양자 역학은 로켓 과학이 아닙니다. 그러나 로켓 과학을 대신하여 이해할 수없는 수학의 은유로가는 길에 있습니다. 양자 역학은 확실히 이해하기 어렵다고 들었습니다. 그것은 직관을 무시합니다. 말이되지 않습니다. 인기있는 과학 계정은 필연적으로 그것을 "이상한", "이상한", "마음을 사로 잡는"또는 위의 모든 것을 말합니다.
우리는 다른 것을 간청합니다. 양자 역학은 완벽하게 이해할 수 있습니다. 물리학 자들이 반세기 전에 그것을 이해할 수있는 유일한 방법을 버린 것은 단지 단지 단지 단지 그것을 버렸다는 것입니다. 오늘으로 빨리 전달하고 물리의 기초에서의 진보는 모두 멈췄습니다. 열린 큰 질문은 오늘날에도 여전히 열려 있습니다. 우리는 여전히 암흑 물질이 무엇인지 알지 못합니다. 우리는 여전히 아인슈타인의 중력 이론과 입자 물리학의 표준 모델 사이의 불일치를 해결하지 못했으며, 양자 역학에서 측정이 어떻게 작동하는지 이해하지 못합니다.
.이 위기를 어떻게 극복 할 수 있습니까? 우리는 우주의 두 곳이 진정으로 서로 독립적이지 않다는 아이디어 인 오랫동안 잊혀진 해결책, 초성애주의를 다시 방문해야 할 때가되었다고 생각합니다. 이 솔루션은 양자 측정에 대한 물리적 이해를 제공하고 양자 이론을 개선 할 것을 약속합니다. 양자 이론을 수정하는 것은 물리학 자들이 징계에서 다른 문제를 해결하고 양자 기술의 새로운 응용을 찾기위한 노력의 게임 체인저가 될 것입니다.
양자 역학은 어디에나 있습니다
지금까지 물리학 자와 철학자들도 마찬가지로 그것이 단점이있는 양자 역학이 아니라 우리의 이해라는 사실을 당연한 것으로 여겼습니다. 이런 이유로, 그것을 이해하려는 그들의 노력은 수학을 재 해석하는 데 집중하여 결국 상황이 클릭되기를 바라고 있습니다. 이것은 일어나지 않았고 일어나지 않을 것입니다. 양자 역학의 문제는 해석 중 하나가 아니기 때문입니다. 문제는 양자 역학에 대한 기존의 모든 해석이 내부 모순을 가지고 있으며 더 나은 이론에 의해서만 해결 될 수 있다는 것입니다. 양자 역학은 자연이 가장 근본적인 수준에서 작동하는 방식이 될 수 없습니다. 우리는 그것을 넘어서야합니다.
모든 공정성에서, 양자 역학의 결점에 대해 불평하고 대체를 요구하는 것은 이론에서 너무 극적으로 성공하고 정확한 모욕의 최악의 모욕입니다. 신용이 기한이 지날 수있는 신용은 이제 100 세 이상의 나이가 넘는 쿼터 역학이 가장 놀라운 일을 해왔으며 헌신적 인 물리학 자들의 교제를 얻는 것 이상을 강조하십시오.
양자 역학이 없으면, 우리는 레이저가없고, 반도체와 트랜지스터가없고, 컴퓨터, 디지털 카메라 또는 터치 스크린이 없을 것입니다. 우리는 자기 스핀 공명, 전자 터널 현미경 또는 원자 시계가 없을 것입니다. 우리는 이러한 모든 기술을 기반으로 한 수많은 응용 프로그램도 없을 것입니다. 대부분의 이미징 도구와 분석 방법이 양자 역학에 의존하기 때문에 Wi-Fi, 인공 지능, LED 및 현대 의학이 존재하지 않을 것입니다. 마지막으로, Quantum 컴퓨터에 대해 들어 본 적이 없을 것입니다.
그러므로 양자 역학이 사회와 막대한 관련이 있다는 것은 의심의 여지가 없습니다. 그러나 같은 이유로, 그것을 더 잘 이해함으로써 많은 것을 얻을 수 있다는 것은 의심의 여지가 없습니다.
아무도 양자 역학을 이해하지 못합니다
그렇다면 왜 저명한 물리학 자조차도 양자 역학을 반복적으로 언급 할 수 없다고 말한 이유는 무엇입니까?
양자 역학의 중심 성분은 파도 기능이라고하는 수학적 물체입니다. 파도 기능은 기본 입자를 설명하며, 모든 것이 기본 입자로 만들어 지므로 파도 기능은 모든 것을 설명합니다. 따라서 전자의 파도 기능, 원자의 파도 기능, 고양이의 파도 기능 등이 있습니다. 엄격히 말하면, 모든 것이 양자 행동을 가지고 있습니다. 그것은 일상 생활에서 가장 많은 양자 행동이 관찰 할 수 없다는 것입니다.
문제는 양자 효과를 측정하려고 할 때 왜 양자 효과가 사라지는 지 아무도 모른다는 것입니다. 이“측정 문제”는 양자 역학을 생각한 이래로 물리학자가 버그를 썼습니다. 퍼즐의 일부는 해결되었지만이 부분 솔루션은 여전히 불만족 스럽습니다.
문제를 보려면 단일 입자와 두 개의 검출기 (왼쪽, 하나는 오른쪽)가 있다고 생각하십시오. 입자를 왼쪽으로 보내면 왼쪽 탐지기가 진드기가됩니다. 입자를 오른쪽으로 보내면 올바른 탐지기가 클릭됩니다. 지금까지 너무 놀랍지 않습니다. 그러나 양자 역학에서는 그 이상을 할 수 있습니다. 두 상태에있는 입자를 동시에 가질 수 있습니다. 예를 들어, 빔 스플리터를 통해 보낼 수 있으므로 나중에 왼쪽 와 모두가됩니다. 오른쪽. 물리학 자들은 입자가 왼쪽과 오른쪽의“중첩”에 있다고 말합니다.
그러나 측정 결과의 중첩에서 입자를 관찰하지 않습니다. 그러한 중첩의 경우, 입자의 파동 함수는 당신이 측정 한 것을 예측할 수 없을 것입니다. 당신은 당신이 측정 할 확률 만 예측할 수 있습니다. 50 %, 50 %가 50 %를 예측한다고 가정 해 봅시다. 이러한 예측은 입자 수집 또는 반복 측정 시퀀스에 대해 의미가 있지만 단일 입자에는 의미가 없습니다. 탐지기는 클릭하거나 그렇지 않습니다. 50 % 측정과 같은 것은 아닙니다.
수학적으로 "클릭 또는 클릭하지 않음"은 측정 당시 파동 함수를 업데이트해야하므로 측정 후 실제로 측정 된 탐지기에서 입자가 100 %입니다.
이 업데이트 (일명 웨이브 함수의 "붕괴")는 즉각적입니다. 그것은 모든 곳에서 동시에 발생합니다. 마치 이것이 아인슈타인의 조명 속도 제한과 충돌하는 것처럼 보일 수 있습니다. 그러나 관찰자는 측정 결과가 무엇인지 통제 할 수 없기 때문에 관찰자는이를 활용하여 빛보다 더 빨리 정보를 보내도록이를 이용할 수 없습니다.
.실제로, 측정 업데이트의 동시성은 주요 문제가 아닙니다. 주요 문제는 양자 역학이 대부분의 물리학자가 믿는 것처럼 기본 입자에 대한 이론이라면 측정 업데이트는 불필요하다는 것입니다. 결국 탐지기는 기본 입자로도 만들어 졌으므로 측정에서 일어나는 일을 계산할 수 있어야합니다.
불행히도, 우리가 업데이트를 가정하지 않는 한 입자에 부딪 칠 때 검출기가 수행하는 일을 계산하는 방법을 모르는 것은 아닙니다. 훨씬 더 나쁘다 :우리는 그것이 불가능하다는 것을 알고있다.
측정 프로세스가 파도 함수의 동작보다 더 복잡하기 때문에 파동 함수의 업데이트 없이는 양자 측정을 올바르게 설명하는 것이 불가능하다는 것을 알고 있습니다. 측정 프로세스는 측정 가능한 결과의 중첩을 제거하는 주요 목적을 가지고 있습니다. 반대로 측정되지 않은 파동 함수는 중첩을 유지하며, 이는 단순히 우리가 관찰하는 것이 아닙니다. 우리는 두 번의 클릭과 클릭하지 않는 탐지기를 발견 한 적이 없습니다.
공식적으로 이것은 양자 역학이 선형이지만 (중첩을 유지) 측정 프로세스는 "비선형"임을 의미합니다. 그것은 양자 역학보다 더 복잡한 이론에 속합니다. 이것은 양자 역학을 향상시키는 데 중요한 단서이지만 거의 완전히 눈에 띄지 않았습니다.
대신, 물리학 자들은 파동 함수가 단일 입자를 설명한다는 것을 거부함으로써 양자 측정의 수수께끼를 휩쓸었다. 양자 이론에 대한 가장 널리 받아 들여지는 해석은 파도 기능이 입자 자체가 아니라 입자가하는 일에 대한 관찰자의 지식을 묘사한다는 것입니다. 이 지식은 합리적으로 측정 할 때 업데이트되어야합니다. 이 지식이 무엇인지, 당신은 묻지 않아야합니다.
그러나이 해석은 양자 역학이 기본이라면 측정 중에 발생하는 일을 계산할 수 있다는 문제를 제거하지 않습니다. "관찰자"가 보유한 "지식"에 대해 이야기하는 것은 또한 기본 입자의 행동에서 원칙적으로 행동이 유도 될 수있는 거시적 물체를 나타냅니다. 그리고 다시, 우리는 측정 프로세스가 선형이 아니기 때문에 이것이 불가능하다는 것을 이미 알고 있습니다. 수학을 수정하여 수학을 재 해석하여 불일치를 해결할 수 없습니다.
명백한 솔루션
이 수수께끼에는 두 가지 방법이 있습니다. 하나는 감소주의를 거부하고 큰 물체가하는 일이 원칙적으로조차도 자신의 구성원이하는 일에서 파생 될 수 없다는 것을 받아들이는 것입니다.
환원주의를 거부하는 것은 철학자들 사이에서 인기가 있지만 과학자들 사이에서는 매우 인기가 없으며 좋은 이유가 있습니다. 환원주의는 현저하게 성공했으며 경험적으로 잘 확립되었습니다. 더 중요한 것은 아무도 일관된 비 환원주의 자연 이론을 제안한 적이 없다 (잘못된 팜플렛을 세지 않는 한). 그리고 더 나은 설명을 제안하지 않고 감소주의를 포기하는 것은 쓸모가 없을뿐만 아니라 반 과학적입니다. 그것은 우리가 진보하는 데 도움이되지 않습니다.
다른 논리적 해결책은 양자 역학이 기본 이론이 아니며, 그 문제는 더 깊은 현실 층을 엿볼 수 있다는 것입니다.
.양자 역학이 기본 이론이 아닌 경우, 양자 측정 결과를 예측할 수없는 이유는 단순히 정보가 부족하기 때문입니다. 그러므로 양자 무작위성은 주사위를 던지는 무작위성과 다르지 않습니다.
주사위의 결과는 원칙적으로 예측 가능합니다. 손의 정확한 움직임, 다이 모양의 결함 또는 구르는 표면의 거칠기와 같은 가장 작은 세부 사항에도 매우 민감하기 때문에 실제로 예측할 수 없습니다. 이것은 우리가 가지고 있지 않은 정보이기 때문에 (또는 우리가 그것을 가지고 있더라도 계산할 수 없음) 주사위 던지기는 모든 실제 목적으로 무작위입니다. 우리가 할 수있는 가장 좋은 예측은 우리가 알 수없는 정확한 세부 사항을 평균화 할 때, 모든 얼굴이 나올 확률은 6 중 1입니다.
.이것은 양자 역학을 이해하는 방법입니다. 측정 결과는 원칙적으로 예측할 수 있습니다. 정보가 누락 된 것입니다. 그러므로 파동 함수는 그 자체가 단일 입자에 대한 설명이 아니다. 우리가 놓친 모든 세부 사항에 비해 평균이 될 것입니다. 이것은 양자 역학이 왜 확률 론적 예측을하는지 설명 할 것입니다. 그리고 기본이지만, 새로운 이론은 우리가 이미 테스트 한 경우 양자 역학의 예측을 재현해야합니다.이 이론이 있다면 양자 역학과의 편차를 볼 수있는 경우에도 알 수 있습니다.
.이 아이디어는 파동 함수의 거동을 결정하는 경험적으로 확인 된 방정식이 물리학자가 단일 입자가 아닌 입자 수집의 거동을 설명하는 데 사용하는 방정식과 거의 동일하다는 사실에 의해 뒷받침됩니다.
.역사적으로, 양자 역학을 이해하는이 방법은“숨겨진 변수 이론”이라고 불렸다. 여기서“숨겨진 변수”는 우리가 그것을 가지고 있다면 양자 측정의 결과가 따를 수있는 모든 알 수없는 정보에 대한 집단 용어입니다.
이러한 숨겨진 변수는 강조해야하며, 반드시 입자 자체의 특성은 아닙니다. 실제로, 그것들이 있다는 생각은 이미 실험에 의해 강하게 당황합니다. 실행 가능한 숨겨진 변수는 시스템의 글로벌 구성에서 누락 된 정보를 인코딩합니다. 따라서, 숨겨진 변수의 이론은 양자 역학이 그것으로부터 도출 될 수 있다는 의미에서 감소 주의자이지만, 새로운 물리학은 거리에 존재하지 않기 때문에 거대한 입자 가속기로 테스트되어야합니다.
.물리학이 어떻게 잘못된 길을 택했는지
숨겨진 변수를 가진 이론은 양자 역학의 해석이 아님을 강조합시다. 그것들은 자연을보다 정확하게 묘사하고 측정 문제를 말하기보다는 실제로 해결할 수있는 다른 이론입니다.
말할 것도없이, 우리는 양자 역학이 평균 이론처럼 걷고 이야기한다는 것을 가장 먼저 지적하지는 않습니다. 이것은 아마도 무작위 측정 결과에 직면했을 때 모든 사람의 마음에 뿌려 질 것입니다. 그리고 숨겨진 변수는 양자 역학의 초기부터 물리학 자들이 고려해 왔습니다. 그러나 그들은 옵션이 실행 가능하지 않으며 오늘날 지속되는 오류라고 잘못 결론을 내렸다.
수십 년 전에 물리학 자들이 저지른 실수는 1964 년 존 벨 (John Bell)이 증명 한 수학적 정리에서 잘못된 결론을 내리는 것이 었습니다. 그 이후로, 수많은 실험 에서이 경계를 위반할 수 있음이 밝혀졌습니다. 벨 정리가 적용되는 숨겨진 변수 이론의 유형은 위조된다고합니다. 물리학자가 그려진다는 결론은 양자 이론이 정확하고 숨겨진 변수가 아니라는 것입니다.
그러나 Bell의 정리는 증거에 의해지지되지 않는 가정을합니다. 실험이 알약, 생쥐 또는 암 세포와 같은 큰 물체 만 포함하는 한이 가정은 합리적입니다. (실제로이 경우 통계적 독립성 위반은 실험이 변조되었음을 강력하게 시사 할 것입니다.) 그러나 양자 입자에 대한 보유 여부는 아무도 모릅니다. 이 때문에 우리는 양자 이론을지지하기보다는 Bell의 정리를 테스트하는 실험이 통계적 독립성이 위반된다는 것을 증명했다고 결론을 내릴 수 있습니다.
숨겨진 변수 통계적 독립성을 위반하는 이론은 초성애의 이름을 부여합니다. 놀랍게도, 그들은 배제 된 적이 없습니다. 물리학 자들이 지금까지 한 것과는 다른 유형의 실험이 필요하기 때문에 실험적으로 테스트 한 적이 없습니다. 초성애를 테스트하기 위해서는 양자 물리학이 우리가 생각하는 것만 큼 무작위가 아니라는 증거를 찾아야 할 것입니다.
초성애의 핵심 아이디어는 우주의 모든 것이 자연의 법칙이 입자의 특정 구성을 금지하기 때문에 우주의 모든 것이 다른 모든 것과 관련이 있다는 것입니다. 빈 우주를 가지고 있고 하나의 입자를 놓으면 다른 입자를 임의로 배치 할 수 없었습니다. 그들은 첫 번째 관계에 특정한 관계를 준수해야합니다.
이 보편적 인 관련성은 특히 양자 입자의 특성을 측정하려면이 입자가 측정 장치와 독립적이지 않다는 것을 의미합니다. 이는 장치와 입자 사이에 상호 작용이 발생하기 때문이 아닙니다. 두 사람 사이의 의존성은 단순히 자연의 속성이지만, 큰 장치 만 다루면 눈에 띄지 않습니다. 만약 그렇다면, 양자 측정은 명확한 결과를 얻었으며, 따라서 측정 문제를 해결하면서도 벨의 경계를 위반하는 것을 야기했습니다. 갑자기 모든 것이 의미가 있습니다!
물리학 자들이 반세기를 일관되지 않은 이론으로 보낸 이유를 설명하기는 어렵지만 통계적 독립성을 위반할 수 있다고 진지하게 고려한 적이 없습니다. 우리는 그 이유의 일부는 통계적 독립성에 대한 다소 기술적 인 가정이 실험 자의 자유 의지와 은유 적으로 관련되어 있기 때문입니다. 인간은 자유 의지를 믿기 위해인지 적으로 편향되어 있으며,이 편견은 물리학 자들이 유망한 설명에 맹목적으로 눈을 돌리는 데 기여했을 가능성이 높습니다.
.자유 의지의 문제는 통계적 독립성을 위반하는 경우 실험자는 기기의 설정과 측정 할 입자의 제조를 자유롭게 선택할 수 없기 때문에 초경량과 관련이 있습니다. 그러나 자유 의지는 분노한 논쟁을 불러 일으키는 경향이 있지만 양자 물리학을 이해하는 데 전적으로 접선입니다. 검출기 설정은 기계로 선택할 수 있습니다. 그리고 통계적 독립성을 위반한다고해서 실험자가 어떻게 든 그들이 좋아하는 설정을 선택하는 것을 방지한다는 의미는 아닙니다. 그것은 단지 그들의 설정이 측정 결과를 결정하는 정보의 일부라는 것을 의미합니다.
실제 문제는 양자 실험에서 통계적 독립성을 미묘하게 위반 한 경우 결과가 정확히 무엇인지에 대한 신중한 분석이 거의 없다는 것입니다. 위에서 보았 듯이 측정 문제를 해결하는 모든 이론은 비선형이어야하므로 혼란스러운 역학을 일으킬 가능성이 높습니다. 작은 변화가 큰 결과를 초래할 가능성은 혼돈의 특징 중 하나이지만 숨겨진 변수에 대한 토론에서 철저히 무시되었습니다.
저 위험, 높은 지불금
양자 역학의 기술적 관련성을 감안할 때, 그것을 넘어서는 것은 주요 과학적 돌파구가 될 것입니다. 그러나 역사적 유산으로 인해, 초 고생주의를 위해 일하거나 현재 일한 연구원들은 무시되거나 조롱당했습니다. 결과적으로, 그 아이디어는 그다지 저개발 상태로 남아있었습니다.
연구의 부족으로 인해, 우리는 일반적으로 초성애에 대한 적용 가능한 이론이 없어야합니다. 우리는 Bell 불평등의 위반을 이해하기위한 기초를 제공하는 몇 가지 모델이 있지만, 기존 양자 역학 이론만큼 유연한 형식주의는 없다. 초성애는 대부분 모델 독립적 인 몇 가지 예측을 만들어서 측정 결과가 양자 역학보다 무작위로 분포되어야하지만, 그러한 예측이 본격적인 이론에 기반을 두지 않기 때문에 비판하는 것은 쉽습니다. 실험가는 아이디어를 심각하게 받아들이지 않기 때문에 아이디어를 테스트하고 싶지 않습니다. 그러나 우리는 우연히 초성애의 증거를 찾을 수 없을 것입니다. 이 아이디어의 정의 기능인 보편적 관련성은 기본 입자 수준에서 드러나지 않습니다. 따라서, 우리는 더 크고 더 큰 입자 가속기로 더 작고 작은 거리를 조사하는 것이 여전히 열린 기본 질문을 해결하는 데 도움이 될 것이라고 생각하지 않습니다.
오늘날 대부분의 물리학 자들이 측정 문제가 해결되거나 숨겨진 변수가 배제되었다고 잘못 생각하는 것은 허위로 배운 것이 도움이되지 않습니다. 양자 역학에 대해 마음을 사로 잡는 것이 있다면, 물리학 자들은 문제를 해결하는 가장 명백한 방법을 거의 완전히 무시한 것입니다.
Sabine Hossenfelder는 독일 프랑크푸르트 고급 연구소의 물리학 자입니다. Tim Palmer는 영국 옥스포드 대학교 물리학과의 왕립 학회 교수입니다.
리드 이미지 :Agsandrew / Shutterstock
추가 읽기
팔머, T.N. Bloch 구체, 프랙탈 불변 세트 및 벨 정리의 이산. arxiv :1804.01734 (2020).
Hossenfelder, S. &Palmer, T.N. 초성애를 다시 생각합니다. ARXIV :1912.06462 (2019).
