]
Jak na tuto otázku odpovíme, ovlivní to, jak vysvětlíme jedinečné výsledky. Pokud se stavovým vektorem zacházíme jako s fundamentálním, měli bychom očekávat, že se realita bude vždy prezentovat v nějakém rozmazaném smyslu. Pokud by stavový vektor byl celý příběh, pak by naše měření měla vždy zaznamenávat rozmazané vlastnosti namísto jedinečných výsledků. Ale ne. To, co ve skutečnosti měříme, jsou dobře definované vlastnosti, které odpovídají konkrétním stavům.
Na základě myšlenky, že stavový vektor je zásadní, navrhl von Neumann řešení zvané redukce stavového vektoru (nazývané také kolaps vlnové funkce). [xi] Myšlenka byla, že když se nedíváme, stav systému je definován jako superpozice všech možných stavů (charakterizovaných stavovým vektorem) a vyvíjí se podle Schrödingerovy rovnice. Ale jakmile se podíváme (nebo provedeme měření), všechny kromě jedné z těchto možností se zhroutí. Jak se to stalo? Jaký mechanismus je zodpovědný za výběr jednoho z těchto států po zbytek? K dnešnímu dni neexistuje žádná odpověď.Navzdory tomu byla von Neumannova myšlenka brána vážně, protože jeho přístup umožňuje jedinečné výsledky.
Problém, který se von Neumann pokoušel řešit, je ten, že Schrödingerova rovnice sama nevybírá jednotlivé výsledky. Nemůže vysvětlit, proč jsou pozorovány jedinečné výsledky. Podle toho, pokud přijde fuzzy mix vlastností (kódovaný vektorem stavu), vyjde fuzzy mix vlastností. Aby to napravil, von Neumann vyvolal myšlenku, že stavový vektor skáče diskontinuálně (a náhodně) na jednu hodnotu. [xii] Navrhl, že dojde k jedinečným výsledkům, protože stavový vektor zachovává pouze „složku odpovídající pozorovanému výsledku, zatímco všechny složky stavového vektoru spojené s ostatními výsledky jsou vynulovány, proto název snížení . “ [xiii]
Skutečnost, že tento proces redukce je přerušovaný, jej činí nekompatibilním s obecnou relativitou. Je také nevratný, díky čemuž vyniká jako jediná rovnice v celé fyzice, která zavádí do světa časovou asymetrii. Pokud si myslíme, že problém vysvětlování jedinečnosti výsledku tyto problémy zastiňuje, pak bychom byli ochotni je brát s rozvahou. Aby byl ale tento obchod užitečný, musíme mít dobrý příběh o tom, jak dochází ke kolapsu stavových vektorů. My ne. Absence tohoto vysvětlení se označuje jako problém kvantového měření .
Mnoho lidí s překvapením zjistilo, že problém kvantového měření stále přetrvává . Stalo se populární vysvětlit redukci stavového vektoru (kolaps vlnové funkce) odvoláním na efekt pozorovatele a tvrzením, že měření kvantových systémů nelze provést bez ovlivnění těchto systémů, a že redukce stavového vektoru je nějakým způsobem iniciována těmito měřeními. [xiv] Může to znít věrohodně, ale nefunguje to. I když ignorujeme skutečnost, že toto „vysvětlení“ neobjasňuje jak může porucha zahájit redukci vektoru stavu, není to povolená odpověď, protože „stav vektorové redukce může nastat, i když interakce v tomto procesu nehrají žádnou roli. “ [xv] Ilustrují to negativní měření nebo měření bez interakce v kvantové mechanice.
Chcete-li prozkoumat tento bod, zvažte zdroj S , který emituje částice s funkcí sférické vlny, což znamená, že její hodnoty jsou nezávislé na směr v prostoru. [xvi] Jinými slovy, vyzařuje fotony v náhodných směrech, přičemž každý směr má stejnou pravděpodobnost. Pojďme obklopit zdroj dvěma detektory s dokonalou účinností. První detektor D1 by měl být nastaven tak, aby zachytil částice emitované téměř ve všech směrech, s výjimkou malého plného úhlu θ a druhý detektor D2 by měl být nastaven na zachycení částice, pokud prochází tímto plným úhlem.
Měření bez interakce Když vlnový paket popisující vlnovou funkci částice dosáhne prvního detektoru, může nebo nemusí být detekován. (Pravděpodobnost detekce závisí na poměru podřízených úhlů detektorů.) Pokud je částice detekována pomocí D1 , zmizí, což znamená, že její stavový vektor se promítá do stavu neobsahujícího žádné částice a excitovaného detektoru. V tomto případě druhý detektor D2 nikdy nezaznamená částice. Pokud částice D1 není detekována, pak D2 částici detekuje později. Skutečnost, že první detektor nezaznamenal částice, znamená omezení vlnové funkce na její složku obsaženou v θ , což znamená, že druhý detektor bude vždy detekovat částice později. Jinými slovy, pravděpodobnost detekce pomocí D2 byla značně zvýšena jakousi „událostí“ na D1 . Stručně řečeno, vlnová funkce byla snížena bez jakékoli interakce mezi částicemi a prvním měřícím aparátem.
Franck Laloë poznamenává, že to ilustruje, že „podstata kvantového měření je něco mnohem jemnějšího než často vyvolávané „nevyhnutelné poruchy měřicího přístroje“ (Heisenbergův mikroskop atd.). “ [xvii] Pokud ke snížení vektoru stavu skutečně dojde, pak k němu dojde, i když interakce v procesu nehrají žádnou roli, což znamená, že jsme zcela v temnotě toho, jak je tato redukce iniciována nebo jak se odvíjí. Proč je tedy redukce vektoru stavu stále brána vážně?Proč by kterýkoli myslící fyzik prosazoval tvrzení, že dochází ke snížení stavového vektoru, když neexistuje věrohodný příběh o tom, jak a proč k němu dochází, a když tvrzení, že k němu dochází, vytváří další obludné problémy, které jsou v rozporu s centrálními principy fyziky? Odpovědí může být, že generace tradice do značné míry vymazaly skutečnost, že existuje další způsob řešení problému kvantového měření.
Vrátíme-li se k další možnosti, všimneme si, že pokud předpokládáme, že stavový vektor je statistický soubor, tj. pokud předpokládáme, že systém má přesnější stav, pak se interpretace tohoto myšlenkového experimentu stává přímočarou; zpočátku má částice dobře definovaný směr emise a D2 zaznamenává pouze zlomek částic, které byly emitovány v jejím směru.
Standardní kvantová mechanika předpokládá, že tento přesně definovaný směr emise před jakýmkoli měřením neexistuje. Za předpokladu, že pod vektorem stavu existuje něco, že existuje přesnější stav, se rovná zavedení dalších proměnných do kvantové mechaniky. Vyžaduje to odklon od tradice, ale jak řekl T. S. Eliot v The Sacred Wood , „tradici je třeba pozitivně odradit.“ [xviii] Vědecké srdce musí hledat nejlepší možnou odpověď. Nemůže vzkvétat, pokud je neustále brzdena tradicí, ani si nemůže dovolit ignorovat platné možnosti. Intelektuální cesty jsou povinny vytvářet nové cesty.
Tato odpověď je upraveným výňatkem z mé knihy „Einsteinova intuice: Vizualizace přírody v jedenácti dimenzích“, kapitoly 1 a 12.
[i] Franck Laloë. Opravdu rozumíme kvantové mechanice? s. xi.
[ii] Tamtéž, s. xii.
[iii] Tamtéž.
[iv] Formalismus kvantové mechaniky, který spadá pod název kodaňské interpretace „by se pravděpodobně měl správněji nazývat kodaňská neinterpretace, protože celá jeho podstata spočívá v tom, že jakýkoli pokus o intuitivní interpretaci formalismu je odsouzen k neúspěchu… “AJ Leggett. (2002). Testování limitů kvantové mechaniky: motivace, aktuální stav, vyhlídky. J. Phys. Condens. Matter 14 , R415-R451.
[v] ND Mermin. (1993). Skryté proměnné a dvě věty Johna Bella. Rev. Mod. Phys . 65 , 803–815; zejména viz §III. To je logicky neopodstatněné, protože to popírá možnost dalších platných interpretací – kterých je mnoho. Nejpozoruhodnější je, že popírá možnost deterministické interpretace, jako je Bohmova interpretace.
[vi] U systému bezpáteřních částic s hmotami je stavový vektor ekvivalentní vlnové funkci, ale u složitějších systémů to není tomu tak. Koncepčně však hrají stejnou roli a v teorii se používají stejným způsobem, takže zde není třeba rozlišovat. Franck Laloë. Rozumíme kvantové mechanice opravdu? , s. 7. [vii] Franck Laloë. Rozumíme kvantové mechanice opravdu? , s. xxi. [viii] V tomto fázovém prostoru je 6 N dimenzí, protože v nich jsou N částice systém a každá částice má 6 datových bodů (3 pro jeho prostorovou polohu ( x, y, z ) a 3 pro jeho rychlost, která má také komponenty x, y, z ). [ix] Prostor stavů (komplexní vektorový prostor nebo Hilbertův prostor) je lineární, a proto odpovídá principu superpozice. Jakákoli kombinace dvou libovolných stavových vektorů a v prostoru stavů je také možným stavem pro systém. Matematicky píšeme kde & jsou libovolná komplexní čísla. [x] Franck Laloë. Rozumíme kvantové mechanice opravdu? , s. 19. [xi] Kapitola VI J. von Neumanna. (1932). Mathematische Grundlagen der Quantenmechanik , Springer, Berlín; (1955). Matematické základy kvantové mechaniky , Princeton University Press. [xii] Napadám logickou platnost tvrzení, že něco může „způsobit náhodný výskyt“. Podle definice vede kauzální vztah k výsledkům, zatímco „náhodný“ znamená, že neexistuje žádný kauzální vztah. Hlouběji než toto zpochybňuji koherenci myšlenky, že může dojít ke skutečným náhodným událostem. Nemůžeme koherentně tvrdit, že existují události, které jsou zcela neplatné pro jakýkoli kauzální vztah. Chcete-li to udělat, je zahnat to, co máme na mysli „výskyty“. Každá událost je úzce spojena s celkem a neznalost toho, co řídí systém, není důvodem předpokládat, že je řízen náhodně. Věci nelze náhodně řídit.Příčina nemůže být náhodná. [xiii] Franck Laloë. Rozumíme kvantové mechanice opravdu? , s. 11. [xiv] Bohr upřednostňoval jiný úhel pohledu, kde se nepoužívá redukce vektoru stavu. D. Howard. (2004). Kdo vynalezl kodaňskou interpretaci? Studium mytologie. Philos. Sci. 71 , 669–682. [xv] Franck Laloë. Rozumíme kvantové mechanice opravdu? , s. 28. [xvi] Tento příklad byl inspirován částí 2.4 knihy Francka Laloëho Skutečně rozumíme kvantové mechanice? , s. 27–31. [xvii] Franck Laloë. Rozumíme kvantové mechanice opravdu? , s. 28. [xviii] T. S. Eliot. (1921). Posvátné dřevo . Tradice a individuální talent.
Odpověď
Je to dobrá rada. Ukázalo se, že umlčení a výpočet fungují lépe na problémy, na kterých se většina fyziků zajímá. Přemýšlení o filozofických otázkách QM zní dobře, ale ukázalo se, že má velmi nízkou výplatu již více než sto let.
Došlo k určitý pokrok v argumentech, které měli Einstein a Bohr ve 30. letech o tom, jak by mělo být chápáno QM. Od jejich debat jsme zaznamenali pokroky Bell, Bohma, Everetta (mnoho světů) a Zeha (dekoherence). Ale upřímně řečeno, tento pokrok je docela zanedbatelný, když ho porovnáme s pokroky dosaženými v kvantové mechanice za tu dobu, v neposlední řadě celou expanzi na QFT.
Jako takový máme empirické důkazy za poslední 100 let, kdy SUAC prokázal vynikající přístup, pokud chcete dosáhnout pokroku a objevovat nové věci ve fyzickém světě. [*]
A protože to je to, co většina fyziků chce dělat, je to pro ně vynikající rada.
A komukoli, kdo chce od dnešního dne dosáhnout pokroku, myslím, že je to stále jasně způsob, jak sázet. Například, kdybych byl diktátorem alokací zdrojů, dal bych pokyn asi 99 ze 100 mladých fyziků, aby ztichli a vypočítali celou svou kariéru.
A přesto … ještě bych dal trochu stranou: jeden ze sta těchto mladých fyziků by mohl chtít trávit čas zkoumáním filozofických důsledků QM. (Aby bylo jasné, měli by všichni držet hubu a počítat, zatímco se učí čistému formalismu QM – je dost těžké se nejprve naučit, aniž byste do toho vložili filozofii.) Ale jakmile se seznámí s jeho používáním, mohli by se rozejít s hlavním proudem a přemýšlet o základech. Přitom by neměli zasahovat do pokroku, kterého dosáhlo jejich 99 kolegů, ale měli by jednat jako jeho doplněk, s plným vědomím, že jde o přístup s velmi nízkou pravděpodobností úspěchu.
Proč? Jen bych se ohlédl o kousek zpět do historie fyziky. Podíval bych se na to, jak Newton, Leibniz, Clausius, Boltzmann, Gibbs a Einstein přemýšleli a jak zahájili svá zkoumání z filozofického myšlení o základech fyziky své doby. A pozorujte, že to byl často způsob, jakým došlo k těm nejúžasnějším průlomům.
Zdá se však, že tento přístup se v poslední době rozpadl. Musíme přiznat, že za posledních sto let se tento druh „odvážného, filozofického, základního“ myšlení právě ukázal jako pozoruhodně neplodný, když byl aplikován na QM. Kdy obdržíme zprávu a vzdáme se?
Budu tvrdohlavý: zatím docela . Na straně zavření a výpočtu je to 99: 1, ale ještě ne 100: 0.
[*] Pokud vás zajímá, jak lze smysluplně porovnat „pokrok“ ve dvou kvalitativně odlišných oblastech, Odpověď je, že se podíváte na oba a řeknete „No tak dál. To je celá zátěž, že? “