Юрий Артамонов - Ли Смолин. Возрожденное время: От кризиса в физике к будущему вселенной
Таким образом, несмотря на успехи квантовой теории поля многие физики, начиная с Эйнштейна, хотели бы выйти за ее пределы к более глубокой теории, которая даст полное описание каждого индивидуального эксперимента - что, как мы видели, не делает квантовая теория. Их поиски согласованно нашли непримиримый конфликт между квантовой физикой и СТО. Этот конфликт нам нужно понять, когда мы размышляем над возрождением времени в физике.
Имеется традиция - идущая от Нильса Бора - заявлять, что неспособность квантовой теории дать картину того, что происходит в индивидуальном эксперименте, это одно из ее достоинств, а не дефект. Как отмечалось в
к оглавлению
Главе 7, Бор искусно доказывал, что целью физики является не предоставление такой картины, а, вместо этого, создание языка, на котором мы можем говорить друг с другом о том, как мы настраиваем эксперименты с атомными системами и что представляют из себя результаты.
Я нахожу записки Бора очаровательными, но не убедительными. Я чувствую то же самое в отношении некоторых современных теоретиков, которые утверждают, что квантовая механика существует не 'по поводу' физического мира, а по поводу информации, которую мы имеем по поводу физического мира. Эти теоретики доказывают, что квантовое состояние не соответствует никакой физической реальности; вместо этого оно только кодирует информацию, которую мы как наблюдатели можем иметь о системе. Это умные люди, и мне доставляет удовольствие спорить с ними, но я боюсь, они недооценивают науку. Если квантовая механика только алгоритм для предсказания вероятностей, не можем ли мы сделать лучше? В конце концов, что-то в индивидуальном эксперименте происходит. Что-то и только это что-то является реальностью, которую мы называем электроном или фотоном. Не должны ли мы быть способны уловить сущность индивидуального электрона посредством концептуального языка и математической структуры? Возможно, нет принципа, гарантирующего, что реальность каждого субатомного процесса в природе должна быть постижима для людей и выражаема нами языком или математикой. Но не должны ли мы, по меньшей мере, попытаться? Так что я на стороне Эйнштейна. Я верю, что есть объективная физическая реальность и что при прыжке электрона с одного энергетического уровня атома на другой происходит нечто, поддающееся описанию. Затем я ищу теорию, чтобы дать это описание.
Первая теория скрытых переменных была представлена князем Луи де Бройлем в 1927 на культовом собрании квантовых физиков, названном Пятым Сольвеевским Конгрессом, вскоре после того, как квантовая механика была представлена в ее конечной форме [1]. Это было вызвано предложенной Эйнштейном дуальностью между волнами и частицами, которую мы обсуждали в Главе 7. Теория де Бройля решила головоломку волн и частиц способом, который есть сама простота. Он постулировал, что имеется реальная частица и реальная волна. То и другое имеет материальное существование. Ранее в своей работе 1924 года на степень доктора философии он постулировал, что корпускулярно-волновой дуализм универсален, так что частицы, такие как электроны, также являются волнами. В статье де Бройля 1927 года
к оглавлению
эти волны распространяются как волны на воде, интерферируя и дифрагируя. Частица следует за волной. В добавление к обычным силам - электричеству, магнетизму и гравитации - частица притягивается так называемой квантовой силой. Эта сила притягивает частицу в направлении гребня волны; поэтому, в среднем частица более вероятно будет найдена здесь, но связь является вероятностной. Почему? Потому что мы не знаем, откуда частица стартовала. Поскольку мы не осведомлены о начальном положении частицы, мы не можем точно предсказать, где она будет. Скрытой переменной, о которой мы не знаем, является точное положение частицы.
Джон Белл позже предложил назвать теорию де Бройля теорией существующих в противоположность квантовой теории, которая является теорией наблюдаемых [2]. Существующая это нечто, что существует во все времена в отличие от наблюдаемой, которая есть число, вызываемое к существованию экспериментом. В теории де Бройля и частица, и волна являются существующими. В частности, частица всегда имеет положение, даже если квантовая теория не может его точно предсказать.
Тем не менее, картина квантового мира де Бройля, где как частицы, так и волны реальны, популярность не завоевала. В 1932 великий математик Джон фон Нейман опубликовал книгу, в которой доказывал, что скрытые переменные были невозможны [3]. Несколькими годами позже немецкий математик по имени Грета Херман указала, что доказательство фон Неймана содержало большую дыру [4]. Он, вероятно, совершил ошибку, допустив то, что он хотел доказать, и ввел в заблуждение себя и других, скрыв предположение в технической аксиоме. Но ее статья была проигнорирована.
Понадобилось два десятилетия, чтобы ошибка была заново открыта. Американский квантовый физик Дэвид Бом в начале 1950-х писал учебник по квантовой механике [5]. Размышляя над тайнами квантовой теории, он заново открыл теорию скрытых переменных де Бройля - о которой ничего не знал. Он написал статью, описывающую новую квантовую теорию, но когда он представил ее в журнал, он получил сообщение с отзывом, отвергающим статью, поскольку она не согласуется с хорошо известным доказательством фон Неймана невозможности скрытых переменных. Бом быстро нашел ошибку в доказательстве и написал статью, указывающую
к оглавлению
на это [6]. С тех пор подход де Бройля-Бома к квантовой механике - как это сейчас называется - исследуется небольшим числом специалистов; это один из подходов к основаниям квантовой теории, который все еще активно исследуется сегодня.
С теорией де Бройля-Бома мы понимаем, что теории со скрытыми переменными являются возможным вариантом для разрешения загадок квантовой теории. Его изучение оказалось успешным, поскольку было показано, что многие его особенности применимы для любых возможных теорий со скрытыми переменными.
Теория де Бройля-Бома имеет противоречивые взаимоотношения с теорией относительности. Она делает статистические предсказания в согласии с квантовой механикой и она может быть сделана совместимой с СТО - и, в особенности, с относительностью одновременности. Но, в отличие от квантовой механики, теория делает больше, чем статистические предсказания; она дает детальную физическую картину того, что происходит в каждом индивидуальном эксперименте. Волна, которая эволюционирует во времени, влияет на то, где движется частица; при этом она нарушает относительность одновременности, поскольку закон, по которому волна влияет на движение частицы, может быть правильным только в одной системе отсчета наблюдателя. Таким образом, в той степени, в которой мы принимаем теорию скрытых переменных де Бройля-Бома как объяснение квантовых явлений, мы должны верить, что имеется привилегированный наблюдатель, часы которого измеряют привилегированное физическое время.
Это сомнительное взаимоотношение с относительностью, оказывается, распространяется на любые возможные теории скрытых переменных [7]. Статистические предсказания таких теорий, которые согласуются с квантовой механикой, будут согласовываться и с теорией относительности. Но любая более детальная картина индивидуальных событий нарушает принцип относительности и может быть интерпретирована только с точки зрения единственного наблюдателя.
Теория де Бройля-Бома имеет один большой недостаток, который заключается в том, что она не удовлетворяет одному из наших критериев для космологической теории - требованию, чтобы все действия были взаимными. Волна влияет на то, где движется частица, но частица не имеет влияния на волну. Вследствие этого теория неудовлетворительна как космологическая теория. Имеется,
к оглавлению
однако, альтернативная теория скрытых переменных, которая ликвидирует указанную проблему.
*
Как последователь взглядов Эйнштейна на то, что после квантовой теории должна существовать более глубокая теория, я с моих студенческих дней пытался изобретать теории скрытых переменных. Каждые несколько лет я откладывал в сторону мое очередное исследование и пытался решить эту ключевую проблему. В течение многих лет я работал над подходом, основанном на теории скрытых переменных, записанной математиком из Принстона Эдвардом Нельсоном. Эти попытки работали, но все они имели элемент искусственности, в котором определенные силы должны были быть эксклюзивно сбалансированными, чтобы воспроизвести предсказания квантовой механики. В 2006 я написал статью, объясняющую технические причины этой искусственности [8], а затем отказался от подхода.
