超決定論
| 系列條目 |
| 量子力學 |
|---|
超決定論（英語：superdeterminism）在量子力學中是指貝爾定理的一個漏洞。超決定論指出，當所有被測量的系統都與對它們進行測量的選擇相關時，貝爾定理的假設不再被滿足。因此，超決定性的隱變量理論可以在滿足定域性原理的同時，仍然違反貝爾定理得出的不等式。[1]這使得構建一個能夠兼容所有量子力學預測的定域隱變量理論成為可能，也已有學者提出了一些相關的玩具模型。不過需要指出的是，「超決定論」這個詞本身具有一定的誤導性。超決定性模型的決定性就是通常意義上的決定性。只不過除了決定性之外，它們還假設測量的狀態與測量行為本身之間存在相關性。
概述
[編輯]貝爾定理假定在每個檢測器上執行的測量可以相互獨立地做出，也獨立於可以決定測量結果的隱變量。這通常被稱為測量獨立性或統計獨立性。然而在超決定性理論中這種關係是不滿足的，即隱變量與測量行為本身相關。由於測量的選擇和隱變量是預先確定的，因此一個檢測器的結果可以取決於另一個檢測器進行的測量，而無需藉助以超光速傳播的信息。統計獨立性的假設有時被稱為自由選擇或自由意志假設，因為對它的否定意味着人類實驗者不能自由地選擇執行哪種測量。
一部分超決定論模型會額外假設隱變量和測量選擇之間的相關性是在不久的過去才建立的。對這些超決定論模型而言，可以用實驗對其進行檢驗。[2]但總體而言，超決定論從根本上是無法檢驗的，因為可以假設這種相關性自大爆炸以來就存在。 [3]
約翰·斯圖爾特·貝爾在1980年代的一次BBC採訪中討論了超決定論：[4][5]
有一種方法可以迴避超光速和幽靈般超距作用的結論。但它涉及到宇宙中的絕對決定論，並且不允許自由意志的存在。假設世界是超決定性的，不僅無生命的大自然在幕後發條上運行，而且我們的行為，包括我們相信我們可以自由選擇做一個實驗而不是另一個實驗，包括實驗者進行一組測量而不是另一組測量的「決定」本身，都是預先確定的了，那難題就迎刃而解了。這時不再需要比光速更快的信號來告訴粒子A已經對粒子B進行了哪些測量，因為包括粒子A在內的宇宙已經「知道」這一測量行為及其結果將是什麼。
儘管貝爾承認存在這一漏洞，但他覺得這並不可信。他認為，即使執行的測量是由確定性隨機數生成器選擇的，我們可以假定這些選擇「對於手頭的目的而言可以看作是自由的」，因為機器的選擇會被大量微小的影響所改變。而隱變量不太可能像隨機數生成器那樣對所有微小的影響都敏感。[6]
諾貝爾獎得主傑拉德·特·胡夫特在1980年代初曾與貝爾討論過這一漏洞。「我提出了一個問題：假設愛麗絲和鮑伯的決定不是出於自由意志，而是由理論中的一切所決定了的。約翰說，嗯，你知道，我必須排除這種可能。如果這是可能的話，那麼我所說的就不適用了。我回復道，愛麗絲和鮑伯是出於一個原因做出決定的。這一原因在於他們的過去，所以並且必須被考慮」。[7]
物理學家安東·塞林格指出，如果超決定論是真實的，那它會通過破壞可證偽性來質疑科學本身的價值：
我們總是不明言地假設實驗者的自由……這個基本假設對於做科學是必不可少的。如果這不是真的，那麼，我想通過實驗來尋求自然的答案就變得沒有意義了，因為這樣的話自然可以決定我們的問題是什麼，並且可以引導我們的問題以使我們得出錯誤的回答。[8]
物理學家薩賓·霍森菲爾德和蒂姆·帕爾默則認為超決定論「是一種很有前途的方法，不僅可以解決測量問題，而且可以用於理解量子物理學表面上的非定域性」。 [9]
霍華德·懷斯曼和埃里克·卡瓦爾康蒂（Eric Cavalcanti）認為，任何超決定性理論的合理性和吸引力都和相信無所不在的外星人精神控制一樣。[10]
例子
[編輯]第一個超決定性隱變量模型由卡爾·H·布蘭斯於1988年提出。[11]米高·霍爾（Michael Hall）於2010年提出了另一個模型。[12]傑拉德·特·胡夫特將他的量子力學元胞自動機模型稱為是超決定性的[13]，儘管尚不清楚它是否確實滿足超決定性的定義。
一些研究者認為量子力學中的逆因果關係也是超決定論的一個例子，而其他人則認為這兩種情況不能混淆。目前還沒有被廣泛接受的定義來區分兩者。
參考文獻
[編輯]- ^ Larsson, Jan-Åke. Loopholes in Bell inequality tests of local realism. Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical. 2014, 47 (42): 16. Bibcode:2014JPhA...47P4003L. S2CID 40332044. arXiv:1407.0363
. doi:10.1088/1751-8113/47/42/424003.
- ^ Thomas Scheidl; Rupert Ursin; Johannes Kofler; Sven Ramelow; Xiao-Song Ma; Thomas Herbst; Lothar Ratschbacher; Alessandro Fedrizzi; Nathan K. Langford; Thomas Jennewein; Anton Zeilinger; et al. Violation of local realism with freedom of choice. Proc. Natl. Acad. Sci. 2010, 107 (46): 19708–19713. Bibcode:2010PNAS..10719708S. PMC 2993398 . PMID 21041665. arXiv:0811.3129 . doi:10.1073/pnas.1002780107 .
- ^ Wolchover, Natalie. The Universe Is as Spooky as Einstein Thought. The Atlantic. [2017-02-20]. （原始內容存檔於2022-06-17） （美國英語）.
- ^ BBC Radio interview with Paul Davies, 1985
- ^ The quotation is an adaptation from the edited transcript of the radio interview with John Bell of 1985. See The Ghost in the Atom: A Discussion of the Mysteries of Quantum Physics （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）, by Paul C. W. Davies and Julian R. Brown, 1986/1993, pp. 45-46 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
- ^ J. S. Bell, Free variables and local causality, Epistemological Letters, Feb. 1977. Reprinted as Chapter 12 of J. S. Bell, Speakable and Unspeakable in Quantum Mechanics (Cambridge University Press 1987)
- ^ Musser, George. Does Some Deeper Level of Physics Underlie Quantum Mechanics? An Interview with Nobelist Gerard 't Hooft. 7 October 2013 [2022-05-19]. （原始內容存檔於2022-05-19）.
- ^ A. Zeilinger, Dance of the Photons, Farrar, Straus and Giroux, New York, 2010, p. 266. Abner Shimony, Michael Horne and John Clauser made a similar comment in replying to John Bell in their discussions in the Epistemological Letters: "In any scientific experiment in which two or more variables are supposed to be randomly selected, one can always conjecture that some factor in the overlap of the backward light cones has controlled the presumably random choices. But, we maintain, skepticism of this sort will essentially dismiss all results of scientific experimentation. Unless we proceed under the assumption that hidden conspiracies of this sort do not occur, we have abandoned in advance the whole enterprise of discovering the laws of nature by experimentation." (Shimony A, Horne M A and Clauser J F, "Comment on the theory of local beables", Epistemological Letters, 13 1 (1976), as quoted in Jan-Åke Larsson, "Loopholes in Bell inequality tests of local realism", J. Phys. A: Math. Theor. 47 (2014))
- ^ Hossenfelder, Sabine; Palmer, Tim. Rethinking Superdeterminism. Frontiers in Physics. 2020, 8: 139. Bibcode:2020FrP.....8..139P. ISSN 2296-424X. arXiv:1912.06462 . doi:10.3389/fphy.2020.00139 （English）.
- ^ Wiseman, Howard; Cavalcanti, Eric. R. Bertlmann; A. Zeilinger , 編. Quantum [Un]Speakables II. Springer. 2016: 119–142. arXiv:1503.06413 . doi:10.1007/978-3-319-38987-5_6.
- ^ Brans, Carl H. Bell's theorem does not eliminate fully causal hidden variables. International Journal of Theoretical Physics. February 1988, 27 (2): 219–226 [2022-05-19]. Bibcode:1988IJTP...27..219B. S2CID 121627152. doi:10.1007/BF00670750. （原始內容存檔於2022-01-27）.
- ^ Hall, Michael J. W. Local Deterministic Model of Singlet State Correlations Based on Relaxing Measurement Independence. Physical Review Letters. 16 December 2010, 105 (25): 250404. Bibcode:2010PhRvL.105y0404H. ISSN 0031-9007. PMID 21231566. S2CID 45436471. arXiv:1007.5518 . doi:10.1103/physrevlett.105.250404.
- ^ 't Hooft, Gerard. The Cellular Automaton Interpretation of Quantum Mechanics. Fundamental Theories of Physics 185. 2016. ISBN 978-3-319-41284-9. doi:10.1007/978-3-319-41285-6.
