Нужна ли теории интерпретация?
Представление о том, что научная теория вполне может иметь более одной интерпретации, при условии что их предсказания не различаются, вероятно, характерно лишь для квантовой механики. Сравнив эту ситуацию с другими выдающимися достижениями XX века, можно провести интересную параллель.
В 1905 году, всего через несколько месяцев после публикации статьи о фотоэлектрическом эффекте, за которую он впоследствии удостоился Нобелевской премии, Эйнштейн завершил свою самую знаменитую работу – специальную теорию относительности. Она гласила, что различные наблюдатели, движущиеся относительно друг друга, будут иметь разное представление о расстоянии и временных интервалах между двумя событиями. Так как никто не вправе претендовать на главенство собственной системы отсчета, представление об абсолютных длинах и временных интервалах пропадает. Это можно понять, только объединив идеи пространства и времени. Следовательно, два наблюдателя, движущихся на высокой скорости относительно друг друга, будут по-разному оценивать длину объекта. Это в некотором роде уравновешивается тем, что измеренное их часами время между двумя событиями тоже будет разным.
Измеренные двумя наблюдателями расстояния между двумя точками и временные интервалы связаны друг с другом посредством набора алгебраических формул, называемых преобразованиями Лоренца по имени голландца Хендрика Лоренца, который первым записал их за год до публикации работы Эйнштейна. Значительная часть подготовительной работы к теории относительности действительно была проведена еще до Эйнштейна, и в 1890-х годах Лоренц и ирландский физик Джордж Фицджеральд независимо друг от друга предложили ранние формы этих преобразований, чтобы объяснить известный эксперимент, который показал, что свет может проходить сквозь пустое пространство.
Проблема состояла в том, что уравнения Лоренца и Фицджеральда были абсолютно правильными и давали верный ответ, но по неверной причине. Ученые неправильно истолковали происходящее, предположив, что измеряющий скорость света прибор оказывался растянутым в длину из-за своего движения сквозь таинственный «эфир», заполняющий все пространство. Великое достижение Эйнштейна заключалось в том, что он предложил простой постулат, с помощью которого смог дать верную интерпретацию физики. Он показал, что для распространения свету вовсе не нужен носитель – как в случае с водой и водяными волнами. Все встало на места, когда он смело предположил, что пучок света не только может проходить сквозь пустое пространство, но и обладает одинаковой скоростью, независимо оттого, как быстро мы двигаемся относительно него в момент проведения измерений.
В эту идею трудно поверить, но она чрезвычайно важна. Последовавшие за ней предположения, в частности о единстве пространства и времени, позволили нам объяснить получаемые экспериментальные результаты.
Таким образом, сжатие Лоренца – Фицджеральда оказалось верным – рассчитанные ими величины сошлись с результатами наблюдений, однако не по той причине, по которой они полагали. Эйнштейн дал верную интерпретацию. Мы ясно видим, что хорошая интерпретация ценна тем, что она подводит нас ближе к истине. Без удовлетворительной интерпретации мы до сих пор бродили бы в темноте, как бы хорошо наша теория не соотносилась с экспериментальной практикой.
Никто не смог предложить единственную и полностью удовлетворительную интерпретацию квантовой механики. Но означает ли это, что такой «верной» интерпретации не существует вовсе?
Еще одна идея копенгагенской интерпретации заключается в том, что должно существовать четкое разделение между измеряемой (квантовой) системой и макроскопическим измерительным прибором (описываемым по законам ньютоновской, или классической, механики). Следовательно, хотя последний и состоит из атомов, нельзя считать, что он в равной степени подчиняется квантовым законам. Акт измерения приводит к резкому скачку в состоянии измеряемой системы, которая превращается из комбинации потенциальных параметров в итоговый результат. Идею «коллапса волновой функции», происходящего после измерения, впервые в 1929 году предложил Гейзенберг.
Неудивительно, что теория не поддается логическому пониманию, так как для объяснения квантовой механики требуется прибегать к отчаянным мерам. Вероятно, большего здесь и не сказать. Теперь мне стоит перечислить свои претензии к копенгагенскому подходу, чтобы вы поняли, почему я – как и многие другие физики – полагаю, что ее время прошло.
Я вообще не считаю копенгагенскую интерпретацию настоящей интерпретацией. Это набор правил, которым мы должны подчиняться, чтобы применять квантовый формализм, не задумываясь о его значении. Следовательно, копенгагенская интерпретация не только не объясняет, как атом проходит сквозь две прорези одновременно, но и категорически заявляет, что сам этот вопрос не имеет никакого смысла, а потому нам стоит ограничить свои комментарии картиной интерференции на экране (то есть измерением). Копенгагенская интерпретация успешно устраняет логические противоречия и нестыковки, позволяя задавать лишь те вопросы, которые касаются результатов измерений.
Многие из тех, кто стоял у истоков копенгагенской интерпретации, в частности Бор, Гейзенберг и Вольфганг Паули, с некоторым презрением относились к последующим попыткам формирования физической картины квантового мира. Они считали их тщетной попыткой вернуться к устаревшему (ньютонианскому) способу мышления, который навсегда отошел в прошлое. Впоследствии Бор действительно даже отказывался смотреть на альтернативные интерпретации, вероятно, надеясь, что они просто пропадут сами собой. Гейзенберг тоже не принимал эти варианты, поскольку:
«они лишь повторяют копенгагенскую интерпретацию другими словами [и] формируют исключительно позитивистскую точку зрения, что кто-то может сказать, будто мы тут изучаем не контрпроекты для копенгагенской интерпретации, а лишь заботимся о ее точном повторении на другом языке».
Он полагал, что формализм квантовой механики предопределяет существование лишь одной интерпретации, в то время как альтернативные подходы отличаются от нее одним только способом интерпретации математики, но не задействуют никакой другой физики. Не стоит и говорить, что я с ним не согласен, ведь таким взглядом может обладать лишь приверженец копенгагенской школы позитивизма!
Мое второе критическое замечание связано с тем, что копенгагенская интерпретация ничего не говорит о том, как происходит коллапс волновой функции. Время странным образом делится на периоды до и после измерения, которое проводится в отношении квантовой системы. Прежде чем мы установим наблюдение, оно развивается в соответствии с уравнением Шрёдингера. Это развитие – изменение волновой функции с течением времени – не предполагает ни неопределенности, ни вероятностей. Но, как только происходит измерение, нам приходится следовать совершенно другому набору правил, в связи с чем в дело вступают квантовые вероятности. Копенгагенская интерпретация не может и даже не пытается объяснить это различие между обычным физическим процессом и процессом измерения.
Наконец – и это, как мне кажется, самое важное, – наделяя наблюдателя таким привилегированным статусом, копенгагенская интерпретация отрицает наличие объективной реальности, которая существует в отсутствие наблюдения. Сторонники копенгагенского подхода часто обвиняют тех, кто до сих пор ищет интерпретации квантового формализма, в том, что они потерялись в метафизике, забыв об истинной физике. Однако, если «верная» интерпретация квантовой механики действительно существует, ее поиск представляет собой попытку объяснить, как на самом деле ведет себя природа. В то же время довольствоваться набором узкоспециальных правил, которым следует подчиняться, чтобы проводить вычисления, можно лишь временно.
Что же еще есть на рынке? И, если другие интерпретации в состоянии дать более рациональное и убедительное объяснение, почему большинство физиков по-прежнему предпочитают копенгагенский подход?
- 1. Джим Аль-Халили Квант
- 2. Введение
- 3. Глава 1. Фокус природы
- 4. Фуллерены и эксперимент с двумя прорезями
- 5. Глава 2. Истоки
- 6. Постоянная Планка
- 7. Излучение черного тела
- 8. Эйнштейн
- 9. Частицы света
- 10. Двойственная природа света
- 11. Нобелевская премия Эйнштейна
- 12. Бор: физик, философ, футболист
- 13. В дело вступает французский герцог
- 14. Глава 3. Вероятность и случай
- 15. Вы верите в судьбу?
- 16. Результат игры в пул
- 17. Квантовая непредсказуемость
- 18. Обводящие удары
- 19. Анатомия уравнения
- 20. Самое важное уравнение физики
- 21. Что происходит, когда мы не смотрим?
- 22. Принцип неопределенности Гейзенберга
- 23. Ядерные облака
- 24. Золотые годы квантовой механики
- 25. Радиоактивный распад
- 26. Глава 4. Причудливые связи
- 27. Суперпозиция
- 28. «Объяснение» фокуса с двумя прорезями
- 29. Квантовые интерферометры
- 30. Нелокальность
- 31. Запутанность
- 32. Эксперимент ЭПР
- 33. Квантовый похититель драгоценностей
- 34. ЭПР-парадокс и теорема Белла
- 35. Квантовая хаология
- 36. Глава 5. Наблюдатели и наблюдаемое
- 37. Что видишь, то и получишь
- 38. Гамма-микроскоп Гейзенберга
- 39. «А потом происходит еще кое-что»
- 40. Кот Шрёдингера
- 41. Не говори, какой счет
- 42. Два этапа проблемы измерения
- 43. Декогеренция
- 44. Решает ли декогеренция проблему измерения?
- 45. Глава 6. Великий спор
- 46. Формализм против интерпретации
- 47. Копенгагенская интерпретация
- 48. Нужна ли теории интерпретация?
- 49. Интерпретация де Бройля – Бома
- 50. Многомировая интерпретация
- 51. Что еще есть на рынке?
- 52. Где мы сейчас?
- 53. Квантовая реальность с позиции де Бройля и Бома
- 54. Глава 7. Субатомный мир
- 55. Таинственные лучи повсюду
- 56. Внутрь атома
- 57. Квантовый спин
- 58. Внутрь ядра
- 59. Принцип исключения Паули
- 60. Создание частиц из воздуха
- 61. Ядерные взаимодействия
- 62. Антивещество
- 63. Квантовое туннелирование
- 64. Кварки
- 65. Элементарные компоненты
- 66. Глава 8. В поисках теории всего
- 67. Квантовая теория света
- 68. Калибровочные теории и симметрии
- 69. Цветная сила
- 70. Великое объединение
- 71. Что насчет гравитации?
- 72. Урок Планка
- 73. Теория струн
- 74. Урок Эйнштейна
- 75. Подчеркивая отрицание
- 76. Глава 9. Применение кванта
- 77. Эпоха микрочипа
- 78. Отличная идея ищет применение
- 79. Магниты размером с дом
- 80. Непрерывное электричество
- 81. Энергия из ядер
- 82. Квантовая механика в медицине
- 83. Квантовая механика и генетические мутации
- 84. Микроскопы для наблюдения за атомами
- 85. Атомная инженерия и нанотехнологии
- 86. Конденсаты Бозе – Эйнштейна
- 87. Квантовая механика и биология
- 88. Глава 10. В новое тысячелетие
- 89. Умные эксперименты
- 90. Как отследить атом
- 91. Наблюдая декогеренцию в действии
- 92. Рекордная запутанность
- 93. Квантовая криптография
- 94. Закон Мура
- 95. Кубиты
- 96. Так на что способен квантовый компьютер?
- 97. Квантовые вычисления
- 98. Квантовые логические вентили
- 99. Квантовое клонирование
- 100. Как построить квантовый компьютер
- 101. Квантовый мозг
- 102. Квантовая телепортация
- 103. Литература для дополнительного чтения
- 104. Авторы иллюстраций
- 105. Благодарности
- 106. Примечания
- 107. 1
- 108. 2
- 109. 3
- 110. 4
- 111. 5
- 112. 6
- 113. 7
- 114. 8
- 115. 9
- 116. 10
- 117. 11
- 118. 12
- 119. 13
- 120. 14
- 121. 15
- 122. 16
- 123. 17
- 124. 18
- 125. 19
- 126. 20
- 127. 21
- 128. 22
- 129. 23
- 130. 24
- 131. 25
- 132. 26
- 133. 27
- 134. 28
- 135. 29
- 136. 30
- 137. 31
- 138. 32
- 139. 33
- 140. 34
- 141. 35
- 142. 36
- 143. 37
- 144. 38
- 145. 39
- 146. 40
- 147. 41
- 148. 42
- 149. 43
- 150. 44
- 151. 45
- 152. 46
- 153. 47
- 154. 48
- 155. 49
- 156. 50
- 157. 51
- 158. 52
- 159. 53
- 160. 54
- 161. 55
- 162. 56
- 163. 57
- 164. 58
- 165. 59
- 166. 60
- 167. 61
- 168. 62
- 169. 63
- 170. 64
- 171. 65
- 172. 66
- 173. 67
- 174. 68
- 175. 69
- 176. 70
- 177. 71
- 178. 72
- 179. 73
- 180. 74
- 181. 75
- 182. 76
- 183. 77
- 184. 78
- 185. 79
- 186. 80
- 187. 81
- 188. 82
- 189. 83
- 190. 84
- 191. 85
Комментариев: 0