Photo by Andrew Haimerl on Unsplash
Многомировая интерпретация (MWI) квантовой механики была предметом ожесточенных споров в физическом сообществе, и многие из физиков выступали с той или иной стороны с неистовой яростью религиозного фанатика.
MWI, вкратце, говорит, что каждый раз, когда мы наблюдаем результат коллапса квантовой волновой функции, содержащей суперпозицию противоречивых состояний, вселенная разделяется на несколько взаимоисключающих вселенных, каждая из которых имеет свой результат.
Квантовая волновая функция - это просто состояние любого кусочка материи, частицы, такой как электрон или фотон (частица света). Она включает в себя материю, из которой состоит все, от лабораторного оборудования до людей.
Ключевое различие между квантовой волновой функцией и классическим состоянием движения состоит в том, что волновая функция может содержать множество различных противоречивых наблюдений. Например, частица может находиться в двух местах одновременно, двигаясь в двух направлениях одновременно, или находиться в состоянии вращения вверх и вниз (поскольку частицы почти все вращаются как волчки) одновременно.
То, как мы измеряем результат, также может влиять на то, что мы измеряем. Если мы помещаем детектор в одно место, мы обнаруживаем одно, но если мы помещаем его в другое, мы обнаруживаем что-то другое. Это может определить, разделятся ли вселенные или останутся вместе для нас.
Классический эксперимент, показывающий, что квантовые волновые функции действительно несут в себе противоречивые реальности, - это эксперимент с двойной щелью. Dr. Quantum объясняет этот эксперимент в этом видео:
Он говорит нам, что «частицы» ведут себя как частицы и как волны. MWI говорит, что нет, частицы на самом деле являются просто частицами, но копии одной и той же частицы существуют во многих, многих разных вселенных или мирах. Пока никто не измеряет эти частицы, наши сознательные умы (и экспериментальное оборудование) охватывают эти вселенные, и поэтому мы наблюдаем, как многие вселенные взаимодействуют друг с другом. Это придает частице вид волны. Это множество копий частицы в разных вселенных, взаимодействующих, как множество молекул воды.
Однако, как только мы наблюдаем частицу, мы интегрируемся с одной конкретной вселенной, и поэтому эта вселенная должна отделиться (для нас) от других вселенных. Из-за сложных взаимодействий между частицей, экспериментальным оборудованием, наблюдателем и миром волновая функция декогерентируется так, что частица больше не может взаимодействовать с другими своими копиями. Вселенные полностью разделены.
Как и многие теории, которые пытаются решить проблему квантовой интерпретации, MWI предполагает, что что-то фундаментальное происходит с реальностью, когда мы наблюдаем квантовое состояние. Если вы думаете, что это проблема, вы не одиноки.
Пока нет никаких доказательств того, что MWI верна, и поэтому, как и многие ученые, я утверждал, что в отсутствие научных доказательств мы должны принять философскую точку зрения и спросить, является ли MWI лучшей идеей, которую мы можем придумать.
Как и большинство философских вопросов, этот вопрос вызывает споры, но, безусловно, существует множество убедительных альтернатив от теорий скрытых переменных до суперселекции и последовательных историй.
Новая интерпретация квантовой механики
В этой статье я, так сказать, бросаю шляпу на ринг и предлагаю альтернативную квантовую интерпретацию. Мое объяснение основывается на следующих предпосылках:
- Вселенная имеет дополнительное измерение, то есть она пятимерная.
- Все квантовые поля (включая нас) движутся (или текут) в этом пятом измерении, подчиняясь 5D классическим уравнениям движения.
- В каждой точке этого пятого измерения вселенная во всем времени и пространстве принимает только одну классическую конфигурацию.
- Пятое измерение находится в статистическом равновесии (то есть энтропия постоянна) с такой «температурой», что объясняет квантовую неопределенность (это температура приведенной постоянной Планка).
- Под классикой я имею в виду, что квантовые поля подчиняются принципу наименьшего действия, как и классическая ньютоновская физика.
Поскольку в любой момент времени мы находимся только в одном месте в 5-м измерении (даже если мы не знаем, где именно, потому что оно невидимо), Вселенная всегда имеет только одно определенное, классическое состояние. Однако из-за неопределенности в этом измерении мы можем прогнозировать только в терминах вероятностей.
Это работает примерно так. Представьте, что вы испускаете частицу, и у нее есть волновая функция, которая имеет два состояния в суперпозиции. Их можно вызывать вверх и вниз или 1 и 0, на самом деле это не имеет значения. Теперь в волновой функции каждое из них существует с вероятностью 1/2. Это не означает, что волновая функция имеет 50% -ную вероятность вверх и 50%-ную вниз. На самом деле, волновая функция наполовину направлена вверх и наполовину вниз, но когда мы идем измерять ее, то с 50% вероятностью получается одно или другое.
Способ интерпретации этого в 5-мерной теории состоит в том, что частица находится наполовину вверх и наполовину вниз, когда перемещается в 5-м измерении. Это верно для многих классических статистических систем, таких как газы. Однако разница между обычной статистической физикой и квантовой физикой состоит в том, что в обычной физике случайность возникает во времени. Здесь это происходит совсем в другом измерении, а не во времени. Я называю это квантовым измерением.
Когда мы идем измерять состояние частицы, то, что мы измеряем, определяется тем, где мы и частица находимся в квантовом измерении. Оно не обязательно меняется со временем, то есть мы не можем немного подождать и результат обязательно изменится. Поскольку квантовое измерение перпендикулярно времени, мы вообще не контролируем наше движение в нем и, что наиболее важно, не можем измерить, где мы находимся в этом измерении.
Это потому, что, в отличие от времени, в 5-м измерении нет стрелы, поскольку у него постоянная энтропия. Нет часов, которые измеряли бы наше движение только в этом направлении.
Если вы возьмете такой пример, как эксперимент с двойной щелью, вы увидите, что каждая точка квантового измерения соответствует разному полному пути между излучателем и детектором. Путь называется мировой линией, и в квантовом измерении он очерчивает своего рода лист (мировой лист), который образует единое целое, причем каждый путь непрерывно влияет на все остальные пути.
Это очень похоже на MWI, однако здесь нет разделения вселенных. Что происходит, так это то, что, когда производится измерение, лист перестает существовать после определенного момента времени, потому что измерительный прибор нарушил его (декогерировал).
Где бы мы ни находились в 5-м измерении, это история, в которой мы оказываемся. Так что это больше похоже на последовательную интерпретацию, но конкретная история, которую мы получаем, определяется этим движением в квантовом измерении, поэтому, в отличие от последовательных историй, в этом нет ничего случайного. Оно полностью детерминировано. Единственная неуверенность в том, где мы находимся в 5-м измерении, - наша собственная.
Как и в случае с последовательными историями, реальность не меняется, когда мы проводим измерения. Она продолжает быть реальностью, как и раньше, но две ее части: мы и частица, которую мы измерили, теперь взаимодействуют.
Пятое измерение совместимо со всеми квантовыми предсказаниями
Одна из приятных вещей в этой интерпретации заключается в том, что она математически согласуется с квантовой теорией, включая релятивистскую квантовую теорию поля, при условии, что вы принимаете несколько статистических предположений. Говоря техническим языком, это эргодичность и эквивалентность микроканонических и канонических ансамблей. Это те же предположения, которые лежат в основе большей части статистической механики равновесия для газов, жидкостей и т. д. Я показал, как это можно сделать, в недавно отрецензированной журнальной статье. Результаты этой статьи относятся к скалярным полям, но могут быть распространены на другие с помощью 5-мерных теорий, таких как теории Калуцы-Клейна, а также старомодной молекулярной динамики.
Во всех наших прогнозах 5-е измерение просто усредняется таким же образом, как физика статистического равновесия усредняет измерение времени, но именно та скрытая часть информации, в которой мы находимся в квантовом измерении, определяет, какой результат всех ожидаемые результаты экспериментов фактически измеряется, а «суперпозиция» может рассматриваться как статистическое описание мирового листа.
Последствия для квантовой физики заключаются в том, что интерпретация квантовой теории не является загадочной, а очень похожа на интерпретацию классических статистических теорий, но с одним дополнительным измерением. В классических статистических теориях мы знаем, что, скажем, ящик с частицами имеет только одно состояние за раз, но мы описываем его так, как если бы он имел все возможные состояния. Однако, если бы мы посмотрели на отдельную частицу, мы бы когда-либо получили только один из этих результатов. Добавляя измерение, вы получаете тот же результат, но вы также получаете странные эффекты, такие как нелокальность.
Нелокальные эффекты (жуткое действие на расстоянии), конечно, объясняются в 5-D теории как эволюция мировых линий частиц (которые являются нелокальными структурами) в квантовом измерении. Частица - это не просто точка. Это нить в пространстве-времени.
Эти нити также могут быть расширены до четырехмерных полей частиц, что позволяет создавать и уничтожать частицы, как в ускорителях частиц. Это то, что я сделал в своей статье, но здесь я в основном остановлюсь на одномерном случае нити.
По мере того, как мы движемся в 5-м измерении, вся история каждой частицы может изменяться, беспорядочно перемещаясь между различными состояниями, как в ретрокаузальных теориях, где будущее влияет на прошлое и наоборот.
Это особенно верно, когда мы еще ничего не измеряли. После того, как мы измерили частицу, у нее больше нет возможности пролистывать случайные истории, и ретропричинность сильно сокращается.
Пятое измерение разрешает парадокс ЭПР
Если вы посмотрите на классический мысленный эксперимент в этой области, эксперимент Эйнштейна-Подольского-Розена или парадокс ЭПР, вы увидите, как 5-мерная теория решает эту проблему.
В этом эксперименте, для которого я буду использовать более простую версию Дэвида Бома, у вас есть электрон-позитронная пара, испускаемая каким-то источником, например ускорителем частиц.
Я отправляю электрон Алисе, а позитрон - Бобу.
Алиса теперь измеряет спин электрона по оси z (электроны, конечно, могут вращаться по любой оси, x, y или z). Она может измерять + z или -z (вращение вверх или вниз). Теперь, если она получает + z, мы знаем, что если Боб измерит вращение позитрона вдоль оси z, он получит противоположное, -z. Если она получит -z, он получит + z. Таким образом, ее измерение подтверждает то, что он будет измерять, прежде чем он измерят его на самом деле.
Однако, если Алиса использует ось z своего электрона, а Боб затем использует другую ось, например, x, он получит + x или -x с вероятностью 50% каждый.
Таким образом, кажется, что измерения, сделанные Алисой, должны быть переданы от Алисы Бобу. Вы не можете предположить, что частица Боба все время имела противоположный спин, потому что он получает этот результат только тогда, когда измеряет спин по оси z, и случайный результат в противном случае. Однако у электрона может быть только одно направление вращения.
Посмотрим, как 5-мерная теория решает эту проблему.
В этой теории полный путь каждой частицы от излучателя до детектора представляет собой мировую линию и развивается в 5-м измерении как мировой лист. Этот мировой лист содержит все возможные измеримые результаты, включая все возможные конфигурации спиновых состояний.
Когда Алиса выполняет свои измерения, электрон взаимодействует с ее прибором, так что его состояние в этот момент квантового времени и обычного времени измеряется. Точка квантового времени определяет, какая история частицы измеряется (вот почему этот подход похож на последовательные истории).
Поскольку аппарат Алисы выбрал эту историю для частицы, взаимодействуя с электроном, эта же история должна быть отражена позитроном Боба. Это связано с тем, что общее состояние электрона и позитрона развивается в 5-м измерении как единое поле, и измерения влияют на пару мировых линий, как если бы они были одним целым.
Как только Алиса производит измерение, эволюция этого общего поля в квантовом измерении изменяется, и эта эволюция распространяется во всем времени и пространстве, где находится поле.
Лучший из многих миров
Теория квантовой интерпретации 5D объединяет в себе лучшее из многих миров и последовательных историй. Ей не хватает многих копий MWI, а также постоянного разделения вселенных и изменения реальности при измерении. Ей также не хватает случайности последовательных историй. Она не вызывает дополнительных полей, как механика Бома, только дополнительное измерение, и она обрабатывает создание и уничтожение частиц естественным образом, без случайности. Таким образом, она кажется лучшей из множества различных интерпретаций, последовательная теория единой вселенной, в которой нелокальное поведение отражается через взаимодействующие мировые линии, развивающиеся в 5-м измерении.
Bohm, David, and Yakir Aharonov. “Discussion of experimental proof for the paradox of Einstein, Rosen, and Podolsky.” Physical Review 108.4 (1957): 1070.
Andersen, Timothy D. “Quantization of fields by averaging classical evolution equations.” Physical Review D 99.1 (2019): 016012.
Комментариев нет:
Отправить комментарий