Квантовая Магия, том 5, вып. 4, стр. 4121-4131, 2008
Механика квантовой механики
А.В. Каминский
(Получена 23 августа 2008; опубликована 15 октября 2008)
Эта статья адресована тем, кому интересно знать, почему механика – квантовая.
Если вообразить себе время как прямую линию, протянувшуюся из прошлого в будущее, то наше сознание можно рассматривать как колесо, катящееся вдоль этой линии и касающееся ее только в одной точке. С.Лемм.
Введение
Квантовые состояния можно определить, как принципиально различимые состояния системы. Например, согласно принципу неопределенности Гейзенберга, в фазовом пространстве хорошо различимы ячейки с объемом Δp Δx~h/2π где h- квант действия. Говоря фигурально это - объем квантового состояния. Если фазовый объем системы мы разделим на объем одного квантового состояния, то получим число квантовых состояний. Физические системы с конечным объемом и энергией имеют конечное число квантовых состояний. Если мы разделим фазовое пространство на меньшее число частей, то эти части уже не будут независимы и образуют квантовые суперпозиции. Является ли квантовое состояние первичным элементом реальности? С одной стороны – да. Нам трудно говорить о его структуре. Например, система не имеет определеенных координат и импульсов внутри Δp Δx. Можно даже сказать, что она вообще не имеет этих свойств внутри ячейки (до измерения). А раз так, то едва ли имеет смысл говорить о структуре этой ячейки. С другой стороны, квантовое состояние характеризуется фазой, и это свидетельствует о его конструктивности. Квантовые состояния с разными фазами при сравнении их в интерферометрических опытах проявляют свое относительное отличие. А это означает то, что имея дело с квантовым состоянием, мы на самом деле имеем дело со структурой - классом неких более фундаментальных состояний. Математически этот факт выражается в том, что квантовым состояниям в гильбертовом простанстве соответствуют не точки, а лучи, или же классы пропорциональных комплексных функций. В известном смысле слова, эти фундаментальные состояния можно назвать – скрытыми состояниями, так как мы их не различаем. Мы хотим вновь обсудить идею о том, что квантовая механика, описывающая поведение объектов нашего мира возникает, как следствие неполного знания наблюдателя о них. Однако, неполнота, о которой мы будем говорить, не является математическим приемом, подобно тому, который используется в статистике. Рассматриваемая нами неполнота носит фундаментальный характер и в моделях конечного мира находит обоснование в теоремах К.Геделя.
В основу предлагаемого анализа положена гипотеза о существовании субквантового уровня организации материи. Динамика мира на этом уровне реальности подчиняется локально детерминистическим законам. Современный скепсис к локальному реализму обусловлен слишком прямолинейным пониманием такой возможности. Мы покажем, что локальный реализм на фундаментальном уровне организации материи не только не противоречит квантовой теории, но возможно лежит в ее основе.
1. Физическая неполнота и запутанные состояния
Рассмотрим систему, имеющую конечное множество M локально-связанных состояний. То есть мы предполагаем существование некоей функции ξотображающей это множество на себя ξM<--M:. Траектории такой системы в пространстве ее состояний эргодичны и представляют собой конечные циклы. Любые части этой системы, очевидно, имеют циклы не большей длины. Выделим из системы 2 части, соответствующие – наблюдателю (субъекту) и исследуемому объекту. Будучи частями единого "большого" цикла, эти подсистемы испытывают некоторое согласованное изменение состояний. Для большей наглядности мы воспользуемся механистической метафорой механизма. Такие наглядные образы часто бывают полезны при построении теории, но сослужив службу впоследствии оказываются ненужными,- их роль берет на себя математический формализм.
Рассмотрим систему, состоящую из двух подсистем - шестерней. Каждый зубец шестерни "Subj"соответствует состоянию наблюдателя, а каждый зубец шестерни "Obj"- состоянию объекта. Объектом может быть любая часть Вселенной, исключая наблюдателя.
Рис.1.
Механическая зацепленность шестерней иммитирует зацепленность квантовых состояний.
Следует
остерегаться слишком прямолинейной интерпретации субъекта, как конкретного
экспериментатора (наблюдателя). В такой постановке возникает проблема,
связанная с существованием множества наблюдателей с разным числом состояний,
приводящая к ряду противоречий. Учитывая, что проблема наблюдателя в
рассматриваемой модели не решена, предлагается временно абстрагироваться от
множественности субъектов, и считать, что существует только один субъект –
наблюдатель с числом состояний
НОД – наибольший общий делитель
чисел состояний. Если числа
Состояния ||i<>||j<> и ||i+k<>||j<> субъект различает по определению, а
состояния ||i<>||j<> и ||i<>||j+k<> не различает, так как этим состояниям
системы сответствует одно и то же состояние ||i>>
наблюдателя. Здесь k=1,2,3…, а счет в каждой из скобок
идет по модулю
Число состояний системы с
взаимно-простыми
i и j – некоторые начальные значения. Мы предполагаем, что все процессы ("колесики") во Вселенной зацеплены. Независимые (факторизованные) процессы это только лишь приближение, которое применимо к системам, связь между состояниями которых скрыта от субъективного наблюдателя и не прослеживается явно.
Здесь мы, в некотором смысле, возвращаемся к истокам механики, когда вся Вселенная представлялась нам одним грандиозным механизмом. Однако, не было бы причины для обсуждения этой старой идеи, если бы в нее не вкладывалось понимание того очевидного, но упорно игнорируемого факта (даже после появления в 1957г основопологающей работы Эверетта по соответственным состояниям [1]), что наблюдатель в самом широком смысле этого слова, всегда является частью Вселенной, которую он изучает. В наиболее общем случае числа состояний наблюдателя и объекта не кратны:
Если
Вернемся к нашей модели. При вращении зацепленных шестерней система последовательно перебирает состояния ξk={||i+k>>||j+k>>}. Так опишет ситуацию объективный наблюдатель, то есть некоторый метанаблюдатель, способный распознать каждое состояние системы в каждый объективный момент времени и описать полную картину происходящего. Иногда мы будем называть такого наблюдателя - внешним или сторонним наблюдателем, то есть это наблюдатель не являющийся частью системы и имеющий число состояний не меньшее числа состояний системы. Для нашей квази-механической модели таким наблюдателем мог бы быть механик, проверяющий хорошо ли сцеплены шестерни в часовом механизме. Но, если речь идет о мировом "механизме", то представление о таком наблюдателе сродни представлению о демоне Лапласа.
Для субъективного наблюдателя все выглядит иначе. Механика, которую он построил бы для описания его субъективной реальности, неизбежно содержала бы элемент неполноты. Действительно, число состояний такого наблюдателя не достаточно для того, чтобы он мог составить полное, однозначное представление о системе. В нашем примере (Рис.1) наблюдатель имеет только 11 различимых (8-кратно вырожденных) состояний. Представим "фазовую" траекторию системы в координатах степеней свободы субъекта (наблюдателя) и объекта (остальной части мира).
По оси x здесь отложены состояния наблюдателя, ответственные за наблюдаемое свойство объекта. Так, если объект находится в точке x, то его состояние в Дираковских обозначениях |x>. В нашем примере это состояние 8-кратно вырождено по фундаментальным состояниям. Для субъективного наблюдателя все выглядит, так, как если бы имелась некая скрытая добавочная степень свободы.
Легко видеть, что, подобно
системе двух связанных осцилляторов, фазовое пространство состояний
рассматриваемой квазимеханической системы представляет собой многообразие
тороидальной топологии T2. На Рис.2 изображена
развертка тора (Противоположные стороны отождествлены). Фазовая траектория
системы является геодезической (локсодрома) на торе. На плоском торе возможны 3
класса траекторий в соответствии с числом топологической связности. Подобные
структуры часто встречаются в физике [5]. В непрерывном приближении формула 2 имеет
вид:
Введем время, как поток событий смены состояний системы. Поворот системы шестерней на один зубец соответствует одному кванту времени. В общем случае, порядок смены состояний может определяться неким алгоритмом. Поэтому мы будем называть это время алгоритмическим, а фазовую траекторию системы – алгоритмической траекторией. Таким образом, мы исходим из предельно простой алгоритмической картины - мир, как конечное множество состояний (которое разбивается на подмножества субъекта и объекта) плюс, действующую над ним, функцию отображения этого множества на себя. В такой системе, как мы показали выше, для субъекта имеет место ситуация неполноты, приводящая к необходимости рассматривать 2 масштаба времени. Наблюдаемое физическое время (субъективное) и алгоритмическое (или объективное время). Полный период системы в приведенном примере (время между "возвратами Пуанкаре") составляет TObj =88 квантов алгоритмического времени. Полный период наблюдателя равен TSubj =11 квантам физического времени. Таким образом, каждый субъективный квант содержит 8 скрытых квантов времени. Как видим, наша модель вполне естественно приводит к понятию скрытого времени, которое вводят феноменологически в ряде интерпретационных моделей КМ. В последнее время к этому понятию все чаще прибегают разные исследователи [6][7].
Что это означает физически? Как мы уже говорили, для внешнего наблюдателя поворот шестерни Subj на один зубец является событием перехода к следующему моменту алгоритмического времени. Для наблюдателя, связанного с этой шестерней (который, согласно модели, ею и является), событием может быть только встреча с определенным зубцом другой шестерни. Рассмотрим эту ситуацию подробнее. Пометим зубец на шестерне Obj. Движение такой метки может описывать движение частиц, например фотона. Следует обратить внимание на то, что если бы наблюдатель мог определить фазу движения частицы (угол поворота шестерни Obj φ=n*2π/8 ), то в совокупности со своими apriori доступными 11 состояниями, ему были бы доступны все 88 состояний системы, чего, как мы уже говорили, быть не может. Поэтому, абсолютное значение фазы не может быть доступно субъекту. Различимыми физическими событиями следует считать только события встречи помеченного зубца шестерни Obj с шестерней Subj. Только это событие следует считать переходом к следующему моменту физического времени. В промежутке времени между этими событиями положение частицы, хотя и имеет в каждый момент объективного времени вполне определенные значения, для субъективного (физического) наблюдателя в принципе неопределимо. Частоту, с которой наблюдатель встречается с частицей-меткой нужно интерпретировать, как энергию (минимальная порция энергии (квант) равна ΔE=1/TSubj). Тогда время и энергия – сопряженные переменные, связанные преобразованием Фурье на конечном базисе. Поэтому точность задания одной из них влияет на точность другой, что формально соответствует принципу неопределенности. Циклическая природа самого наблюдателя в нашей модели приводит к эффекту "стробоскопа", на основе которого легко понять причину квантования энергии. Например, наблюдая через стробоскоп за классическим осциллятором с непрерывным спектром энергии, мы обнаружили бы наличие дискретного ряда стационарных состояний с кратными частотами.
Итак, мы показали, что для наблюдателя, состояния которого формально определены на подмножестве конечного множества Ω мировых состояний, возникает ряд ограничений и специфических свойств, характерных для квантовой механики.
2. Природа комплексных чисел
Как известно, аппарат КМ формулируется на комплексном поле, тогда как в основе рассматриваемой модели лежит дискретное конечное поле. Ссуществует ли связь между этими описаниями? Пусть S конечное множество фундаментальных состояний мира. И пусть R биективное отображение этого множества на себя R:S->S. Такое отображение порождает несвязанные циклы. Каждый цикл может рассматриваться, как отдельная "вселенная" никак не связанная с другими. Поэтому нас будет интересовать любой отдельный цикл, состоящий из N состояний, который мы отождествим с нашей Вселенной. Например, цикл состояний механизма Рис.1. Однозначная связь элементов в цикле позволяет ввести линейное алгоритмическое время и определить на нем Мировую Функцию ψ(tO), задаваемую отображением R. В общем случае, такой цикл образует алгебраическое кольцо. В частном же случае, когда число элементов простое - поле Галуа. Если наша Вселенная конечна, то геометрия и алгебра на конечных полях должны быть естественным языком для описания физики, тогда как традиционный дифференциальный аппарат, построенный на действительном комплексном поле, может быть только удобным асимптотическим приближением. В связи с этим интересно отметить, что комплексное поле можно рассматривать, как расширение поля Галуа. Возможно, что этот факт является намеком на то, что квантовые закономерности унаследовали "комплексность" от первичного конечного поля, лежащего в основе нашего мира. В качестве простого примера построим комплексное расширение поля GF(23). На этом поле имеем:
Таким образом изменение знака алгоритмического времени, изменяющее направление движения на поле Галуа эквивалентно комплексному сопряжению. Наверняка эта ситуация покажется читателю знакомой. Действительно, в квантовой механике вектор состояния так же связан с направленностью времени. Это очевидно при рассмотрении оператора обращения времени:
Для сохранения инвариантности относительно операции обращения времени необходимо одновременно осуществить комплексное сопряжение. Этот факт (то, что комплексное сопряжение эквивалентно обращению времени), весьма загадочный в квантовой механике, на расширенном поле Галуа тривиален. Учитывая сказанное, Функция ψ(t), задаваемая отображением R может быть записана в виде
Известно, что комплексная алгебра изоморфна минимальному представлению алгебры Клиффорда – это алгебра матриц поворота на плоскости. Действительно, комплексное число r=a+bi на самом деле можно понимать, как сокращенную запись следующего выражения:
Мы считаем, что глубокая укорененность комплексных чисел в квантовой механике свидетельствует именно о циклической природе описываемой ею реальности. Как известно, комплексные функции часто для удобства (с известной избыточностью) используются для описания периодических процессов. Таким процессом, например, является изменение давления в звуковой волне. Скалярные периодические процессы, в отличие от циклических движений по замкнутому пространственному контуру, описываются действительными периодическими функциями. Часто подчеркивают особенную роль комплексных чисел в квантовой механике. "В квантовой механике", - как пишет Крамер [8], - "комплексные функции "проглатываются" целиком". Не оспаривая этот факт, заметим, что при описании вращения, и в классической механике, совершенно необходимы комплексные функции! По всей видимости, объектом КМ являются именно циклические движения на субквантовом (скрытом вследствие неполноты) уровне организации материи.
3. Субъективная перенормировка времени и возникновение квантовых состояний
Рассмотрим снова мировую
эргодическую функцию (2). Номер состояния k мы будем
интерпретировать, как алгоритмическое время t. На
области определения
Соответственно, размерность
функционального пространства мировой функции ψ равна тензорному
произведению пространств состояний субъекта и объекта. Очевидно, что субъективная
(относящаяся к субъекту) часть
Учитывая периодичность ψ функции (объективное представление) составной системы по алгоритмическому времени tO, разложим ее на конечном базисе Фурье:
Ограничим класс возможных
функций, определив весовые коэффициенты на двоичном поле Переходя к физическому времени (к
субъективному представлению) мы должны сгруппировать в (6) члены суммы с
близкими частотами неразличимыми субъектом (неразличимость обусловленна
принципиальным отсутствием у него средств для измерения времен
Здесь уже идет суммирование по
хорошо различимым - квантовым состояниям
Таким образом, переход к субъективному наблюдателю описывается перемасштабированием времени, и приводит к тому, что единый алгоритмический процесс распадается на неразличимые циклы (процессы), составляющие "вес" или "амплитуду" квантового состояния (переход от (6)®(7)). В КМ аргументом комплексных чисел кодируются степени вырождения, а фаза, как мы показали, может интерпретироваться чисто кинематически, как фаза циклического процесса, например, движения частицы в скрытом времени. Вследствие перенормировки, единый цикл объективно-детерминированного движения частицы, распадается на ряд не связанных (с точки зрения субъективного наблюдателя) циклов с разными (субъективно неразличимыми) фазами. Возникает поле частиц двойников. При измерении, когда одна из частиц пакета попадает в «капкан» детектора, весь пакет «схлопывается», так как на объективном уровне реальности имеет место всего одна частица, совершающая циклическое движение. Квантовая теория постулирует процесс редукции, не вникая в суть явления. На основе этого подхода может быть сформулирована оригинальная квантово-полевая концепция: Квантовое поле производно от частиц и возникает в результате неполноты восприятия времени наблюдателем (субъектом). Покажем, что описанная выше картина физической реальности является особой формой Эвереттовского мультиверса.
4. Временной мультиверс
Рассмотрим простейший мысленный эксперимент. Источник света излучает отдельный фотон (Фоковское состояние с примесью вакуума), который направляется на полупрозрачную пластинку, установленную под углом 45º. С точки зрения субъективного наблюдателя вероятность того, что фотон проходит через пластинку 50%. Такая же вероятность его отражения. В интерпретации Эверетта в процессе измерения мир расщепляется на 2 параллельных одновременно существующих альтернативных мира. Как известно, такая интерпретация не дает ответ на вопрос о том, почему я оказался, например, в том мире, где фотон прошел через пластинку, а не в том, где он отразился от нее. И, хотя этот вопрос не совсем физичен, он оставляет неприятное ощущение незавершенности теории. Покажем, что наша модель эффективно снимает вопрос выбора альтернатив. Рассмотрим подробнее, как возникает картина мультиверса в модели субъективной физики. Как мы уже обсуждали, алгоритмическая (фазовая) траектория мира замкнута, и состояния мира периодически воспроизводятся. То есть имеют место возвраты Пуанкаре. Возвраты же наблюдателя в одно из своих прежних состояний (включая память!), по понятной причине происходят значительно чаще, чем возвраты всей системы в свое исходное состояние. Назовем их субъективными возвратами Пуанкаре. За время одного цикла существования Вселенной TObj реализуется ξ субъективных возвратов Пуанкаре с периодом TSubj. Однако, эти состояния принципиально не различимы наблюдателем и, следовательно, воспринимаются им, как один и тот же момент физического времени. Мы видим, что субъективное время наблюдателя, на самом деле, должно иметь довольно сложную структуру- его "Я" существует одновременно в разные эпохи, сшиваемые сознанием в картину актуально существующего настоящего (см. рисунок 3).
Рис.3.
Вернемся к нашему эксперименту. Пусть наблюдатель обнаружил, что фотон прошел через пластинку. Это может означать, что в одну из прошлых эпох, отделенных от настоящего момента трансфинитным (для субъекта) промежутком времени, в «том же самом» эксперименте реализовалась другая возможность (фотон отразился от пластинки). Таким образом, в нашей модели возникает расслоение мира, подобное Эвереттовскому, но это расслоение во времени. Мировые листы (объективно) здесь существуют не одновременно. Мы называем их Эвереттовскими эпохами. На объективном уровне реальности, не доступном наблюдателю, эпохи причинно упорядочены на линейном алгоритмическом времени. Поэтому, физический наблюдатель последовательно реализует все возможности. Для него эквидистантные промежутки алгоритмического времени, названные нами эпохами, неразличимы и, поэтому, проецируются на один и тот же интервал на шкале физического времени, который мы должны отождествить с физическим временем жизни физической (субъективной) Вселенной. В терминах теории расслоений - эпохи образуют слои скрытого времени, а физическое время является базой в структуре этого расслоения.
Выводы
Литература
|