Отличаются ли различные интерпретации квантовой механики эмпирически?

Неправда, что все различные интерпретации не (в принципе) экспериментально различимы. Рассмотрим разницу между Копенгагенской интерпретацией (КИ), теорией де Бройля-Бома (ТТ) и многомировой интерпретацией (ММИ). BT предполагает, что при нормальных обстоятельствах у нас есть так называемое квантовое равновесие, и только тогда вы получаете обычные предсказания стандартной квантовой механики, которые вы получаете, когда предполагаете КИ. Это означает, что вы можете попытаться обнаружить небольшие отклонения точного квантового равновесия, подробности см. здесь .

Если ММИ верен, то эволюция во времени всегда абсолютно унитарна. КИ не объясняет, как мы приходим к неунитарному коллапсу, но предполагает, что такая вещь существует. Это означает, что по крайней мере в принципе должны быть обнаруживаемые эффекты. Системы, которые хорошо изолированы от окружающей среды, должны претерпевать неунитарную временную эволюцию со скоростью, превышающей скорость, которую можно объяснить как вызванную декогерентностью остаточных взаимодействий, которые она все еще имеет с окружающей средой.

Дэвид Дойч предложил мысленный эксперимент, чтобы проиллюстрировать, что MWI экспериментально не эквивалентен CI. Предположим, что экспериментатор с искусственным интеллектом моделируется квантовым компьютером. Он будет измерять оператор A = |0><0| - |1><1|. Кубит инициализируется в состоянии |1/sqrt(2)[|0> + |1>]. Затем КИ предсказывает, что после измерения состояние кубита подвергается неунитарному коллапсу в одно из двух возможных собственных состояний A, т.е. |0> или |1>. MWI утверждает, что состояние всего квантового компьютера разделяется на две ветви, соответствующие любому из возможных результатов.

Чтобы решить, кто прав, экспериментатор решает позволить компьютеру выполнить унитарную временную эволюцию, соответствующую обращению конечного состояния квантового компьютера (согласно MWI) в начальное состояние, но при этом сохранить запись о том, что измерение было выполнено. . Это преобразование в модифицированное начальное состояние по-прежнему является унитарным и, следовательно, может быть реализовано (все унитарные преобразования могут быть реализованы с использованием только CNOT и вращения одного кубита).

Затем легко проверить, что, если CI правильный, вы не вернете желаемое измененное начальное состояние, а разницу между двумя состояниями кубита, который вы получите, можно легко обнаружить, выполнив измерения на нем.

Нет, интерпретации квантовой механики неразличимы в физическом эксперименте, иначе их назвали бы теориями, а не интерпретациями.

Следует отметить, что есть некоторые теории, которые их авторы называют «интерпретациями», но на самом деле таковыми не являются. Например, «теории объективного коллапса» часто (ошибочно) называют «интерпретациями». Эти теории можно физически доказать или опровергнуть, и они предсказывают наблюдения, отличные от стандартной квантовой механики (со всеми ее интерпретациями).

Тем не менее, это не означает, что интерпретации вообще нельзя различить экспериментально. Может быть, они и могут быть, но эксперимент, который позволил бы их различить, не был бы физическим (или научным) экспериментом в том смысле, что он не удовлетворял бы требованиям научного метода.

Все научные эксперименты, касающиеся квантовой механики, должны давать одни и те же результаты при различных интерпретациях.

На бумаге разница между теорией и интерпретацией очень ясна. Если два разных набора идей/объяснений порождают экспериментально различимые предсказания, то это две разные теории. Если они используют разные концепции, но дают идентичные экспериментально проверяемые предсказания, то это две разные интерпретации одной и той же физической теории.

На практике все не так однозначно. С практической точки зрения, мы, конечно же, в настоящее время не обладаем ни теоретической, ни экспериментальной способностью однозначно фальсифицировать многомировую или копенгагенскую интерпретацию в любом эксперименте, который действительно можно провести в реальном мире. Но, как указывает граф Иблис, вероятно ,некоторые гипотетические эксперименты, которые их отличают, которые могут быть выполнены в принципе, но никогда не могут быть осуществимы на практике. (Я думаю, что то же самое относится и к интерпретации де Бройля-Бома, хотя я недостаточно знаком с этой интерпретацией, чтобы сказать наверняка.) Например, декогеренция определяется как исчезновение всех элементов пониженной плотности системы. матрицы, которые являются недиагональными в некотором базисе, известном как «базовый указатель». Но совершенная декогеренция — это идеализация; на практике недиагностические элементы будут экспоненциально малы, но никогда не будут равны нулю. (Аналогичным образом всегда будет невероятно многоточечное туннелирование, соединяющее различные ветви волновой функции, которые появляются в миллионном порядке теории возмущений.)

Таким образом, с практической точки зрения многомировая и копенгагенская интерпретации эквивалентны как физические теории в рамках нашего нынешнего понимания. В принципе, их почти наверняка можно различить, если можно проводить эксперименты с произвольной точностью и иметь бесконечную вычислительную мощность. Я бы сказал, что мы еще недостаточно хорошо понимаем различные интерпретации, чтобы судить, будут ли они когда-либо экспериментально различимы на практике с помощью обозримой технологии.

Таким образом, вы можете подойти к этой ситуации по-разному и принять любую из следующих (защитимых) точек зрения:

1. Предсказания MWI и Копенгагена на практике неразличимы, поэтому они представляют собой разные интерпретации одной и той же теории.
2. Прогнозы MWI и Копенгагена в принципе различны, поэтому это разные теории, но на практике они эквивалентны.
3. Мы недостаточно хорошо понимаем MWI и Копенгаген, чтобы судить, будут ли они экспериментально различимы в будущем. Так что мы пока не знаем, являются ли они разными теориями или просто разными интерпретациями.
4. Мы недостаточно хорошо понимаем MWI и Копенгаген, чтобы судить, будут ли они когда-либо экспериментально различимы в будущем. Но мы должны зарезервировать термин «теория» для обозначения «чего-то, что мы действительно знаем, как различить на практике», и использовать «интерпретации» для обозначения «идей, которые мы в настоящее время не знаем, как различить экспериментально». Таким образом, различие между теорией и интерпретацией зависит от текущих знаний научного сообщества о предмете. MWI и Копенгаген в настоящее время являются просто двумя разными интерпретациями одной и той же теории, но в конечном итоге они станут двумя разными теориями по мере развития нашего понимания и / или экспериментальных технологий.

Это различие между фактическими экспериментами и «теоретическими экспериментами» (термин с интересной полупротиворечивой природой) встречается и в других областях физики. Например, эссе Скотта Ааронсона « Почему философы должны заботиться о сложности вычислений » представляет несколько иной взгляд на некоторые родственные идеи и убедительно доказывает, что философы должны серьезно относиться к практическим ограничениям того, какие эксперименты и расчеты могут быть выполнены в реальном мире.

Я не знаю, могут ли все интерпретации быть отличимы друг от друга. Но, пройдя по ссылке один раз, я подумал, что Ашер Перес, вероятно, имел в виду, что все интерпретации (де Бройль-Бом, MWI и т. д.) не будут иметь никакого влияния на вероятность результатов измерения (предсказания QM), т.е. на количество щелчков детекторов. . В этом смысле все эксперименты с измерениями (наблюдаемыми в КМ) будут давать вероятностные результаты, и различные интерпретации должны объяснять результаты, которые носят вероятностный характер, и все интерпретации являются просто различными способами исключить эту вероятностную природу, т.е. интерпретировать причины индетерминизма, который представляет собой один из основных постулатов КМ (как указывал Том).

Однако были проведены эксперименты, чтобы проверить, согласуется ли QM с теорией локальных скрытых переменных. Можно измерить совместную вероятность и показать, что КМ нарушает неравенство Белла. В этом смысле можно показать, что QM нарушает теорию локальных скрытых переменных ( http://en.wikipedia.org/wiki/Bell_test_experiments ). Для других интерпретаций есть некоторые мысленные эксперименты (как указал @Count Iblis). Но, насколько мне известно, таких экспериментов до сих пор не проводилось.

В названии «интерпретации» подразумевается, что они считаются неразличимыми эмпирически. В чем все согласны, так это в том, как рассчитать эмпирически проверяемые прогнозы. Это по сути математика, и если у вас очень математический склад ума, вы можете предложить аксиомизировать ее, то есть найти минимальное количество аксиом (постулатов), из которых она следует. Очевидно, что, как и в случае с любой другой системой аксиом, здесь присутствует некоторая доля личных предпочтений: многие называют таким постулатом зависящее от времени уравнение Шредингера. Я лично предпочитаю использовать двойственность материи и волны де Бройля только в качестве постулата и вывести, например, (нерелятивистское) уравнение Шредингера для свободных массивных частиц из нерелятивистского соотношения импульс-энергия, выраженное для плоских волн (которые являются одним из возможных и, следовательно, достаточным выбором для базисной системы для выражения любой волны). Боюсь, все, что можно вкратце сказать, это то, что не существует общепринятого мнения о том, какие постулаты/аксиомы использовать; мы, физики, согласны только с (хорошо проверенным) результатом, и, возможно, то, как именно его получить, является по крайней мере в такой же степени вопросом математики, как и физики.

Хотя слово «интерпретации», безусловно, было исторически правильным словом, можно привести веские аргументы в пользу того, что некоторые теории, носящие историческое название «интерпретация», действительно могут быть проверены, по крайней мере, если вы примете достаточно широкий подход к проверкам, чтобы позволить мысленные эксперименты. Большинство интерпретаций не могут разрешить парадоксы, такие как кот Шредингера, парадокс ЭПР или как определить, что представляет собой измерение (или как физически возможен коллапс волновой функции, учитывая, что квантово-механическая эволюция допускает только унитарное, то есть неколлапсирующее, время). -эволюция). Это означает, что большинство «интерпретаций» не проходят тест на логическую непротиворечивость, иначе не было бы таких парадоксов.

Даже в том, что касается экспериментальных проверок, у нас есть как минимум две: экспериментально продемонстрировано нарушение неравенства Белла, что является проверкой скрытых локальных переменных, которые в противном случае остались бы хорошей игрой для диковинных «интерпретаций». А упрощенная форма кота Шредингера может быть реализована в квантовом компьютере с 2 кубитами, где моделирование декогеренции как взаимодействия с окружающей средой (которой может быть реальная неконтролируемая среда или смоделированная с помощью большего количества кубитов) дает экспериментально проверяемую подробную теорию того, как именно кошка вырвалась бы из своей любопытной суперпозиции. Если хотите, это представляет собой эмпирическую проверку того, что парадокс кота Шредингера на самом деле не является парадоксом, и любая интерпретация, которая не может разрешить его, должна быть неверной или, по крайней мере, неполной теорией.

Наконец, существует проблема времени повторения. Поскольку квантовая механика допускает только унитарные преобразования, по сути, повороты (и отражения) в гильбертовом пространстве большой размерности, она предсказывает, что в конце концов все повторяется, хотя, скорее всего, из-за высокой размерности только через время, которое ошеломительно огромно, даже если по сравнению с космологическими временными масштабами. Это противоречит термодинамике и теории относительности (по крайней мере, если это справедливо для постоянно расширяющихся вселенных). Очевидно, для этого должны быть тесты, но найти их на удивление сложно. Например, даже в теории ожидание времени повторения расстраивается тем фактом, что если бы оно существовало как таковое, все записи и воспоминания вернулись бы, и мы снова задались бы вопросом, стоит ли нам начинать эксперимент впервые! Тем не менее, в системах, достаточно малых, чтобы мы могли достаточно изолировать их от окружающей среды, чтобы иметь короткие и наблюдаемые повторения (которые экспериментаторы стали называть «возрождением»), они явно происходят. По крайней мере, в той мере, в какой вы считаете, что это достаточно хорошо, чтобы быть хотя бы частичной проверкой повторяемости Вселенной в целом, это, конечно, противоречит любому постулату о коллапсе волновой функции.

Что касается интерпретации QM, существует несколько школ мысли. Судя по всему, Ашер принадлежит к школе "просто заткнись и посчитай". Он знает, что классической интуиции недостаточно, чтобы понять QA. Но ваш термин «объективное значение» необходимо уточнить, поскольку в КМ измерения свойств объекта (скажем, электрона) не могут быть независимыми от системы или наблюдателя, выполняющего измерение, когда измерение производится. Может ли быть такое понятие, как объективный смысл, когда смысл обязательно должен быть для человека нарративом, насыщенным собственными воплощенными метафорами субъекта? Я утверждаю, что понимание любого объекта, особенно такого, который нельзя непосредственно наблюдать, не может быть полностью очищено от субъекта.

Вот то минимальное количество постулатов, которое я получил из своего онлайн-курса в Массачусетском технологическом институте с профессором Адамсом (что действительно здорово): QM, лекция 3.

1. Конфигурация или состояние квантового объекта полностью определяется волновой функцией, обозначаемой как$\psi(x)$.

2. $p(x) = |\psi(x)|^2$определяет вероятность (плотность) того, что объект в состоянии ψ(x) будет находиться в позиции$x$.

3. Даны два возможных состояния квантовой системы, соответствующие двум волновым функциям$\psi_a$а также$\psi_b$, система также может находиться в суперпозиции$\psi = \alpha\psi_a + \beta\psi_b$с$\alpha$а также$\beta$как произвольные комплексные коэффициенты, удовлетворяющие нормировке.