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

Джон Белл позже предложил назвать теорию де Бройля теорией существующих в противоположность квантовой теории, которая является теорией наблюдаемых [2]. Существующая это нечто, что существует во все времена в отличие от наблюдаемой, которая есть число, вызываемое к существованию экспериментом. В теории де Бройля и частица, и волна являются существующими. В частности, частица всегда имеет положение, даже если квантовая теория не может его точно предсказать.

Тем не менее, картина квантового мира де Бройля, где как частицы, так и волны реальны, популярность не завоевала. В 1932 великий математик Джон фон Нейман опубликовал книгу, в которой доказывал, что скрытые переменные были невозможны [3]. Несколькими годами позже немецкий математик по имени Грета Херман указала, что доказательство фон Неймана содержало большую дыру [4]. Он, вероятно, совершил ошибку, допустив то, что он хотел доказать, и ввел в заблуждение себя и других, скрыв предположение в технической аксиоме. Но ее статья была проигнорирована.

Понадобилось два десятилетия, чтобы ошибка была заново открыта. Американский квантовый физик Дэвид Бом в начале 1950-х писал учебник по квантовой механике [5]. Размышляя над тайнами квантовой теории, он заново открыл теорию скрытых переменных де Бройля - о которой ничего не знал. Он написал статью, описывающую новую квантовую теорию, но когда он представил ее в журнал, он получил сообщение с отзывом, отвергающим статью, поскольку она не согласуется с хорошо известным доказательством фон Неймана невозможности скрытых переменных. Бом быстро нашел ошибку в доказательстве и написал статью, указывающую

к оглавлению

на это [6]. С тех пор подход де Бройля-Бома к квантовой механике - как это сейчас называется - исследуется небольшим числом специалистов; это один из подходов к основаниям квантовой теории, который все еще активно исследуется сегодня.

С теорией де Бройля-Бома мы понимаем, что теории со скрытыми переменными являются возможным вариантом для разрешения загадок квантовой теории. Его изучение оказалось успешным, поскольку было показано, что многие его особенности применимы для любых возможных теорий со скрытыми переменными.

Теория де Бройля-Бома имеет противоречивые взаимоотношения с теорией относительности. Она делает статистические предсказания в согласии с квантовой механикой и она может быть сделана совместимой с СТО - и, в особенности, с относительностью одновременности. Но, в отличие от квантовой механики, теория делает больше, чем статистические предсказания; она дает детальную физическую картину того, что происходит в каждом индивидуальном эксперименте. Волна, которая эволюционирует во времени, влияет на то, где движется частица; при этом она нарушает относительность одновременности, поскольку закон, по которому волна влияет на движение частицы, может быть правильным только в одной системе отсчета наблюдателя. Таким образом, в той степени, в которой мы принимаем теорию скрытых переменных де Бройля-Бома как объяснение квантовых явлений, мы должны верить, что имеется привилегированный наблюдатель, часы которого измеряют привилегированное физическое время.

Это сомнительное взаимоотношение с относительностью, оказывается, распространяется на любые возможные теории скрытых переменных [7]. Статистические предсказания таких теорий, которые согласуются с квантовой механикой, будут согласовываться и с теорией относительности. Но любая более детальная картина индивидуальных событий нарушает принцип относительности и может быть интерпретирована только с точки зрения единственного наблюдателя.

Теория де Бройля-Бома имеет один большой недостаток, который заключается в том, что она не удовлетворяет одному из наших критериев для космологической теории - требованию, чтобы все действия были взаимными. Волна влияет на то, где движется частица, но частица не имеет влияния на волну. Вследствие этого теория неудовлетворительна как космологическая теория. Имеется,

к оглавлению

однако, альтернативная теория скрытых переменных, которая ликвидирует указанную проблему.

*

Как последователь взглядов Эйнштейна на то, что после квантовой теории должна существовать более глубокая теория, я с моих студенческих дней пытался изобретать теории скрытых переменных. Каждые несколько лет я откладывал в сторону мое очередное исследование и пытался решить эту ключевую проблему. В течение многих лет я работал над подходом, основанном на теории скрытых переменных, записанной математиком из Принстона Эдвардом Нельсоном. Эти попытки работали, но все они имели элемент искусственности, в котором определенные силы должны были быть эксклюзивно сбалансированными, чтобы воспроизвести предсказания квантовой механики. В 2006 я написал статью, объясняющую технические причины этой искусственности [8], а затем отказался от подхода.

Однажды днем в начале осени 2010 я зашел в кафе, открыл ноутбук на чистой странице и задумался о моих многочисленных неудавшихся попытках выйти за пределы квантовой механики. Я начал с размышления о версии квантовой механики, называемой ансамблевая интерпретация . Эта интерпретация игнорирует тщетные надежды описать, что происходит в индивидуальном эксперименте, и вместо этого описывает воображаемую коллекцию всех вещей, которые могут произойти в эксперименте. Эйнштейн ввел ее деликатно: 'Попытка постигнуть квантово-теоретическое описание как полное описание индивидуальной системы приводит к неестественным теоретическим интерпретациям, которые немедленно становятся лишними, если одна из них допускает интерпретацию, что описание ссылается на ансамбли (или коллекции) систем, а не на индивидуальные системы [9]'.

Рассмотрим уединенный электрон, вращающийся вокруг протона в атоме водорода. Согласно сторонникам ансамблевой интерпретации волна связана не с индивидуальным атомом, а с воображаемой коллекцией копий атома. В других членах этой коллекции электроны занимают другие положения. Так что, если вы наблюдаете атом водорода, результат будет такой, как если бы вы случайно выделили атом из этой воображаемой коллекции. Волна дает вероятности нахождения электрона во всех этих различных местах.

к оглавлению

Мне долгое время нравилась эта идея, но внезапно она стала казаться полностью сумасшедшей. Как могла бы воображаемая коллекция атомов повлиять на измерение, сделанное в одном реальном эксперименте? Это противоречит принципу, что ничто вне вселенной не может действовать на что-либо внутри вселенной. Так что я спросил себя, не могу ли я заменить эту воображаемую коллекцию коллекцией реальных атомов. Будучи реальными, они должны будут существовать где-нибудь в вселенной. Ну, во вселенной на самом деле имеется очень много атомов водорода. Могли бы они быть 'коллекцией', на которую ссылается ансамблевая интерпретация квантовой механики?