Выйти (к Содержанию)
Продолжить (к Разделу 2.0)
Уточнить (к английскому тексту)


Джон Крамер

Транзакционная интерпретация квантовой механики

1.0 Введение

"То было время, когда газеты писали, что только 12 человек поняли теорию относительности. Я не верю, что когда-либо было такое время. ... С другой стороны, я думаю - можно сказать, что никто не понимает квантовую механику. ... Не переставай повторять себе, что если ты сможешь избежать этого 'Как так может быть?', ты попадешь в водосток, выходящий в глухой проулок, из которого еще никто не возвращался. Никто не знает, как так может быть".

Ричард Фейнман [63]

И так продолжалось более половины столетия с того замечательного периода 1925-27, когда современная квантовая механика (КМ) внезапно возникла из работ Гейзенберга [78, 79], де Бройля [38, 39, 40], Шрёдингера [114, 115, 116, 117, 118, 119] и Борна [14, 15, 16] и быстро заменила Ньютоновскую механику и "старую квантовую теорию" Планка, Эйнштейна и Бора как стандартная теория для работы со всеми микроскопическими явлениями. Математический формализм КМ, хотя и усовершенствован и обобщен за прошедшие десятилетия, никогда не был серьезно оспорен теоретически или экспериментально и остается сегодня таким же, каким он был в 30-х.

Кроме того, все время с момента появления КМ ведется полемика вокруг ее интерпретации. Вопросы о смысле математических законов и процедур КМ и стоящей за ними реальности муссируются уже полвека, и конца им не видно. Недавно дискуссии ожесточились. "Привиденческие действия на расстоянии", как понимал КМ Эйнштейн [58], были продемонстрированы в теоретической работе Дж. С. Белла [9, 10] и в вытекающих из нее экспериментальных работах [67, 22, 3, 4]. А в работах [22, 125, 127] специально создается ситуация, в которой КМ (и природа) не может одновременно иметь свойство "локальности" и "контрфактической определенности", а должна исключать либо одну, либо другую, либо обе сразу.

1.0.1 Контрфактическая определенность

Используемый здесь термин "контрфактическая определенность"1 (КФО) введен Стаппом [125, 84] как минимальное предположение. Он означает, что для различных альтернатив измерений (возможно несвязанных переменных), которые могут быть представлены в квантовой системе, каждое должно быть причиной определенного (но неизвестного и возможно случайного) наблюдаемого результата, и затем этот набор результатов становится материалом для обсуждения. В действительности, КФО - в некоторой степени неубедительное предположение, которое часто применяется практическими физиками при исследовании и обсуждении квантовых систем. Она полностью совместима с математикой КМ, но кое в чем конфликтует с позитивистским элементом КИ (см. Раздел 2.0) и некоторыми другими интерпретациями (см. Приложение A.4).

Термин "локальность"2 означает предположение, что отдельные части описываемой системы остаются связанными только до тех пор, пока остается возможность контакта на скорости света, и будучи изолированными от такого контакта, отдельные части могут сохранять корреляции только через "память" о предшествующем контакте. Термин "нелокальность" означает обратное - корреляции создают промежутки сверхсветового пересечения квазипространства или отрицательного квазивремени. Но нужно ввести различие между нелокальным "усилением" корреляций, которое вводится здесь, и нелокальной коммуникацией, которая (хотя их иногда путают) является значительно более сильным условием. Это мы обсудим позже.

1.0.2 Нелокальность и формализм

Математика КМ не имеет дела с такими нелокальными корреляциями в явном виде. Тем не менее, она требует, чтобы любые отдельные измерения свойств протяженной системы рассматривались как части одного КМ состояния, независимо от степени отдаленности измерений во времени и/или пространстве. Требование общего состояния может быть интерпретировано как нелокальность де-факто, но эта ассоциация не оговорена КИ в применении к математике.

Мерлин [99] заметил, что по вопросу, "Указывают ли проверки неравенства Белла на то, что у КМ есть некоторые фундаментальные проблемы?", физики подразделяются на "индифферентное" большинство и "озабоченное" меньшинство. Если бы среди этого озабоченного меньшинства выработался какой-либо превалирующий взгляд на то, как разрешить вышеописанные вилы "КФО против локальности", вероятно оказалось бы, что КФО, если даже и полезна в практических применениях и дискуссиях КМ с прагматической точки зрения, философски должна быть отклонена в пользу позитивизма, потому что альтернатива нелокальности неприемлема. Некоторые осознают, что нелокальность должна находиться в прямом противоречии со специальной теорией относительности, потому что она может быть использована, по крайней мере на уровне мысленных экспериментов, для установления "истины" релятивистской одновременности, и должна находиться в противоречии с причинностью3, потому что она предполагает возможность распространения сигнала в прошлое. Но этот взгляд весьма сомнителен. Ясно, что так как нелокальная связь между наблюдателями может привести к таким противоречиям, минимальных нелокальных корреляций достаточно, чтобы свести на нет постулат локальности Белла, совместимый как с относительностью, так и с причинностью.

Альтернативный подход к дилемме (а именно он отстаивается в этой работе) - оставить КФО и отбросить локальность. Вопреки ожиданию, это не требует какой-либо ревизии математического формализма КМ, а только ревизии его интерпретации. Транзакционная интерпретация квантовой механики (ТИКМ), новая интерпретация, представленная ниже, является явно нелокальной, но релятивистски инвариантной и вполне причинной. Она согласуется со всеми привычными теоретическими прогнозами и экспериментальными доказательствами традиционной КМ4 и действительно дает новое понимание некоторых расчетно-интуитивных аспектов КМ формализма, как будет показано в Главе 4.

1.0.3 Обзор содержания

В этой статье мы проведем обзор Копенгагенской интерпретации и интерпретационных проблем квантовомеханического формализма, которые она призвана решать. Затем будет предложена транзакционная интерпретация, и мы рассмотрим, каким путем она решает те же проблемы. В заключение мы рассмотрим ряд новых и традиционных мысленных экспериментов и интерпретационных парадоксов в качестве иллюстраций прикладной мощи ТИ. Мы обнаружим, что ТИ обходится с этими проблемами более глубоким и интуитивно понятным путем.

В основной части статьи мы не будем рассматривать другие интерпретации, альтернативные к КИ, которые были когда-либо предложены, но рассмотрим некоторые из них в Приложении. Кроме того, мы не будем рассматривать ортогональный подход квантовой логики, который обходил бы рассмотрение интерпретации, а вместо этого применим общепринятую логику, более подходящую к КМ формализму, когда дается его правильная интерпретация.

1.1 Основные законы

В этой статье, в явном виде изучая формализм КМ в контексте интерпретации, мы будем ограничивать наше рассмотрение формализмом волновой механики Шрёдингера-Дирака [55]. Хотя этот формализм возможно менее элегантен, нежели некоторые его альтернативы, мы обнаружим, что именно он наиболее прозрачен в интерпретации. По причине полного соответствия [116] между формализмом волновой механики и его принципиальными альтернативами, это ограничение не вызовет никаких потерь общности. По причинам, которые обсудим позже, мы будем предполагать, что волновые уравнения, описывающие некую систему, релятивистски инвариантны.

Работа, которую мы обязаны выполнить - критическое сравнение КИ и новой ТИ, представленной ниже. Интерпретации физической теории не могут быть предметом экспериментальной проверки. По этой причине для проведения критического сравнения придется использовать иные критерии, нежели призыв к эксперименту. Хочу в явном виде перечислить эти критерии:

  1. Экономия (Бритва Оккама): При конструировании интерпретации предпочтительно использовать минимальное количество независимых постулатов.
  2. Совместимость: Предпочтительно, чтобы ненаблюдаемые конструкции интерпретации были совместимы с физическими законами, даже когда эти законы напрямую не связаны с интерпретируемой теорией (то есть квантовой механикой). В данном случае имеются в виду законы релятивистской инвариантности, макроскопической причинности, и в этом контексте - инвариантности к обращению времени. (Нарушение этого критерия, то есть нарушение физического закона интерпретационной конструкцией, иногда называется "интерпретационным парадоксом". Такое должно исключаться.)
  3. Правдоподобие: Предпочтительно, чтобы механизм, вводимый интерпретацией, был физически правдоподобным. Вообще, в физике здравый смысл - не самый надежный проводник, но он часто помогает сделать достоверный выбор при прочих равных.
  4. Проникновение в сущность: Предпочтительно, чтобы интерпретация давала проникновение в механизмы природы, заслоняемые математическим формализмом. Обеспечение проникновения в фундаментальные процессы природы - важная функция интерпретации. Например, интерпретационная концепция линий поля, введенная Фарадеем, необязательная для формализма электродинамики, - плодотворный и мощный проводник для понимания действия электромагнетизма.

Продолжить (к Разделу 2.0)
Уточнить (к английскому тексту)
Выйти (к Содержанию)