Принцип локальности

В физике принцип локальности/близкодействия утверждает, что на объект влияет только его непосредственное окружение.

Мнение Эйнштейна

Парадокс Эйнштейна — Подольского — Розена

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 не может воспроизвести все предсказания квантовой механики (теорема Белла).

Философский взгляд

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

Следующая идея характеризует относительную независимость пространственно разнесенных/удаленных объектов A и B: внешнее воздействие на A прямо не отражается на B; это известно как Принцип Локальности/Близкодействия, который сообразно используется только в теории поля. Если совершенно отвергнуть эту аксиому, тогда идея существования квазизамкнутых (quasienclosed) систем, и следовательно тем самым постулирование законов, которые могут быть проверены эмпирически в общепринятом смысле (accepted sense), стала бы невозможной.

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

Локальный реализм

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.

Реализм

Реализм в том смысле, в котором его используют физики, не прямо идентичен значению слова реализм в метафизике. 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»). 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 — 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. 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. Любая теория, к примеру квантовая механика, которая нарушает неравенства Белла, должна отвергнуть или локальный реализм, или противофактическую определённость-конечность. (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). Различные интерпретации квантовой механики отвергают различные части локального реализма и/или противофактическую определённость.

Копенгагенская интерпретация

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

Интерпретация Бома хочет сохранить реализм, и для этого ей необходимо нарушить принцип локальности для того, чтобы достигались необходимые корреляции.

Многомировая интерпретация

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).

Относительность

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 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.

Литература

• Джордж Массер. Нелокальность. Феномен, меняющий представление о пространстве и времени, и его значение для черных дыр, Большого взрыва и теорий всего = Musser George. Spooky action at a distance. — Альпина Нон-фикшн, 2018. — ISBN 978-5-91671-810-2.