Кіріспе

Кванттық механикада Кохен-Спекер (KS) теоремасы, сондай-ақ Белл-KS теоремасы деп те аталады. Бұл 1966 жылы Джон С. Белл және 1967 жылы Саймон Б. Кохен мен Эрнст Спекер дәлелдеген "жоқ" теоремасы. Ол кванттық механиканың болжамдарын контекстке тәуелсіз түсіндіруге тырысатын жасырын айнымалы теорияларының рұқсат етілген түрлеріне белгілі бір шектеулер қояды. Кохен мен Спекер дәлелдеген теореманың нұсқасы осы шектеудің нақты мысалын шекті сандағы күй векторлары арқылы да берді. Кохен-Спекер теоремасы Белл теоремасына толықтыру болып табылады. Белл теоремасы кванттық механиканың болжамдарын қайта жасайтын кез келген жасырын айнымалы теориясының қасиеті ретінде жергілікті емес екенін көрсетсе, Кохен-Спекер теоремасы контексттілікті мұндай теориялардың қажетті қасиеті ретінде орнықтырды. (контексттік емес жасырын айнымалы теорияларындағыдай әмбебап ықтималдық кеңістігін қарастыра отырып) Кохен-Спекер теоремасы "барлық физикалық шамаларға мән тағайындау мүмкін еместігін, сонымен бірге олардың арасындағы функционалдық байланыстарды сақтауды бекітеді".

Тарих

КС теоремасы – кванттық механиканың толықтығы (немесе толық еместігі) туралы пікірталастағы маңызды қадам. 1935 жылы Эйнштейн, Подольский және Розен жариялаған мақаласында Копенгагендік толықтық туралы болжамды сынап, осы пікірталасты күшейтті, нәтижесінде EPR парадоксы пайда болды. Бұл парадокс кванттық механикалық өлшеу нәтижесінің микроскопиялық объектінің қасиеті ретінде, өлшеуден бұрын физикалық шындық элементінің болуының салдары ретінде детерминистік түрде туындайды деген тұжырымға негізделген. EPR мақаласында өлшенген кванттық механикалық шаманың физикалық шындықтың осындай элементінің рөлін атқара алатыны болжалды. Осы метафизикалық тұжырымның салдарынан физика қауымдастығының көпшілігі EPR сын-пікірін жете бағаламады. Сонымен қатар, Бор өзінің жауабында EPR мақаласындағы түсініксіздікке назар салды, яғни, алысқан өлшеу нәтижелерінде жергілікті өлшеу негізін өзгертудің ештеңе өзгерте алмайтынын болжауға болады, тіпті жалпы жағдайдың өзі басқаша болған күнде де. Бордың пікірінше, өлшеу орналысынан туындайтын контекстуалдылықты ескергенде, EPR-дің дәлелдері жарамсыз болады. Кейіннен Эйнштейн Бордың контекстуалдылыққа сүйенуі жергілікті емес ("қашықтықтағы керемет әрекет") екенін атап өтті және осының салдарынан, жергілікті еместіктен қашынса, толық еместікті қабылдау қажет. 1950 және 1960 жылдары метафизикаға қарсы еместер үшін екі даму жолы ашылды. Екеуі де фон Нейман ұсынған "мүмкін емес" теоремасын жетілдірді, бұл теорема жасырын айнымалылар теорияларының кванттық механикамен бірдей нәтижелер бере алмайтынын дәлелдеуге бағытталған. Біріншіден, Бом кванттық механиканың интерпретациясын жасады, ол жалпы алғанда кванттық механиканың негізінде жатқан жасырын айнымалылар теориясы ретінде қабылданады. Бом теориясының жергілікті еместігі Беллді кванттық шындықтың жергілікті емес екенін болжауға және тек жергілікті жасырын айнымалылар теориясының кванттық механикамен келіспейтінін түсінуге итерді. Ең маңыздысы, Белл мәселені метафизика деңгейінен физика деңгейіне көтере алды, Белл теңсіздігін туындатып, оны тәжірибелік түрде тексеруге мүмкіндік берді. Екінші бағыт – Кохен-Спекердің тәсілі. Беллдің тәсілінен басты айырмашылық – кванттық механиканы жасырын айнымалылар теориясымен негіздеу мүмкіндігі жергіліктілікке немесе жергілікті еместікке сілтеме жасамай, тәуелсіз қарастырылады. Оның орнына, жергіліктіліктен гөрі күшті шектеу қойылады, атап айтқанда, жасырын айнымалылар өлшенетін кванттық жүйемен ғана байланысты, ал өлшеу аппаратымен ешқандай байланысы жоқ. Бұл контекстсіздік деп аталады. Контекстуалдық бұл жерде кванттық механикалық шамалардың үйлесімсіздігімен байланысты, ал үйлесімсіздік өлшеу орналысының өзара ерекшелігімен байланысты. Кохен-Спекер теоремасы Гильберт кеңістігінің өлшемдері үш немесе одан көп болғанда, контекстсіз жасырын айнымалылар моделі кванттық теорияның болжамдарын қайта жасай алмайды деп мәлімдейді. Белл 1966 жылы Кохен-Спекер теоремасының дәлелін жариялады, бұл мақала оның атақты Белл теңсіздігі туралы мақаласынан бұрын журналға ұсынылған, бірақ екі жыл бойы редактордың үстелінде жоғалып кеткен. Кохен-Спекерге қарағанда әлдеқайда қарапайым дәлелдемелер кейіннен Мермин және Перес сияқты ғалымдар тарапынан ұсынылды. Алайда, көптеген қарапайым дәлелдер теореманы жоғары өлшемді Гильберт кеңістіктері үшін ғана анықтайды, мысалы, төртінші өлшемнен бастап. Контекстуалдылықтың алғашқы тәжірибелік сынағы 2000 жылы жүргізілді, ал 2022 жылы анықтау, өткірлік және үйлесімділік кемшіліктері жоқ нұсқасы қол жеткізілді.

Контекстуалдылық

Кохен-Спекер мақаласында мән тағайындауы контекстке тәуелді болу мүмкіндігі талқыланады, яғни кестедегі әртүрлі бағандардағы бірдей векторларға сәйкес келетін өлшенетін шамалар әртүрлі өлшеулерге байланысты бірдей мәнге ие болмауы мүмкін. Субкванттық шындық (жасырын айнымалылар теориясымен сипатталғандай) өлшеу контекстіне тәуелді болғандықтан, кванттық механикалық өлшенетін шамалар мен жасырын айнымалылар арасындағы қатынастар изоморфты емес, гомоморфты болуы мүмкін. Бұл контекстке тәуелсіз мән тағайындау қажеттілігін күштен шығарады. Осылайша, KS теоремасы контекстсіз жасырын айнымалылар теориясын ғана жоққа шығарады. Контекстуалдық болу мүмкіндігі кванттық механиканың модальдық интерпретацияларының пайда болуына себеп болды.

Сипаттаманың әртүрлі деңгейлері

КС теоремасы Эйнштейннің физикалық шындықтың бір элементі кванттық механикалық өлшенетін шаманың мәнімен бейнеленеді деген болжамын мүмкін емес екенін дәлелдейді. Кванттық механикалық өлшенетін шаманың мәні ең алдымен өлшеу құралының көрсеткішінің соңғы орнын білдіреді, ол тек өлшеу барысында ғана пайда болады және осы себепті физикалық шындықтың элементі рөлін атқара алмайды. Физикалық шындықтың элементтері болған жағдайда, оларды сипаттау үшін кванттық механика емес, субкванттық (жасырын айнымалы) теория қажет болып көрінеді. Кейінгі жарияланымдарда Белл теңсіздіктері жасырын айнымалылар теориясы негізінде талқыланады, онда жасырын айнымалы кванттық механикалық өлшенетін шаманың мәнінен өзгеше микроскопиялық объектінің субкванттық қасиеттерін көрсетеді деп есептеледі. Бұл Луи де Бройльдің бұрыннан қолданып келе жатқан түрлі теориялармен сипатталған шындықтың әртүрлі деңгейлерін ажырату мүмкіндігін ашады. Мұндай кеңейтілген теориялар үшін КС теоремасы тек өлшеудің дұрыс екені ескерілген жағдайда ғана қолданылады, яғни физикалық шындықтың субкванттық элементі мен өлшеу нәтижесінде алынған өлшенетін шаманың мәні арасында детерминистік байланыс бар деген тұжырымдамаға сәйкес келеді.