Πώς να αποκτήσετε νόημα από την κβαντική φυσική

Η κβαντομηχανική δεν είναι επιστήμη πυραύλων. Αλλά είναι σε καλό δρόμο να πάρει τη θέση της πυραυλικής επιστήμης ως μεταφορική μεταφορά για ακατανόητα μαθηματικά. Η κβαντομηχανική, σίγουρα έχετε ακούσει, είναι δυσάρεστα δύσκολο να κατανοηθεί. Αψηφά τη διαίσθηση. Δεν βγάζει νόημα. Οι δημοφιλείς επιστημονικές αναφορές το αναφέρουν αναπόφευκτα ως «περίεργο», «περίεργο», «συναρπαστικό» ή όλα τα παραπάνω.

Παρακαλούμε να διαφέρουμε. Η κβαντομηχανική είναι απόλυτα κατανοητή. Απλώς οι φυσικοί εγκατέλειψαν τον μόνο τρόπο να το κατανοήσουν πριν από μισό αιώνα. Γρήγορα προς τα εμπρός στο σήμερα και η πρόοδος στα θεμέλια της φυσικής έχει σχεδόν σταματήσει. Τα μεγάλα ερωτήματα που ήταν ανοιχτά τότε παραμένουν ανοιχτά και σήμερα. Ακόμα δεν γνωρίζουμε τι είναι η σκοτεινή ύλη, δεν έχουμε ακόμη επιλύσει τη διαφωνία μεταξύ της θεωρίας της βαρύτητας του Αϊνστάιν και του τυπικού μοντέλου της φυσικής των σωματιδίων και δεν καταλαβαίνουμε ακόμη πώς λειτουργούν οι μετρήσεις στην κβαντική μηχανική.

Πώς μπορούμε να ξεπεράσουμε αυτή την κρίση; Πιστεύουμε ότι ήρθε η ώρα να επανεξετάσουμε μια ξεχασμένη λύση, τον Υπερντετερμινισμό, την ιδέα ότι κανένα μέρος στο σύμπαν δεν είναι πραγματικά ανεξάρτητο το ένα από το άλλο. Αυτή η λύση μας δίνει μια φυσική κατανόηση των κβαντικών μετρήσεων και υπόσχεται να βελτιώσει την κβαντική θεωρία. Η αναθεώρηση της κβαντικής θεωρίας θα άλλαζε το παιχνίδι για τις προσπάθειες των φυσικών να λύσουν τα άλλα προβλήματα στον κλάδο τους και να βρουν νέες εφαρμογές της κβαντικής τεχνολογίας.

Η κβαντική μηχανική είναι παντού

Μέχρι τώρα, οι φυσικοί και οι φιλόσοφοι θεωρούσαν επίσης δεδομένο ότι δεν είναι η κβαντική μηχανική που έχει ελλείψεις, αλλά η κατανόησή μας γι' αυτήν. Για αυτόν τον λόγο, οι προσπάθειές τους να το κατανοήσουν έχουν επικεντρωθεί στην επανερμηνεία των μαθηματικών του, ελπίζοντας ότι τελικά τα πράγματα θα έρθουν στη θέση τους. Αυτό δεν έχει συμβεί και δεν πρόκειται να συμβεί. Αυτό συμβαίνει επειδή το πρόβλημα με την κβαντική μηχανική δεν είναι πρόβλημα ερμηνείας. Το πρόβλημα είναι ότι όλες οι υπάρχουσες ερμηνείες της κβαντικής μηχανικής έχουν εσωτερικές αντιφάσεις και αυτές μπορούν να επιλυθούν μόνο με μια καλύτερη θεωρία. Η κβαντομηχανική δεν μπορεί να είναι το πώς λειτουργεί η φύση στο πιο θεμελιώδες επίπεδο. πρέπει να προχωρήσουμε πέρα ​​από αυτό.

Για κάθε δίκαιο, το να διαμαρτύρεσαι για τις αδυναμίες της κβαντικής μηχανικής και να ζητάς την αντικατάστασή της είναι η χειρότερη προσβολή σε μια θεωρία τόσο δραματικά επιτυχημένη και ακριβή. Ας υπογραμμίσουμε ότι η κβαντική μηχανική, σε ηλικία άνω των 100 ετών, έχει κάνει την πιο εκπληκτική δουλειά και έχει κερδίσει κάτι περισσότερο από την υποτροφία αφοσιωμένων φυσικών.

Χωρίς την κβαντομηχανική, δεν θα είχαμε λέιζερ, δεν θα είχαμε ημιαγωγούς και τρανζίστορ, δεν θα είχαμε υπολογιστές, ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές ή οθόνες αφής. Δεν θα είχαμε μαγνητικό συντονισμό σπιν, μικροσκόπια ηλεκτρονικής σήραγγας ή ατομικά ρολόγια. Ούτε θα είχαμε καμία από τις αμέτρητες εφαρμογές που βασίζονται σε όλες αυτές τις τεχνολογίες. Δεν θα είχαμε Wi-Fi, τεχνητή νοημοσύνη, LED και η σύγχρονη ιατρική βασικά δεν θα υπήρχε επειδή τα περισσότερα εργαλεία απεικόνισης και οι μέθοδοι ανάλυσης βασίζονται πλέον στην κβαντική μηχανική. Τελευταίο αλλά εξίσου σημαντικό, κανείς δεν θα είχε ακούσει ποτέ για τους κβαντικούς υπολογιστές.

Δεν υπάρχει αμφιβολία, επομένως, ότι η κβαντική μηχανική είναι εξαιρετικά σημαντική για την κοινωνία. Αλλά για τους ίδιους λόγους, δεν υπάρχει αμφιβολία ότι θα μπορούσαμε να κερδίσουμε πολλά από την καλύτερη κατανόησή του.

Κανείς δεν καταλαβαίνει την Κβαντομηχανική

Γιατί λοιπόν ακόμη και εξέχοντες φυσικοί έχουν επανειλημμένα δηλώσει ότι η κβαντική μηχανική δεν είναι κατανοητή;

Το κεντρικό συστατικό της κβαντικής μηχανικής είναι τα μαθηματικά αντικείμενα που ονομάζονται κυματικές συναρτήσεις. Οι κυματικές συναρτήσεις περιγράφουν στοιχειώδη σωματίδια, και δεδομένου ότι τα πάντα αποτελούνται από στοιχειώδη σωματίδια, οι κυματοσυναρτήσεις περιγράφουν τα πάντα. Έτσι, υπάρχει μια κυματική συνάρτηση για τα ηλεκτρόνια, μια κυματική συνάρτηση για τα άτομα, μια συνάρτηση κύματος για τις γάτες και ούτω καθεξής. Αυστηρά μιλώντας, όλα έχουν κβαντική συμπεριφορά, απλώς στην καθημερινή ζωή οι περισσότερες κβαντικές συμπεριφορές δεν είναι παρατηρήσιμες.

Το πρόβλημα είναι ότι κανείς δεν ξέρει γιατί τα κβαντικά φαινόμενα εξαφανίζονται όταν κάποιος προσπαθεί να τα μετρήσει. Αυτό το «πρόβλημα μέτρησης» έχει ενοχλήσει τους φυσικούς από τότε που σκέφτηκαν την κβαντική μηχανική. Μέρη του παζλ έχουν εν τω μεταξύ λυθεί, αλλά αυτή η μερική λύση εξακολουθεί να μην είναι ικανοποιητική.

Για να δείτε το πρόβλημα, σκεφτείτε ότι έχετε ένα μόνο σωματίδιο και δύο ανιχνευτές, έναν αριστερό, έναν δεξιά. Εάν στείλετε το σωματίδιο αριστερά, ο αριστερός ανιχνευτής χτυπά. Εάν στείλετε το σωματίδιο σωστά, ο σωστός ανιχνευτής κάνει κλικ. Μέχρι στιγμής, δεν προκαλεί έκπληξη. Αλλά στην κβαντομηχανική μπορείτε να κάνετε περισσότερα από αυτό:Μπορείτε να έχετε ένα σωματίδιο που βρίσκεται σε δύο καταστάσεις ταυτόχρονα. Μπορείτε, για παράδειγμα, να το στείλετε μέσω ενός διαχωριστή δέσμης έτσι ώστε μετά να πηγαίνει αριστερά και σωστά. Οι φυσικοί λένε ότι το σωματίδιο βρίσκεται σε μια «υπέρθεση» αριστερά και δεξιά.

Αλλά ποτέ δεν παρατηρείτε ένα σωματίδιο σε μια υπέρθεση των αποτελεσμάτων της μέτρησης. Για μια τέτοια υπέρθεση, η κυματική συνάρτηση του σωματιδίου δεν θα σας αφήσει να προβλέψετε τι μετράτε. μπορείτε μόνο να προβλέψετε την πιθανότητα αυτού που μετράτε. Ας πούμε ότι προβλέπει 50 τοις εκατό αριστερά και 50 τοις εκατό δεξιά. Μια τέτοια πρόβλεψη έχει νόημα για μια συλλογή σωματιδίων ή για μια ακολουθία επαναλαμβανόμενων μετρήσεων, αλλά δεν έχει νόημα για ένα μόνο σωματίδιο. Ο ανιχνευτής είτε κάνει κλικ είτε όχι. Απλώς δεν υπάρχει μέτρηση 50 τοις εκατό.

Μαθηματικά, το "κλικ ή δεν κάνει κλικ" απαιτεί να ενημερώσουμε τη συνάρτηση κύματος τη στιγμή της μέτρησης, έτσι ώστε μετά τη μέτρηση το σωματίδιο να βρίσκεται 100 τοις εκατό στον ανιχνευτή στον οποίο πράγματι μετρήθηκε.

Αυτή η ενημέρωση (γνωστή και ως «κατάρρευση» της κυματικής συνάρτησης) είναι στιγμιαία. συμβαίνει ταυτόχρονα παντού. Μπορεί να φαίνεται σαν να ήταν σε σύγκρουση με το όριο ταχύτητας φωτός του Αϊνστάιν. Ωστόσο, ένας παρατηρητής δεν μπορεί να το εκμεταλλευτεί αυτό για να στείλει πληροφορίες γρηγορότερα από το φως, επειδή ο παρατηρητής δεν έχει κανέναν έλεγχο σχετικά με το αποτέλεσμα της μέτρησης.

Πράγματι, η ταυτόχρονη ενημέρωση της μέτρησης δεν είναι το κύριο πρόβλημα. Το κύριο πρόβλημα είναι ότι αν η κβαντική μηχανική ήταν -όπως πιστεύουν οι περισσότεροι φυσικοί- μια θεωρία για τα στοιχειώδη σωματίδια, τότε η ενημέρωση των μετρήσεων θα ήταν περιττή. Ο ανιχνευτής, τελικά, είναι επίσης κατασκευασμένος από στοιχειώδη σωματίδια, επομένως θα πρέπει να μπορούμε να υπολογίσουμε τι συμβαίνει σε μια μέτρηση.

Δυστυχώς, δεν είναι μόνο ότι δεν ξέρουμε πώς να υπολογίσουμε τι κάνει ο ανιχνευτής όταν χτυπηθεί από ένα σωματίδιο, εκτός αν υποθέσουμε απλώς την ενημέρωση. Είναι πολύ χειρότερο:Γνωρίζουμε ότι δεν είναι δυνατό.

Γνωρίζουμε ότι δεν είναι δυνατό να περιγράψουμε σωστά μια κβαντική μέτρηση χωρίς την ενημέρωση της κυματικής συνάρτησης, επειδή η διαδικασία μέτρησης είναι πιο περίπλοκη από τη συμπεριφορά της κυματικής συνάρτησης όταν δεν την παρατηρούμε. Η διαδικασία μέτρησης έχει ως κύριο σκοπό την αφαίρεση των υπερθέσεων μετρήσιμων αποτελεσμάτων. Μια μη μετρημένη κυματική συνάρτηση, αντίθετα, διατηρεί υπερθέσεις, κάτι που απλά δεν είναι αυτό που παρατηρούμε. Δεν έχουμε συναντήσει ποτέ ανιχνευτή που να κάνει κλικ και να μην κάνει κλικ.

Τυπικά αυτό σημαίνει ότι ενώ η κβαντομηχανική είναι γραμμική (διατηρεί υπερθέσεις), η διαδικασία μέτρησης είναι «μη γραμμική». ανήκει σε μια κατηγορία θεωριών πιο περίπλοκων από την κβαντική μηχανική. Αυτή είναι μια σημαντική ένδειξη για τη βελτίωση της κβαντικής μηχανικής, αλλά έχει περάσει σχεδόν εντελώς απαρατήρητη.

Αντίθετα, οι φυσικοί έχουν σαρώσει το αίνιγμα της κβαντικής μέτρησης κάτω από το χαλί αρνούμενοι ότι η κυματική συνάρτηση περιγράφει ακόμη και μεμονωμένα σωματίδια. Η πιο ευρέως αποδεκτή ερμηνεία της κβαντικής θεωρίας λέει ότι η κυματική συνάρτηση δεν περιγράφει το ίδιο το σωματίδιο, αλλά τη γνώση ενός παρατηρητή για το τι κάνει το σωματίδιο. Αυτή η γνώση, αρκετά λογικά, θα πρέπει να ενημερώνεται όταν κάνουμε μια μέτρηση. Τι είναι αυτή η γνώση, δεν πρέπει να ρωτήσετε.

Αυτή η ερμηνεία, ωστόσο, δεν αίρει το πρόβλημα ότι αν η κβαντική μηχανική ήταν θεμελιώδης, τότε θα μπορούσαμε να υπολογίσουμε τι συμβαίνει κατά τη διάρκεια της μέτρησης. Το να μιλάμε για «γνώση» που κατέχει ένας «παρατηρητής» αναφέρεται επίσης σε μακροσκοπικά αντικείμενα των οποίων η συμπεριφορά θα πρέπει να προκύπτει, τουλάχιστον κατ' αρχήν, από τη συμπεριφορά των στοιχειωδών σωματιδίων. Και πάλι, γνωρίζουμε ήδη ότι αυτό δεν είναι δυνατό γιατί η διαδικασία μέτρησης δεν είναι γραμμική. Δεν μπορεί κανείς να επιλύσει μια ασυνέπεια με την επανερμηνεία των μαθηματικών, μόνο με τη διόρθωση των μαθηματικών.

Η προφανής λύση

Υπάρχουν μόνο δύο διέξοδοι από αυτό το αίνιγμα. Το ένα είναι να απορρίψουμε τον αναγωγισμό και να αποδεχθούμε ότι ορισμένα πράγματα που κάνουν τα μεγάλα αντικείμενα δεν μπορούν να προκύψουν από αυτά που κάνουν τα συστατικά τους, ούτε καν κατ' αρχήν.

Η απόρριψη του αναγωγισμού είναι δημοφιλής μεταξύ των φιλοσόφων, αλλά εξαιρετικά μη δημοφιλής μεταξύ των επιστημόνων και για καλούς λόγους. Ο αναγωγισμός ήταν εξαιρετικά επιτυχημένος και είναι εμπειρικά εδραιωμένος. Ακόμη πιο σημαντικό, κανείς δεν έχει προτείνει ποτέ μια συνεπή, μη αναγωγική θεωρία της φύσης (εκτός αν μετρήσετε περίεργα φυλλάδια που δεν είναι καν λάθος). Και το να εγκαταλείπουμε τον αναγωγισμό χωρίς να προτείνουμε μια καλύτερη εξήγηση όχι μόνο είναι άχρηστο, αλλά είναι καθαρά αντιεπιστημονικό. Δεν μας βοηθά να κάνουμε πρόοδο.

Η άλλη λογική λύση είναι ότι η κβαντομηχανική δεν είναι απλώς μια θεμελιώδης θεωρία και τα προβλήματά της είναι μια ματιά σε ένα βαθύτερο στρώμα της πραγματικότητας.

Εάν η κβαντική μηχανική δεν είναι μια θεμελιώδης θεωρία, τότε ο λόγος που δεν μπορούμε να προβλέψουμε τα αποτελέσματα των κβαντικών μετρήσεων είναι απλώς ότι δεν έχουμε πληροφορίες. Η κβαντική τυχαιότητα, λοιπόν, δεν διαφέρει από την τυχαιότητα, ας πούμε, στην ρίψη ζαριών.

Το αποτέλεσμα μιας ρίψης ζαριών είναι καταρχήν προβλέψιμο. Είναι απρόβλεπτο στην πράξη γιατί είναι πολύ ευαίσθητο ακόμα και στις πιο μικροσκοπικές λεπτομέρειες, όπως η ακριβής κίνηση του χεριού σας, οι ατέλειες στο σχήμα της μήτρας ή η τραχύτητα της επιφάνειας στην οποία κυλάει. Δεδομένου ότι πρόκειται για πληροφορίες που δεν έχουμε (ή ακόμα και αν τις είχαμε, δεν θα μπορούσαμε να τις υπολογίσουμε) η ρίψη ζαριών είναι τυχαία για όλους τους πρακτικούς σκοπούς. Η καλύτερη πρόβλεψη που μπορούμε να κάνουμε είναι να πούμε ότι όταν κάνουμε μέσο όρο για τις άγνωστες, ακριβείς λεπτομέρειες, η πιθανότητα να εμφανιστεί οποιοδήποτε πρόσωπο είναι 1 στις 6.

Αυτός είναι ο τρόπος για να κατανοήσετε την κβαντική μηχανική. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων μπορεί κατ' αρχήν να είναι προβλέψιμα. Απλώς μας λείπουν πληροφορίες. Η κυματική συνάρτηση, λοιπόν, δεν θα ήταν η ίδια περιγραφή ενός μόνο σωματιδίου. Θα ήταν ένας μέσος όρος για όλες τις λεπτομέρειες που μας λείπουν. Αυτό θα εξηγούσε γιατί η κβαντική μηχανική κάνει μόνο πιθανολογικές προβλέψεις. Και ενώ η υποκείμενη, νέα θεωρία πρέπει να αναπαράγει τις προβλέψεις της κβαντικής μηχανικής σε περιπτώσεις που έχουμε ήδη δοκιμάσει, αν είχαμε αυτή τη θεωρία θα μπορούσαμε επίσης να πούμε σε ποιες περιπτώσεις θα πρέπει να δούμε αποκλίσεις από την κβαντομηχανική.

Αυτή η ιδέα υποστηρίζεται από το γεγονός ότι η εμπειρικά επιβεβαιωμένη εξίσωση που καθορίζει τη συμπεριφορά της κυματικής συνάρτησης είναι σχεδόν πανομοιότυπη με την εξίσωση που χρησιμοποιούν οι φυσικοί για να περιγράψουν τη συμπεριφορά συλλογών σωματιδίων και όχι μεμονωμένων σωματιδίων.

Ιστορικά, αυτός ο τρόπος κατανόησης της κβαντικής μηχανικής έχει ονομαστεί «θεωρία κρυφών μεταβλητών». "Κρυφές μεταβλητές", εδώ, είναι ένας συλλογικός όρος για όλες τις άγνωστες πληροφορίες από τις οποίες, αν τις είχαμε, θα ακολουθούσε το αποτέλεσμα μιας κβαντικής μέτρησης.

Αυτές οι κρυφές μεταβλητές, πρέπει να τονιστεί, δεν είναι απαραίτητα ιδιότητες των ίδιων των σωματιδίων. Πράγματι, η ιδέα ότι είναι ήδη αρνείται έντονα από το πείραμα. Οι βιώσιμες κρυφές μεταβλητές κωδικοποιούν πληροφορίες που λείπουν στην καθολική διαμόρφωση του συστήματος. Επομένως, ενώ μια θεωρία κρυφών μεταβλητών είναι αναγωγική με την έννοια ότι η κβαντική μηχανική μπορεί να προέλθει από αυτήν, η νέα φυσική δεν βασίζεται σε τόσο μικρές αποστάσεις που πρέπει να δοκιμαστούν με τεράστιους επιταχυντές σωματιδίων.

Πώς η Φυσική πήρε το λάθος μονοπάτι

Ας τονίσουμε ότι οι θεωρίες με κρυφές μεταβλητές δεν είναι ερμηνείες της κβαντικής μηχανικής. Είναι διαφορετικές θεωρίες που περιγράφουν τη φύση με μεγαλύτερη ακρίβεια και μπορούν πράγματι να λύσουν, αντί να λύσουν, το πρόβλημα της μέτρησης.

Περιττό να πούμε ότι δεν είμαστε οι πρώτοι που επισημαίνουμε ότι η κβαντομηχανική περπατά και μιλάει σαν μια θεωρία για μέσους όρους. Αυτό είναι πιθανώς αυτό που έρχεται στο μυαλό όλων όταν έρχονται αντιμέτωποι με τυχαία αποτελέσματα μετρήσεων. Και οι κρυφές μεταβλητές έχουν εξεταστεί από τους φυσικούς από τις πρώτες μέρες της κβαντικής μηχανικής. Στη συνέχεια όμως κατέληξαν λανθασμένα στο συμπέρασμα ότι η επιλογή δεν είναι βιώσιμη, ένα σφάλμα που παραμένει και σήμερα.

Το λάθος που έκαναν οι φυσικοί πριν από δεκαετίες ήταν να βγάλουν το λάθος συμπέρασμα από ένα μαθηματικό θεώρημα που απέδειξε ο John Bell το 1964. Αυτό το θεώρημα δείχνει ότι σε οποιαδήποτε θεωρία στην οποία οι κρυφές μεταβλητές μας επιτρέπουν να προβλέψουμε τα αποτελέσματα των μετρήσεων, οι συσχετίσεις μεταξύ των αποτελεσμάτων των μετρήσεων υπακούουν σε ένα όριο. Από τότε, αμέτρητα πειράματα έχουν δείξει ότι αυτό το όριο μπορεί να παραβιαστεί. Ως εκ τούτου, οι θεωρίες για τις κρυφές μεταβλητές στις οποίες εφαρμόζεται το Θεώρημα του Bell παραποιούνται. Το συμπέρασμα που έβγαλαν οι φυσικοί είναι ότι η κβαντική θεωρία είναι σωστή και οι κρυφές μεταβλητές όχι.

Αλλά το θεώρημα του Bell κάνει μια υπόθεση που δεν υποστηρίζεται από στοιχεία:ότι οι κρυφές μεταβλητές (όποιες κι αν είναι) είναι ανεξάρτητες από τις ρυθμίσεις του ανιχνευτή. Αυτή η υπόθεση - που ονομάζεται «στατιστική ανεξαρτησία» - είναι λογική, εφόσον ένα πείραμα περιλαμβάνει μόνο μεγάλα αντικείμενα όπως χάπια, ποντίκια ή καρκινικά κύτταρα. (Και πράγματι, σε αυτή την περίπτωση μια παραβίαση της στατιστικής ανεξαρτησίας θα υποδηλώνει έντονα ότι το πείραμα είχε παραβιαστεί.) Αν ισχύει για τα κβαντικά σωματίδια, ωστόσο, κανείς δεν γνωρίζει. Εξαιτίας αυτού, μπορούμε εξίσου καλά να συμπεράνουμε ότι τα πειράματα που δοκιμάζουν το θεώρημα του Bell, αντί να υποστηρίζουν την κβαντική θεωρία, έχουν αποδείξει ότι παραβιάζεται η στατιστική ανεξαρτησία.

Οι θεωρίες κρυφών μεταβλητών που παραβιάζουν τη στατιστική ανεξαρτησία δίνουν το όνομά του στον Υπερντετερμινισμό. Το σοκαριστικό είναι ότι δεν έχουν αποκλειστεί ποτέ. Ποτέ δεν έχουν καν δοκιμαστεί πειραματικά γιατί αυτό θα απαιτούσε ένα διαφορετικό είδος πειράματος από αυτό που έχουν κάνει οι φυσικοί μέχρι τώρα. Για να δοκιμάσει κανείς τον Υπερντετερμινισμό, θα πρέπει να αναζητήσει στοιχεία ότι η κβαντική φυσική δεν είναι τόσο τυχαία όσο νομίζουμε.

Η βασική ιδέα του Υπερντετερμινισμού είναι ότι τα πάντα στο σύμπαν σχετίζονται με οτιδήποτε άλλο, επειδή οι νόμοι της φύσης απαγορεύουν ορισμένες διαμορφώσεις σωματιδίων (ή τις καθιστούν τόσο απίθανες που για όλους τους πρακτικούς σκοπούς δεν συμβαίνουν ποτέ). Εάν είχατε ένα άδειο σύμπαν και τοποθετούσατε ένα σωματίδιο σε αυτό, τότε δεν θα μπορούσατε να τοποθετήσετε τα άλλα αυθαίρετα. Θα έπρεπε να υπακούουν σε ορισμένες σχέσεις στην πρώτη.

Αυτή η καθολική συγγένεια σημαίνει συγκεκριμένα ότι αν θέλετε να μετρήσετε τις ιδιότητες ενός κβαντικού σωματιδίου, τότε αυτό το σωματίδιο δεν ήταν ποτέ ανεξάρτητο από τη συσκευή μέτρησης. Αυτό δεν συμβαίνει επειδή υπάρχει οποιαδήποτε αλληλεπίδραση μεταξύ της συσκευής και του σωματιδίου. Η εξάρτηση μεταξύ των δύο είναι απλώς μια ιδιότητα της φύσης που, ωστόσο, περνά απαρατήρητη αν ασχολείται μόνο με μεγάλες συσκευές. Αν ήταν έτσι, οι κβαντικές μετρήσεις είχαν σαφή αποτελέσματα - επομένως έλυσαν το πρόβλημα της μέτρησης - ενώ εξακολουθούσαν να προκαλούν παραβιάσεις του ορίου του Bell. Ξαφνικά όλα έχουν νόημα!

Είναι δύσκολο να εξηγηθεί γιατί οι φυσικοί πέρασαν μισό αιώνα με μια ασυνεπή θεωρία, αλλά ποτέ δεν σκέφτηκαν σοβαρά ότι η στατιστική ανεξαρτησία μπορεί απλώς να παραβιαστεί. Υποψιαζόμαστε ότι μέρος του λόγου είναι ότι η μάλλον τεχνική παραδοχή της στατιστικής ανεξαρτησίας έχει συσχετιστεί μεταφορικά με την ελεύθερη βούληση του πειραματιστή. Οι άνθρωποι είναι γνωστικά προκατειλημμένοι να πιστεύουν στην ελεύθερη βούληση και αυτή η μεροληψία πιθανότατα συνέβαλε στο να κλείσουν συλλογικά τα μάτια οι φυσικοί σε μια πολλά υποσχόμενη εξήγηση.

Το ζήτημα της ελεύθερης βούλησης έχει συνδεθεί με τον Υπερντετερμινισμό επειδή φαίνεται ότι εάν παραβιαστεί η στατιστική ανεξαρτησία, ο πειραματιστής δεν είναι ελεύθερος να επιλέξει τόσο τις ρυθμίσεις της συσκευής του όσο και την προετοιμασία του σωματιδίου που θα μετρηθεί. Αλλά η ελεύθερη βούληση, ενώ τείνει να πυροδοτεί έξαλλες συζητήσεις, είναι εξ ολοκλήρου εφαπτομενική στην κατανόηση της κβαντικής φυσικής. Οι ρυθμίσεις ανιχνευτή μπορούν να επιλεγούν από μηχανές. Και η παραβίαση της στατιστικής ανεξαρτησίας δεν σημαίνει ότι ο πειραματιστής με κάποιο τρόπο εμποδίζεται να επιλέξει μια ρύθμιση που του αρέσει. Σημαίνει απλώς ότι η ρύθμισή τους είναι μέρος των πληροφοριών που καθορίζουν το αποτέλεσμα της μέτρησης.

Το πραγματικό ζήτημα είναι ότι έχει γίνει ελάχιστη προσεκτική ανάλυση για το ποιες ακριβώς θα ήταν οι συνέπειες εάν η στατιστική ανεξαρτησία παραβιαζόταν ανεπαίσθητα σε κβαντικά πειράματα. Όπως είδαμε παραπάνω, οποιαδήποτε θεωρία που λύνει το πρόβλημα μέτρησης πρέπει να είναι μη γραμμική και επομένως πιθανότατα θα προκαλέσει χαοτική δυναμική. Η πιθανότητα οι μικρές αλλαγές να έχουν μεγάλες συνέπειες είναι ένα από τα χαρακτηριστικά του χάους, και ωστόσο έχει παραμεληθεί πλήρως στη συζήτηση για τις κρυφές μεταβλητές.

Χαμηλό ρίσκο, υψηλή αποπληρωμή

Δεδομένης της τεχνολογικής συνάφειας της κβαντικής μηχανικής, η μετάβαση πέρα ​​από αυτήν θα ήταν μια σημαντική επιστημονική ανακάλυψη. Όμως, λόγω της ιστορικής κληρονομιάς, οι ερευνητές που έχουν εργαστεί ή εργάζονται επί του παρόντος στον Υπερντετερμινισμό είτε αγνοήθηκαν είτε γελοιοποιήθηκαν. Κατά συνέπεια, η ιδέα παρέμεινε πολύ υπανάπτυκτη.

Λόγω της έλλειψης έρευνας, δεν έχουμε μέχρι σήμερα καμία γενικά εφαρμόσιμη θεωρία για τον Υπερντετερμινισμό. Έχουμε κάποια μοντέλα που παρέχουν μια βάση για την κατανόηση της παραβίασης της ανισότητας Bell, αλλά όχι φορμαλισμό τόσο ευέλικτο όσο η υπάρχουσα θεωρία της κβαντικής μηχανικής. Ενώ ο Υπερντετερμινισμός κάνει ορισμένες προβλέψεις που είναι σε μεγάλο βαθμό ανεξάρτητες από το μοντέλο, έτσι ώστε τα αποτελέσματα των μετρήσεων θα πρέπει να κατανέμονται λιγότερο τυχαία από ό,τι στην κβαντομηχανική, είναι εύκολο να επικρίνουμε τέτοιες προβλέψεις επειδή δεν βασίζονται σε μια πλήρη θεωρία. Οι πειραματιστές δεν θέλουν καν να δοκιμάσουν την ιδέα γιατί δεν την παίρνουν στα σοβαρά. Αλλά είναι απίθανο να βρούμε τυχαία στοιχεία του Υπερντετερμινισμού. Η καθολική συγγένεια, που είναι το καθοριστικό χαρακτηριστικό αυτής της ιδέας, δεν αποκαλύπτεται στο επίπεδο των στοιχειωδών σωματιδίων. Επομένως, δεν πιστεύουμε ότι η ανίχνευση μικρών και μικρότερων αποστάσεων με ολοένα και μεγαλύτερους επιταχυντές σωματιδίων θα βοηθήσει στην επίλυση των θεμελιωδών ερωτημάτων που παραμένουν ανοιχτά.

Δεν βοηθάει το γεγονός ότι οι περισσότεροι φυσικοί σήμερα έχουν διδαχθεί λανθασμένα ότι το πρόβλημα μέτρησης έχει λυθεί ή ότι εσφαλμένα πιστεύουν ότι έχουν αποκλειστεί οι κρυφές μεταβλητές. Αν κάτι είναι συγκλονιστικό σχετικά με την κβαντική μηχανική, είναι ότι οι φυσικοί έχουν σχεδόν αγνοήσει πλήρως τον πιο προφανή τρόπο επίλυσης των προβλημάτων της.

Η Sabine Hossenfelder είναι φυσικός στο Ινστιτούτο Προηγμένων Σπουδών της Φρανκφούρτης, Γερμανία. Ο Tim Palmer είναι Ερευνητής της Βασιλικής Εταιρείας στο Τμήμα Φυσικής, στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης, Ηνωμένο Βασίλειο.

Εικόνα επικεφαλής:agsandrew / Shutterstock

Πρόσθετη ανάγνωση

Palmer, T.N. Διακριτικοποίηση της σφαίρας bloch, αμετάβλητα σύνολα φράκταλ και Θεώρημα Bell. arXiv:1804.01734 (2020).

Hossenfelder, S. &Palmer, T.N. Επανεξέταση του υπερντετερμινισμού. arXiv:1912.06462 (2019).