Является ли Копенгагенская интерпретация фальсифицируемой?

Кот Шредингера и мертв, и жив, пока не будет сделано наблюдение.

Это очень вводящий в заблуждение (и жестокий) мысленный эксперимент, в котором кошка используется в качестве детектора квантово-механического поведения распадающихся частиц.

Невозможно определить, какая частица распадется, у каждой есть вероятность распада, а эксперимент с кошкой подчеркивает вероятностный характер квантовой механики и смешивает макроскопическое восприятие с микроскопической реальностью, imo.

Макроскопические объекты должны рассматриваться классически, поскольку они представляют собой волновые функции порядка 10 ^ 23, которые на кошачьем уровне являются некогерентными и, следовательно, классическими по своему поведению.

Нет никакого способа различить интерпретации экспериментально. Они описывают одни и те же данные. Если бы они этого не делали, их нельзя было бы назвать интерпретациями. Интерпретация, не согласующаяся со всеми микроскопическими измерениями, будет фальсифицирована и больше не будет в списке.

Изменить после редактирования вопроса:

То же самое и с копенгагенской интерпретацией? Это действительно что-то говорит о мире?

Он использует математическую модель, на которой он основан, для описания существующих экспериментальных данных и прогнозирования будущего поведения. До сих пор он постоянно подтверждается, даже когда он распространяется на новые кинематические режимы, как в специальной и общей теории относительности.

Другие интерпретации в списке либо имеют свои проблемы (не могут быть распространены) на новые кинематические режимы, как в случае с теорией Бома, либо слишком концептуально сложны, чтобы помочь в развитии интуиции в данных микромира, и поэтому основное преподавание физики не использует их. .

В этом смысле речь идет о сложности математического языка.

Возможно (как и в случае с ньютоновской «частичной природой света»), что будущие экспериментальные данные в новых кинематических режимах могут выбрать другую интерпретацию, отличную от C, для новых данных из режимов более высоких энергий или немыслимых в нынешних граничных условиях. . Это не умаляет полезности простоты интерпретации C в существующих данных. Мы по-прежнему используем классическую механику в должном режиме.

Можно ли понять квантовую теорию просто через вероятности, без «самопротиворечивых» описаний?

В мейнстримном физическом опыте, да.

Самый простой способ понять эксперимент с двумя щелями, по одному электрону за раз, который показывает, что на квантовом уровне электрон является квантово-механической частицей, — это копенгагенская интерпретация с вероятностями.

В верхней рамке точки — это следы электронов в эксперименте «рассеяние электронов на двух щелях заданной геометрии». Это то, что ожидается от частицы, специфический сигнал в точке (x, y, z). Однако постепенное накопление показывает интерференционную картину волны. Нет самопротиворечивого описания. Просто открытие того, что в микромире частицы не являются бильярдными шарами, которые имеют случайное распределение вероятностей при их разлете. У электронов есть и другие атрибуты, которые интерпретация C описывает с помощью вероятностей взаимодействия с комплексно-сопряженным квадратом конкретной волновой функции, конкретных дифференциальных уравнений (называемых волновыми уравнениями из-за синудоидальных решений, которые они дают) в заданных граничных условиях рассеяния электронов. от двух щелей.

Редактировать:

В комментарии к другому ответу вы говорите о своем основном предубеждении:

Моя интерпретация состоит в том, что мир детерминирован, а вероятности возникают из-за отсутствия достаточного количества знаний для предсказания состояний. Не проще ли эта интерпретация? Это также распространенное мнение среди квантовых ученых, я имею в виду детерминизм?

В настоящее время, как вам ответили в комментариях, детерминизм проявляется в распределениях вероятностей, которые можно определить абсолютно с учетом граничных условий.

Теория волн-пилотов Бома пытается сгенерировать классические распределения вероятностей, чтобы объяснить успешность решений уравнения Шредингера, и это удается при нерелятивистских энергиях, поэтому она называется интерпретацией. Это чрезвычайно сложно и спотыкается, когда дело доходит до специальной теории относительности. Что касается бритвы Оккама, то она действительно очень сложна теоретически и не прижилась.

В предыдущем обсуждении выяснилось, что интерпретация отличается от теории тем, что теорию можно опровергнуть, а интерпретацию — нет. В самом деле, если все интерпретации КМ полны, все они имеют одни и те же предсказания и, следовательно, не могут быть различимы экспериментально.

Действительно, интерпретация — это инструмент, и ее можно в определенном смысле фальсифицировать. Интерпретации помогают нам понять контекст теории, применить ее и расширить. Они помогают нам определить, когда теория имеет отношение к эксперименту и к нашему интуитивному пониманию того, как устроен мир. Если интерпретация привела бы нас к применению устоявшейся теории к новой ситуации, а затем эта теория терпит неудачу в этой ситуации, что было фальсифицировано? Можно возразить, что интерпретация была. И если это неудачное расширение теории приведет к корректировке интерпретации, это может омрачить наше понимание всех предыдущих успешных применений теории.

Как правило, теории предшествует интерпретация. Подумайте об этом: если вы хотите разработать количественную теорию того, как что-то работает, вы начинаете со своей интуиции системы. Вы думаете о соответствующих физических параметрах и переменных, а также о том, как они могут взаимодействовать. Только после этого вы записываете уравнение, описывающее систему. Это уравнение является вашей теорией, и оно делает предсказания, которые могут быть опровергнуты, при условии, что вы понимаете (благодаря своей интерпретации) значение переменных уравнения. Мой любимый пример$F=ma$, что, как можно было бы утверждать, верно по определению. Но это не просто определение, потому что оно совершенно бесполезно, если у нас нет интерпретационного понимания связи с нашим миром того, что такое сила , масса и ускорение . Что это, на самом деле, за вещи? Теория строится из интерпретации.

Но квантовая механика отличается. Для КМ уравнения исторически стояли на первом месте. То, что предсказывают уравнения, настолько нелогично, что не существует согласованной интерпретации, которая однозначно связывала бы механику КМ с миром, в котором мы живем, и в настоящее время у нас есть несколько интерпретаций, каждая из которых «объясняет» одну и ту же фундаментальную механику. Всякий раз, когда появляется новый эксперимент, который может противоречить интерпретации (например, эксперимент Афшара , «опровергающий» интерпретационный принцип дополнительности), тогда интерпретации адаптируются (хотя некоторые адаптируются более естественно, чем другие).

Но значит ли это, что интерпретации бесполезны для КМ? Должны ли мы просто «заткнуться и вычислить»? Нет, конечно нет. Как я уже говорил, интерпретации — это инструменты. Их все еще можно использовать, чтобы помочь нам понять, как применять МК в новых ситуациях, и дать нам контекст, с помощью которого можно расширить теорию по мере необходимости. В той мере, в какой интерпретация полезна для этого, она является хорошей интерпретацией. Если вам нравится бомовский детерминизм, и вы можете использовать его, чтобы помочь вам применять QM, тогда он успешен. Если это приводит к тому, что вы применяете или расширяете МК способом, несовместимым с экспериментом, то оно терпит неудачу. Это способ, которым интерпретация может быть «фальсифицирована».

На самом деле стимулом к ​​копенгагенской интерпретации было что-то вроде «мы знаем только то, что получаем из измерений, поэтому нам все равно, что происходит между ними». Рассмотрим два утверждения:

О. Мы получаем это состояние с этой вероятностью при выполнении измерений, и нам все равно, что происходит между ними.

B. Между измерениями система находится во всех возможных состояниях одновременно.

Если вы хотите фальсифицировать Копенгагенскую интерпретацию, вы должны фальсифицировать утверждение А, а не утверждение Б.

Ninja edit: Некоторые авторы утверждают (не знаю, откуда они это знают), что, когда Максвелл работал над своей теорией электродинамики, он представлял себе пространство, заполненное маленькими шестеренками и кривошипами, передающими воздействия. Однако, когда вы хотите фальсифицировать Максвелла, вы стремитесь к его предсказаниям (что мы получим, если будем измерять эту вещь таким образом), а не к этим шестерням.

Никто еще не придумал экспериментального способа различить Копенгагенскую интерпретацию и интерпретацию многих миров. В обоих случаях неопределенные возможности недоступны, пока они не измерены; и после того, как измерение выполнено, все доступные аспекты реальности согласуются с результатом измерения. Интерпретация многих миров говорит, что другие возможности остаются реальными, но недоступными; Копенгагенская интерпретация говорит, что они перестают быть реальными и поэтому недоступны. С точки зрения экспериментатора разницы нет. Кто-то скажет, что бритва Оккама отдает предпочтение Копенгагену; кто-то сказал бы, что это благоприятствует множеству миров; каждый кажется по-своему абсурдным, но оба до сих пор прошли все экспериментальные проверки.

Интерпретация не может быть фальсифицирована экспериментом, но может быть фальсифицирована логикой. Концепция КИ о коллапсе волновой функции нарушает причинно-следственную связь. Этот факт фальсифицирует для меня КИ, так как я не желаю отказываться от причинности ради интерпретации.

Если мы поместим Копенгагенскую интерпретацию в более широкий класс интерпретаций объективного коллапса, то да, можно «фальсифицировать» Копенгагенскую интерпретацию.

Эти интерпретации утверждают, что всегда есть шанс, что состояние суперпозиции рухнет в (или к) одно состояние суперпозиции или другое. Вероятность этого коллапса связана с «величиной»* суперпозиции. Таким образом, если вы создадите суперпозицию большого камня, находящегося в двух местах одновременно, он очень быстро разрушится, тогда как суперпозиция электрона в двух местах сразу почти никогда не разрушится. Конечно, когда электрон измерен, он теперь связан с измерительным устройством, которое является «большим». Это означает, что как только измерение будет выполнено, становится весьма вероятным, что система немедленно рухнет.

Этот постулат «коллапса» требует расширения унитарной временной эволюции «ортодоксальной»* квантовой механики, к которой многомировые интерпретации относятся очень серьезно. Это расширение означает, что законы физики для объективных моделей коллапса отличаются от законов физики «ортодоксальной» квантовой механики. Разница должна быть физически измеримой. На самом деле это так.

Традиционная квантовая механика говорит, что если вы создаете состояние суперпозиции, и эта суперпозиция ни с чем не взаимодействует, то она будет существовать вечно. Объективные модели коллапса говорят, что даже если система ни с чем не взаимодействует , она все равно вероятностно рухнет через некоторое время. Это тестируемая разница.

Я предлагаю следующий эксперимент с двумя щелями. Поместите частицу в суперпозицию. Проденьте его через двойную щель. Пусть суперпозиция распространяется через пространство за время$T$. Измерьте местоположение частицы. Повторяйте много раз. Если суперпозиция сохраняется, то, глядя на все результаты, вы увидите интерференционную картину. Если это не так, то вы увидите, как интерференционная картина стирается, а контраст уменьшается.

Теперь измените время$T$и повторить. Теперь измените массу$M$или размер частицы и состояние суперпозиции

Ортодоксальная квантовая механика говорит, что как$T$или$M$увеличивается, мы не должны видеть никаких изменений в контрасте. Объективные модели коллапса говорят, что интерференционный контраст будет уменьшаться по мере$T$и$M$увеличены. Таким образом, эти две частные интерпретации можно экспериментально различить.

Здесь есть ОЧЕНЬ важный момент. Выше я оговорил, что важно, чтобы суперпозиция не взаимодействовала ни с чем другим (частицами воздуха, фотонами, магнитными полями и т. д.), пока она находится в суперпозиции. Это связано с тем, что из-за декогеренции, если частица взаимодействует с чем-либо, ТАКЖЕ будет источником снижения контраста. Вот почему трудно проводить эти эксперименты на практике. Очень сложно сделать так, чтобы квантовые системы ни с чем не взаимодействовали. И чем больше система, тем труднее обеспечить отсутствие декогерентности.

Таким образом, чтобы выполнить описанный выше эксперимент, мы должны создать суперпозицию и посмотреть, затухает ли она в зависимости от времени, но мы также должны достаточно хорошо контролировать эксперимент, чтобы мы могли исключить любые нормальные формы декогеренции как вызывающие уменьшение контраста. Например, сейчас есть исследователи, создающие все большую и большую суперпозицию. Когда они делают суперпозицию больше или ждут дольше, они ДЕЙСТВИТЕЛЬНО видят снижение контраста. Однако они могут объяснить это типичными экспериментальными несовершенствами/декогеренцией. Таким образом, они еще существенно сравнили две интерпретации.

Однако последнее утверждение не совсем верно. Проведя этот эксперимент, они кое-что сказали о скорости этого «самопроизвольного коллапса». Они могут сказать, что экспериментально определили, что какова бы ни была скорость самопроизвольного коллапса (назовем ее$\Gamma_{SC}$), они знают, что это МЕДЛЕННЕЕ, чем скорость декогеренции,$\Gamma_{D}$, что они могут объяснить в своем эксперименте.

Они экспериментально проверили следующее ограничение на их выбор$T,M,N$и т.п.

«Ортодоксальная» квантовая механика сказала бы$\Gamma_{SC}=0$тогда как объективные модели коллапса говорят$\Gamma_{SC}>0$. Цель этих экспериментов с суперпозицией состоит в том, чтобы увеличить$T$и$M$(тем самым увеличивая$\Gamma_{SC}$) при уменьшении$\Gamma_D$чтобы увидеть, могут ли они выполнить измерение, которое нарушает это неравенство, что потребовало бы от нас обязательного добавления объективных законов коллапса к законам квантовой механики.

Как я уже упоминал, очень трудно контролировать и снижать скорость декогеренции.$\Gamma_D$. Мы все еще на много порядков далеки от проведения окончательных измерений, исключающих объективные модели коллапса для макроскопических объектов. Могут пройти десятилетия или даже больше, прежде чем мы сможем достаточно хорошо управлять квантовыми системами, чтобы пытаться создавать действительно очень большие (например, в граммовом масштабе) суперпозиции, но люди будут продолжать работать над этим.

См. эту статью для получения некоторой информации о проводимых сейчас исследованиях по созданию все более и более крупных суперпозиций.

*Здесь под величиной может пониматься масса частиц, участвующих в суперпозиции, число частиц, расстояние суперпозиции и т. д.

**Здесь я использую «ортодоксальный» для обозначения только унитарной эволюции волновой функции. Нет коллапса. Это может находиться в прямом противоречии с использованием, где «ортодоксальная» квантовая механика означает копенгагенскую интерпретацию. Вот почему я уточняю здесь. Возможно, было бы лучше сказать «квантовая механика Эверетта».

Случайность результата многократного применения правила Борна является неотъемлемой частью Копенгагенской интерпретации. Если мы обнаружим, что, например, повторные измерения спина попеременно вдоль осей x и y дают ряд результатов вверх-вниз, колмогоровская сложность которых существенно меньше длины самой цепочки; т.е. алгоритмически сжимаемая строка, то это считается фальсификацией.

Многие взаимодействующие миры - это тонкий способ реконструировать квантовую механику Бома из многих классических миров, взаимодействующих посредством некоторых простых парных взаимодействий, и в принципе его можно отличить от других традиционных теорий. Обычно утверждается, что разные интерпретации квантовой механики — это просто класс эквивалентности, отличающийся только языком, но не наблюдаемыми следствиями.

На самом деле самое строгое прочтение Копенгагенской интерпретации уже было фальсифицировано экспериментом с квантовым ластиком .