Скрытые параметры в квантовой механике
Квантовая механика представляет собой теорию, которая успешно объясняет поведение микрочастиц и явлений, наблюдаемых на субатомном уровне. Однако, несмотря на свою успешность, квантовая механика порождает ряд философских и научных вопросов, главным из которых является вопрос о реальности и детерминированности квантовых состояний. Одним из таких вопросов является теория скрытых параметров.
Теория скрытых параметров возникла как попытка объяснить интуитивно неприязненные результаты квантовой механики с точки зрения классической физики. В отличие от стандартной квантовой механики, которая утверждает, что результат измерений нельзя точно предсказать, а можно лишь вычислить вероятности, сторонники теории скрытых параметров полагали, что существует некий «скрытый» уровень реальности, в котором все параметры системы являются определенными и предсказуемыми, а квантовый характер явлений обусловлен лишь отсутствием точной информации о микросостоянии системы.
Скрытые параметры — это гипотетические переменные, которые, по мнению сторонников этой теории, могут быть использованы для точного описания состояния системы. В отличие от квантовых величин, которые, согласно принципу неопределенности, могут иметь лишь вероятностные значения, скрытые параметры предполагают наличие заранее определенных значений для всех характеристик системы, таких как положение и импульс частиц.
В первой половине XX века, после рождения квантовой механики, некоторые физики, включая Альберта Эйнштейна, начали искать альтернативные теории, которые могли бы объяснить странные явления квантовой механики в терминах классических скрытых параметров. Эйнштейн в своих работах по квантовой теории фотоэффекта и по проблемам детерминированности критиковал неполноту квантовой механики, настаивая на том, что природа должна быть детерминированной, даже если мы не можем наблюдать все параметры системы.
Одним из первых и наиболее известных примеров такой теории стала попытка Эйнштейна, Подольского и Розена (EPR), изложенная в их знаменитой статье 1935 года. В ней они предложили мысленный эксперимент, известный как «парадокс ЭПР», который ставил под сомнение завершенность квантовой механики. Они утверждали, что квантовая механика не может быть полным описанием физической реальности, потому что она допускает явления, которые они называли «независимыми от наблюдателя», что противоречило принципам локальности и реализма.
Локальность — это принцип, согласно которому объекты, разделенные пространственно, не могут влиять друг на друга мгновенно (быстрее скорости света), а взаимодействие между ними должно происходить через локальные процессы. Реализм, в свою очередь, означает, что физическая реальность существует независимо от наблюдателя и имеет определенные значения до того, как мы их измерим.
Эйнштейн и его коллеги в парадоксе ЭПР предложили гипотезу, что существует скрытая переменная, которая определяет поведение частиц, и эта переменная может быть использована для объяснения явлений квантовой механики без нарушения принципов локальности и реализма. Однако результаты, полученные позже, с использованием теоремы Белла, показали, что квантовая механика не может быть описана с помощью скрытых параметров, удовлетворяющих принципам локальности и реализма.
В 1964 году Джон Белл сформулировал теорему, которая показала, что любые теории скрытых параметров, которые могут объяснить квантовые явления, должны нарушать одно из двух важных свойств: либо локальность, либо реализм. Белл доказал, что если скрытые параметры существуют, то они должны приводить к результатам, которые противоречат квантовой механике.
Для проверки гипотезы о скрытых параметрах Белл предложил серию математических неравенств, которые теперь известны как «неравенства Белла». Эти неравенства дают математические ограничения на корреляции, которые могут быть наблюдаемы в экспериментах с квантовыми системами, если они подчиняются локальным скрытым переменным. Однако квантовая механика предсказывает, что эти корреляции могут быть значительно сильнее, чем это возможно в рамках локальных скрытых параметров.
Эксперименты, проведенные в 1970-х и 1980-х годах, продемонстрировали, что квантовые корреляции действительно нарушают неравенства Белла, поддерживая предположение о том, что скрытые параметры, как их понимали классические теории, не могут объяснить квантовую реальность. Эти эксперименты убедительно показали, что квантовая механика противоречит идеям локальности и реализма.
Несмотря на результаты экспериментов, которые отвергли теории скрытых параметров в их классическом понимании, существует ряд современных исследований, направленных на поиск новых подходов к пониманию скрытых переменных. Одной из таких попыток является теория «декомпозиции на скрытые параметры» или «неявной детерминированности», которая пытается расширить понятие скрытых переменных в контексте современных достижений в области квантовой теории поля и квантовых информационных технологий.
Современные теории скрытых параметров также исследуют возможности расширения стандартной квантовой механики за счет введения дополнительных, более сложных скрытых переменных, которые могут существовать в рамках более общей теории. Это направление включает теории типа сверхплотных или многомировых интерпретаций, которые предполагают наличие множества параллельных вселенных или более сложных состояний реальности, скрытых от нашего наблюдения.
Таким образом, концепция скрытых параметров в квантовой механике представляет собой важный аспект философских и научных размышлений о природе реальности. Несмотря на то, что эксперименты, проведенные в рамках теоремы Белла, ставят под сомнение традиционные идеи скрытых переменных, исследования в области квантовых теорий продолжают открывать новые горизонты для более глубокого понимания фундаментальных принципов, лежащих в основе квантового мира.