Представьте, что Алиса управляет космическим кораблем, находящимся на расстоянии нескольких световых лет от Земли. Боб направляет свой космический корабль в противоположном направлении, также находясь на расстоянии нескольких световых лет.
На Земле ученые готовят в лаборатории две частицы из одной реакции, например, из распада пиона. Эти частицы отправляют в космос, одну в сторону Алисы, а другую — к Бобу. Частицы движутся достаточно быстро, чтобы догнать их корабли, и спустя годы каждый из них получает свою частицу и измеряет ее.
Если бы я рисовал это на бумаге, мы могли бы представить систему координат с пространством по горизонтальной оси и временем по вертикальной. Каждая частица представлена линией, идущей под углом, скажем, 45 градусов. В единицах скорости, где скорость света c=1, угол в 45 градусов означает, что это безмассовые частицы, движущиеся со скоростью света в вакууме, например фотоны.
Космические корабли движутся под углом несколько большим, так как они массивные и не могут достичь скорости света.
Они пересекают линии частиц, что означает, что каждый из них может поймать частицу в детекторе в этой точке.
Земля, тем временем, неподвижна в центре, вертикальная линия через время.
Когда частицы достигают своих пунктов назначения и проводятся измерения, мы можем спросить, влияет ли способ измерения одной частицы на результат измерения другой?
До открытия Эйнштейна в 1905 году о том, что скорость света является космическим пределом скорости, мы могли бы предположить, что это возможно. В конце концов, универсальный закон всемирного тяготения Ньютона говорил о том, что два массивных тела влияют друг на друга мгновенно.
Однако после 1905 года мы узнали, что все силы и материя подчиняются релятивизму, что означает, что ничто не может двигаться быстрее света. После введения общей теории относительности в 1915 году мы знаем, что это локальный эффект. Тем не менее, если мы игнорируем сильно изогнутые гравитационные поля, скорость света все еще сохраняется глобально.
Чтобы событие A повлияло на событие B, событие A должно находиться в прошлом световом конусе B.
Световой конус — это просто многомерная версия конуса, так что вместо того, чтобы каждое поперечное сечение было кругом, оно является сферой. Для рисунка с одним измерением пространства, как выше, конус представляет собой треугольник, как это:
Любые события, находящиеся под диагональными линиями, могут повлиять на то, что происходит в точке красной звездочки. События над этими линиями не могут.
Теперь несложно понять, что для двух событий, разделенных световыми годами, таких как измерения, происходящие на двух ракетах, если эти измерения проводятся в достаточно близкие времена, одно из них не может находиться в прошлом световом конусе другого. Физики, следовательно, говорят, что они имеют пространственное разделение.
Два события с пространственным разделением не могут влиять друг на друга, и это известно как локальность.
Следовательно, можно было бы предположить, что способ, которым Алиса выбирает измерить свою частицу, не должен влиять на результат измерения Боба.
В классической физике это верно, но в квантовой физике это не так. Алиса и Боб обнаружат, что если они проведут множество измерений многих частиц, со временем Боб увидит корреляцию между тем, что он измеряет у своих частиц, и тем, как Алиса измеряла свои частицы.
Примером может служить, если Алиса измеряет поляризацию фотонов, произведенных из лазера под некоторым углом по отношению к детектору Боба, этот угол будет отражен в его измерениях.
Это никоим образом не позволяет Алисе передавать информацию Бобу, потому что Алиса и Боб должны встретиться, чтобы он понял, как измерение Алисы повлияло на его. Он не может сделать это, основываясь только на своих измерениях.
По этой причине некоторые физики хотят определить релятивизм как ограничение на передачу информации, а не причину и следствие, но это отказ от локальности, и это не единственный выбор.
Если вы не хотите отказываться от локальности, потому что это означает, что вы должны вновь ввести действие на расстоянии, которое Эйнштейн так чудесно устранил из физики, вы можете вместо этого предположить, что поведение Алисы и Боба было скоординировано. Другими словами, их выбор был сговорен.
Это предположение о сговоре: Алиса и Боб изначально не имели выбора, как проводить свои измерения. Все было предопределено, и связь между тем, как Алиса провела свое измерение, и результатом измерения Боба просто является особенностью того, что все во вселенной связано, включая наши выборы.
Если мы примем это, что называется супердетерминизмом, однако, все не так хорошо. Теперь мы должны отказаться от всей науки, потому что это означает, что измерения не независимы друг от друга. Многое в науке зависит от предположения о независимости. То есть: мы не можем узнать вещи, если способ, которым мы их измеряем, каким-то образом предвзят.
Если все во вселенной сговорились, то может не быть никакого порядка вообще.
Другой выбор — мы можем верить, что вселенная не реальна, пока она не измерена. Алиса и Боб могут делать локальные, независимые измерения, но ничего не существует, пока они его не наблюдают. Они не столько измеряют реальность, сколько создают ее.
Как только Алиса или Боб делают измерение, только тогда частица приобретает измеренное свойство, а не раньше.
Если мы принимаем, что измерение или наблюдение создает реальность, мы отвергаем определенность контрфактуальности. Это название происходит от того, что «контрфактуальный» мир — это мир, где мы делаем измерение до того, как мы фактически его делаем.
Если мы предполагаем, что частица имела бы свойство, которое мы измерили позже в этом контрфактуальном мире, если бы мы измерили его раньше, то мы верим в определенность контрфактуальности. Некоторые люди также называют это «реализмом» в том смысле, что частицы имеют реальные свойства.
Обе наиболее популярные интерпретации квантовой механики, «Многие миры» и «Копенгагенская», отвергают определенность контрфактуальности, сохраняя при этом локальность и независимость измерений. (Несмотря на это, вы увидите бесчисленное количество статей, предполагающих, что локальность была «опровергнута», но это лишь толкование тех, кто пишет такие статьи.)
«Многие миры» отвергают как контрфактуальную, так и фактическую определенность, поскольку они предполагают множество миров, где измерения имеют разные результаты. Копенгагенская интерпретация отвергает только контрфактуальную определенность, поскольку она предполагает, что при измерении происходит «коллапс» вероятных измерений в одно фактическое.
Один из первопроходцев, который пытался оспорить Копенгагенскую интерпретацию, был Дэвид Бом, который в 1952 году представил свою собственную интерпретацию явления, которое мы описываем как запутанность.
Бом хотел сохранить реализм. Он хотел, чтобы частицы были там и имели определенные свойства контрфактуально, поэтому он предложил альтернативную онтологию квантовой механики, в которой частицы «направляются» не локальным полем, которое мы не можем измерить напрямую, а только вероятностно.
Есть разница между интерпретацией и онтологией квантовой механики. Первая стремится интерпретировать квантовую механику такой, какая она есть. Вторая пытается превратить ее в более полную теорию, которая устанавливает, что является реальным, что и означает «онтология».
Руководящая или пилотируемая волна направляет частицу как в пространстве, так и во времени, а также управляет другими свойствами, такими как спин и поляризация. Следовательно, когда Алиса делает измерение своей частицы, частица действительно существует, но эффект ее измерения мгновенно передается через руководящую волну к частице Боба, и он, таким образом, измеряет эффект измерения Алисы, а также своей частицы.
Бом создал математическую структуру для своей теории, названной бомовской механикой.
Бомовская механика не имела практического применения и создавала дополнительные проблемы для людей, пытающихся заниматься квантовой механикой, поскольку это была дополнительная математика поверх уже существующей. Кроме того, было очень сложно превратить ее в релятивистскую теорию, и даже сейчас нет ясного слияния нерелятивистской теории Бома с общей теорией относительности, хотя были попытки.
Физики в целом не любят бомовскую механику, в то время как философы, кажется, обожают ее, и причина довольно проста, как выразился Стивен Вайнберг:
[О]сновная причина не обращать внимания на подход Бома не в какой-то идеологической жесткости, а гораздо проще — мы все слишком заняты своей работой, чтобы тратить время на то, что, как кажется, вряд ли поможет нам продвинуться в решении наших реальных проблем.
Как физики, на самом деле, нам не нужна интерпретация квантовой механики. Она работает прекрасно так, как есть. Но как физик-философы, мы желаем интерпретации, которая была бы привлекательной как философски, так и научно.
Одна из таких, которая может удовлетворить эти потребности, называется подходом Дойча-Хейдена, который был опубликован в 2000 году. Хотя на первый взгляд он мало похож на механику Бома с математической точки зрения, философски он имеет с ней много общего, поэтому я называю его правильно выполненной бомовской механикой.
Дойч-Хейден — это воплощение видения Хайзенберга, когда он ввел свое математическое описание квантовой механики в 1924 году. Это за 3 года до того, как он опубликует свой знаменитый принцип Хайзенберга и за год до того, как Шредингер опубликует свое знаменитое уравнение Шредингера. (Кот Шредингера появится только в 1935 году.)
В том году Хайзенберг опубликовал то, что позже стало известно как картина Хайзенберга, видение квантовой механики как переопределения фактов природы.
В своей картине Хайзенберг описал частицы со свойствами, которые не были индивидуальными числами, как скорость, или векторами, как скорость, а матрицами, которые представляли собой область возможностей для этих свойств. Эти матрицы называются наблюдаемыми. Каждая частица, имея реальное и определенное существование, тем не менее, имела свойства, которые могли быть сведены к индивидуальным числам только при измерении. Эти наблюдаемые со временем эволюционировали.
Картина Хайзенберга была странной и сбивала с толку физиков, которые не могли понять, как что-либо могло иметь свойства, представленные как высокомерные матрицы.
Через год Шредингер представил свою волновую механику. Интерпретация Шредингера была предпочтительнее, потому что физики хорошо понимали, как работают волны. Это было легко визуализировать и, кроме того, было математически эквивалентно Хайзенбергу.
Нильс Бор, который был наставником Хайзенберга, воспринял две интерпретации как указание на то, что реальность не имеет единой, конкретной описания. Это было томато, томахто, и он хотел отказаться от всего этого.
Хайзенберг позже стал продвигать копенгагенскую интерпретацию, отказавшись от своей молодой идеи о том, что реальность может быть более сложной внутри, чем мы думаем. Картина Хайзенберга, однако, осталась, а позже к ней присоединилась картина Дирака как слияние Шредингера и Хайзенберга.
В 1999 году Дэвид Дойч и Патрик Хейден, однако, представили миру новую теорию квантовых вычислений в картине Хайзенберга, которая бросила вызов преобладающим интерпретациям.
Они хотели показать, что поток информации в квантовой вычислительной сети, которую можно рассматривать как картину запутанности, является локальным, реальным и все еще сохраняет независимость измерения.
Ключ к подходу Дойча-Хейдена заключается в том, что картина Хайзенберга локальна, в то время как картина Шредингера нет, хотя они математически эквивалентны. В волновой механике Шредингера волна мгновенно передает информацию между частицами, действуя как глобальный репозиторий информации, в то время как в картине Хайзенберга частицы несут с собой всю информацию в недоступной форме.
Вы можете думать об этом так: представьте, что ученые, проводящие измерения, подобны клиентам информационного репозитория, а частицы — сотрудникам этого репозитория.
Волна Шредингера подобна наличию центрального бухгалтерского учреждения, волновой функции. Сотрудники, чтобы получить информацию для клиентов, должны обратиться в центральное учреждение. Они также могут оставлять там информацию о клиентах. Вся информация всегда мгновенно доступна всем сотрудникам везде. Как только они передают информацию своим клиентам, они теряют доступ к части учреждения, относящейся к этой информации.
В картине Хайзенберга, напротив, каждый сотрудник несет с собой запертый чемодан, полный информации, и все, что с ним происходит, он записывает, и это попадает в чемодан. Хотя у них есть вся необходимая информация, только часть ее можно передать клиентам. Если клиент Алиса хочет сравнить информацию с информацией клиента Боба, сотрудник должен пойти с Алисой и посоветоваться с сотрудником, который находится с Бобом. Два сотрудника согласовывают свои показания наедине, а затем могут предоставить согласованную информацию двум клиентам. Как только информация передана, они теряют доступ к этой конкретной информации, но сохраняют свои чемоданы навсегда.
Дойч-Хейден избегает жертвовать какими-либо из обычных подозреваемых: локальностью, реализмом (определенностью контрфактуальности) или независимостью, потому что они предполагают, что когда вы делаете измерение частицы, результат этого измерения не является, как большинство людей бы предположило, частицей, имеющей единственное случайное значение для этой величины. Скорее, они предполагают, что это просто единственная информация, которую частица готова раскрыть вам, но она сохраняет гораздо больше, которую может передать, несмотря на измерение.
Именно эта информация позволяет измерению Боба казаться зависимым от того, как Алиса измеряет свою частицу.
В картине Дойча-Хейдена способность частиц нести местно недоступную информацию имеет решающее значение, потому что Алиса и Боб не могут сравнить свои измерения и определить, что между ними есть корреляция, не встретившись снова или не отправив друг другу какой-либо материи или энергии. Именно в этой материи или энергии переносится квантовая информация от одного к другому.
Дойч и Хейден называют это «потоком квантовой информации через классический канал».
Если это кажется странным, это потому, что это большое отступление от того, как мы понимаем работу квантовой физики. Действительно предполагается, что после измерения частицы она теряет всю квантовую информацию, связанную с этим измерением. Это процесс, называемый декогеренцией. Предполагается, что декогеренция разрушает квантовую информацию и делает ее классической. Дойч и Хейден говорят, что это не так. Уничтожается только наблюдаемая информация, в то время как ненаблюдаемая информация остается нетронутой, чтобы передаваться столько, сколько необходимо.
Неясно, понравилось бы это Эйнштейну, поскольку Дойч и Хейден фактически отказываются от концепции частицы, имеющей единственное реальное измеримое состояние. Они заменяют это большим набором ненаблюдаемой информации, которая не только неизвестна, но и невозможно определить из какого-либо количества измерений.
Частица имеет реальное состояние, но мы не можем знать, каково оно.
Это означает, что Дойч-Хейден достигают того, чего искал Бом: интерпретации, основанной на первичной онтологии. Первичная онтология — это философия, которая говорит, что метафизика того, что существует (онтология), присуща переменным физики. Для Бома руководящая волна и траектории частиц образовывали первичную онтологию, но для Дойча-Хейдена это описатели квантовой информации, реальные, локальные, но недоступные, которые содержат онтологию.
Это означает, что первоначальный инстинкт Хайзенберга был верен, а Бор ошибался. Его картина содержит реальную онтологию квантовой физики, в то время как картина Шредингера может быть математически эквивалентной, но метафизически это лишь абстракция.