Введение

Теорема, ограничивающая типы теорий скрытых переменных. В квантовой механике теорема Кохена — Спекера (KS), также известная как теорема Белла — KS, является "теоремой о невозможности", доказанной Джоном С. Беллом в 1966 году и Саймоном Б. Кохеном и Эрнстом Спекером в 1967 году. Она накладывает определенные ограничения на допустимые типы теорий скрытых переменных, которые стремятся объяснить предсказания квантовой механики контекстно-независимым образом. Версия теоремы, доказанная Кохеном и Спекером, также привела к явному примеру этого ограничения, выраженному через конечное число векторов состояния. Теорема Кохена — Спекера дополняет теорему Белла. Если теорема Белла установила нелокальность как свойство любой теории скрытых переменных, воспроизводящей предсказания квантовой механики, то теорема Кохена — Спекера установила контекстуальность как неизбежное свойство таких теорий (при условии существования универсального вероятностного пространства событий, как в неконтекстуальных теориях скрытых переменных). Теорема Кохена — Спекера "утверждает о невозможности присвоения значений всем физическим величинам с одновременным сохранением функциональных связей между ними".

История

Теорема КС является важным шагом в дебатах о (не)полноте квантовой механики, получивших импульс в 1935 году благодаря критике копенгагенского предположения о полноте в статье Эйнштейна, Подольского и Розена, создавшей так называемый EPR-парадокс. Этот парадокс основан на предположении, что результат квантово-механического измерения генерируется детерминированным образом как следствие существования элемента физической реальности, который предположительно присутствует до измерения в качестве свойства микроскопического объекта. В статье EPR предполагалось, что измеренное значение квантово-механической наблюдаемой может выступать в роли такого элемента физической реальности. В силу этого метафизического предположения, критика EPR не была воспринята всерьез большинством физического сообщества. Более того, в своем ответе Бор указал на неоднозначность в статье EPR, заключающуюся в том, что в ней подразумевается возможность предположить, что изменение локальной базы измерений не повлияет на удаленные результаты измерений, даже если весь универсальный контекст будет иным. Учет контекстуальности, вытекающей из схемы измерения, по мнению Бора, делает рассуждения EPR недействительными. Впоследствии Эйнштейн заметил, что опора Бора на контекстуальность подразумевает нелокальность ("жуткое дальнодействие") и, следовательно, для избежания нелокальности необходимо признать неполноту. В 1950-х и 1960-х годах перед теми, кто не избегал метафизики, открылись две линии развития, обе улучшающие "теорему о невозможности", представленную фон Нейманом, которая якобы доказывает невозможность теорий скрытых переменных, дающих те же результаты, что и квантовая механика. Во-первых, Бом разработал интерпретацию квантовой механики, общепринятую как теория скрытых переменных, лежащая в основе квантовой механики. Нелокальность теории Бома побудила Белла предположить, что квантовая реальность нелокальна, и, вероятно, только локальные теории скрытых переменных противоречат квантовой механике. Более того, Беллу удалось поднять проблему с уровня метафизики на уровень физики, выведя неравенство, неравенство Белла, которое можно экспериментально проверить. Вторая линия – подход Кохена–Спекера. Существенное отличие от подхода Белла заключается в том, что возможность обоснования квантовой механики теорией скрытых переменных рассматривается независимо от каких-либо ссылок на локальность или нелокальность, но вместо этого вводится более сильное ограничение, а именно, что скрытые переменные связаны исключительно с измеряемой квантовой системой; ни одна из них не связана с измерительным аппаратом. Это называется предположением о неконтекстуальности. Контекстуальность здесь связана с несовместимостью квантово-механических наблюдаемых, а несовместимость – с взаимоисключаемостью схем измерения. Теорема Кохена–Спекера утверждает, что никакая неконтекстуальная модель скрытых переменных не может воспроизвести предсказания квантовой теории, когда размерность гильбертова пространства равна трем или более. Белл опубликовал доказательство теоремы Кохена–Спекера в 1966 году в статье, представленной в журнал раньше, чем его знаменитая статья о неравенстве Белла, но потерянной на столе редактора в течение двух лет. Позднее были предложены значительно более простые доказательства, чем доказательство Кохена–Спекера, в частности, Мермином и Пересом. Однако многие более простые доказательства устанавливают теорему только для гильбертовых пространств более высокой размерности, например, начиная с размерности четыре. Первый экспериментальный тест контекстуальности был проведен в 2000 году, а версия без дефектов обнаружения, четкости и совместимости была достигнута в 2022 году.

Контекстуальность

В статье Кохена — Спекера обсуждается возможность того, что присвоение значений может зависеть от контекста, то есть наблюдаемые, соответствующие одинаковым векторам в разных столбцах таблицы, не обязаны иметь одинаковые значения, поскольку разные столбцы соответствуют различным настройкам измерений. Поскольку субквантовая реальность (как это описывается в теории скрытых переменных) может зависеть от контекста измерений, возможно, что связи между квантовомеханическими наблюдаемыми и скрытыми переменными являются лишь гомоморфными, а не изоморфными. Это упразднило бы требование контекстно-независимого присвоения значений. Таким образом, теорема КС исключает только неконтекстуальные теории скрытых переменных. Возможность контекстуальности дала начало так называемым модальным интерпретациям квантовой механики.

Различные уровни описания

По теореме К.С. доказана невозможность предположения Эйнштейна о том, что элемент физической реальности представлен значением квантовомеханической величины. Значение квантовомеханической величины относится прежде всего к конечному положению указателя измерительного прибора, которое возникает только в процессе измерения и по этой причине не может играть роль элемента физической реальности. Элементы физической реальности, если они существуют, по-видимому, требуют для своего описания субквантовой (теории скрытых переменных), а не квантовой механики. В более поздних публикациях неравенства Белла рассматриваются на основе теорий скрытых переменных, в которых скрытая переменная предположительно относится к субквантовому свойству микроскопического объекта, отличному от значения квантовомеханической величины. Это открывает возможность различать различные уровни реальности, описываемые различными теориями, что уже практиковалось Луи де Бройлем. Для таких более общих теорий теорема К.С. применима только в том случае, если измерение считается адекватным, в том смысле, что существует детерминированная связь между субквантовым элементом физической реальности и значением величины, полученным в результате измерения.