Η Κβαντική Θεωρία αφορά την πραγματικότητα ή αυτό που γνωρίζουμε;
Οι φυσικοί ξέρουν πώς να χρησιμοποιούν την κβαντική θεωρία - το τηλέφωνο και ο υπολογιστής σας δίνουν πολλές αποδείξεις γι' αυτό. Αλλά το να ξέρεις πώς να το χρησιμοποιήσεις απέχει πολύ από την πλήρη κατανόηση του κόσμου που περιγράφει η θεωρία - ή ακόμα και το τι υποτίθεται ότι σημαίνουν οι διάφορες μαθηματικές συσκευές που χρησιμοποιούν οι επιστήμονες στη θεωρία. Ένα τέτοιο μαθηματικό αντικείμενο, το καθεστώς του οποίου οι φυσικοί έχουν συζητήσει εδώ και καιρό, είναι γνωστό ως κβαντική κατάσταση .
Ένα από τα πιο εντυπωσιακά χαρακτηριστικά της κβαντικής θεωρίας είναι ότι οι προβλέψεις της είναι, σχεδόν σε όλες τις συνθήκες, πιθανολογικές. Εάν οργανώσετε ένα πείραμα σε ένα εργαστήριο και στη συνέχεια χρησιμοποιήσετε την κβαντική θεωρία για να προβλέψετε τα αποτελέσματα διαφόρων μετρήσεων που μπορεί να εκτελέσετε, το καλύτερο που μπορεί να προσφέρει η θεωρία είναι οι πιθανότητες - ας πούμε, μια πιθανότητα 50 τοις εκατό να έχετε ένα αποτέλεσμα, και 50 τοις εκατό πιθανότητα να πάρετε ένα διαφορετικό. Ο ρόλος που παίζει η κβαντική κατάσταση στη θεωρία είναι να καθορίσει, ή τουλάχιστον να κωδικοποιήσει, αυτές τις πιθανότητες. Εάν γνωρίζετε την κβαντική κατάσταση, τότε μπορείτε να υπολογίσετε την πιθανότητα να λάβετε οποιοδήποτε πιθανό αποτέλεσμα σε οποιοδήποτε πιθανό πείραμα.
Αλλά η κβαντική κατάσταση αντιπροσωπεύει τελικά κάποια αντικειμενική πτυχή της πραγματικότητας ή είναι ένας τρόπος να χαρακτηρίσουμε κάτι για εμάς , δηλαδή, κάτι για το τι γνωρίζει κάποιος για την πραγματικότητα; Αυτή η ερώτηση εκτείνεται πίσω στην αρχαιότερη ιστορία της κβαντικής θεωρίας, αλλά πρόσφατα έγινε ξανά ενεργό θέμα, εμπνέοντας μια σειρά από νέα θεωρητικά αποτελέσματα και ακόμη και μερικά πειραματικά τεστ.
Για να δείτε γιατί η κβαντική κατάσταση μπορεί να αντιπροσωπεύει αυτό που κάποιος γνωρίζει, εξετάστε μια άλλη περίπτωση όπου χρησιμοποιούμε πιθανότητες. Προτού ο φίλος σας πετάξει ένα ζάρι, μαντεύετε ποια πλευρά θα είναι στραμμένη προς τα επάνω. Εάν ο φίλος σας ρίξει ένα τυπικό ζάρι έξι όψεων, συνήθως θα λέγατε ότι υπάρχει περίπου 17 τοις εκατό (ή μία στις έξι) πιθανότητες να έχετε δίκιο, ό,τι κι αν μαντέψετε. Εδώ η πιθανότητα αντιπροσωπεύει κάτι για εσάς:τη γνώση σας για το ζάρι. Ας υποθέσουμε ότι σας είναι γυρισμένη η πλάτη ενώ την κυλάει, ώστε να δει το αποτέλεσμα - ας πούμε έξι - αλλά όχι εσείς. Σε ό,τι σας αφορά, το αποτέλεσμα παραμένει αβέβαιο, παρόλο που το γνωρίζει. Οι πιθανότητες που αντιπροσωπεύουν την αβεβαιότητα ενός ατόμου, παρόλο που υπάρχει κάποιο γεγονός, ονομάζονται επιστημικές , από μια από τις ελληνικές λέξεις για τη γνώση.
Αυτό σημαίνει ότι εσείς και ο φίλος σας θα μπορούσατε να εκχωρήσετε πολύ διαφορετικές πιθανότητες, χωρίς κανένας από τους δύο να κάνει λάθος. Λέτε ότι η πιθανότητα το ζάρι να δείχνει έξι είναι 17 τοις εκατό, ενώ ο φίλος σας, που έχει ήδη δει το αποτέλεσμα, λέει ότι είναι 100 τοις εκατό. Αυτό συμβαίνει επειδή ο καθένας από εσάς γνωρίζει διαφορετικά πράγματα και οι πιθανότητες είναι αναπαραστάσεις των αντίστοιχων καταστάσεων γνώσης σας. Το μόνο λάθος Οι εργασίες, στην πραγματικότητα, θα ήταν αυτές που έλεγαν ότι δεν υπήρχε καμία πιθανότητα η μήτρα να έδειχνε έξι.
Τα τελευταία 15 περίπου χρόνια, οι φυσικοί έχουν ρωτήσει εάν η κβαντική κατάσταση θα μπορούσε να είναι γνωσιολογική με παρόμοιο τρόπο. Ας υποθέσουμε ότι υπάρχει κάποιο γεγονός σχετικά με τη διαμόρφωση του κόσμου -κάτι σαν διάταξη σωματιδίων στο διάστημα, ή ακόμα και ένα πραγματικό αποτέλεσμα στο παιχνίδι με ζάρια- αλλά δεν ξέρετε τι είναι. Μια κβαντική κατάσταση, σύμφωνα με αυτές τις προσεγγίσεις, είναι απλώς ένας τρόπος να χαρακτηρίσετε την ελλιπή γνώση σας σχετικά με τη διαμόρφωση του κόσμου. Δεδομένης κάποιας φυσικής κατάστασης, μπορεί να υπάρχουν περισσότεροι από ένας σωστοί τρόποι εκχώρησης μιας κβαντικής κατάστασης, ανάλογα με τις πληροφορίες που έχετε.
Είναι ελκυστικό να σκεφτόμαστε την κβαντική κατάσταση με αυτόν τον τρόπο, λόγω του πώς αλλάζουν οι κβαντικές καταστάσεις όταν μετράτε κάτι σχετικά με ένα φυσικό σύστημα. Η μέτρηση ενός συστήματος θα αλλάξει γενικά την κατάστασή του από μια στην οποία κάθε πιθανό αποτέλεσμα έχει κάποια μη μηδενική πιθανότητα σε μια στην οποία εμφανίζεται μόνο ένα αποτέλεσμα. Αυτό μοιάζει πολύ με αυτό που συμβαίνει όταν, στο παιχνίδι με ζάρι, μαθαίνετε ότι το ζάρι δείχνει, στην πραγματικότητα, ένα έξι. Φαίνεται περίεργο να πιστεύουμε ότι ο κόσμος θα άλλαζε απλά επειδή μέτρησες κάτι. Αλλά αν αλλάζει μόνο η γνώση σας, τα πράγματα δεν φαίνονται τόσο περίεργα.
Ένας άλλος λόγος για να πιστεύουμε ότι η κβαντική κατάσταση είναι γνωσιολογική είναι ότι, στις περισσότερες περιπτώσεις, δεν υπάρχει τρόπος να πούμε, με ένα μόνο πείραμα, ποια ήταν στην πραγματικότητα η κβαντική κατάσταση πριν από το πείραμα. Αυτό μοιάζει επίσης με πιθανότητες στο παιχνίδι ζαριού. Ας υποθέσουμε ότι ήρθε ένας άλλος φίλος για να παίξει το παιχνίδι και επέμενε ότι η πιθανότητα το ζάρι να δείχνει έξι ήταν μόνο 10 τοις εκατό, ενώ εσείς εξακολουθείτε να λέτε ότι είναι 17 τοις εκατό. Θα μπορούσε ένα μόνο πείραμα να δείξει ποιος έχει δίκιο; Όχι. Ο λόγος είναι ότι το πραγματικό αποτέλεσμα — ας πούμε των έξι — είναι συμβατό με και τα δύο των αναθέσεων πιθανοτήτων σας (αν και κάποιος μπορεί να είναι πιο ακριβής με την έννοια της σωστής λήψης των συχνοτήτων σε πολλά ρολά). Δεν υπάρχει τρόπος να πεις αν εσύ ή ο φίλος σου έχεις δίκιο σε κάποια συγκεκριμένη περίπτωση. Σύμφωνα με γνωσιολογικές προσεγγίσεις της κβαντικής θεωρίας, ο λόγος που δεν μπορείτε να διακρίνετε πειραματικά τις περισσότερες κβαντικές καταστάσεις είναι ακριβώς όπως το παιχνίδι:Υπάρχουν ορισμένες πιθανότητες για την πραγματική φυσική κατάσταση που είναι συμβατές με πολλαπλές κβαντικές καταστάσεις.
Ο Rob Spekkens, ένας φυσικός στο Perimeter Institute for Theoretical Physics, στο Waterloo του Οντάριο, δημοσίευσε το 2007 μια εργασία με επιρροή, παρουσιάζοντας μια «θεωρία παιχνιδιών» σχεδιασμένη να μιμείται την κβαντική θεωρία. Η θεωρία των παιχνιδιών δεν ήταν η ίδια με την κβαντική θεωρία, επειδή περιοριζόταν σε εξαιρετικά απλά συστήματα—δηλαδή, συστήματα με το πολύ δύο πιθανές τιμές για οποιαδήποτε από τις ιδιότητές τους, όπως «κόκκινο» ή «μπλε» για το χρώμα τους ή « πάνω» ή «κάτω» για τον προσανατολισμό τους. Αλλά όπως η κβαντική θεωρία, περιλάμβανε καταστάσεις που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τον υπολογισμό των πιθανοτήτων. Και έκανε πολλές από τις ίδιες προβλέψεις με την κβαντική θεωρία, τουλάχιστον για αυτά τα απλά συστήματα.
Η θεωρία των παιχνιδιών του Spekkens ήταν συναρπαστική γιατί ακριβώς όπως και στην κβαντική θεωρία, οι καταστάσεις της ήταν γενικά «αδιάκριτες»—και αυτή η δυσδιάκριση ήταν πλήρως εξηγείται από την αμοιβαία συμβατότητά τους με τις ίδιες υποκείμενες φυσικές καταστάσεις. Με άλλα λόγια, η θεωρία των παιχνιδιών έμοιαζε πολύ με την κβαντική θεωρία και οι καταστάσεις της ήταν αναμφισβήτητα γνωσιολογικές. Εφόσον το δυσδιάκριτο των κβαντικών καταστάσεων δεν έχει, για όσους τείνουν σε μια γνωσιολογική προσέγγιση, καμία αποδεκτή εξήγηση -το ερώτημα είναι αν μπορούν να βρουν μια τέτοια εξήγηση- ο Spekkens και άλλοι το θεώρησαν ως ισχυρή απόδειξη ότι οι κβαντικές καταστάσεις μπορεί να είναι επίσης γνωσιολογικές. αν μόνο η θεωρία των παιχνιδιών μπορούσε να επεκταθεί σε πιο περίπλοκα συστήματα. Από τότε έχει εμπνεύσει μια αναταραχή ερευνών, με ορισμένους φυσικούς να προσπαθούν να επεκτείνουν το έργο του για να καλύψει όλα τα κβαντικά φαινόμενα και άλλους να προσπαθούν να δείξουν πώς αυτό είναι λάθος.
Μέχρι στιγμής, φαίνεται ότι οι αρνητές έχουν το πάνω χέρι. Για παράδειγμα, ένα ευρέως συζητημένο αποτέλεσμα από μια εργασία του 2012 στο Nature Physics , από τους θεωρητικούς φυσικούς Matthew Pusey, Jonathan Barrett και Terry Rudolph, διαπίστωσαν ότι εάν τα φυσικά πειράματα μπορούν πάντα να δημιουργηθούν ανεξάρτητα το ένα από το άλλο, τότε δεν μπορεί να υπάρχει καμία ασάφεια σχετικά με τη «σωστή» κβαντική κατάσταση που περιγράφει αυτά τα πειράματα. Άλλες κβαντικές καταστάσεις θα ήταν λάθος, με τον ίδιο τρόπο που θα ήταν λάθος να πιστεύουμε ότι υπάρχει 0 τοις εκατό πιθανότητα να κυλήσει ένα εξάρι σε ένα ζάρι που στην πραγματικότητα έχει προσγειωθεί σε έξι.
Μια άλλη εργασία, που δημοσιεύτηκε στο Physical Review Letters το 2014 από τους Jonathan Barrett, Eric Cavalcanti, Raymond Lal και Owen Maroney, έδειξαν ότι δεν υπήρχε τρόπος να επεκταθεί η θεωρία των παιχνιδιών του Spekkens σε συστήματα των οποίων οι ιδιότητες μπορούν να λάβουν τρεις ή περισσότερες αξίες - όπως "κόκκινο", "μπλε", και «πράσινο» για το χρώμα, και όχι απλώς «κόκκινο» και «μπλε»—χωρίς να παραβιάζονται οι προβλέψεις της κβαντικής θεωρίας. Οι συγγραφείς πρότειναν ακόμη και πειράματα που θα μπορούσαν να πουν τη διαφορά μεταξύ των προβλέψεων της κβαντικής θεωρίας και των προβλέψεων που θα έπρεπε να κάνει οποιαδήποτε επιστημική προσέγγιση - και μέχρι στιγμής, τα πειράματα που έχουν πραγματοποιηθεί συμφωνούν όλα με την τυπική κβαντική θεωρία. Με άλλα λόγια, φαίνεται ότι δεν μπορείτε να ερμηνεύσετε την κβαντική κατάσταση ως επιστημική, επειδή οποιαδήποτε θεωρία στην οποία η κατάσταση είναι γνωσιολογική κάνει προβλέψεις διαφορετικές από την κβαντική θεωρία.
Αποκλείουν λοιπόν αυτά τα αποτελέσματα την ιδέα ότι η κβαντική κατάσταση είναι χαρακτηριστικό του μυαλού μας; Λοιπόν, ναι και όχι. Τα επιχειρήματα που βαρύνουν τις γνωσιολογικές προσεγγίσεις είναι μαθηματικά θεωρήματα που αποδεικνύονται σε ένα συγκεκριμένο πλαίσιο σκέψης για τις φυσικές θεωρίες. Αυτό το πλαίσιο που αναπτύχθηκε για πρώτη φορά από τον Spekkens και τους συνεργάτες του ως τρόπο εξήγησης των γνωσιολογικών προσεγγίσεων, περιλαμβάνει αρκετές θεμελιώδεις υποθέσεις. Το ένα είναι ότι ο κόσμος βρίσκεται πάντα σε κάποια οντική κατάσταση, μια καθορισμένη φυσική κατάσταση ανεξάρτητη από αυτό που τυχαίνει να γνωρίζουμε, η οποία μπορεί να συμπίπτει ή να μην συμπίπτει με την κβαντική κατάσταση. Ένα άλλο είναι ότι μια φυσική θεωρία κάνει προβλέψεις που μπορούν να αναπαρασταθούν χρησιμοποιώντας μεθόδους από την τυπική θεωρία πιθανοτήτων. Αυτές οι υποθέσεις δεν είναι αμφιλεγόμενες - αλλά αυτό δεν σημαίνει ότι είναι σωστές. Τι είναι η Φυσική της Φύσης και Επιστολές ανασκόπησης φυσικής Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι δεν μπορεί να υπάρξει καμία θεωρία σε αυτό το πλαίσιο που να είναι επιστημική με τον ίδιο τρόπο που είναι το μοντέλο παιχνιδιών του Spekkens, ενώ συμφωνεί με την κβαντική θεωρία.
Το αν αυτή είναι η τελευταία λέξη εξαρτάται από την άποψή σας για το πλαίσιο. Και σε αυτό το θέμα, οι απόψεις μπορεί να ποικίλλουν.
Για παράδειγμα, ο Owen Maroney, φυσικός και φιλόσοφος στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης και ένας από τους συγγραφείς του 2014 Physical Review Letters Έγγραφο, ανέφερε σε ένα email, «Τα πιο εύλογα ψι-επιστημικά μοντέλα»—επιστημικά μοντέλα που μπορούν να προσαρμοστούν στο πλαίσιο του Spekkens—«αποκλείονται». Ομοίως, ο Matt Leifer, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο Chapman που έχει γράψει εκτενώς για τις γνωσιολογικές προσεγγίσεις στην κβαντική κατάσταση, λέει ότι ακόμη και η Φυσική της Φύσης του 2012 Το αποτέλεσμα κλείνει την υπόθεση—εφόσον είστε πρόθυμοι να αποδεχτείτε την υπόθεση της ανεξαρτησίας τους (την οποία, όπως λέει ο Leifer, «είναι συχνά διατεθειμένος να κάνει»).
Ο ίδιος ο Spekkens είναι πιο προσεκτικός. Συμφωνεί ότι αυτά τα αποτελέσματα έχουν θέσει σημαντικούς περιορισμούς στις γνωσιολογικές προσεγγίσεις της κβαντικής κατάστασης. Αλλά τονίζει ότι όλα αυτά τα αποτελέσματα αποδεικνύονται μέσα στο δικό του πλαίσιο - και ως ο δημιουργός αυτού του πλαισίου, σπεύδει να επισημάνει ότι έχει περιορισμούς, όπως οι υποθέσεις του για την πιθανότητα. Και έτσι, πιστεύει, οι γνωσιολογικές προσεγγίσεις στην κβαντική κατάσταση παραμένουν με κίνητρα, αλλά για να πετύχουν, πρέπει να επανεξετάσουμε τις βασικές υποθέσεις σχετικά με τις φυσικές θεωρίες που οι περισσότεροι φυσικοί ήταν διατεθειμένοι να δεχτούν χωρίς αμφιβολία.
Αυτό που φαίνεται ξεκάθαρο, ωστόσο, είναι ότι έχει σημειωθεί πραγματική πρόοδος σε θεμελιώδη ζητήματα της κβαντικής θεωρίας. Πολλοί φυσικοί μπαίνουν στον πειρασμό να απορρίψουν ερωτήσεις σχετικά με την έννοια της κβαντικής κατάστασης ως απλώς ερμηνευτικές ή, χειρότερα, «φιλοσοφικές», καθώς δεν σχετίζονται με τα προβλήματα για τα οποία ανησυχούν οι περισσότεροι κβαντικοί φυσικοί, όπως ο σχεδιασμός νέων επιταχυντών σωματιδίων ή η κατασκευή καλύτερων λέιζερ. Λέγοντας ότι ένα πρόβλημα είναι «φιλοσοφικό» φαίνεται ότι δεν εμπίπτει στο πεδίο της μαθηματικής και πειραματικής φυσικής.
Αλλά η εργασία σε γνωσιολογικές προσεγγίσεις δείχνει πόσο λάθος είναι αυτό. Ο Spekkens και οι συνεργάτες του κατάφεραν να πάρουν μια ερμηνεία της κβαντικής κατάστασης και να τη μετατρέψουν σε μια ακριβή υπόθεση - μια υπόθεση που στη συνέχεια διαψεύστηκε με μαθηματικά και πειραματικά αποτελέσματα. Αυτό δεν σημαίνει ότι οι γνωσιολογικές προσεγγίσεις έχουν πεθάνει, αλλά αναγκάζει τους υποστηρικτές τους να καταλήξουν σε μια νέα υπόθεση. Και αυτό είναι ξεκάθαρη πρόοδος—τόσο επιστημονική και φιλοσοφικός.
James Owen Weatherall Ο είναι καθηγητής Λογικής και Φιλοσοφίας της Επιστήμης στο U.C. Ίρβιν. Το πιο πρόσφατο βιβλίο του είναι το Void:The Strange Physics of Nothing (Yale University Press, 2016), το οποίο εξερευνά τη δομή του κενού χώρου στη φυσική, από τον 17ο αιώνα έως σήμερα.
ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΤΕ:Ο Λόρενς Κράους λέει ότι η φυσική χρειάζεται φιλοσοφία — απλώς όχι φιλοσόφους .
Αυτή η κλασική ανάρτηση Facts So Romantic δημοσιεύτηκε αρχικά τον Απρίλιο του 2017.
