A legjobb válasz
Ha tudós vagy, akkor nem szabad!
A racionalitás talapzatának megemelkedése a kísérlet megkísérlése. megérteni, hogy a sikeres eszközök miért működnek (jó előrejelzéseket tesznek), új felismerésekhez és a tévhitek legyőzéséhez. A tudomány mindig filozófiailag megalapozott – és ez egy olyan folyamat, amelynek célja az univerzum jobb megértése (gondoljunk csak a tudományos módszerre vagy egy Ph.D. – filozófiai doktori címre).
Tehát miért vált olyan gyakorivá, hogy a kvantumfizikusok elhagyják tudományos gyökereiket és magukévá teszik a „kuss és számolj” kultúrát? A leghatékonyabb ok az, hogy annak ellenére, hogy fantasztikusan pontos statisztikai előrejelzéseket készít, a kvantummechanika szokásos formalizmusa semmiféle ontológiai egyértelműséget nem nyújt, és semmilyen magyarázó jelentőséget nem hordoz. A kanonikus kvantummechanika, ahogy Franck Laloë fogalmaz, nem intuitív és fogalmilag viszonylag törékeny. [i] Olyan mélységesen sújtja fogalmi nehézségekkel, hogy 1927-ben Niels Bohr azt mondta: “Aki nem döbben rá a kvantumelméletre, az nem érti.” Negyven évvel később Richard Feynman azt mondta: “Senki sem érti a kvantumelméletet”. Röviden, a kanonikus kvantummechanika brutálisan érvényesül a tudományos kérdezés végjátékaként.
Érdemes megjegyezni, hogy ugyanaz a formalizmus különböző alapfeltevésekből származik (olyanokból, amelyek nem zárják le a képességünket kérdezd meg, hogy mi folyik), de a fizikusok túlnyomó többsége továbbra sem ismeri ezeket a filozófiailag megalapozottabb lehetőségeket (Thad Roberts válasza a Miért nem fizetnek be többet fizikusok kísérleti hullám elméletre?). Tehát a válasz része az, hogy a fizikusokat nem ismerték meg megfelelően ezekkel a más értelmezésekkel.
Ami a többi választ illeti … kövess engem a nyúl lyukán.
A fogalmi nehézségek a kvantummechanika alatt abból az objektumból származik, amelyet a fizikai rendszerek leírására használ – az állapotvektor | \ psi \ rangle. “Míg a klasszikus mechanika egy rendszert úgy ír le, hogy közvetlenül meghatározza az alkatrészek helyzetét és sebességét, a kvantummechanika ezeket az attribútumokat egy összetett matematikai objektummal | \ psi \ rangle helyettesíti, viszonylag közvetett leírást adva.” [ii] Pontosan mit jelent az, ha azt mondjuk, hogy a rendszert jobban ábrázolja egy állapotvektor, mint a komponensének pozíciói és sebességei? Mit jelent egy állapotvektor a valóságban?
Az ontológiailag behatoló kvantummechanika legnehezebb része az állapotvektor pontos állapotának kitalálása. Magát a fizikai valóságot írja le, vagy csak valamilyen (részleges) tudást közvetít, amely rendelkezhetünk a valósággal? Alapvetően statisztikai leírás, amely csak rendszerek együtteseit írja le? Vagy egyetlen rendszert, vagy egyetlen eseményt ír le? Ha azt feltételezzük, hogy az állapotvektor a rendszer tökéletlen ismeretének tükrözi, akkor nem kellene elvárnunk, hogy jobb elírás létezzen, legalábbis elvileg? Ha igen, mi lenne a valóságnak ez a mélyebb és pontosabb leírása? [iii]
Ha ezt a kérdést feltesszük, nyitva kell maradnunk annak lehetősége iránt, hogy valamilyen mélyebb szinten létezik teljesebb leírás, ellentmondani kell a kvantummechanika szokásos értelmezésének. Ez azért van így, mert a szokásos értelmezés nem csupán intuitív ábrázolással érinti a bázist – megpróbálja megtiltani. [iv] Brutálisan állítja, hogy „a lehetségesből a ténylegesbe való átmenet eredendően megismerhetetlen”. [v] De nincs ok logikusan elköteleződni ezen állítás mellett. Lehetséges, hogy teljesebb leírás létezik, és hogy a kvantummechanika sajátos hatásai fogalmi képhez köthetők.
Tehát egy kérdésre merül fel, hogy mi is a hullámfüggvény – más néven állapot vektor. [vi] Vizsgáljuk meg alaposabban ezt a rejtélyt.
A klasszikus mechanikától eltérően, amely a rendszereket a összetevőinek helyzete és sebessége, a kvantummechanika egy komplex matematikai objektumot, amelyet állapotvektornak hívnak, fizikai rendszerek feltérképezéséhez. Ennek az állapotvektornak az elméletbe való beillesztése lehetővé teszi számunkra, hogy statisztikailag illesszük az előrejelzéseket a mikroszkopikus világ megfigyeléseinkhez, de ez a beillesztés egy viszonylag közvetett leírást is generál, amely számos egyformán érvényes értelmezés számára nyitott. A kvantummechanika „igazán megértéséhez” meg kell tudnunk adni az állapotvektor pontos állapotát, és ésszerű indoklással kell rendelkeznünk a specifikációra vonatkozóan. Jelenleg csak kérdéseink vannak. Az állapotvektor leírja-e magát a fizikai valóságot, vagy csak valamilyen (részleges) tudást, amely a valósággal rendelkezünk? „Csak rendszerek együtteseit írja le (statisztikai leírás), vagy egyetlen rendszert is (egyetlen esemény)?Tegyük fel, hogy valóban befolyásolja a rendszer tökéletlen ismerete, akkor nem természetes-e azt várni, hogy legalább elvileg jobb leírás létezzen? ”[Vii] Ha igen, mi lenne a valóságnak ez a mélyebb és pontosabb leírása legyen?
Az állapotvektor szerepének feltárásához vegye fontolóra a fizikai rendszert, amely tömegű N részecskékből áll, és mindegyik normál háromban terjed -dimenziós tér. A klasszikus mechanikában N pozíciókat és N sebességeket használunk a rendszer állapotának leírására. . A kényelem érdekében ezen részecskék helyzetét és sebességét is egyetlen vektorba V csoportosíthatjuk, amely egy valós vektortérhez tartozik 6 N dimenziók, az úgynevezett fázistér . [viii]
Az állapotvektor felfogható ennek a klasszikus vektornak a kvantum ekvivalenseként V . Az elsődleges különbség az, hogy összetett vektorként komplex vektortér , más néven állapotok tér , vagy Hilbert tér . Más szavakkal, ahelyett, hogy szabályos vektorok kódolnák, amelyek pozícióit és sebességét a fázistérben határozzák meg, a kvantumrendszer állapotát összetett vektorok kódolják, amelyek pozíciói és a sebességek az államok állapotterében élnek . [ix]
Az átmenet a klasszikus fizikáról a kvantumfizikára az átmenet az állapotok fázisteréből a térbe, hogy leírják a rendszert. A kvantumformalizmusban a rendszer minden fizikai megfigyelhetőségének (helyzet, lendület, energia, szögimpulzus stb.) Társult lineáris operátora van, amely az állapotok térében működik. (Az állapotok térébe tartozó vektorokat „ketteknek” nevezzük.) A kérdés az, hogy lehetséges-e klasszikus módon megérteni az állapotok terét? Megérthető-e az állapotvektor evolúciója klasszikusan (a lokális realizmus vetülete alatt), ha például a rendszerhez további változók társultak, amelyeket a jelenlegi leírásunk / megértésünk teljesen figyelmen kívül hagyott?
Míg ez a kérdés a levegőben lóg, vegyük figyelembe, hogy ha az állapotvektor alapvető, ha az állapotvektor alatt valóban nincs mélyebb szintű leírás, akkor a kvantummechanika által feltételezett valószínűségeknek is alapvetőeknek kell lenniük. Ez egy furcsa rendellenesség lenne a fizikában. A klasszikus statisztikai mechanika állandóan használja a valószínűségeket, de ezek a valószínűségi állítások statisztikai együttesekhez kapcsolódnak. Akkor játszanak szerepet, amikor a vizsgált rendszer ismert a sok hasonló rendszer közül, amelyek közös tulajdonságokkal rendelkeznek, de olyan szinten különböznek egymástól, amelyet (bármilyen okból) nem vizsgáltak. Anélkül, hogy tudnánk a rendszer pontos állapotát, összes hasonló rendszert össze tudunk csoportosítani, és a lehetőségeknek ezt az együttes állapotát rendelhetjük a rendszerünkhöz. Ez kényelmi okokból történik. Természetesen az együttes homályos átlagos állapota nem olyan egyértelmű, mint a rendszer bármely konkrét állapota. Ezen együttes alatt található a rendszer állapotának teljesebb leírása (legalábbis elvileg), de nem kell megkülönböztetnünk a pontos állapotot a jóslatok megfogalmazásához. A statisztikai együttesek lehetővé teszik számunkra, hogy előrejelzéseket tegyünk anélkül, hogy megvizsgálnánk a rendszer pontos állapotát. De a pontos állapot ismeretlenségünk valószínűségre kényszeríti ezeket az előrejelzéseket.
Ugyanez elmondható a kvantummechanikáról is? A kvantumelmélet leírja a lehetséges állapotok együttesét? Vagy az állapotvektor biztosítja a lehető legpontosabb leírást egyetlen rendszerről? [x]
Az, hogy miként válaszolunk erre a kérdésre, hatással van az egyedi eredmények magyarázatára. Ha az államvektort alapvetőnek tekintjük, akkor arra kell számítanunk, hogy a valóság mindig valamiféle kenetben jelenik meg. Ha az állapotvektor az egész történet, akkor a méréseinknek mindig egyedi eredmények helyett mindig fel kell venniük a kenet tulajdonságait. De nem teszik. Amit valójában mérünk, az a jól definiált tulajdonságok, amelyek megfelelnek a konkrét állapotoknak.
Maradva azon az elképzelésen, hogy az állapotvektor alapvető, von Neumann az állapotvektor-redukciónak nevezett megoldást (hullámfüggvény összeomlásnak is nevezik). [xi] Az ötlet az volt, hogy amikor nem nézzük, akkor egy rendszer állapotát az összes lehetséges állapotának szuperpozíciójaként definiáljuk (amelyet az állapotvektor jellemez), és a Schrödinger-egyenlet szerint alakul. De amint megnézzük (vagy mérünk), e lehetőségek kivételével az összes lehetőség összeomlik. Hogyan történik ez? Milyen mechanizmus felelős ezen államok egyikének kiválasztásáért a többi között? A mai napig nincs válasz.Ennek ellenére von Neumann ötletét komolyan vették, mert megközelítése egyedi eredményeket tesz lehetővé.
Az a probléma, amellyel von Neumann megpróbált foglalkozni, az, hogy maga a Schrödinger-egyenlet nem választ ki egyetlen eredményt. Nem tudja megmagyarázni, miért figyelhetők meg egyedi eredmények. Eszerint, ha a tulajdonságok fuzzy keveréke jön be (az állam vektor kódolja), akkor a tulajdonságok fuzzy keveréke jön ki. Ennek kijavítására von Neumann azt az ötletet varázsolta, hogy az állapotvektor megszakítás nélkül (és véletlenszerűen) egyetlen értékre ugrik. [xii] Azt javasolta, hogy egyedi eredmények történjenek, mert az állapotvektor csak a „megfigyelt eredménynek megfelelő komponenst tartja meg, miközben a többi eredményhez társított állapotvektor összes komponense nullára esik, ezért a csökkentés . ” [xiii]
Az a tény, hogy ez a redukciós folyamat szakadatlan, összeférhetetlenné teszi az általános relativitáselmélettel. Ez is visszafordíthatatlan, ami kiemeli, mint az egyetlen egyenlet a fizikában, amely bevezeti az idő-aszimmetriát a világba. Ha úgy gondoljuk, hogy az eredmény egyediségének megmagyarázásának problémája elfedi ezeket a problémákat, akkor hajlandóak lennénk nyugodtan venni őket. De ahhoz, hogy ez a kereskedelem megtérüljön, jó sztorival kell rendelkeznünk arról, hogy az államvektor összeomlik. Mi nem. Ennek a magyarázatnak a hiányát kvantummérési problémának nevezik.
Sokan meglepődve tapasztalják, hogy a kvantummérési probléma még mindig fennáll . Népszerűvé vált az állapotvektor-redukció (hullámfüggvény összeomlás) magyarázata a megfigyelő hatásra való hivatkozással, azt állítva, hogy a kvantumrendszerek mérése nem végezhető el anélkül, hogy befolyásolná ezeket a rendszereket, és hogy az állapotvektor-redukciót valamilyen módon ezek a mérések indítják el. [xiv] Ez hihetőnek hangozhat, de nem működik. Még akkor is, ha figyelmen kívül hagyjuk azt a tényt, hogy ez a „magyarázat” nem deríti ki , hogy egy zavar miért indíthatja el az állapotvektor csökkentését, ez nem engedélyezett válasz, mert „állapot a vektor redukciója akkor is megtörténhet, amikor az interakcióknak nincs szerepük a folyamatban. ” [xv] Ezt szemlélteti a kvantummechanikában a negatív mérések vagy a interakció nélküli mérések .
Ennek a pontnak a felfedezéséhez vegyen fontolóra egy S forrást, amely gömbhullámú funkcióval rendelkező részecskét bocsát ki, ami azt jelenti, hogy értékei függetlenek az irány a térben. [xvi] Más szavakkal, véletlenszerű irányban bocsát ki fotonokat, mindegyik iránynak azonos a valószínűsége. Vegyük körül a forrást két detektorral, tökéletes hatékonysággal. Az első detektort D1 úgy kell beállítani, hogy a szinte minden irányban kibocsátott részecskét rögzítse, kivéve egy kis szilárd szöget θ , és a második detektort D2 be kell állítani a részecske befogására, ha az átmegy ezen a szögön.
Interakció nélküli mérés Amikor a részecske hullámfüggvényét leíró hullámcsomag eléri az első detektort, lehet, hogy nem érzékeli. (A detektálás valószínűsége a detektorok behúzott szögeinek arányától függ.) Ha a részecskét a D1 által észleltük, eltűnik, ami azt jelenti, hogy állapotvektora egy részecskét és gerjesztett detektort nem tartalmazó állapotra vetül. Ebben az esetben a második detektor D2 soha nem rögzít részecskét. Ha a részecskét nem érzékeli a D1 , akkor a D2 később észleli a részecskét. Ezért az a tény, hogy az első detektor nem rögzítette a részecskét, a hullámfüggvény redukcióját jelenti a θ részen belüli komponenséig, ami azt jelenti, hogy a második detektor mindig később észlelje a részecskét. Más szavakkal, a D2 észlelésének valószínűségét nagymértékben növelte egyfajta „nem esemény” a D1 . Röviden, a hullámfüggvényt csökkentették a részecske és az első mérőberendezés közötti interakció nélkül.
Franck Laloë megjegyzi, hogy ez azt szemlélteti, hogy „a kvantummérés lényege valami sokkal finomabb, mint a gyakran hivatkozott „a mérőberendezés elkerülhetetlen zavarai” (Heisenberg mikroszkóp stb.). ” [xvii] Ha az állapotvektor-redukció valóban megtörténik, akkor az akkor is megtörténik, amikor az interakcióknak nincs szerepe a folyamatban, ami azt jelenti, hogy teljesen sötétben vagyunk abban, hogy ez a redukció hogyan indul be, vagy hogyan alakul ki. Miért veszik akkor még mindig komolyan az államvektor-csökkentést?Miért tartaná bármelyik gondolkodó fizikus azt az állítást, hogy az állapotvektor-redukció bekövetkezik, amikor nincs elfogadható történet arról, hogyan vagy miért fordul elő, és amikor annak állítása, hogy megtörténik, más szörnyű problémákat vet fel, amelyek ellentmondanak a fizika központi tételeinek? A válasz az lehet, hogy a hagyományok generációi nagyrészt kitörölték azt a tényt, hogy a kvantummérési probléma megoldására más módszer is van.
Visszatérve a másik lehetőségre, megjegyezzük, hogy ha feltételezzük, hogy az állapotvektor egy statisztikai együttes, vagyis ha feltételezzük, hogy a rendszernek valóban van pontosabb állapota, akkor ennek a gondolati kísérletnek az értelmezése egyszerűvé válik; kezdetben a részecskének jól meghatározott emissziós iránya van, és a D2 csak annak a részecskének a részét rögzíti, amely az irányában kibocsátódott. > A standard kvantummechanika feltételezi, hogy ez a jól meghatározott emissziós irány semmilyen mérés előtt nem létezik. Ha feltételezzük, hogy van valami az állapotvektor alatt, és hogy létezik pontosabb állapot, az egyenértékű azzal, hogy további változókat vezetünk be a kvantummechanikába. El kell térni a hagyományoktól, de ahogy T. S. Eliot a The Sac Wood című könyvben mondta, „a hagyományt pozitívan el kell vetni.” [xviii] A tudományos szívnek a lehető legjobb választ kell keresnie. Nem virágozhat, ha folyamatosan visszatartja a hagyomány, és nem engedheti meg magának, hogy figyelmen kívül hagyja az érvényes lehetőségeket. A szellemi utazásoknak új utakat kell kialakítaniuk.
Ez a válasz egy módosított részlet az “Einstein” Intuíció: A természet vizualizálása tizenegy dimenzióban “című könyvem 1. és 12. fejezetének módosított részlete.
[i] Franck Laloë. Valóban értünk a kvantummechanikához? xi.
[ii] Uo., xii.
[iii] Uo.
[iv] A kvantummechanika formalizmusát, amely a koppenhágai értelmezés neve alatt szerepel, „valószínűleg helyesebben koppenhágai értelmezésnek kell nevezni, mivel lényege, hogy a formalizmus intuitív értelmezésére tett bármilyen kísérlet kudarcra van ítélve… ”AJ Leggett. (2002). A kvantummechanika határainak tesztelése: motiváció, játékállapot, kilátások. J. Phys. Condens. Anyag 14 , R415-R451.
[v] ND Mermin. (1993). Rejtett változók és John Bell két tétele. Rev. Mod. Phys . 65 , 803–815; különösen lásd a III. Ez logikailag megalapozatlan, mert tagadja más érvényes értelmezések lehetőségét – amelyeknek sok van. Legfőképpen tagadja a determinisztikus értelmezés lehetőségét, mint például Bohm értelmezése.
[vi] A tömeg nélküli spin nélküli részecskék rendszere esetében az állapotvektor egyenértékű egy hullámfüggvénnyel, de bonyolultabb rendszereknél ez nem ez a helyzet. Ennek ellenére fogalmilag ugyanazt a szerepet töltik be, és ugyanúgy használják az elméletben, így itt nem kell különbséget tennünk. Franck Laloë. Valóban értünk a kvantummechanikához? , p. 7. [vii] Franck Laloë. Valóban értünk a kvantummechanikához? , p. xxi. [viii] Ebben a fázistérben 6 N dimenzió van, mert N részecske van a rendszer és minden részecske 6 adatponttal (3 térbeli helyzetével ( x, y, z ) és 3 sebességével rendelkezik, amelynek x, y, z komponensek is). [ix] Az állapotok tere (komplex vektortér vagy Hilbert-tér) lineáris, ezért megfelel a szuperpozíció elvének. Két tetszőleges állapotvektor bármilyen kombinációja és az állapotok térén belül is lehetséges állapot a rendszer számára. Matematikailag tetszőleges komplex számokat írunk. [x] Franck Laloë. Valóban értünk a kvantummechanikához? , p. 19. [xi] J. von Neumann VI. Fejezete. (1932). Mathematische Grundlagen der Quantenmechanik , Springer, Berlin; (1955). A kvantummechanika matematikai alapjai , Princeton University Press. [xii] Vitatom annak az állításnak a logikai érvényességét, miszerint valami „véletlenszerű eseményt okozhat”. Definíció szerint az ok-okozati összefüggések vezetik az eredményeket, míg a „véletlenszerű” azt jelenti, hogy nincs oksági kapcsolat. Ennél mélyebben vitatom annak az elképzelésnek a koherenciáját, hogy valódi véletlenszerű események történhetnek. Nem állíthatjuk koherensen azt, hogy vannak olyan események, amelyek semmilyen ok-okozati összefüggést teljesen érvénytelenek. Ez azt jelenti, hogy el kell távolítani azt, amit „események” alatt értünk. Minden előfordulás szorosan kapcsolódik az egészhez, és annak ismerete, hogy mi vezérli a rendszert, nem feltételezi azt, hogy véletlenszerűen vezérelték. A dolgokat nem lehet véletlenszerűen vezérelni.Az ok nem lehet véletlenszerű. [xiii] Franck Laloë. Valóban értünk a kvantummechanikához? , p. 11. [xiv] Bohr egy másik nézőpontot preferált, ahol az állapotvektor-redukciót nem alkalmazzák. D. Howard. (2004). Ki találta fel a koppenhágai értelmezést? A mitológia tanulmánya. Philos. Sci. 71 , 669–682. [xv] Franck Laloë. Valóban értünk a kvantummechanikához? , p. 28. [xvi] Ezt a példát Franck Laloë könyvének 2.4 szakasza ihlette, Valóban értünk a kvantummechanikához? , p. 27–31. [xvii] Franck Laloë. Valóban értünk a kvantummechanikához? , p. 28. [xviii] T. S. Eliot. (1921). A szent fa . A hagyomány és az egyéni tehetség.
Válasz
Ez jó tanács. Kiderült, hogy a bezárás és a számítás jobban megfelel azoknak a problémáknak, amelyekkel a legtöbb fizikus törődik. A QM filozófiai kérdéseire gondolni jól hangzik, de több mint száz éve bebizonyosodott, hogy nagyon alacsony a megtérülése.
némi előrelépést mutat az Einstein és Bohr által az 1930-as években a QM megértésével kapcsolatos érvek kapcsán. Vitáik óta Bell, Bohm, Everett (sok világ) és Zeh (dekoherencia) előrelépései vannak. De őszintén szólva ez a fejlődés eléggé elhanyagolható, ha összehasonlítjuk a kvantummechanika akkori fejlődésével, nem utolsósorban a QFT-kre való teljes kiterjesztéssel.
Mint ilyen, empirikus bizonyítékokkal rendelkezünk az elmúlt időszakban 100 éve, hogy a SUAC bebizonyította a felsőbbrendű megközelítést, ha haladni akarsz és új dolgokat akarsz felfedezni a fizikai világban. [*]
És mivel a legtöbb fizikus ezt akarja csinálni, kiváló tanács számukra.
És bárkinek, aki haladni akar a mai naptól, azt gondolom, hogy ez még mindig egyértelműen a fogadás módja. Például, ha diktátor lennék erőforrás-allokációban, akkor azt mondanám, hogy 100 fiatal fizikus közül 99-nek valami olyan van, hogy fogd be a szádat, és számítsd ki az egész karrierjüket. félretéve: ezek közül a fiatal fizikusok közül egyből érdemes lehet idejét a QM filozófiai következményeinek feltárásával tölteni. (Az egyértelműség kedvéért mindnyájuknak be kell csukniuk és számolniuk, miközben megtanulták a QM tiszta formalizmusát – elég nehéz eleinte megtanulni a filozófia bevitele nélkül). De miután megismerkedtek a használatával, szakíthattak a mainstream-mel és átgondolhatták az alapokat. Ennek során nem szabad beavatkozniuk a 99 kollégájuk által elért haladásba, hanem annak kiegészítéseként kell cselekedniük, annak teljes tudatában, hogy az ő megközelítésük nagyon alacsony a siker valószínűségével.
Miért? Nos, csak egy kicsit visszanéznék a fizika történetébe. Megvizsgálnám Newton, Leibniz, Clausius, Boltzmann, Gibbs és Einstein gondolkodásmódját, és azt, hogy miként kezdték felfedezéseiket koruk fizikájának alapjairól szóló filozófiai gondolkodásból. És figyeld meg, hogy a legmegdöbbentőbb áttörések gyakran így történtek.
Úgy tűnik azonban, hogy ez a megközelítés a közelmúltban megbomlott. Meg kell adnunk, hogy az elmúlt száz évben ez a fajta „merész, filozófiai, alapozói” gondolkodás éppen figyelemre méltóan eredménytelennek bizonyult, amikor a QM-re alkalmazták. Mikor kapjuk meg az üzenetet, és feladjuk?
Makacs lennék: még nem . Ez a bezárás és a számítás oldalán 99: 1, de még nem 100: 0.
[*] Ha kíváncsi vagy, hogyan lehet értelmesen összehasonlítani a „haladást” két minőségileg különböző területen, a válasz az, hogy mindkettőjüket megnézed, és azt mondod: „Oh gyere tovább. Ez egy egész teher ennél több, igaz? “