Является ли квантовая неопределенность неотделимой от наблюдения?

Квантовая неопределенность неотделима от наблюдения, потому что то, что мы считаем «квантовой неопределенностью», связано с интерпретациями КМ, а не с математической моделью, лежащей в основе КМ.

(Я ожидаю, что этот вопрос будет перенесен в Physics.SE, потому что это действительно больше вопрос физики, чем вопрос философии. Когда он попадет туда, я знаю, что его увидят те, кто хочет технической точности. Этот ответ написан из перспектива очень высокого уровня, чтобы связать более философские аспекты QM. Пожалуйста, простите любые технические ошибки, которые возникают в этом процессе)

Когда вы действительно приступите к делу, QM — это модель. Это набор математических уравнений, которые, по мнению некоторых, описывают поведение чего-либо в реальном мире. Эти математические уравнения очень хорошо описаны на жестком языке математики. Если вы сможете поставить эксперимент на языке этой математической модели, все придут к единому мнению, каким будет результат эксперимента (тоже на языке этой математической модели). Сложность заключается в том, чтобы придать этим математическим приемам смысл реальной жизни.

Сначала рассмотрим классический пример. Возьмем модель x=1/2*a*t^2 + v_0^*t + x_0, которую мы назовем «кинематической моделью». Все согласятся, что если взять a=2, t=3, v_0=1и x_0=0, модель предскажет это x=12. Это просто. Но что значит сказать x=12. Это интерпретационная часть проблемы. Как только я скажу, что «a — ускорение объекта», «t — время, в течение которого движется объект», «v_0 — начальная скорость объекта» и «x_0 — начальное положение объекта», я могу утверждать, что «x — конечная позиция объекта». Пока я не добавлю эту интерпретацию, это просто математика. Как только интерпретация добавлена, она становится моделью физического мира вокруг нас, которую можно проверить.

Так что же такое «начальная скорость объекта»? Это много слов. Чтобы описать, что я имею в виду, мне понадобятся другие слова. Например, нам придется прийти к соглашению относительно значения скорости. Для большей части физики предполагается, что у нас есть консенсус относительно значений этих слов, поэтому мы используем их небрежно. Если я изучаю вход космического корабля НАСА в атмосферу, я буду использовать такие термины, как «поток энергии в свободном пространстве», предполагая, что все согласятся с тем, что означает этот термин.

С QM все сложнее. Связь между миром, который мы можем наблюдать эмпирически, и математикой КМ более натянута, чем в других аспектах физики. Мы говорим о таких вещах, как «измерения», которые являются очень естественными понятиями в масштабе человеческого эмпирического взаимодействия, но они не совсем интуитивно ведут себя, когда вы становитесь действительно маленьким. Таким образом, ученым приходится тратить больше времени на объяснение своих интерпретаций того, как мы должны думать об отражении реальности моделью. Фактически вся концепция неопределенности возникает на уровне интерпретации КМ. Лежащие в основе уравнения волновой функции представляют собой прямолинейные детерминированные математические уравнения. Именно в применении этих математических уравнений мы обнаруживаем потребность в неопределенности. Знаменитый принцип неопределенности Гейзенбурга применим только к очень конкретному набору состояний. Так уж получилось, что, когда вы пытаетесь применить КМ к реальности, эти состояния возникают снова и снова и становятся очень важными.

Одна из проблем, с которыми QM столкнулась в первые дни, была отражена в четырех атрибутах интерпретации, которые были желательны. Используя термины Эйнштейна для них, они были:

• Реализм — идея о том, что вещи объективно существуют, даже если их не измеряют. Если вы верите, что вселенная реальна, то вы верите, что можете посмотреть на луну, а затем отвернуться и быть уверенными, что луна не перестала существовать в тот момент, когда вы от нее отвернулись. Он сохраняется независимо от того, наблюдают его или нет.
• Полнота. Идеалом для многих является полная интерпретация, что означает, что она объясняет все наблюдаемое в физическом мире. Теория, предсказывающая точное поведение всего в мире, за исключением одной центральной точки вселенной, где Локи решает, что происходит, не будет полной. Вообще говоря, физики стремятся к полноте.
• Детерминизм — идея о том, что в модель не заложена случайность. Когда вы пытаетесь объяснить, почему люди должны потратить несколько лет на изучение вашей теории о том, как устроена Вселенная, им нравится знать, что они узнают что-то стоящее. С этим легче спорить, если ваша теория детерминирована.
• Локальный реализм (также известный как Локальность) — это странное требование, но очень важное для QM. Локальный реализм — это идея о том, что все наши измерения измеряют что-то реальное, а эффекты измерения не превышают скорость света. Столько всего говорит о том, что свет является «пределом скорости» для нашей Вселенной, что к теориям, основанным на его превышении, относятся с подозрением. Это также важно, потому что, если ваша интерпретация имеет ограничение скорости, это дает твердую и быструю гарантию, что Локи (на этот раз сверхмассивная черная дыра, а не скандинавский бог) не сможет повлиять на ваши результаты быстрее, чем вы сможете наблюдать за Локи. влиять на себя.

По ходу дела они обнаружили, что невозможно преобразовать математику модели квантовой механики в реальность, не пожертвовав одним из этих атрибутов. Что-то должно пройти.

Копенгагенская интерпретация, безусловно, самая известная, принесла в жертву детерминизм. В нем говорилось, что наблюдение вызовет «коллапс формы волны», который превращает суперпозицию квантовых состояний в одно классическое состояние. В какое состояние он попадет, определяется случайным образом с использованием теории вероятностей. Большинство людей понимает квантовую неопределенность из Копенгагенской интерпретации, потому что она выиграла политическую борьбу и закрепилась как самая популярная интерпретация. Тем не менее, это полная путаница. Каждый достойный ученик в конце концов спрашивает: «Что вообще такое наблюдение?» Это кажется довольно важной вещью, поскольку она приводит к коллапсу волновых форм. Оказывается, наивные ответы на этот вопрос быстро заходят в тупик.

Другие интерпретации отказываются от других вещей. Одна интерпретация, на мой взгляд, очень полезна для вас в понимании вопросов, которые вы исследуете: Интерпретация многих миров (MWI). MWI — это полностью детерминистическая интерпретация, означающая, что состояние текущей Вселенной полностью описывает будущее состояние Вселенной без какой-либо неопределенности. Как это сделать? Он отказывается от чего-то дорогого: реализма. В рамках MWI нельзя сказать, что какой-либо объект имеет объективное состояние, которое поддается измерению. Вместо этого предполагается, что все состояния субъективны по отношению к наблюдателю. В MWI вы не можете сказать «луна существует», а скорее должны сказать «существует ли луна, согласуется ли это с моими наблюдениями о том, существует ли луна».

Принося эту жертву, а не детерминизм, MWI на самом деле намного упрощает придерживаться фактической математики. Возьмите кота Шредингера. Для энтузиастов Копенгагена это очень требовательное исследование в выборе слов. В копенгагенской интерпретации нет ничего, что искажало бы то, что происходит в мысленном эксперименте с котом Шредингера, но у большинства людей начинается крапивница при мысли о коте, который находится в суперпозиции состояний как мертвого, так и живого (в просторечии называемого «полуживым»). и полумертвый», хотя на самом деле это технически неточная формулировка и вводит людей в заблуждение). Теперь рассмотрим MWI. Как и в Копенгагене, MWI начинает с описания кота в суперпозиции состояний, связанных с состоянием радиоактивного изотопа в ящике. Однако, как только наблюдение происходит, вместо того, чтобы возникать какой-то сложный коллапс формы волны, MWI использует более простой подход. О состоянии кота (живой или мертвый) нельзя говорить объективно. Об этом можно говорить только по отношению к наблюдателю. Таким образом, мы говорим: «Состояние кошки согласуется с наблюдаемым состоянием наблюдателя. Если кошка жива, мы можем быть уверены, что наблюдатель измерил ее как живую. Если кошка мертва, мы можем быть уверены, что наблюдатель измерил ее как мертвую. " Дело закрыто. Это действительно элегантно... если вы можете переварить возможность того, что вселенная не может быть "реальной". наблюдаемое состояние. Если кошка жива, мы можем быть уверены, что наблюдатель измерил ее как живую. Если кошка мертва, мы можем быть уверены, что наблюдатель измерил ее как мертвую». Дело закрыто. Это действительно элегантно… если вы можете переварить возможность того, что вселенная не может быть «реальной». наблюдаемое состояние. Если кошка жива, мы можем быть уверены, что наблюдатель измерил ее как живую. Если кошка мертва, мы можем быть уверены, что наблюдатель измерил ее как мертвую». Дело закрыто. Это действительно элегантно… если вы можете переварить возможность того, что вселенная не может быть «реальной».

Вот почему я говорю, что квантовая неопределенность неотделима от наблюдения. Неопределенность появляется в истории только тогда, когда начинают использовать интерпретацию, чтобы связать математическую модель с эмпирическим значением в нашей вселенной. В разных интерпретациях есть разные способы справиться с этим, включая те, которые допускают полный детерминизм во вселенной. Если вы можете допустить детерминистическую интерпретацию КМ, то индетерминизм должен быть связан с интерпретацией, а не с чем-то из математики ниже.