Принцип локальности

В физике принцип локальности/близкодействия утверждает, что на объект влияет только его непосредственное окружение. Квантовая механика предсказывает посредством неравенств Белла прямое нарушение этого принципа^[1]. Эксперименты показали, что квантово запутанные частицы нарушают этот принцип. Было показано, что они влияют друг на друга будучи физически удаленными друг от друга на 18 км, тем самым подтверждая, что принцип локальности/близкодействия неверен^{[2][3][4][5][6][7][8][9][10][11][12][13][14][15][16][17]}.

Мнение Эйнштейна

Парадокс Эйнштейна — Подольского — Розена

Альберт Эйнштейн ощущал, что, по его мнению, было что-то фундаментально неверное в квантовой механике из-за её предсказаний нарушения локальности/близкодействия. В знаменитой работе он со своими соавторами описал ЭПР парадокс. Тридцать лет спустя Джон Стюарт Белл ответил на это работой, которая показала, что никакая физическая теория локальных скрытых переменных/параметров (англ.) не может воспроизвести все предсказания квантовой механики (Теорема Белла).

Философский взгляд

Эйнштейн допускал/предполагал, что принцип локальности/близкодействия был необходим, и что не могло быть его нарушений. Он отмечал^[18]:

Следующая идея характеризует относительную независимость пространственно разнесенных/удаленных объектов A и B: внешнее воздействие на A прямо не отражается на B; это известно как Принцип Локальности/Близкодействия, который сообразно используется только в теории поля. Если совершенно отвергнуть эту аксиому, тогда идея существования квазизамкнутых (quasienclosed) систем, и следовательно тем самым постулирование законов, которые могут быть проверены эмпирически в общепринятом смысле (accepted sense), стала бы невозможной.

Локальный реализм

Локальный реализм — это комбинация принципа локальности с «реалистичным» предположением, что все объекты обладают «объективно существующими» значениями своих параметров и характеристик для любых возможных измерений, могущих быть произведенными над этими объектами, ПЕРЕД тем как эти измерения производятся. Эйнштейн, будучи, по всей видимости, сторонником локального реализма, любил в связи с этим говорить, что Луна все равно там на небе есть, даже если никто ее не наблюдает. Данные современной квантовой механики, основанные на проведенных экспериментах, ставят под сомнение адекватность модели локального реализма «устройству» реальности.

Реализм

Реализм в том смысле, в котором его используют физики, не прямо идентичен значению слова реализм в метафизике.^[19] Последнее — это своего рода утверждение, что существует в некотором смысле мир независимый от сознания. Даже если результаты какого-либо возможного измерения не существуют до проведения измерения, это не означает, что они создаются наблюдателем (как в интерпретации квантовой механики под названием «сознание вызывает коллапс (англ.)»). Более того, независимое от сознания свойство может и не быть значением какой-либо физической переменной/параметра, к примеру, положение или импульс. Свойство может быть диспозиционным (англ.) — то есть имеющим тенденцию, то есть оно может быть тенденцией, в том смысле что стеклянные объекты имеют тенденцию разбиваться, или расположены/имеют склонность разбиваться, даже если они не разбиваются в реальности/на самом деле. Сходным образом, независимые от сознания свойства квантовых систем могли бы состоять из тенденции отвечать на определённого рода измерения определённого рода значениями с некоторой вероятностью.^[20] Такая онтология была бы метафизически реалистична и не будучи реалистичной в смысле, который физики вкладывают в словосочетания "локальный реализм" (которые требует, чтобы чёткое и единственное определённое значение измеряемой величины получалось бы с определённостью и достоверностью).

Локальный Реализм является существенной чертой классической механики, общей теории относительности и теории Максвелла, но квантовая механика по большому счету отвергает этот принцип из-за присутствия квантовой запутанности безотносительно к расстоянию, наиболее чётко продемонстрированной ЭПР Парадоксом и количественно формализованной неравенствами Белла.^[21] Любая теория, к примеру квантовая механика, которая нарушает неравенства Белла, должна отвергнуть или локальный реализм, или противофактическую определённость-конечность (англ.). (Некоторые физики в ходе диспутов указывают, что эксперименты продемонстрировали нарушения неравенств Белла, на основании того, что подкласс неоднородных неравенств Белла (англ.) не был протестирован/проверен или соображения такого порядка: экспериментальные ограничения (англ.)). Различные интерпретации квантовой механики отвергают различные части локального реализма и/или противофактическую определённость.

Копенгагенская интерпретация

В большинстве обычных интерпретаций, таких как версия Копенгагенская интерпретация и интерпретация, основанная на Consistent Histories, где волновая функция не предполагается как имеющая прямую физическую интерпретацию реальности, отвергается именно реализм. Определенные конечные свойства физической системы «не существуют» до измерения, и волновая функция имеет ограниченную интерпретацию как не более чем математический инструмент используемый для расчета вероятностей исходов экспериментов, что находится в согласии с позитивизмом в философии как единственный возможный материал/сюжет/тема, которую наука и должна обсуждать.

В версии Копенгагенской интерпретации, где волновая функция предполагается как имеющая физическую интерпретацию реальности (природа которой не уточняется) принцип локальности/близкодействия нарушается в ходе процесса измерения посредством коллапса волновой функции. Это не локальный процесс так как Правило Борна, применяемое к волновой функции системы, дает плотность вероятности для всех областей пространства и времени. При измерении физической системы, плотность вероятности исчезает одновременно везде, кроме того места где (и когда – момент времени) система над которой производят измерение обнаруживается как существующая. Это «исчезновение» рассматривается как реальный физический процесс, и определенно нелокальный (происходящий быстрее чем скорость света) если волновая функция рассматривается как физически реальная и плотность вероятности стремится к нулю на произвольно далеких расстояниях в течение конечного времени, требуемого для процесса измерения.

Интерпретация Бома

Интерпретация Бома хочет сохранить реализм, и для этого ей необходимо нарушить принцип локальности для того, чтобы достигались необходимые корреляции.

Много-мировая/мирная интерпретация

В много-мировой интерпретации реализм и локальность/близкодействие сохраняются, но counterfactual definiteness (вариант перевода: противоречащая фактам/контрафактная (или псевдо) определенность/однозначность) отвергается путем расширения понятия реальность до принятия возможности существования параллельных вселенных.

Из-за того, что различия между интерпретациями в основном носят философский характер (кроме интерпретации Бома и Много-мировой интерпретации), физики обычно используют язык, в котором важные утверждения не зависят от выбираемой нами интерпретации. В этих рамках, только измеряемое удаленное действие на расстоянии — сверхсветовое движение передача/распространение реальной, физической информации рассматриваются физиками как нарушение локальности/близкодействия. Такие явления не были зарегистрированы научным сообществом и не предсказываются современными теориями (возможно за исключением теории Бома).

Относительность

Локальность/близкодействие — одна из аксиом релятивистской квантовой теории поля, как и требуется для причинности. Формализация локальности/близкодействия в этом случае следующая: если у нас есть две наблюдаемых, каждая из которых локализована в соответствующем отдельном пространственно-временном участке/регионе, которые пространственно-подобно (англ.) разделены друг от друга, то эти наблюдаемые обязаны коммутировать. В качестве альтернативы, решение уравнений поля является локальным, если лежащие в основе уравнения являются или инвариантом Лоренца или, в более общем случае, общековариантны или являются локальным инвариантом Лоренца.

Родственные темы

• ЭПР парадокс
• Нелокальность

Примечания

1. ↑ J. S. Bell, Speakable and Unspeakable in Quantum Mechanics, (Cambridge University Press 1987)
2. ↑ A. Aspect et al., Experimental Tests of Realistic Local Theories via Bell's Theorem, Phys. Rev. Lett. 47, 460 (1981)
3. ↑ A. Aspect et al., Experimental Realization of Einstein-Podolsky-Rosen-Bohm Gedankenexperiment: A New Violation of Bell's Inequalities, Phys. Rev. Lett. 49, 91 (1982),
4. ↑ A. Aspect et al., Experimental Test of Bell's Inequalities Using Time-Varying Analyzers, Phys. Rev. Lett. 49, 1804 (1982),
5. ↑ Barrett, 2002 Quantum Nonlocality, Bell Inequalities and the Memory Loophole: quant-ph/0205016 (2002).
6. ↑ J. F. Clauser, M.A. Horne, A. Shimony and R. A. Holt, Proposed experiment to test local hidden-variable theories, Phys. Rev. Lett. 23, 880-884 (1969),
7. ↑ J. F. Clauser and M. A. Horne, Experimental consequences of objective local theories, Phys. Rev. D 10, 526-35 (1974)
8. ↑ S. J. Freedman and J. F. Clauser, Experimental test of local hidden-variable theories, Phys. Rev. Lett. 28, 938 (1972)
9. ↑ R. García-Patrón, J. Fiurácek, N. J. Cerf, J. Wenger, R. Tualle-Brouri, and Ph. Grangier, Proposal for a Loophole-Free Bell Test Using Homodyne Detection, Phys. Rev. Lett. 93, 130409 (2004)
10. ↑ R.D. Gill, Time, Finite Statistics, and Bell's Fifth Position: quant-ph/0301059, Foundations of Probability and Physics — 2, Vaxjo Univ. Press, 2003, 179-206 (2003)
11. ↑ D. Kielpinski et al., Recent Results in Trapped-Ion Quantum Computing (2001)
12. ↑ P.G. Kwiat, et al., Ultrabright source of polarization-entangled photons, Physical Review A 60 (2), R773-R776 (1999)
13. ↑ M. Rowe et al., Experimental violation of a Bell’s inequality with efficient detection, Nature 409, 791 (2001)
14. ↑ E. Santos, Bell's theorem and the experiments: Increasing empirical support to local realism: quant-ph/0410193, Studies In History and Philosophy of Modern Physics, 36, 544-565 (2005)
15. ↑ Tittel, 1997: W. Tittel et al., Experimental demonstration of quantum-correlations over more than 10 kilometers, Phys. Rev. A, 57, 3229 (1997)
16. ↑ Tittel, 1998: W. Tittel et al., Experimental demonstration of quantum-correlations over more than 10 kilometers, Physical Review A 57, 3229 (1998); Violation of Bell inequalities by photons more than 10 km apart, Physical Review Letters 81, 3563 (1998)
17. ↑ Weihs, 1998: G. Weihs, et al., Violation of Bell’s inequality under strict Einstein locality conditions, Phys. Rev. Lett. 81, 5039 (1998)
18. ↑ "Quantum Mechanics and Reality" ("Quanten-Mechanik und Wirklichkeit", Dialectica 2:320-324, 1948)
19. ↑ Norsen, T. — Against "Realism"
20. ↑ Ian Thomson's dispositional quantum mechanics
21. ↑ Ben Dov, Y. Local Realism and the Crucial experiment.

Ссылки

	Портал «Физика»