Выйти (к Содержанию)
Вернуться (к разделу 5.0)
Продолжить (к Примечаниям)
Уточнить (к английскому тексту)


Джон Крамер

Транзакционная интерпретация квантовой механики

Приложения

A.0 Альтернативные интерпретации квантовой механики

В основном тексте этой статьи мы сконцентрировались на традиционном формализме квантовой механики и на его Копенгагенской и транзакционной интерпретациях. И мы не обсуждали попыток отдельных ученых и групп, предлагающих другие пути решения интерпретационных проблем квантовомеханического формализма. Всесторонний обзор таких попыток читатель найдет у Джаммера [91]. А здесь мы кратко обрисуем некоторые альтернативные интерпретации и теории, которые оказали наиболее существенное влияние на проблематику, и рассмотрим их в рамках обсуждения интерпретационных проблем, поднятых в разделе 2 этой статьи.

A.1 Теории скрытой переменной

Теории скрытой переменной [7, 91] имели целью решить проблему полноты и предсказательности (см. разделы 2.5 и 2.6) и исходили из традиционного предположения о локальности. Доказывая существование ненаблюдаемых переменных, которые могли бы устранить неопределимость квантовой механики (КМ), если их величины были известны, они пытались продемонстрировать, что КМ является неполной теорией.

Теории скрытой переменной способны на некотором уровне разрешить некоторые интерпретационные проблемы из перечисленных в разделе 2, избегая схлопывания вектора состояния (ВС) путем использования детерминистических скрытых переменных. ВС рассматривается как усредненное и неполное описание системы, и поэтому выход "знания" не увеличивается. Эксперименты на неравенство Белла (ЭНБ) разрушили все теории скрытой переменной, основанные на предположении о локальности. Хотя, в принципе теория скрытой переменной могла бы быть построена как нелокальная и совместимая с результатами ЭНБ - как подход, который потерял бы привлекательность классического и увеличил бы риск конфликта между относительностью и причинностью. Поживем - увидим, сможет ли какая-нибудь новая теория скрытой переменной успешно разобраться с нелокальностью, результатами экспериментов и дилеммой "относительность/причинность".

A.2 Полуклассические интерпретации

Видимо, наиболее широко "поддержанная" полуклассическая интерпретация - это "модель возмущения" [86]. Это идея, часто используемая как педагогический прием в простеньких книгах о современной физике. Идея о том, что канонически сопряженные переменные частной изучаемой системы, то есть местоположение и импульс, могут в действительности иметь одновременно вполне определенные значения, но акт измерения одной из величин "возмущает" другую так, что знание о ней не может быть получено. Есть сведения, что Гейзенберг использовал эту модель в ранних работах [113], но позднее отказался от нее, обнаружив неадекватность. Модель возмущения опровергалась раз за разом, и совсем недавно - ЭНБ. Но, тем не менее, остается наиболее широко распространенной интерпретацией в обществе физиков-практиков. Другая, ранняя и неудачная полуклассическая интерпретация - от Шредингера, была рассмотрена в разделе 2.

Интерпретация "гид-волны" (ГВИ) Де-Бройля тоже является полуклассической. Была выдвинута на самом раннем этапе развития квантовой механики (1925) и известна как послужившая стимулом к разработке уравнения Шредингера и акцентированию внимания на волновых аспектах КМ, которые были очень важны на раннем этапе ее развития.

ГВИ предлагает особый основополагающий механизм взаимодействия волн и частиц в квантовом событии. Он был описан в ряде публикаций де Бройля [38, 39, 40, 41, 42]. Цитата из де Бройля 1968 г.:

"...частица - это очень маленький объект, который постоянно локализован в пространстве, а волна - это физический процесс, который распространяется в пространстве в течение времени в соответствии с данным уравнением распространения... Волна имеет очень маленькую амплитуду и не переносит энергию (по крайней мере, это не заметно). Частица - очень маленькая зона высококонцентрированной энергии, неотделимая от волны, в которой она создает высокомобильный тип сингулярности (странности). В чем смысл размещения частицы в волне: частица обладает внутренней вибрацией, которая, когда частица движется, постоянно остается в фазе с вибрацией волны ... средний путь частицы определяется в соответствии с фазой волны по определенному "руководящему закону", но это движение наложено на ее непрерывные флуктуации, соответствующие скрытому переменному поведению частиц."

Из этой подборки должно быть ясно, что ГВИ представляет квантовые события совсем не так, как Копенгагенская интерпретация (КИ). "Волна" в обоих случаях описывает сам ВС, который имеет определенный, но ограниченный реализм, в том, что она может физически перемещаться в пространстве, но не может нести энергию, импульс и т.д. Коллапса не происходит, но он заменяется действием частицы, которая "скачет" по ВС и с большей вероятностью прибывает в те места, где вектор состояния имеет большую амплитуду. Общие свойства ВС отделены от свойств особой частицы, которая прокладывает по нему путь.

Критерию комплексности интерпретация не отвечает, но это несерьезная проблема, так как ВС имеет лишь ограниченный реализм. Предсказательность картины проблематична, так как частица не следует путем наибольшей амплитуды ВС, как ожидалось бы, а следует по волне случайным "термодинамическим" путем.

Наиболее серьезная проблема ГВИ заключается в том, что она не оставляет места нелокальностям второго вида и локальна в принципе. Это из-за несовместимости с результатами ЭНБ. Также есть основания полагать, что она может быть несовместима с формализмом КМ. Современные работы [71, 72] утверждают, что есть экспериментальные тесты, которые могут провести различие между предсказаниями ГВИ и общепринятой квантовой механикой. Потому что в некоторых ситуациях, включающих интерференцию некогерентных источников, ГВИ будет предсказывать интерференционные эффекты, которые отсутствуют в общепринятых вычислениях.

С определенной точки зрения ГВИ может рассматриваться как предварительная версия транзакционной интерпретации (ТИ). Она полностью совместима с ТИ в большинстве аспектов, и ее принципиальные недостатки: отсутствие нелокального механизма, который может учитывать корреляции разнесенных измерений, и особый путь введения частицы и ее свойств. Но если частицу Де-Бройля идентифицировать с транзакцией ТИ, тогда картина очень похожа на представленную в разделе 3. Таким образом, проникновенный интуитивный инсайт Де-Бройля не только был решающим для раннего развития квантовой механики, но также весьма близок к ТИ, обсуждаемой здесь.

A.3 Интерпретации "Коллапса"

Как обсуждалось в разделе 2.3, внезапный и прерывистый коллапс (схлопывание) ВС, вводимый формализмом КМ, и его трактовка в КИ оказались источником многих интерпретационных проблем. Поэтому было несколько попыток предложить более благовидное объяснение процесса коллапса ВС.

Одна из ранних альтернатив модели коллапса была впервые предложена Дарвиным [33], но приобрела известность только после работ фон Неймана [128], Ландона и Бауэра [97] и Вигнера [139]. Цитируем Вигнера как главного популяризатора модели:

"... результат наблюдения изменяет волновую функцию системы. К тому же, измененная волновая функция, обычно непредсказуемая до того, как оттиск, полученный при взаимодействии, не войдет в наше сознание: это вхождение оттиска в наше сознание изменяет волновую функцию, так как изменяет нашу оценку вероятностей различных оттисков, которые мы ожидаем получить в будущем. Это то место, где сознание входит в теорию неизбежно и неизменно."

Вигнер продолжает введение тем, что называется парадоксом Вигнеровского друга, который обсуждается у нас в разделе 4.6. Он использует мысленный эксперимент, чтобы проиллюстрировать благовидность своей модели и неблаговидность нескольких альтернативных.

Эта "сознательная" интерпретация, хотя и разумно работает для наблюдателя, который не хочет обнаружить себя растворенным в ВС системы, которую измеряет; напрашивается на следующие вопросы:

Оставался ли ВС вселенной несхлопнутым до тех пор, пока не развилось первое сознание?

Где разграничение между сознанием и несознанием? Смогут ли интеллектуальные измерительные средства в конечном счете добиться способности вызывать коллапсы ВС, и как узнать, когда это произойдет? И так далее...

Шредингер [121] предложил альтернативу сознательной интерпретации, которую назвал принципом различения состояния. Он утверждает: "Состояния микроскопической системы, различимые макроскопическим измерением, различаются независимо от того, присутствует наблюдатель или нет". Иначе говоря, ВС коллапсирует тогда, когда сделана какая-либо макроскопическая запись результата измерения, независимо от того, посмотрел сознательный наблюдатель на эту запись или нет. Гейзенберг [81] и другие предложили вариант этой позиции, который утверждает, что как только квантовое измерение переходит из области обратимых процессов в область термодинамической необратимости, ВС коллапсирует.

Более поздние два "триггера коллапса" более притягивают большинство физиков, так как избегают придавать какое-либо особое значение сознанию, и поэтому, как было отмечено Вайскопфом [131, 132], они более полно соответствуют действующим предположениям, которые используют практические физики, думая, как провести физический эксперимент. Тем не менее, эти модели также напрашиваются на вопрос о границах: Где расположена точная граница между макрофизикой и микрофизикой и граница, за которой начинается необратимость? Этот пункт вызывает особое беспокойство, потому что не дай Бог, кто-нибудь когда-нибудь реализует такую схему (а существующие экспериментальные методы это допускают) - чтобы результат квантового измерения был зарегистрирован спином одного электрона в перьевой ловушке или заманиванием одного кванта магнитного потока в расщепленное сверхпроводящее кольцо.

Действительно, в контексте современной аппаратуры эта позиция была количественно обоснована современной работой. Леггет [96] дотошно исследовал вопрос макроскопических квантовых эффектов. Он ввел полуколичественную меру, называемую "разобщенность", чтобы охарактеризовать степень, с которой квантовая система изолирована от эффектов, которые вызывали бы феномены когерентной квантовой интерференции. Он показал, что это полезный критерий для разделения макрокосма и микрокосма, то есть классических феноменов и квантовых. Он обнаружил, что хотя многие эксперименты, а в особенности мысленный эксперимент Кота Шредингера, и в самом деле имеют очень маленькую разобщенность, которая располагает их в классической области, где остается класс возможных макроскопических экспериментов, которые удовлетворяют критерию высокой разобщенности и которые должны демонстрировать эффекты квантовой интерференции на макроскопическом уровне. Особо интересны эксперименты, которые включают макроскопический квантовый туннелинг (МКТ) квантового потока в сверхпроводящем узле Джозефсона, потому что это коллективное поведение включает много степеней свободы, прямо как при макроскопическом рассеянии. Современные эксперименты [130, 103] подтвердили некоторые предсказания Леггета для МКТ в этой макроскопической фазе слияния узлов Джозефсона. С совершенствованием подобных экспериментальных методов граница между макро- и микрофизикой, становится менее резкой, что делает исход коллапса менее ясным.

Еще одна проблема в этих моделях коллапса - они не являются полными интерпретациями квантовой механики. Они сфокусированы только на причине коллапса и не обеспечивают инсайта в сопряженные интерпретационные проблемы, перечисленные в разделе 2. И что особенно важно, нелокальные аспекты коллапса ВС, которые стали фокусом последних ЭНБ, никак не объясняются этими интерпретациями.

A.4 Интерпретация множественности миров

В 1957 году на конференции по гравитации Ху Эверет [60] и его тезис-супервайзер в Принстоне, профессор Джон А. Уилер [135] представили взаимосвязанные работы, которые стали известны [46, 47] как интерпретация квантовой механики Эверета - Уилера, Эверета - Уилера - Грехема или "множественности миров" (ИММ). Как и интерпретации, обсуждаемые в разделе A.3. ИММ ориентирована на проблему коллапса. Но в отличие от других интерпретаций, ИММ утверждает, что коллапс не происходит никогда. Вместо этого каждый компонент ВС квантового события представляет отдельную и равноправную физическую реальность. Другими словами, с каждым квантовым событием вселенная расщепляется на ряд вселенных-ветвей, каждая из которых содержит свой возможный исход события. То, что мы воспринимали как коллапс, в ММИ просто результат того факта, что наше сознание выбрало определенный путь через эти ветви, и поэтому наблюдается один набор результатов вместо другого, из мириад возможностей. И предположительно, другие копии нашего сознания наблюдают все другие возможные исходы в других вселенных-ветвях.

Видимо, это самая "героическая" попытка разобраться с проблемой коллапса. Она отвечает критерию идентичности, придавая ВС статус объективной реальности, для электрона в каждой ветви вселенной есть идентичный с ним компонент в исходном ВС. Критерию комплексности не отвечает, и по-видимому, в большей степени, чем КИ, так как ВС в ИММ - вещь физическая. Проблема локальности в работе Эверета не рассматривается, но он назвал проблему локальности, как она была поставлена Эйнштейном, Подольским и Розеном [57], "фиктивным парадоксом" и клянется, что он может быть легко изучен и объяснен в ИММ.

В каком-то смысле это правда. В ситуации с двумя разделенными измерениями "раннее" из двух измерений будет расщеплять расщеплять вселенную, содержащую второе измерение, так что его результат будет всегда корректно коррелировать с первым. В этом смысле ИММ совместима с нелокальностью. Тем не менее, ясно, что ИММ столкнется в этой области с серьезными проблемами. С каждым расщеплением вселенной пространственные районы на расстоянии мегапарсеков от локуса события будут мгновенно расщепляться на альтернативные реальности по причине отдаленного квантового события. Кажется, и скорость распространения расщепления, и его мгновенность явно несовместимы с релятивистской инвариантностью.

ИММ представляет интерес с другой точки зрения. Она представляет интерпретацию квантовой механики, к которой предположение о контр-фактической определенности (КФО), обсуждаемое в разделе 1.0, не применимо. ИММ характеризует наш мир как одну из многих равноправных реальных альтернатив, и поэтому некий альтернативный эксперимент, который мог бы быть выполнен, будет иметь не один определенный исход, как утверждает КФО, а все возможные исходы - по одному для каждой ветви вселенной, отщепленной измерением. Таким образом, КФО не применима к ИММ. В контексте ИММ результаты ЭНБ могут быть получены как экспериментальная демонстрация некорректности КФО, а не локальности.

ИММ также свойственна асимметрия времени. В ее описании вселенная расщепляется только в направлении будущего, и никогда - в направлении прошлого. То есть, присутствует внутренняя стрела времени, встроенная в интерпретацию, что несовместимо (как было показано и для КИ) с порядком обработки событий, который применяет микрофизика в отношении потока времени. И возможно, это тот тип подхода, про который Вильям Оккам предупреждал, что гипотезы не должны размножаться сверх необходимого.

A.5 Интерпретации опережающего действия

В дополнение к данной работе, в литературе появились два других подхода к интерпретации КМ, использующих опережающие волны. Первый из них - интерпретация опережающего действия (ИОД) Косты де Бьюргарда [3, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30] Он исходит из того, что время-подобная симметрия электронов и позитронов в картине Фейнмана может, в принципе, учитывать нелокальную структуру КМ, как это применяется к событию создания-аннигиляции электронов и позитронов.

Этот подход, тем не менее, кое в чем неполноценен. В последней работе группы Гаруццио [70] отмечается, что ИОД использует решения уравнения Дирака с отрицательной энергией, которое предполагает распространение в положительном направлении времени, невозможное по причине комплиментарности переменных энергии и времени [см. 31 для обсуждения этой темы]. Они также доказывают, что ИОД нарушает причинность и закон сохранения энергии. Действительно, похоже, у ИОД подхода будут проблемы с причинностью. Коста де Бьюргард предположил, что ИОД объясняет парапсихологические феномены. Селлери и Вижье [123] доказали, что ИОД несовместима с квантовой электродинамикой, так как она использует отбраковку Dc-пропагатора Фейнмана.

Вторая интерпретация, использующая опережающие волны, была предложена Дэвидоном [37], который предположил, что:

"оператор, чьи факторы в тензорном произведении опережающих и запаздывающих решений время-зависимого уравнения Шредингера" должен приводить к "локальному и объективному описанию...для каждой из удаленных частей в ситуации Эйнштейна - Подольского - Розена."

Так как время-зависимое уравнение Шредингера, (см. Раздел 3.3) будучи дифференциальным уравнением первого порядка по времени, не имеет опережающих решений, не факт, что это актуальная составляющая модели Давидона.

Оба этих подхода с опережающими волнами с точки зрения данной работы оказались в правом ряду, но упустили решающую роль транзакции как посредника передачи энергии, импульса и т.п., а также в стирании всех остаточных следов опережающих волн. Без этой ключевой концепции данные интерпретации неминуемо приводят к парадоксам причинности и несовместимостью с предсказаниями КМ и экспериментальными наблюдениями.

A.6 Нелокальная модель Стаппа

Стапп [124, 125, 126] предложил очень общую нелокальную модель, которую мы рассматриваем как предшественницу нынешней работы. Это не интерпретация, так как она не предлагает какого-либо механизма квантовых событий. Это модель мира, похожая на предложенную А. Н. Уайтхедом, но подходящим образом модифицированную для того, чтобы работать с явной нелокальностью, продемонстрированной ЭНБ.

Основная черта этой работы - несмотря на то, что участвующие элементарные события соединяют местоположение пространства-времени через пространство-подобные интервалы, события сохраняют последовательность, которая не зависит от системы отсчета, и которая развивается из прошлого в будущее. Таким образом, модель вневременная (как и ТИ), но она сохраняет последовательность, которая совместима с причинностью и нашим ощущением причинной стрелы времени.

ТИ полностью совместима с моделью Стаппа, но идет дальше нее, предоставляя конкетный и правдоподобный механизм, через который может действовать нелокальная последовательность Стаппа. В особенности, если кто-либо ставит равенство между транзакционной концепцией, описанной выше, и Стапповой концепцией элементарных событий. Тогда ТИ предоставляет многозначительный контекст, в котором очень общая, но неконкретная модель мира Стаппа может быть увидена в действии.


Продолжить (к Примечаниям)
Уточнить (к английскому тексту)
Вернуться (к разделу 5.0)
Выйти (к Содержанию)