Квантовая механика и наша роль в создании реальности

Новая интерпретация квантовой механики рассматривает агентов как играющих активную роль в создании реальности. Блейк Стейси излагает аргументы в пользу QBism и его радикального потенциала.

Пандемия закрыла наш университет, когда я читал лекцию. Мы ожидали возможности в течение нескольких дней, но все равно время было выбрано идеально. Я закончил свою речь, раздались звонки, и внезапно мы перестали видеть друг друга после весенних каникул. До конца семестра я делал то, что делали многие учителя: отважно пытался быть солдатом. Я раздобыл и позаимствовал доску, мольберт и веб-камеру, выставил себя в лучшем свете, который мог предложить дом, и сделал все возможное, чтобы донести физику уровня выпускника до аудитории крошечных прямоугольников. И, как и многие другие преподаватели, я узнал, что нет ничего лучше радикального изменения обстоятельств, чтобы заставить человека пересмотреть основные идеи предмета. В моем случае это было осложнено той незначительной деталью, что в курсе, который я преподавал, было много квантовой механики, а профессия физика еще не выяснила, в чем именно заключаются основные идеи квантовой механики.

О, мы знаем, как делать вычисления. Никто не смог бы создать лазер или компьютерный чип, если бы мы не знали так много. Но история, которую рассказывают наши учебники, неявно является историей поражения, в скрытом смысле. Они обрушивают на бедного студента одну или три главы "математических тайн" не из жестокости, а потому, что мы пока не можем сделать ничего лучшего. Комплексные числа, матричная алгебра, уравнения в частных производных, спектральная теория - мало того, что темы становятся пугающими довольно быстро, они также (если мы будем предельно честны) выглядят довольно произвольно. Почему из всех умственных изобретений, которые может предложить математический факультет, квантовая физика опирается на такой конкретный выбор и почему мы используем эти инструменты так, как мы это делаем?

Трудно избежать философского отношения к таким вопросам. Такие вопросы, как "Какова связь между нашими математическими абстракциями и физической реальностью?" чувствую, что за ними должно последовать "как, чувак". История попыток ответить на такие вопросы сложна и противоречива и нигде не написана. Иногда кажется, что сами идеи отступают от ясности. Иногда возникает вопрос, хотят ли философы и физики писать так, как будто ясность - враг.

Впервые я начал интересоваться "интерпретацией" квантовой физики через несколько лет после того, как начал ее использовать. Многие физики вообще не заботятся о таких вещах, или они вырастают из этого, а не в это. Несомненно, кажется странным, что нам придется "интерпретировать" научную теорию; такой язык, похоже, больше подошел бы критикам свободного стиха или абстрактного искусства. ("Я чувствую, что скульптор пытается сказать ...") Но иногда, когда мы пытаемся развить теорию в новых направлениях или найти самый ясный способ преподать ее следующему поколению, или мы просто слишком много допоздна гадали, что все это значит, у нас естьчтобы наши пальцы были философскими.

После ознакомления с различными предлагаемыми точками зрения я обнаружил, что меня привлекает та, которая была сформулирована совсем недавно, QBism, изложенная Кристофером Фуксом и Рюдигером Шаком. В QBism есть элементы, которые являются радикальными - возможно, даже подрывными - и в то же время показывают, что некоторые вещи, которые мы делаем в рамках "физики буднего дня", в конце концов, философски респектабельны. И, помимо предоставления истории, рассказывающей об уравнениях, которые у нас уже есть в книгах, это указывает на заманчивую возможность того, что мы можем обнаружить, откуда берутся эти уравнения.

Подход QBist к квантовой механике заключается в том, что по своей сути квантовая механика - это теория действий и последствий. QBist ищет объективность на другом уровне, чем это делают приверженцы многих других интерпретаций. И тот урок, который, как мы думаем, уравнения шепчут о реальности, в некоторых кругах совершенно скандален. Мы прибегаем к таким жаргонным выражениям, как "нормативный структурный реализм" и "реализм участия", чтобы придать нашей интуиции форму и форму. Ни одна существующая философская школа не кажется вполне подходящей для того, куда хочет пойти физика; мы согласимся со многими предшественниками, но часто с оговоркой или оговоркой. Возможно, лучше всего начать с заглавной буквы B.

Q в QBism, конечно, произошло от Quantum, а B произошло от "Байеса". В широком спектре способов мышления о вероятности "байесианство" охватывает множество школ мысли, которые считают, что вероятность - это величина, которую утверждает агент, количественное выражение степени веры. Вероятности кодируют ожидания, и без кого-то, кто мог бы их ожидать, не было бы никаких вероятностей. До того, как появились синоптики, не было никаких прогнозов, хотя в мире было много погоды. В дни прото-QBist, на рубеже тысячелетий, идея заключалась в том, что вероятности в квантовой физике можно было понять байесовским способом. Но "байесовский" - это широкое определение, и те ранние попытки не очень хорошо сузили его; и, как показало дальнейшее расследование, они не были внутренне самосогласованными. Этому раннему "квантовому байесовству" потребовалось еще несколько лет, чтобы перерасти в QBism.

QBism рассматривает квантовую механику как "руководство пользователя". В этой интерпретации квантовая механика рассказывает о том, что происходит на границе между агентом и остальной природой. Большинство математических объектов, используемых в теории, таких как "волновые функции", о которых так много говорилось, сводятся к тому, чтобы быть связками ожиданий. Чьи ожидания? Ваш, или мой, или тех, кто взял руководство пользователя и пытается извлечь выгоду из его руководства. Ожидания чего? За последствия собственных действий пользователя. Какие действия? В принципе, любой. Очень часто физики думают о "квантовом измерении" как о чем-то, для чего требуется лаборатория. Но в принципе, акт нюхания розы имеет полное право считаться "квантовым измерением". Дело только в том, что розы большие, и мы манипулируем ими неуклюже, поэтому ожидания от розы будут слишком размытыми, чтобы ссылаться на квантовую механику с практической точки зрения.

В QBism есть элементы, которые являются радикальными - возможно, даже подрывными - и в то же время показывают, что некоторые вещи, которые мы делаем в рамках "физики буднего дня", в конце концов, философски респектабельны.

Следуя жанровым условностям книг по теории информации, давайте назовем нашего агента Алисой. Перед ней интересная система - возможно, атом, возможно, квантовый компьютер с ионной ловушкой, роза или буханка хлеба на закваске. Она обдумывает возможные действия, которые она может предпринять в системе. Используя квантовую механику, она может назначать вероятности возможным последствиям каждого действия самосогласованным образом. Затем она делает выбор и протягивает руку, предпринимая действия и испытывая результат. Затем она может обновить свои ожидания относительно будущего опыта в соответствии с этим результатом измерения - с новым фактом, который она, совместно с системой, создала. До измерения неуверенность Алисы была вызвана не незнанием уже существующего результата, ожидающего раскрытия, а скорее ее признанием того, что факт результата еще физически не существовал. Именно это последнее осознание, принцип, согласно которому результаты измерений не просто ждут считывания, но вместо этого требуют участия, открывает радикально новые возможности квантовой физики.

Это, по крайней мере, внутренне связное повествование о математике, и это первое, что мы требуем от интерпретации. Но что это говорит о природе, что квантовая механика - такое хорошее руководство пользователя для вас, меня или Алисы? Почему именно этот мудрый совет для купания в безумии и соли мира? Здесь мы переходим в область предположений; одно дело представить повествование, а другое - успешно извлечь из него урок.

Рассмотрим еще раз Алису, измеряющую атом. Ее волновая функция для атома кодирует ее личные ожидания относительно будущего опыта, и то, что она меняет свою волновую функцию на нее после получения нового опыта, - это трансформация внутри нее. Но и Алиса, и атом участвуют в событии измерения; оба участвуют в создании нового факта для них двоих. И если атом может участвовать в таких непрерывных актах творения, когда другой игрок является агентом, то, конечно, он может делать это, когда другой игрок им не является. Иными словами, какую бы фундаментальную способность к творчеству ни привнес атом в событие, он должен привнести независимо от того, является ли другой участник сознательным агентом, не говоря уже о квалифицированном квантовом механике. Как сказано в одной из наших статей, "Конечно, в QBism творение происходит постоянно и везде; квантовое измерение - это просто агент, который ловит попутку и участвует в этом повсеместном процессе".

У такого рода образов были предшественники. Это мало чем отличается от понятия "внутренних действий" Карен Барад или Альфреда Норта Уайтхеда "реальные случаи" и "пульсации опыта". Уильям Джеймс писал о "новом бытии, появляющемся в локальных пятнах и пятнах". И Джон Арчибальд Уилер пошел ва-банк. Для него генерация результатов измерений была "элементарным квантовым явлением". "Это полнота существования",он спрашивал: "Вместо того, чтобы быть построенным на частицах или силовых полях или многомерной геометрии, построенным на миллиардах и миллиардах элементарных квантовых явлений, этих элементарных актов "участия наблюдателя", этих самых эфирных из всех сущностей, которые были навязаны нам прогрессом науки?" Он сказал бы: "В каком-то странном смысле квантовый принцип говорит нам, что мы имеем дело с совместной вселенной." Но что именно представляет собой этот "квантовый принцип"? По словам Уилера, физике не хватает хорошего ответа: "Мы понимаем любой другой принцип физики достаточно полно, чтобы суммировать его, начиная с хорошего имени, в дюжине слов - но не это".

Теперь, несмотря на все наши симпатии к Уилеру, QBism в некотором смысле расходится с его видением и терминологией. Во-первых, "наблюдатель" для нас слишком пассивное слово; оно несет в себе коннотацию откидывания назад, а не стука по тротуару и изнашивания обувной кожи. Вот почему мы разговариваем вместо агентов, как я делал выше. Итак, “участие агента”.

Но Уилер указал на правильный вопрос. Нам нужно закрепить этот "квантовый принцип"! Следующий уровень сложности, следующий этап понимания, безусловно, состоит в том, чтобы абстрагироваться от "агента-". Что мы можем сказать о ситуациях, когда в "вездесущем процессе" никто не участвует, нет агента Элис, чтобы принять участие? Мы думаем, что первым шагом к ответу на этот вопрос является количественная оценка того, насколько агент вовлечен в получение результата. Если Алиса хорошо разбирается в квантовой теории, то ее ожидания от одного измерения должны совпадать с ее ожиданиями от другого, а не быть дикой халявой для всех. Именно то, как теория говорит, что ее убеждения должны совпадать, является показателем того, насколько важно ее участие. Косвенно это ключ к пониманию того, что означает участие.

Пока это только образы. Но, разобрав математику квантовой теории, разгадав удобные условности из глубоких загадок, возможно, образы можно сделать более точными и запоминающимися, чем когда-либо прежде.

источник: