Юрий Артамонов - Ли Смолин. Возрожденное время: От кризиса в физике к будущему вселенной

Могла бы существовать детерминистическая космологическая теория, которая давала бы начало квантовой физике всякий раз, когда мы изолируем подсистему и игнорируем остаток? Ответ - да, но, как мы собираемся убедиться, речь идет о высокой цене.

В соответствии с такой теорией квантовые вероятности имеют место только вследствие нашего игнорирования целой вселенной, и вероятности дают путь для определения исходов экспериментов на уровне вселенной как целого. Квантовые неопределенности происходят, когда космологическая теория урезается для описания малой части вселенной.

Такая теория названа теорией скрытых переменных, поскольку квантовые неопределенности разрешаются посредством информации о вселенной, которая скрыта от экспериментатора, работающего с изолированной квантовой системой. Теории такого вида предлагались и давали предсказания для квантовых явлений, которые согласуются с такими же предсказаниями квантовой физики. Так что мы знаем, что, по меньшей мере, в принципе, такой способ решения проблем квантовой механики возможен. Более того, если путем расширения квантовой теории до теории целой вселенной будет реставрирован детерминизм, то скрытые переменные должны работать не с более точным описанием индивидуальной квантовой системы, а с соотношением этой системы с остальной вселенной. Поэтому мы можем их назвать реляционными скрытыми переменными .

Согласно принципу максимальной свободы, описанному в последней главе, квантовая теория есть вероятностная теория, в которой внутренние неопределенности велики настолько, насколько это возможно. Другой способ определить это заключается в том, что информация об атоме, которая будет нам необходима для реставрации детерминизма и которая закодирована в соотношениях между этим атомом и вселенной как целым, максимальна. Это означает, что свойства каждой частицы во вселенной максимально

к оглавлению

заморожены в скрытых отношениях со вселенной как целым. Поэтому проблема придания смысла квантовой теории является центральной в поиске новой космологической теории, на что указывают другие аргументы этой книги.

Тут имеется цена за признание: Это означает отказ от относительности одновременности и возврат к картине мира, в котором абсолютное определение одновременности поддерживается по всей вселенной.

Тут мы должны действовать осторожно - мы не хотим вступать в противоречие с успехами теории относительности. Среди них имеется удачный брак СТО и квантовой теории, называемый квантовой теорией поля. Она является базисом для Стандартной Модели Физики Частиц и делает великое множество точных предсказаний, которые были поддержаны результатами многих экспериментов.

Квантовая теория поля, однако, не существует вне своих проблем. Среди них то, что еще до извлечения каких-либо предсказаний приходится играть в хитрые игры с бесконечными числами. Более того, квантовая теория поля наследует все концептуальные проблемы квантовой теории и ничего не предлагает в направлении их разрешения. Эти старые проблемы квантовой теории вместе с новыми проблемами бесконечностей подсказывают, что квантовая теория поля тоже является приближением к более глубокой, более унифицированной теории.

Таким образом, несмотря на успехи квантовой теории поля многие физики, начиная с Эйнштейна, хотели бы выйти за ее пределы к более глубокой теории, которая даст полное описание каждого индивидуального эксперимента - что, как мы видели, не делает квантовая теория. Их поиски согласованно нашли непримиримый конфликт между квантовой физикой и СТО. Этот конфликт нам нужно понять, когда мы размышляем над возрождением времени в физике.

Имеется традиция - идущая от Нильса Бора - заявлять, что неспособность квантовой теории дать картину того, что происходит в индивидуальном эксперименте, это одно из ее достоинств, а не дефект. Как отмечалось в

к оглавлению

Главе 7, Бор искусно доказывал, что целью физики является не предоставление такой картины, а, вместо этого, создание языка, на котором мы можем говорить друг с другом о том, как мы настраиваем эксперименты с атомными системами и что представляют из себя результаты.

Я нахожу записки Бора очаровательными, но не убедительными. Я чувствую то же самое в отношении некоторых современных теоретиков, которые утверждают, что квантовая механика существует не 'по поводу' физического мира, а по поводу информации , которую мы имеем по поводу физического мира. Эти теоретики доказывают, что квантовое состояние не соответствует никакой физической реальности; вместо этого оно только кодирует информацию, которую мы как наблюдатели можем иметь о системе. Это умные люди, и мне доставляет удовольствие спорить с ними, но я боюсь, они недооценивают науку. Если квантовая механика только алгоритм для предсказания вероятностей, не можем ли мы сделать лучше? В конце концов, что-то в индивидуальном эксперименте происходит . Что-то и только это что-то является реальностью, которую мы называем электроном или фотоном. Не должны ли мы быть способны уловить сущность индивидуального электрона посредством концептуального языка и математической структуры? Возможно, нет принципа, гарантирующего, что реальность каждого субатомного процесса в природе должна быть постижима для людей и выражаема нами языком или математикой. Но не должны ли мы, по меньшей мере, попытаться? Так что я на стороне Эйнштейна. Я верю, что есть объективная физическая реальность и что при прыжке электрона с одного энергетического уровня атома на другой происходит нечто, поддающееся описанию. Затем я ищу теорию, чтобы дать это описание.

Первая теория скрытых переменных была представлена князем Луи де Бройлем в 1927 на культовом собрании квантовых физиков, названном Пятым Сольвеевским Конгрессом, вскоре после того, как квантовая механика была представлена в ее конечной форме [1]. Это было вызвано предложенной Эйнштейном дуальностью между волнами и частицами, которую мы обсуждали в Главе 7. Теория де Бройля решила головоломку волн и частиц способом, который есть сама простота. Он постулировал, что имеется реальная частица и реальная волна. То и другое имеет материальное существование. Ранее в своей работе 1924 года на степень доктора философии он постулировал, что корпускулярно-волновой дуализм универсален, так что частицы, такие как электроны, также являются волнами. В статье де Бройля 1927 года

к оглавлению

эти волны распространяются как волны на воде, интерферируя и дифрагируя. Частица следует за волной. В добавление к обычным силам - электричеству, магнетизму и гравитации - частица притягивается так называемой квантовой силой. Эта сила притягивает частицу в направлении гребня волны; поэтому, в среднем частица более вероятно будет найдена здесь, но связь является вероятностной. Почему? Потому что мы не знаем, откуда частица стартовала. Поскольку мы не осведомлены о начальном положении частицы, мы не можем точно предсказать, где она будет. Скрытой переменной, о которой мы не знаем, является точное положение частицы.