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 Белла[en] показали, что квантово запутанные частицы нарушают этот принцип. Было показано, что они влияют друг на друга, будучи физически удаленными друг от друга на значительные расстояния, тем самым подтверждая, что принцип локальности/близкодействия неверен[2][3][4][5][6][7][8][9][10][11][12][13][14][15][16][17].

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).

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

Существует мнение, что в отсутствие локальности мир обладал бы магическими свойствами, «причем не в хорошем смысле»[19].

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, сторонником локального реализма, любил в связи с этим говорить, что Луна не исчезает с неба, даже если её никто не наблюдает. Данные современной квантовой механики, основанные на проведенных экспериментах (см. Неравенства Белла, Bell test experiments), ставят под сомнение адекватность модели локального реализма «устройству» реальности[20].

Реализм в том смысле, в котором его используют физики, не прямо идентичен значению слова реализм в метафизике[21]. 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[22]. 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.[23] 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 не был протестирован/проверен или соображения такого порядка: экспериментальные ограничения (англ.)). Различные интерпретации квантовой механики отвергают различные части локального реализма и/или противофактическую определённость.

В большинстве обычных интерпретаций, таких как копенгагенская интерпретация и интерпретация, основанная на совместных историях (англ. 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 хочет сохранить реализм, и для этого ей необходимо нарушить принцип локальности для того, чтобы достигались необходимые корреляции.

В многомировой интерпретации реализм и локальность/близкодействие сохраняются, но «counterfactual definiteness» (вариант перевода: противоречащая фактам определенность) отвергается путём 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 многомировой 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).

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.