Quanta: «Случайность от детерминизма». Отрывок

https://www.quantamagazine.org/solution-randomness-from-determinism-20191122/

Переведенный отрывок из обсуждения задачи и решения о распределении шаров между различными столбцами в доске Гальтона, что удивительным образом напоминает "случайное" распределение частиц в щелевом эксперименте. Приведенная часть текста касается "философских" вопросов о детерминированности в квантовой физике. Мы также приводим перевод интересных комментариев к этому тексту.

«Случайность от детерминизма»

Теперь давайте обсудим философские вопросы, которые вызвали много интересных комментариев читателей. Прежде чем обсуждать некоторые из них, я хотел бы сделать два замечания о том, с чего я начинаю.

Во-первых, моя точка зрения такова, что ученый интересуется исключительно причинно-следственной цепью для данного квантового события (например, фотон, ударяющий о конкретную точку в конце траектории эксперимента с двумя щелями). Я знаю, что есть вероятностные формулы, но они не отвечают на то, что Джон Белл безоговорочно назвал «beables» - просто - что причина чего. Какой-то предшествующий фактор, должно быть, продвинул фотон в эту конкретную точку, а не в другую, будь то что-то внутреннее для фотона, окружающая среда, сложное взаимодействие двух факторов или состояние Вселенной в определенную долю секунды, в которую произошел эксперимент. С этой точки зрения утверждение C T Johnson о том, что «с точки зрения команды B, фотон находится в случайной среде», и заявление Hank Smith о том, что «квантовая вселенная по своей природе вероятностна», похоже, отдает магией, или иначе они логически бессвязны. Конечно, случайный выбор не был сделан в нулевое время, без каких-либо предпосылок. Если бы вы могли исследовать крошечную долю секунды, предшествующую выбору фотона, то несомненно, что-то произошло, что привело к этому выбору.

Итак, и это мое второе замечание, я не вижу, как логически возможны чисто случайные выборы без предпосылок в любой мыслимой вселенной. Квантовая случайность может показаться совершенной и присущей только потому, что она вызвана предшествующими причинами, которые на порядки слишком малы, чтобы мы когда-либо надеялись их наблюдать. Но эти причины должны существовать. Случайность, как и случайность пары игральных костей и всех других случайных явлений, вызвана нашим невежеством. Я согласен с segrimm, который ответил на комментарий другого читателя: «Извините, отдельное событие также детерминировано, потому что наша вселенная действует нелокально. Детерминация является результатом всех предыдущих изменений «внутри и снаружи» локального явления. Тот факт, что мы не можем предсказать результат, не означает, что результат не детерминирован».

Кстати, несколько читателей спросили, почему я назвал две антагонистические точки зрения: команда E (Альберт Эйнштейн) и команда B (Нильс Бор). Я имел в виду дебаты, которые состоялись на Сольвеевской конференции, на которой собрались лучшие физики мира в 1927 году, вскоре после рождения квантовой механики. Лидерами двух противоположных точек зрения были Эйнштейн и Бор, которые яростно спорили, поднимая тезисы и антитезисы, подарив друг другу бессонные ночи. Наконец, взгляд Бора с присущей случайностью возобладал как часть зарождавшейся Копенгагенской интерпретации, в то время как взгляд Эйнштейна был заключен в его знаменитое восклицание: «Бог не играет в кости со Вселенной». Выдающиеся физики в команде Бора были прагматичными: Вернер Гейзенберг, Поль Дирак, Вольфганг Паули и большинство других. В команде Эйнштейна были де Бройль, а позже Бом и Белл. Эрвин Шредингер, чье знаменитое уравнение внесло свой вклад в официальное представление команды B, позже отступил и убедительно выступил за команду E, особенно когда предложил классический мысленный эксперимент Кота Шредингера.

Теперь давайте взглянем на некоторые философские ответы:

Отвечая на мое утверждение о том, что многомировая интерпретация (MWI) «предполагает, что вся вселенная клонируется бесчисленное количество раз, когда крошечная частица делает тривиальный выбор», TJ_3rd предложил мне прочитать изначальный тезис Хью Эверетта. Конечно, это было бы здорово, и спасибо за ссылку! Однако, учитывая мою заявленную точку зрения выше, я не понимаю, как это повлияет на это обсуждение. Как утверждает TJ_3rd, «Эверетт подробно рассказал о том, как его «многомировая интерпретация» не может и не должна предсказывать индивидуальные результаты». Но меня интересует то, что даёт индивидуальный результат. Что касается моего убеждения, что MWI предлагает «клонирование» вселенной и «выбор» частицы, то это не мои слова, а слова некоторых современных последователей Эверетта, таких как Дэвид Дойч, которые, кажется, полагают, что множественные параллельные вселенные либо существуют, либо фактически в процессе возникновения. Я знаю, что есть другие последователи, которые не подписываются под этим - очевидно, «другие» миры MWI могут иметь две разные интерпретации: реальные или нереальные. Но если миры нереальны, то процедура Эверетта - всего лишь математическое устройство, позволяющее вам представить, что квантовая эволюция, заложенная в уравнении Шредингера, является единственным существующим процессом, и поэтому избавляет физиков от беспокойства из-за коллапса противной волновой формы. Но это имело бы смысл, только если бы уравнение Шредингера было истинным уравнением движения. Это не так. Это вероятностное представление, так же как гауссово распределение является вероятностным представлением результатов доски Гальтона и, следовательно, должно относиться к ансамблю, если исключить магическую присущую неопределенность, о которой я говорил выше.

Jon Richfield указывает на то, что существует различие между детерминизмом и причинностью, и что детерминизм требует бесконечной точности измерения, что невозможно. Я согласен с тем, что, как показывает теория хаоса, Пьер-Симон Лаплас, который отстаивал полностью детерминированный мир, был неправ даже в классическом смысле, но хотя он был неправ с точки зрения прогнозирования, он не был неправ ретроспективно. Учитывая наиболее простые классические результаты, вы можете с конечной точностью определить, какими должны быть начальные условия и пути, которые привели к этому результату. Если вы не можете, значит ваши законы неполны. Но я согласен, что в данном случае меня интересует не столько строгий детерминизм, сколько причинность.

Zdenek Skoupy отметил, что «если мы реально разрешим «причинность» движения шаров, обращаясь ко все более глубокой детализации, то в принципе мы не можем прийти к бесконечности — конец находится на квантовом уровне». Но шары - это достаточно большие макроскопические объекты, и нам не нужно переходить на квантовый уровень, чтобы определить их поведение. Я думаю, что ведущий себя случайно физический механизм, определяющий направление движения шара в практической, реальной доске Гальтона, может быть полностью объяснен классически — его движение, как макроскопического объекта, эффективно изолировано от квантового мира.

Идея Devin Wesley Harper о том, что нечто вроде доски Гальтона даёт результаты эксперимента с двумя щелями, интересна. Однако следует помнить, что было убедительно продемонстрировано, что схема с двумя щелями является интерференционной картиной, вызываемой интерференцией каждого фотона по отношению к самому себе. Также картина происходит даже в вакууме. Девин, твоей теории нужно будет объяснить эти два предостережения, чтобы добиться успеха. Дай знать, как продвинешься дальше.

Комментарии:

William H

Pradeep, дилемма детериминизм\индетерминизм является фундаментальной проблемой. Как объективный байесианец, я принимаю Выводы Е.Т. Джейнса.

«Вера в то, что «случайность» - это некая реальная свойство, присущее Природе, является формой ошибки проекции ума, которая, по сути, говорит: «Я не знаю подробных причин, поэтому - Природа их не знает»».

Что переведено в квантовую механику:

«Таким образом, мы предлагаем, чтобы те, кто пытается обосновать концепцию «физической вероятности», указывая на квантовую теорию, попадают в ловушку логического порочного круга... Вероятности в современной квантовой теории выражают неполноту человеческого знания так же верно, как и в классическая статистическая механика; отличается только ее происхождение». В современной квантовой теории вероятности выражают наше собственное невежество из-за нашей неспособности искать реальные причины физических явлений; и, что еще хуже, нашу неспособность даже серьезно задуматься о проблеме. Это невежество может быть неизбежным на практике, но в нашем нынешнем состоянии знаний мы не знаем, является ли оно неизбежным в принципе; «центральная догма» просто утверждает это и делает вывод, что вера в причины и их поиск философски наивны» Теория вероятности: логика науки, Е.Т. Jaynes, G.L. Bretthorest ed, издательство Кембриджского университета, 2003

После смерти Джейнса квантовый байесовский подход был предложен Кейвсом, Фуксом (1) и Шаком в их работе «Квантовые вероятности как байесовские вероятности», Phys. Rev. A 65, 022305, 2002.

Они предлагают квантовые состояния, представляющие состояния знаний.

«Различие между классической и квантовой вероятностями заключается не в их определении, а в характере информации, которую они кодируют. В классическом мире максимальная информация о физической системе является полной в том смысле, что она дает конкретные ответы на все возможные вопросы, которые могут спросить у системы. В квантовом мире максимальная информация не является полной и не может быть завершена».

ColtsHeadBen 

Я изо всех сил пытаюсь понять, почему истинная, беспричинная случайность должна быть каким-то образом проблематичной или нежелательной. Настаивание на том, что каждая причина должна быть полностью определена какой-то предшествующей цепочкой причин, подразумевает бесконечный регресс, который в физике обычно принимается за признак того, что вы что-то сделали не так. Квантовая неопределенность как "беспричинная причина" прекрасно решает проблему. Это правильно? Ну, это уже другой вопрос. Но это не проблема. На самом деле, это ответ, который мы предполагаем найти.

MC Squared  ответил ColtsHeadBen 

Если скорость света является фундаментальной постоянной, то для этого нет никакой причины. Это конец причинно-следственной цепи, и мир все еще может быть детерминированным без какой-либо фундаментальной случайности. Никакой бесконечной регрессии. 

Тот факт, что скорость распада Бозона Хиггса может быть оценена, показывает, что она не случайна. Теперь вы все еще можете сказать, что это связано со случайностью, но вы должны продемонстрировать, где проводится линия с объяснением. Если квантовая механика причинна, то почему она не детерминистична? Это разделение мнимо... Это иллюзия ума, вера...!

MC Squared 

Цитата:

«Джон Ричфилд указывает на то, что существует разница между детерминизмом и причинностью и что детерминизм требует бесконечной точности измерений, что невозможно»

Детерминизм не означает, что он требует бесконечных точных измерений. Это значит, что все предопределено. Это требует бесконечно точного измерения только в том случае, если вы можете измерить всю Вселенную сразу, имея математическое решение... Проблема в том, что вы застряли с частичной информацией, хотя Вселенная может быть детерминированной, потому что у вас есть доступ только к подмножеству данных. Вы все равно в тупике с вероятностями на практике!