Введение

Концепция в квантовой механике
В квантовой механике контрфактическая определенность (CFD) — это возможность "осмысленно" говорить об определенности результатов измерений, которые не были проведены (то есть, возможность предполагать существование объектов и свойств объектов, даже если они не были измерены). Термин "контрфактическая определенность" используется в обсуждениях физических расчетов, особенно тех, которые связаны с явлением, называемым квантовой запутанностью, и с неравенствами Белла. В таких обсуждениях "осмысленно" означает возможность рассматривать эти неизмеренные результаты наравне с измеренными результатами в статистических вычислениях. Именно этот (иногда подразумеваемый, но не высказанный) аспект контрфактической определенности имеет прямое отношение к физике и математическим моделям физических систем, а не к философским вопросам, касающимся смысла неизмеренных результатов.

Обзор

Тема контрфактической определенности привлекает внимание в изучении квантовой механики, поскольку утверждается, что, будучи поставленной под сомнение результатами квантовой механики, классическая физика должна отказаться от одного из трех предположений: локальности (отсутствие "жутких воздействий на расстоянии"), отсутствия сговора (также называемого "асимметрией времени") или контрфактической определенности (или "неконтекстуальности"). Если физика откажется от принципа локальности, это поставит под вопрос наши обычные представления о причинности и предполагает, что события могут происходить со скоростью, превышающей скорость света. Если физика откажется от условия "отсутствия сговора", то станет возможным, чтобы "природа заставляла экспериментаторов измерять то, что она хочет, и когда она хочет, скрывая то, что она не хочет, чтобы физики видели". Если физика отвергает возможность "контрфактической определенности" во всех случаях, то она отвергает некоторые особенности, к которым люди привыкли относить неизменные характеристики Вселенной. "Элементы реальности, о которых говорится в статье ЭПР, – это не что иное, как свойства, существующие независимо от измерений, в понимании интерпретации свойств. В каждом запуске эксперимента существуют элементы реальности, система обладает определенными свойствами, которые однозначно определяют результат измерения, при условии выполнения соответствующего измерения". Как существительное, "контрфактический" может относиться к выведенному эффекту или следствию ненаблюдаемого макроскопического события. Примером является контрфактическое квантовое вычисление.

Теоретические соображения

Можно сказать, что интерпретация квантовой механики включает в себя использование контрфактической определенности, если она включает в математическое моделирование результаты измерений, которые являются контрфактическими; в частности, те, которые исключены в соответствии с квантовой механикой тем фактом, что квантовая механика не содержит описания одновременного измерения сопряженных пар свойств. Например, принцип неопределенности гласит, что нельзя одновременно знать, с произвольно высокой точностью, как положение, так и импульс частицы. Предположим, что измеряют положение частицы. Это действие уничтожает любую информацию о ее импульсе. Можно ли тогда говорить о результате, который был бы получен, если бы измеряли ее импульс вместо положения? С точки зрения математического формализма, следует ли такое контрфактическое измерение импульса включать вместе с фактическим измерением положения в статистическую совокупность возможных результатов, описывающих частицу? Если положение было бы r0, то в интерпретации, которая допускает контрфактическую определенность, статистическая совокупность, описывающая положение и импульс, будет содержать все пары (r0,p) для каждого возможного значения импульса p, тогда как интерпретация, которая полностью отвергает контрфактические значения, будет иметь только пару (r0,⊥), где ⊥ (называемая "up tack" или "eet") обозначает неопределенное значение. Используя макроскопическую аналогию, интерпретация, которая отвергает контрфактическую определенность, рассматривает измерение положения как нечто похожее на вопрос, где в комнате находится человек, в то время как измерение импульса похоже на вопрос, пусто ли у человека на коленях или там что-то есть. Если положение человека изменилось, когда он встал вместо того, чтобы сидеть, то у этого человека нет коленей, и ни утверждение "на коленях человека пусто", ни "на коленях человека что-то есть" не являются истинными. Любой статистический расчет, основанный на значениях, когда человек стоит в каком-то месте в комнате и одновременно имеет колени, как если бы он сидел, был бы бессмысленным. Зависимость от контрфактически определенных значений является базовым предположением, которое вместе с "временной асимметрией" и "локальной причинностью" привело к неравенствам Белла. Белл показал, что результаты экспериментов, предназначенных для проверки идеи скрытых переменных, должны предсказывать попадание в определенные пределы, основанные на всех трех этих предположениях, которые считаются фундаментальными принципами классической физики, но результаты, найденные в этих пределах, будут несовместимы с предсказаниями квантовой механической теории. Эксперименты показали, что квантово-механические результаты предсказуемо превышают эти классические пределы. Расчет ожиданий на основе работы Белла подразумевает, что для квантовой физики необходимо отказаться от предположения о "локальном реализме". Теорема Белла доказывает, что каждый тип квантовой теории должен обязательно нарушать локальность или отвергать возможность расширения математического описания результатами измерений, которые на самом деле не были произведены.

Копенгагенское толкование

Традиционная копенгагенская интерпретация квантовой механики отвергает контрфактическую определенность, поскольку она не приписывает никакого значения измерению, которое не было произведено. При проведении измерений возникают значения, но они не рассматриваются как раскрытие заранее существующих величин. Как выразился Ашер Перес, "непроведенные эксперименты не имеют результатов".

Много миров

Интерпретация множества миров отвергает контрафактную определенность в ином смысле; вместо того, чтобы не приписывать значение измерениям, которые не были произведены, она приписывает множество значений. Когда измерения производятся, каждое из этих значений реализуется как полученный результат в отдельном мире разветвляющейся реальности. Как выразился профессор Гай Блэйлок из Университета Массачусетса в Амхерсте: "Интерпретация множества миров неопределенна не только в отношении контрфактов, но и в отношении фактов".

История

Подход последовательных историй отвергает контрфактическую определенность еще одним способом: он приписывает единственные, но скрытые значения невыполненным измерениям и запрещает комбинировать значения несовместимых измерений (контрфактических или фактических), поскольку такие комбинации не дают результатов, соответствующих тем, которые можно было бы получить исключительно из выполненных совместимых измерений. При выполнении измерения скрытое значение, тем не менее, реализуется в виде полученного результата. Роберт Гриффитс сравнивает это с "бумажками", помещенными в "непрозрачные конверты". Таким образом, последовательные истории не отвергают контрфактические результаты как таковые, а отвергают их лишь при комбинировании с несовместимыми результатами. В то время как в копенгагенской или многомировой интерпретации алгебраические операции для вывода неравенства Белла не могут быть проведены из-за отсутствия или множественности значений там, где требуется единственное значение, в последовательных историях они могут быть выполнены, но полученные коэффициенты корреляции нельзя приравнять к тем, которые были бы получены при реальных измерениях (которые, напротив, определяются правилами квантовомеханического формализма). Вывод комбинирует несовместимые результаты, лишь некоторые из которых могут быть фактическими для данного эксперимента, а остальные – контрфактическими.