Юрий Артамонов - Ли Смолин. Возрожденное время: От кризиса в физике к будущему вселенной
Однажды днем в начале осени 2010 я зашел в кафе, открыл ноутбук на чистой странице и задумался о моих многочисленных неудавшихся попытках выйти за пределы квантовой механики. Я начал с размышления о версии квантовой механики, называемой ансамблевая интерпретация. Эта интерпретация игнорирует тщетные надежды описать, что происходит в индивидуальном эксперименте, и вместо этого описывает воображаемую коллекцию всех вещей, которые могут произойти в эксперименте. Эйнштейн ввел ее деликатно: 'Попытка постигнуть квантово-теоретическое описание как полное описание индивидуальной системы приводит к неестественным теоретическим интерпретациям, которые немедленно становятся лишними, если одна из них допускает интерпретацию, что описание ссылается на ансамбли (или коллекции) систем, а не на индивидуальные системы [9]'.
Рассмотрим уединенный электрон, вращающийся вокруг протона в атоме водорода. Согласно сторонникам ансамблевой интерпретации волна связана не с индивидуальным атомом, а с воображаемой коллекцией копий атома. В других членах этой коллекции электроны занимают другие положения. Так что, если вы наблюдаете атом водорода, результат будет такой, как если бы вы случайно выделили атом из этой воображаемой коллекции. Волна дает вероятности нахождения электрона во всех этих различных местах.
к оглавлению
Мне долгое время нравилась эта идея, но внезапно она стала казаться полностью сумасшедшей. Как могла бы воображаемая коллекция атомов повлиять на измерение, сделанное в одном реальном эксперименте? Это противоречит принципу, что ничто вне вселенной не может действовать на что-либо внутри вселенной. Так что я спросил себя, не могу ли я заменить эту воображаемую коллекцию коллекцией реальных атомов. Будучи реальными, они должны будут существовать где-нибудь в вселенной. Ну, во вселенной на самом деле имеется очень много атомов водорода. Могли бы они быть 'коллекцией', на которую ссылается ансамблевая интерпретация квантовой механики?
Представим, что все атомы водорода во вселенной играют вместе. В этой игре каждый атом распознает, что другие атомы находятся в сходной ситуации со сходной историей. Под понятием 'сходный' я имею в виду, что они будут описываться вероятностно с помощью того же квантового состояния. Две частицы в квантовом мире могут иметь идентичные истории, а также описываться одним и тем же квантовым состоянием, но различаться точным значение своей существующей, такой как положение. Когда атом распознает другой атом как имеющий сходную историю, он копирует свойства последнего, включая точное значение его существующих. Нет необходимости для двух атомов, находящихся рядом друг с другом, одному копировать свойства другого; они просто оба должны существовать где-то во вселенной.
Это в высшей степени нелокальная игра, но мы знаем, что любая теория скрытых переменных должна выражать факт, что квантовая физика нелокальна. Хотя идея может показаться сумасшедшей, она может быть менее сумасшедшей, чем наличие воображаемых коллекций атомов, влияющих на реальные атомы в мире. Так что я решил раскрутить идею до конца и увидеть, куда она привела.
Одно из свойств, которое копируется, это где находится электрон по отношению к фотону. Так положение электрона в отдельном атоме будет прыгать вокруг, когда он копирует положения электронов в других атомах во вселенной. В результате всех этих прыжков, если я измеряю, где находится электрон в отдельном атоме, он будет там, как если бы я выбирал атом хаотически из коллекции всех сходных атомов. Так квантовое состояние заменяется коллекцией сходных атомов. Чтобы сделать эту работу, я изобрел правило для игры с копированием, которое приводит к вероятностям для атома отвечать на измерение в точности так, как оно будет в соответствии с квантовой механикой [10].
к оглавлению
И я кое-что осознал, что мне очень понравилось: Что если система не имеет копии во вселенной? Тогда игра с копированием не может продолжаться, и квантовая механика не будет воспроизведена. Это объяснило бы, почему квантовая механика не применима для больших сложных систем, таких как коты или мы с вами: Мы уникальны. Это разрешает многолетние парадоксы, которые возникают, если вы применяете квантовую механику к большим вещам вроде котов или наблюдателей. Странные свойства квантовых систем ограничиваются атомными системами, поскольку последние входят в великое множество копий во вселенной. Квантовые неопределенности возникают потому, что эти системы постоянно копируют свойства друг друга.
Я называю это интерпретацией реальных ансамблей для квантовой механики, но в моих записках это фигурирует как интерпретация 'Белой Белки', названная в честь одинокой белки-альбиноса, которая была замечена в некоторых парках Торонто. Вы можете представить, что все серые белки достаточно идентичны, чтобы к ним была применима квантовая механика - посмотрите, где находится одна, и вы можете увидеть других и других. Но белая белка, забравшаяся на мгновение на ветку дерева, кажется, не имеет копий, а потому не является квантовомеханической. Как вы или я, она может выглядеть как имеющая уникальные свойства, никем больше во вселенной не разделяемые или ни у кого во вселенной не скопированные.
Игра прыгающих электронов разрушает СТО. Прыжки через достаточно большие расстояния мгновенны, поэтому требуют понятия одновременных событий, разделенных большими расстояниями. Это, в свою очередь, требует передачи информации быстрее света. Тем не менее, статистические предсказания из квантовой теории воспроизводятся, и таким образом могут быть сделаны согласующимися с теорией относительности. Но когда вы заглянете за сцену, там обнаружится предпочтительная одновременность и, следовательно, предпочтительное время, точно как в теории де Бройля-Бома.
В обеих теориях скрытых переменных, которые я описал, принцип достаточного обоснования удовлетворяется. Имеется детальная картина того, что происходит в индивидуальных событиях, которая объясняет, что квантовая механика оценивает как неопределенное. Но цена - нарушение принципов теории относительности - высока.
*
к оглавлению
Могла бы существовать теория скрытых переменных, совместимая с принципами теории относительности? Мы знаем, что ответ 'нет'. Если бы была такая теория, она нарушала бы теорему о свободе воли - теорему, подразумевающую, что нет способа определить, что будет делать квантовая система (отсюда нет теории скрытых переменных), до тех пор, пока удовлетворяются допущения теоремы. Одно из таких допущений есть относительность одновременности.
Упомянутая выше теорема Джона Белла также исключает локальные теории скрытых переменных - локальные в том смысле, что они содержат только коммуникации со скоростью, меньшей скорости света.
Но теория скрытых переменных возможна, если она нарушает теорию относительности.
До тех пор, пока мы просто фиксируем предсказания квантовой механики на уровне статистики, мы не должны задавать вопрос, как на самом деле устроены корреляции. И только когда мы ищем описание того, как информация передается внутри запутанной пары, нам необходимо понятие мгновенной коммуникации. И когда мы ищем, как выйти за пределы статистических предсказаний квантовой теории к теории скрытых переменных, мы приходим к конфликту с относительностью одновременности.
Чтобы описать, как устроены корреляции, теория скрытых переменных должна воспользоваться определением одновременности единственного наблюдателя. Это, в свою очередь, означает, что имеется привилегированное понятие покоя. Что, в свою очередь, предполагает, что вы можете высказываться в абсолютном смысле по поводу того, кто движется по отношению к такому единственному наблюдателю - назовем его Аристотель. Аристотель покоится. Все, что он видит движущимся, движется на самом деле. Конец истории.
Другими словами, Эйнштейн ошибался. Ньютон ошибался. Галилей ошибался. Не существует относительности движения.
Это наш выбор. Или квантовая механика является конечной теорией и нельзя проникнуть за ее статистическую вуаль, чтобы достичь более глубокого уровня описания, или прав Аристотель и имеется привилегированная версия движения и покоя.
к оглавлению
14
Время, возрожденное из относительности
Мы видели, что реальность времени открывает новые подходы к пониманию того, как вселенная выбирает свои законы, в то же время делая возможным новое разрешение тайн квантовой механики. Но мы все еще должны преодолеть большое препятствие, которое заключается во внушительном аргументе СТО и ОТО в пользу картины монолитной вселенной. Этот аргумент делает вывод, что реальна только история вселенной как вневременного целого [1].
