Мое внимание привлекла статья: Самая реалистичная интерпретация квантовой механики.
На хабре крайне мало толковых статей по физике, поэтому мне было чрезвычайно интересно, что же такого нового содержится в статье про квантовую механику. Тем более, что некоторые моменты квантовой механики я изучал достаточно глубоко.
Давайте приступим к анализу содержимого.
Анализ
нарушение неравенств Белла закрыло подобным моделям путь в квантовую механику. Но только если не брать во внимание одну лазейку...
Начало крайне интригующе. Сразу хочется разобраться с этой лазейкой и понять суть. Однако дальнейший рассказ забывает про эту лазейку.
В 1967 году Конрад Цузе в книге "Вычисление пространства" высказал предположение, что …
Уже закрадываются сомнения. Если идет апелляция к тому, что кто-то высказал предположение, то это вряд ли может считаться фундаментом и основанием. Да, это может являться отправной точкой для рассуждений, но лучше всего начинать либо с противоречий, либо с постановки задачи. Т.е. говорить о том, какую задачу решаем и почему важно рассматривать именно с новой точки зрения. Всегда необходимо держать на пульсе полезность и актуальность проблемы, а также понимать саму проблему. То, что существуют разные интерпретации — это не есть проблема в принципе. Т.е. это проблема лишь в головах людей, мало знакомых с квантовой механикой как разделом физике, а лишь читающие научно популярные статьи. Вот там да, в них всегда куча проблем. А в наличии разного рода интерпретаций я проблем абсолютно не вижу.
Судя по количеству цитат и скачиваний, мысль очень даже пошла в народ.
Если автор статьи хочет утверждать, что раз немалое количество уважаемых людей разделяет определенную точку зрения, то она может быть верна, то у меня плохие новости: верификация происходит другим способом.
В естестественных науках есть простой принцип — эксперимент показывает, что верно, а что нет. На самом деле, это не совсем так, даже иногда совсем не так, но об этом в другой раз. Для обывателя достаточно знания того, что эксперимент как раз дает понимание того, что стоит брать за основу, а что стоит выкинуть.
Постоянное появление новых интерпретаций в квантмехе у стороннего наблюдателя должно вызывать недоумение.
К сожалению, должен констатировать, что после этого пункта число фактов о том, что эта статья рассчитана на широкую аудиторию, перевалило за красную черту. Большинство авторов научно-популярных рассказов сами не понимают, что они пишут. При этом, что самое удивительное, способны запутать людей в трех соснах.
Для прода в квантовой механике сойдет и Копенгагенская интерпретация.
Удивительный факт состоит в том, что квантовой механике не нужны интерпретации. Они нужны для обывателей. А для физиков достаточно знать, как решать задачи с использованием, например, уравнения Шредингера.
То есть, достаточно принять, что запутанные частицы взаимодействуют на пугающе дальних расстояниях…
Сколько раз я встречал такие рассуждения. Их повторяют везде, без понимания сути. Чтобы понять абсурдность, имеет смысл рассмотреть простой гипотетический эксперимент.
Эксперимент заключается в том, что мы создаем сферически симметричный шар, а внутри помещаем взрывчатку. Далее мы на крайне точных весах измеряем его массу. Допустим, что масса составляет 1 кг. Далее мы этот сферически симметричный шар помещаем в космос и взрываем. Мы точно знаем, что каждый раз после взрыва шар распадается на две части. Мы не знаем лишь, на какие конкретно части распался шар.
После взрыва части шара разлетаются в разные стороны в космосе. Мы отлавливаем одну часть и пытаемся понять, чему равна масса другой части. Предположим, что другая часть улетела на 100 млн световых лет. Теперь мы измеряем массу куска, которая у нас есть, и мы мгновенно узнаем массу другого куска! Парадокс!
Заметьте, что для этого парадокса нам не понадобилась даже квантовая механика. У частей есть вероятность иметь ту или иную массу. Можно даже составить плотность вероятности. Но это будет вероятность. Но как только мы померили массу одной части, другая часть тут же схлопнулась и обрела известную массу, как далеко она бы не находилась. Тут мы видим парадокс коллапса плотности вероятности куска!
Поэтому “пугающие дальние расстояния” имеют многие системы, где есть “запутанность”, т.е. связь величин друг с другом. И тут нет никакого парадокса.
Собственно, Эйнштейн видел квантовую теорию неполной и отстаивал мысль, что на фундаментальном уровне физика должна быть детерминистичной.
Если быть точным, то детерминированной. Слово “детерминистичной” просто калька с английского deterministic.
Ну а теперь про квантовую механику и детерминизм. Я сейчас скажу страшную вещь, в которую сложно поверить: эволюция состояния в квантовой механики детерминирована.
Это крайне легко показать. Действительно, квантовая механика описывается линейным дифференциальным уравнением с зависимостью от точки пространства и времени. Зная состояние (т.е. волновую функцию) в предыдущий момент времени, мы всегда сможем получить состояние в текущий и любой последующий момент времени. Это происходит однозначно, а значит детерминировано. Более того, если развернуть время вспять, то можно посчитать прошедшие события! Т.е. в этом смысле квантовая механика ничем не отличается от классической ньютоновской механики, где по положению тела и его скоростей можно рассчитать новые положения, а также прошлые.
Проблема тут лишь в том, что для получения реального результата необходимо выполнить процедуру перехода из квантовой механики в классическую, и уже в этой процедуре возникают вероятности. Но внутри квантовой механики все строго детерминировано и описывается линейными дифференциальными уравнениями. Поэтому мне не очень понятно, с чем спорил Эйнштейн, т.к. на фундаментальном уровне квантовая механика детерминирована.
Дальше уже вопрос веры и вкуса, так что условимся, что нас пока интересует, как работает окружающий мир, и какие модели можно построить, чтобы наименьшими усилиями получить достоверные предсказания поведения этого самого мира.
Это, пожалуй, единственное утверждение, которое практически не вызывает вопросов. Действительно, важно не то, какие модели и что мы используем для описания, а важно насколько хорошо мы предсказываем будущее и насколько меньше мы затрачиваем для этого усилий. Если окажется, что есть более простая теория, которая описывает квантовые эффекты, то это будет основанием для замены теории на новую. Как на самом деле происходит смена теорий — отдельная, крайне забавная история. Но сейчас не про это.
эксперименты демонстрировали, что квантовые системы нарушают эти неравенства, тем самым фальсифицируя локальные теории со скрытыми переменными. А ведь Вселенная-клеточный автомат как раз такая теория.
Было бы крайне полезно для качества самой статьи рассказать уже наконец, в чем заключается теория клеточного автомата в применении к квантовой механике. А то про неравенства Белла сказано немало, но про суть теории, которая содержится в заголовке, сказано около нуля полезной информации, хотя статья уже подходит к концу.
Самое интересное — что утверждение про “клеточный автомат как раз такая теория” осталось без каких-либо разъяснений. Возможно, это будет объяснено в дальнейшем, посмотрим.
И дело может спасти грязный хак — супердетерминизм.
Термин достаточно нов для меня. Поэтому будем разбираться.
Супердетерминизм — заключается в предположении, что не существует никакой объективной случайности.
Хочется понять, а чем детерминизм отличается от супердетерминизма? Почему он “супер”? В чем заключается его “суперскость”?
Это довольно категоричная форма реализма, согласно которой, Вселенная существует независимо от разумных наблюдателей и подчиняется только своим фундаментальным законам, строго следуя принципу причинности.
Исходя из этого пояснения становится понятно, что супердетерминизм — это детерминизм. Т.к. как принцип причинности и лежит в основе определения детерминизма.
Это позволяет рассматривать естество как результат работы клеточного автомата.
Т.е. дали определение супердетерминизма, и это определение позволяет рассматривать мир определенным образом? Но хочется понять, какие же основания для того, чтобы это так рассматривать?
Состояние фактически реализуется, когда волновая функция равна 1, и оно не описывает наш мир, когда волновая функция равна нулю… Именно такую "волновую функцию Вселенной" можно назвать онтологической. Любопытно, что онтологическая волновая функция выглядит как one-hot вектор, т.е. единица и куча нулей.
Теория, конечно, красивая, только математика восстает против таких волюнтаристских преобразований. Физико-математикам это будет вполне очевидно, но для остальных я постараюсь объяснить, в чем подвох.
Начнем с того, что физические величины координат и времени непрерывны. Т.е. спектр всевозможных значений — это набор действительных величин. В математике есть теорема, что множество действительных чисел несчетно. Что это означает?
Это означает, что множество вещественных чисел нельзя занумеровать натуральным рядом от 1 до бесконечности. Мощность действительных чисел больше множества натуральных. Если мощность множества равномощно множеству натуральных чисел — то оно счетно, в противном случае несчетно. Множество рациональных чисел счетно, а вот действительных — несчетно.
Это означает, что нельзя физическую величину представить в виде даже бесконечного one-hot вектора. Конечно, можно натянуть сову на глобус и сказать, что все физические величины квантуются. Но для этого оснований нет никаких. Современные исследования говорят об обратном.
Именно простое математическое опровержение сводит на нет весь остальной текст этой статьи.
В целом, теория Герард ’т Хоофта заслуживает того, чтобы рассмотреть это более детально. Более того, есть ряд других теорий, которые вполне неплохо описывают квантовые явления на основе классических представлений. Например, теория Грызинского. Вот эта теория, как раз, заслуживает более пристального рассмотрения, т.к. она более проста для понимания, и дает интересные и новые представления о квантовом мире, решая многие парадоксы, а не преумножая их.
Может ли быть так, что наш мир — это всего лишь один мир, где все происходит, согласно уравнениям эволюции, которые могут быть существенно проще, чем уравнение Шредингера, и есть ли способы узнать об этом? Можно ли убрать элемент статистического распределения вероятностей из основных законов квантовой механики?
Грызинский дает вполне простой ответ на этот вопрос. Его уравнения описывают поведение квантовых частиц на языке классической ньютоновской механики. При этом в его рассмотрении не используются вероятности, а рассматриваются траектории движения частиц. Но самое интересное, что для основного состояния атома водорода получается вполне правдоподобный результат: электрон каждый раз падает на ядро атома, но за счет спина искривляет траекторию в последний момент. Именно поэтому получается нулевой орбитальный момент, который не находит нормального объяснения в квантовой механике, а просто принимается как данность.
Самое интересное, что в квантовой механике тоже можно ввести траекторию движения частиц, только ее надо усреднять по всем возможным траекториям, мыслимым и немыслимым. Оказывается, что такое рассмотрение полностью тождественно с математической точки зрения обычной квантовой механике. И называется такой подход: квантовая теория через интегралы по траекториям, которую развивал лауреат нобелевской премии Фейнман. Интересная особенность этой теории в том, что там получаются бесконечномерные интегралы, которые удивительным образом берутся.
Так что реальная мотивация заключается не в том, чтобы лучше предсказать результаты экспериментов, которые могут произойти не скоро, а скорее в том, чтобы предсказать, какой класс моделей стоит тщательно изучить, то есть вообще, в какую сторону копать.
Только эта модель не говорит о том, какие классы моделей стоит изучить. Она всего лишь предлагает одну из моделей, причем не самую простую для понимания, к тому же имеющую фундаментальный изъян.
Действительно, это был важный урок, извлеченный в 20-м веке: если что-то не может наблюдаться, это, возможно, не является четко определенной концепцией — оно может даже не существовать вообще.
Электрическое поле не наблюдаемо непосредственно. Это специально придуманное поле, которое выражается через силу воздействия, как если бы единичный заряд, помещенный в точку, испытывал соответствующую силу. Эти поля не наблюдаются непосредственно, а лишь опосредованно. Означает ли это, что электрические поля не являются четко определенной концепцией? Отнюдь!
Это важная составляющая реанимируемого детерминизма: вещи, которые непосредственно ненаблюдаемы, могут все еще существовать и как таковые, играть решающую роль в наблюдаемых свойствах объекта.
Когда такое утверждается, то хочется, чтобы дали понятия “наблюдаемости” и “существования”. После этого уже можно будет дальше обсуждать. В противном случае это больше похоже на словоблудие, т.к. физика давно уже не оперирует непосредственно наблюдаемыми явлениями, поэтому говорить о существовании чего-то — крайне странно. Есть модель, в которой, например, есть кварки. Есть ли они на самом деле или нет — вообще не важно. Важно то, что с помощью этой модели можно предсказывать целый класс экспериментов и поведение реальных систем. Вопрос существования вторичен и не относится к физике, а относится скорее к философии.
В целом возникает спорное впечатление. С одной стороны, ортодоксальный подход уже проверен временем.
Квантовая механика — ортодоксальный подход? Orthodox — это общепринятый в данном контексте, но никак не ортодоксальный.
Как показывает практика, незаморачиваясь на конфликты с повседневным опытом и на вой философов, причитающих о крахе познания
Вой философов? Это новый для меня оборот речи. Хочется узнать источник этого воя, чтобы приобщиться и узнать, наконец, над чем работают философы.
С другой стороны, эпоха требует новые и удобные инструменты для конкретных целей.
Не уверен, что такая модель будет более удобна стандартной “ортодоксальной” модели квантовой механики.
Ведь удобно считать, что квантовые компьютеры производят параллельные вычисления во многих изолированных мирах. А бонусом получаем удобную интуицию для понятия вероятности: вероятность события — доля миров, в которых это событие происходит.
Откуда взялась многомировая концепция — мне неведомо. Видимо, автор решил сложить всё в кучу для большего наукообразия.
Ну а теория клеточных автоматов это довольно упреждающая работа. Она может принести полезные абстракции для тех, кто занимается фундаментальной физикой, и стать инструментом для изучения эффектов возникающих на поверхностях черных дыр и на планковских масштабах.
А может и не принести.
Герард т' Хоофт хочет вдохновить больше физиков серьезно рассмотреть возможность того, что квантовая механика, как мы ее знаем, не является фундаментальной, таинственной, непроницаемой особенностью нашего физического мира, а скорее инструментом для статистического описания мира…
Вот спасибо! А то ведь все думают, что она таинственная, фундаментальная, а она — всего лишь инструмент для статистического описания мира. Открыл глаза прям!
где физические законы, в своих самых основных корнях, вовсе не являются квантово-механическими.
Для домашнего задания задам вопрос. Когда мы пишем уравнение Шредингера для атома водорода, мы пишем потенциальную энергию классического электрона как U=-1/r, при этом подразумевая, что электрон точечный и не размазан по вселенной. Как так? Неужели квантовая механика не такая квантовая и там содержатся допотопные классические элементы?
Заключение
Новые модели, объясняющие квантовые физические явления, не являются чем-то выдающимся и необычным. Ученые создавали и будут создавать новые модели, которые будут требовать серьезную научную поддержку других людей. К сожалению, сложность этих моделей такова, что одному человеку продвинуть уже не под силу.
Поэтому научные теории требуют серьезного вклада и поддержки со стороны научного сообщества. Без этой поддержки новые теории будут быстро появляться и так же стремительно угасать. Теория научных революций — она как раз про это. Но это тянет на отдельный рассказ.
Также стоит обратить внимание на множество фактических ошибок, упомянутых в статье. Если использовать научно популярные статьи, то для их разбора не хватит времени никакого ученого. Они слишком заняты, чтобы опровергать тот поток сознания, которые выливают на них псевдо ученые. Именно поэтому научно-популярные посты существуют в параллельной вселенной, и никто на них не обращает внимания, до поры до времени. Пока не жахнет.
Этой статьей я показал на фундаментальную проблему, которая не очевидна подавляющему большинству читателей, но которая присутствует в статье в качестве основания модели.
Помимо этого постоянно путается терминология. В данной статье описывалась именно модель квантовой механики, а не ее “интерпретация”. Введение новояза типа слова “супердетерминизм” вместо общепринятых понятных терминов — характерный штришок. Вообще, путаница в терминах — это бич современных авторов. Никто не любит давать определения, т.к. тогда предмет спора внезапно может потеряться либо стать очевидно абсурдным.
Поэтому желаю всем оставаться с трезвым рассудком и изучать реальную физику, а не псевдофизический бред в “интерпретации”.
Полезные ссылки для саморазвития
[1] Об атоме точно. Грызинский, лекции.
[2] Александр Чирцов о математике в физике, видеолекции.
