Cel mai bun răspuns
Dacă sunteți un om de știință, nu ar trebui!
Ascensiunea punctelor de bază ale raționalității este despre încercarea să înțelegeți de ce funcționează instrumentele de succes (faceți predicții bune), obținând noi perspective și depășind concepțiile greșite. Știința este și va fi întotdeauna fundamentată filosofic – este un proces al cărui scop este de a ajunge la o mai bună înțelegere a universului (gândiți-vă la metoda științifică sau la un doctorat – un doctorat filozofic).
Deci, de ce a devenit atât de obișnuit ca fizicienii cuantici să-și abandoneze rădăcinile științifice și să îmbrățișeze cultura „închide și calculează”? Cel mai puternic motiv este că, în ciuda faptului că face predicții statistice extrem de precise, formalismul standard al mecanicii cuantice nu reușește să ofere nicio claritate ontologică sau să aibă vreun import explicativ. Mecanica cuantică canonică este, așa cum spune Franck Laloë, non-intuitivă și conceptual relativ fragilă. [i] Este atât de afectată de dificultăți conceptuale, încât în 1927 Niels Bohr a spus: „Oricine nu este șocat de teoria cuantică nu o înțelege”. Și patruzeci de ani mai târziu, Richard Feynman a spus: „Nimeni nu înțelege teoria cuantică”. Pe scurt, mecanica cuantică canonică se afirmă cu brutalitate ca joc final la chestionarea științifică.
Este demn de remarcat faptul că același formalism a fost derivat din diferite ipoteze fundamentale (cele care nu ne întrerup capacitatea de a întrebați ce se întâmplă), dar marea majoritate a fizicienilor rămân complet conștienți de aceste opțiuni mai fundamentate din punct de vedere filozofic (răspunsul lui Thad Roberts la De ce nu mai mulți fizicieni subscriu la teoria undelor pilot?). Așadar, o parte a răspunsului este că fizicienii nu au fost introduși în mod corespunzător la aceste alte interpretări.
În ceea ce privește restul răspunsului … urmează-mă pe gaura de iepure.
Dificultățile conceptuale sub mecanica cuantică provine din obiectul pe care îl folosește pentru a descrie sistemele fizice – vectorul de stare | \ psi \ rangle. „În timp ce mecanica clasică descrie un sistem specificând direct pozițiile și viteza componentelor sale, mecanica cuantică înlocuiește aceste atribute cu un obiect matematic complex | \ psi \ rangle, oferind o descriere relativ indirectă.” [ii] Ce înseamnă mai exact să spunem că un sistem este mai bine reprezentat de un vector de stare, decât de o specificație a pozițiilor și vitezei componentei sale? Ce reprezintă un vector de stare în realitate?
Cea mai dificilă parte a mecanicii cuantice care pătrunde ontologic este să găsim starea exactă a vectorului de stare. Descrie ea însăși realitatea fizică sau transmite doar unele cunoștințe (parțiale) pe care le-am putea avea despre realitate? Este fundamental o descriere statistică, care descrie doar ansambluri de sisteme? Sau descrie sisteme unice sau evenimente unice? Dacă presupunem că vectorul de stare este o reflectare a unei cunoașteri imperfecte a sistemului, atunci nu ar trebui să ne așteptăm să existe o descriere mai bună, cel puțin în principiu? Dacă da, care ar fi această descriere mai profundă și mai precisă a realității? [iii]
A pune această întrebare, a rămâne deschis posibilității ca la un nivel mai profund să existe o descriere mai completă, înseamnă a fi în contradicție cu interpretarea standard a mecanicii cuantice. Acesta este cazul, deoarece interpretarea standard nu doar nu atinge baza cu o reprezentare intuitivă – încearcă să o interzică. [iv] Se afirmă brutal că „tranziția de la posibil la real – este inerent de necunoscut”. [v] Dar nu există niciun motiv pentru a ne angaja în mod logic la această afirmație. Rămâne posibil să existe o descriere mai completă și că efectele specifice ale mecanicii cuantice pot fi legate de o imagine conceptuală.
Deci se rezumă la o întrebare despre funcția undei – numită și vector de stare. [vi] Să aruncăm o privire mai aprofundată asupra acestei enigme.
Spre deosebire de mecanica clasică, care descrie sistemele prin specificarea pozițiile și viteza componentelor sale, mecanica cuantică folosește un obiect matematic complex numit vector de stare pentru cartografierea sistemelor fizice. Interceptarea acestui vector de stare în teorie ne permite să potrivim statistic predicțiile cu observațiile noastre asupra lumii microscopice, dar această inserție generează, de asemenea, o descriere relativ indirectă, care este deschisă pentru multe interpretări la fel de valabile. Pentru a „înțelege cu adevărat” mecanica cuantică, trebuie să putem specifica starea exactă a vectorului de stare și trebuie să avem o justificare rezonabilă pentru acea specificație. În prezent, avem doar întrebări. Vectorul de stare descrie însăși realitatea fizică sau doar unele cunoștințe (parțiale) pe care le avem despre realitate? „Descrie doar ansambluri de sisteme (descriere statistică) sau, de asemenea, un singur sistem (evenimente unice)?Să presupunem că într-adevăr, este afectat de o cunoaștere imperfectă a sistemului, nu este atunci natural să ne așteptăm la o descriere mai bună, cel puțin în principiu? ”[Vii] Dacă da, ce ar face această descriere mai profundă și mai precisă a realității? be?
Pentru a explora rolul vectorului de stare, luați în considerare un sistem fizic format din N particule cu masă, fiecare propagându-se în trei obișnuite -spatiul dimensional. În mecanica clasică am folosi N poziții și N viteze pentru a descrie starea sistemului . Pentru comoditate, am putea grupa, de asemenea, pozițiile și viteza acestor particule într-un singur vector V , care aparține unui spațiu vectorial real cu 6 N dimensiuni, numite spațiu de fază . [viii]
Vectorul de stare poate fi considerat echivalentul cuantic al acestui vector clasic V . Diferența principală este că, ca vector complex, aparține ceva numit spațiu vectorial complex , cunoscut și sub numele de spațiu de stări sau spațiu Hilbert . Cu alte cuvinte, în loc să fie codificate de vectori regulate ale căror poziții și viteze sunt definite în spațiu de fază , starea unui sistem cuantic este codificată de vectori complexi ale căror poziții iar vitezele trăiesc într-un spațiu de stări . [ix]
Tranziția de la fizica clasică la fizica cuantică este tranziția de la spațiul de fază la spațiul stărilor pentru a descrie sistemul. În formalismul cuantic fiecare observabil fizic al sistemului (poziție, impuls, energie, moment unghiular etc.) are un operator liniar asociat care acționează în spațiul stărilor. (Vectorii aparținând spațiului statelor se numesc „kets”.) Întrebarea este, este posibil să înțelegem spațiul statelor într-o manieră clasică? Ar putea evoluția vectorului de stare să fie înțeleasă clasic (sub o proiecție a realismului local) dacă, de exemplu, ar exista variabile suplimentare asociate sistemului care au fost ignorate complet de descrierea / înțelegerea actuală a acestuia?
În timp ce această întrebare atârnă în aer, să reținem că dacă vectorul de stare este fundamental, dacă nu există cu adevărat o descriere la nivel mai profund sub vectorul de stare, atunci probabilitățile postulate de mecanica cuantică trebuie să fie, de asemenea, fundamentale. Aceasta ar fi o anomalie ciudată în fizică. Mecanica statistică clasică folosește constant probabilitățile, dar acele afirmații probabilistice se referă la ansambluri statistice. Acestea intră în joc atunci când se știe că sistemul în studiu este unul dintre multele sisteme similare care au proprietăți comune, dar diferă la un nivel care nu a fost cercetat (din orice motiv). Fără a cunoaște starea exactă a sistemului, putem grupa toate sistemele similare într-un ansamblu și putem atribui acea stare de ansamblu de posibilități sistemului nostru. Acest lucru se face ca o chestiune de comoditate. Desigur, starea medie neclară a ansamblului nu este la fel de clară ca oricare dintre stările specifice pe care sistemul le-ar putea avea de fapt. Sub acel ansamblu există o descriere mai completă a stării sistemului (cel puțin în principiu), dar nu este necesar să distingem starea exactă pentru a face predicții. Ansamblurile statistice ne permit să facem predicții fără a testa starea exactă a sistemului. Dar ignoranța noastră cu privire la starea exactă forțează aceste predicții să fie probabiliste.
Se poate spune același lucru despre mecanica cuantică? Teoria cuantică descrie un ansamblu de stări posibile? Sau vectorul de stare oferă cea mai exactă descriere posibilă a unui singur sistem? [x]
Modul în care răspundem la această întrebare influențează modul în care explicăm rezultatele unice. Dacă tratăm vectorul de stat ca fiind fundamental, atunci ar trebui să ne așteptăm ca realitatea să se prezinte întotdeauna într-un fel de sens întunecat. Dacă vectorul de stare ar fi întreaga poveste, atunci măsurătorile noastre ar trebui să înregistreze întotdeauna proprietățile distruse, în locul rezultatelor unice. Dar ei nu. Ceea ce măsurăm de fapt sunt proprietăți bine definite care corespund unor stări specifice.
Respectând ideea că vectorul de stare este fundamental, von Neumann a sugerat o soluție numită reducere a vectorului de stare (numită și colapsul funcției de undă). [xi] Ideea a fost că atunci când nu privim, starea unui sistem este definită ca o suprapunere a tuturor stărilor sale posibile (caracterizate de vectorul de stare) și evoluează conform ecuației Schrödinger. Dar de îndată ce privim (sau luăm o măsurătoare) toate, cu excepția uneia dintre aceste posibilități se prăbușesc. Cum se întâmplă acest lucru? Ce mecanism este responsabil pentru selectarea uneia dintre acele stări în rest? Până în prezent nu există niciun răspuns.În ciuda acestui fapt, ideea lui von Neumann a fost luată în serios, deoarece abordarea sa permite rezultate unice.
Problema pe care von Neumann a încercat să o abordeze este că ecuația Schrödinger în sine nu selectează rezultate unice. Nu poate explica de ce sunt observate rezultate unice. Potrivit acestuia, dacă intră un amestec fuzzy de proprietăți (codificat de vectorul de stare), iese un mix fuzzy de proprietăți. Pentru a remedia acest lucru, von Neumann a evocat ideea că vectorul de stare sare discontinuu (și aleatoriu) la o singură valoare. [xii] El a sugerat că rezultatele unice apar deoarece vectorul de stare reține doar „componenta corespunzătoare rezultatului observat în timp ce toate componentele vectorului de stare asociate cu celelalte rezultate sunt puse la zero, de unde și numele reducere . ” [xiii]
Faptul că acest proces de reducere este discontinuu îl face incompatibil cu relativitatea generală. De asemenea, este ireversibil, ceea ce îl face să iasă în evidență ca singura ecuație din toată fizica care introduce în lume asimetria timpului. Dacă credem că problema explicării unicității rezultatului eclipsează aceste probleme, atunci am putea fi dispuși să le luăm cu pasul. Dar pentru a face acest comerț util, trebuie să avem o poveste bună despre cum se produce colapsul vectorului de stat. Noi nu. Absența acestei explicații este denumită problemă de măsurare cuantică .
Mulți oameni sunt surprinși să descopere că problema măsurării cuantice persistă . A devenit popular să se explice reducerea vectorului de stare (colapsul funcției de undă) apelând la efectul observator, afirmând că măsurătorile sistemelor cuantice nu pot fi făcute fără a afecta sistemele respective și că reducerea vectorului de stare este inițiată cumva de acele măsurători. [xiv] Acest lucru poate suna plauzibil, dar nu funcționează. Chiar dacă ignorăm faptul că această „explicație” nu elucidează cum o perturbare ar putea iniția reducerea vectorului de stare, acesta nu este un răspuns permis deoarece „state reducerea vectorului poate avea loc chiar și atunci când interacțiunile nu joacă niciun rol în proces. ” [xv] Acest lucru este ilustrat de măsurători negative sau măsurători fără interacțiune în mecanica cuantică.
Pentru a explora acest punct, luați în considerare o sursă, S , care emite o particulă cu funcție de undă sferică, ceea ce înseamnă că valorile sale sunt independente de direcția în spațiu. [xvi] Cu alte cuvinte, emite fotoni în direcții aleatorii, fiecare direcție având probabilitate egală. Să înconjurăm sursa de doi detectoare cu o eficiență perfectă. Primul detector D1 ar trebui să fie configurat pentru a captura particula emisă în aproape toate direcțiile, cu excepția unui mic unghi solid θ , iar al doilea detector D2 ar trebui configurat pentru a captura particula dacă trece prin acest unghi solid.
O măsurare fără interacțiuni Când pachetul de unde care descrie funcția de undă a particulei ajunge la primul detector, acesta poate sau nu să fie detectat. (Probabilitatea de detectare depinde de raportul dintre unghiurile subtende ale detectoarelor.) Dacă particula este detectată de D1 aceasta dispare, ceea ce înseamnă că vectorul său de stare este proiectat pe o stare care nu conține particule și un detector excitat. În acest caz, al doilea detector D2 nu va înregistra niciodată o particulă. Dacă particula nu este detectată de D1 , atunci D2 va detecta particula mai târziu. Prin urmare, faptul că primul detector nu a înregistrat particula implică o reducere a funcției de undă la componenta sa conținută în θ , ceea ce înseamnă că al doilea detector va fi întotdeauna detectează particula mai târziu. Cu alte cuvinte, probabilitatea de detectare cu D2 a fost mult îmbunătățită de un fel de „non-eveniment” la D1 . Pe scurt, funcția de undă a fost redusă fără nicio interacțiune între particulă și primul aparat de măsurare.
Franck Laloë observă că acest lucru ilustrează că „esența măsurării cuantice este ceva mult mai subtil decât cel invocat adesea „perturbații inevitabile ale aparatului de măsurare” (microscopul Heisenberg etc.). ” [xvii] Dacă reducerea vectorului de stare are loc cu adevărat, atunci are loc chiar și atunci când interacțiunile nu joacă niciun rol în proces, ceea ce înseamnă că suntem complet în întuneric cu privire la modul în care se inițiază această reducere sau cum se desfășoară aceasta. De ce atunci reducerea vectorului de stat este luată în serios?De ce un fizician gânditor ar susține afirmația că are loc reducerea vectorului de stare, atunci când nu există nicio poveste plauzibilă pentru cum sau de ce apare și când afirmația că are loc creează alte probleme monstruoase care contrazic principiile centrale ale fizicii? Răspunsul poate fi că generațiile de tradiție au șters în mare măsură faptul că există o altă modalitate de a rezolva problema măsurării cuantice.
Revenind la cealaltă opțiune, observăm că, dacă presupunem că vectorul de stare este un ansamblu statistic, adică dacă presupunem că sistemul are o stare mai exactă, atunci interpretarea acestui experiment de gândire devine simplă; inițial, particula are o direcție de emisie bine definită și D2 înregistrează doar fracțiunea particulelor care au fost emise în direcția sa.
Mecanica cuantică standard postulează că această direcție bine definită de emisie nu există înainte de nicio măsurare. Presupunând că există ceva sub vectorul de stare, că există o stare mai precisă, echivalează cu introducerea unor variabile suplimentare în mecanica cuantică. Este nevoie de o abatere de la tradiție, dar așa cum spunea T. S. Eliot în Lemnul sacru , „tradiția ar trebui descurajată pozitiv”. [xviii] Inima științifică trebuie să caute cel mai bun răspuns posibil. Nu poate înflori dacă este ținut constant de tradiție și nici nu își poate permite să ignore opțiunile valide. Călătoriile intelectuale sunt obligate să creeze noi căi.
Acest răspuns este un fragment modificat din cartea mea „Einstein” Intuition: Visualizing Nature in Eleven Dimensions ”, capitolele 1 și 12.
[i] Franck Laloë. Înțelegem cu adevărat mecanica cuantică? p. xi.
[ii] Ibid., p. xii.
[iii] Ibidem.
[iv] Formalismul mecanicii cuantice care se numește interpretarea de la Copenhaga „ar trebui probabil mai corect numit neinterpretare de la Copenhaga, deoarece întregul său punct este că orice încercare de a interpreta formalismul în termeni intuitivi este sortită eșecului … ”AJ Leggett. (2002). Testarea limitelor mecanicii cuantice: motivație, starea de joc, perspective. J. Phys. Condens. Matter 14 , R415-R451.
[v] ND Mermin. (1993). Variabile ascunse și cele două teoreme ale lui John Bell. Rev. Mod. Phys . 65 , 803-815; în special a se vedea §III. Acest lucru este logic nefondat deoarece neagă posibilitatea altor interpretări valabile – dintre care există multe. În special, acesta neagă posibilitatea unei interpretări deterministe, cum ar fi interpretarea lui Bohm.
[vi] Pentru un sistem de particule fără spin cu mase, vectorul de stare este echivalent cu o funcție de undă, dar pentru sistemele mai complicate acest lucru nu este cazul. Cu toate acestea, din punct de vedere conceptual, ele joacă același rol și sunt utilizate în același mod în teorie, astfel încât nu este nevoie să facem o distincție aici. Franck Laloë. Înțelegem cu adevărat mecanica cuantică? , p. 7. [vii] Franck Laloë. Înțelegem cu adevărat mecanica cuantică? , p. xxi. [viii] Există 6 N dimensiuni în acest spațiu de fază deoarece există N particule în sistemul și fiecare particulă vine cu 6 puncte de date (3 pentru poziția sa spațială ( x, y, z ) și 3 pentru viteza sa, care are componentele x, y, z , de asemenea). [ix] Spațiul stărilor (spațiul vectorial complex sau spațiul Hilbert) este liniar și, prin urmare, se conformează principiului suprapunerii. Orice combinație de doi vectori de stare arbitrari și în spațiul stărilor este, de asemenea, o stare posibilă pentru sistem. Matematic scriem unde & sunt numere complexe arbitrare. [x] Franck Laloë. Înțelegem cu adevărat mecanica cuantică? , p. 19. [xi] Capitolul VI al lui J. von Neumann. (1932). Mathematische Grundlagen der Quantenmechanik , Springer, Berlin; (1955). Fundamente matematice ale mecanicii cuantice , Princeton University Press. [xii] Contest validitatea logică a afirmației că ceva poate „provoca o întâmplare aleatorie”. Prin definiție, relațiile cauzale conduc la rezultate, în timp ce „aleatorii” implică faptul că nu există o relație cauzală. Mai profund decât acesta, contest coerența ideii că se pot întâmpla întâmplări autentice. Nu putem susține în mod coerent că există evenimente care sunt complet nule de orice relație cauzală. A face acest lucru înseamnă a distruge ceea ce înțelegem prin „apariții”. Fiecare eveniment este intim legat de întreg, iar ignoranța a ceea ce conduce un sistem nu este un motiv pentru a presupune că este condus aleatoriu. Lucrurile nu pot fi conduse la întâmplare.Cauza nu poate fi aleatorie. [xiii] Franck Laloë. Înțelegem cu adevărat mecanica cuantică? , p. 11. [xiv] Bohr a preferat un alt punct de vedere în care nu se folosește reducerea vectorului de stare. D. Howard. (2004). Cine a inventat interpretarea de la Copenhaga? Un studiu în mitologie. Philos. Sci. 71 , 669-682. [xv] Franck Laloë. Înțelegem cu adevărat mecanica cuantică? , p. 28. [xvi] Acest exemplu a fost inspirat din secțiunea 2.4 din cartea lui Franck Laloë, Înțelegem cu adevărat mecanica cuantică? , p. 27–31. [xvii] Franck Laloë. Înțelegem cu adevărat mecanica cuantică? , p. 28. [xviii] T. S. Eliot. (1921). Lemnul Sacru . Tradiția și talentul individual.
Răspuns
Este un sfat bun. Tăcerea și calculul se dovedesc a funcționa mai bine pentru problemele la care țin majoritatea fizicienilor. Gândirea la întrebările filosofice ale QM sună bine, dar s-a dovedit că are o plată foarte mică de mai bine de o sută de ani.
Au existat unele progrese în ceea ce privește argumentele pe care Einstein și Bohr le aveau în anii 1930 cu privire la modul în care ar trebui înțeles QM. De la dezbaterile lor, am avut progresele lui Bell, Bohm, Everett (multe lumi) și Zeh (decoerență). Dar sincer, acest progres este destul de neglijabil atunci când îl comparați cu progresele realizate în mecanica cuantică propriu-zisă în acel timp, nu în ultimul rând întreaga extindere către QFT-uri.
Ca atare, avem dovezi empirice în ultimul 100 de ani în care SUAC a dovedit abordarea superioară dacă doriți să faceți progrese și să descoperiți lucruri noi despre lumea fizică. [*]
Și din moment ce asta vor majoritatea fizicienilor, este un sfat excelent pentru ei.
Și pentru oricine dorește să facă progrese începând de astăzi, cred că este încă în mod clar modul de a paria. De exemplu, dacă aș fi un dictator care face alocarea resurselor, aș instrui ceva de genul 99 din 100 de tineri fizicieni să tacă și să-și calculeze întreaga carieră.
Și totuși … aș mai pune puțin deoparte: unul din o sută dintre acești tineri fizicieni ar putea dori să-și petreacă timpul explorând implicațiile filosofice ale QM. (Pentru a fi clar, toți ar trebui să tacă și să calculeze în timp ce au învățat formalismul pur al QM – este destul de dificil să înveți la început fără a aduce filosofia). Dar, odată ce se vor familiariza cu utilizarea sa, ar putea să se rupă de curentul principal și să se gândească la fundații. Procedând astfel, nu ar trebui să interfereze cu progresele înregistrate de cei 99 de colegi, ci ar trebui să acționeze în completare, știind pe deplin că a lor este o abordare cu o probabilitate foarte mică de succes.
De ce? Ei bine, aș privi înapoi puțin mai înapoi în istoria fizicii. M-aș uita la modul în care au gândit Newton, Leibniz, Clausius, Boltzmann, Gibbs și Einstein și cum și-au început explorările de la gândirea filosofică despre bazele fizicii timpului lor. Și observați că acesta a fost adesea modul în care s-au făcut cele mai uimitoare descoperiri.
Dar această abordare pare să se fi defectat recent. Trebuie să acordăm faptul că, în ultimele o sută de ani, acest tip de gândire „îndrăzneață, filosofică, fundamentală” tocmai s-a dovedit remarcabil de nefructificată atunci când a fost aplicată QM. Când vom primi mesajul și vom renunța?
Aș fi încăpățânat: nu încă încă. Este 99: 1 pe partea de închidere și calcul, dar nu încă 100: 0.
[*] În cazul în care vă întrebați cum se poate compara semnificativ „progresul” în două domenii calitativ diferite, răspunsul este că le privești pe amândouă și spui „Oh, vino . Este mult mai mult decât atât, nu? ”