Форум Новой Физики

Эволюционная интерпретация квантовой механики
(теория естественного квантового отбора)
Васильев С.В.

Цель данной теории - объяснить физический смысл такого квантовомеханического явления, как вероятностное поведение элементарных частиц и других квантовых объектов (в дальнешем - просто "частиц"), способом описания которого является волновая функция. Для этого теория вводит понятие "естественный квантовый отбор", которое включает в себя явления, описываемые квантовой механикой, квантовой теорией поля и квантовой космологией, области изучения которых теория частично объединяет. Теория объясняет, почему наблюдаются именно такие значения произвольных параметров и других величин стандартной модели, которые получены экспериментально, но не предсказываются моделью. Также теория объясняет происхождение "тёмной материи".
В натурфилософском аспекте эта работа распространяет принцип дополнительности на описание физического мира с помощью пар дополняющих характеристик: возможности и определённости, свойства и действия. Также отодвигается граница между жёстко заданной областью устройства Вселенной и областью действия изменчивых динамических законов и механизмов.
В теории утверждатся существование истинной и вероятностной случаности как реальных физических явлений квантового мира и объясняется их значение. Тем самым ограничивается область действия строгого детерминизма.
Данная интерпретация не имеет аналогов, поскольку ни одна из существующих интерпретаций не объясняет физический смысл вероятностного поведения частиц и недетерминированного коллапса волновой функции, а лишь ограничивается либо попытками найти способ описания квантовомеханических явлений (квантовологическая интерпретация, анмсамблевая интерпретация, интерпретация Фейнмана, интерпретация Рязанова, томографическая интерпретация, информационная интерпретация); либо обоснованием бессмысленности объяснения природы волновой функции (копенгагенская интерпретация, интерпретация Уилера); либо объяснением того, почему кажущееся нарушение детерминизма таковым не является (интерпретация Эверетта, неореалистическая интерпретация); либо утверждением о существовании категорий "бытия в возможности" и "бытия в действительности", не объясняя физического смысла такого разделения (интерпретация Гейзенберга-Фока); либо утверждением, что в квантовомеханических явлениях проявляются механизмы функционирования Вселенной как целого, без уточнения смысла этих механизмов (холистская интерпретация) [1]. Данная теория согласуется с точками зрения двух последних интерпретаций, но в отличие от них даёт чёткое объяснение физического смысла рассматриваемых явлений.
Отдельно следует остановиться на интерпретации квантовой механики на основе реальных ансамблей Ли Смолина, предположения которой используются и развиваются в данной теории. В частности в интерпретации Смолина предполагается, что "ансамбль, ассоциируемый с некоторым квантовым состоянием, существует в реальности: это ансамбль всех систем во Вселенной, находящихся в данном квантовом состоянии. Индивидуальные системы из этого ансамбля обладают микроскопическим состоянием, описываемым “реальными переменными (beables)”. Вероятности в квантовой теории оказываются в точности обычными относительными частотными вероятностями в этих ансамблях." и "индивидуальные системы копируют реальные переменные других систем ансамбля, членами которого они являются. Вероятности для этих скопированных процессов не зависят от того, в каком месте пространства находятся эти системы, но зависят от распределения реальных переменных в ансамбле." [2]. Идея о нелокальном копировании одними частицами состояний других частиц, описываемых реальными переменными, с вероятностью, прямо пропорциональной частоте встречаемости копируемого состояния среди частиц всей Вселенной, лежит в основе механизма естественного квантового отбора.
Теория естественного квантового отбора предполагает, что в момент своего рождения при разрушении псевдовакуума по окончанию стадии инфляционного расширения Вселенной (или в другой момент первоначального рождения, если инфляционная модель неверна) частицы приобрели гораздо большее разнообразие значений свойств, выражаемых произвольными параметрами и другими величинами стандартной модели (масса, "цвета" кварков, заряд и т.д.), чем наблюдается сейчас. Эти значения и их сочетания стали материалом естественного отбора, в результате которого закрепились и размножились те значения и сочетания, которые приводят к образованию стабильных во времени взаимодействий, и исчезли те значения и сочетания, которые приводят к образованию нестабильных взаимодействий. Механизм квантового отбора основан на таких квантовомеханических явлениях, как суперпозиция свойств, рекогеренция и декогеренция [3,4] с вероятностным копированием свойств других частиц. Физический смысл этих явлений - их участие в данном механизме, без существования которого Вселенная не смогла бы достичь стабильного равновесия между веществом и силами взаимодействий.
В рамках теории суперпозиция считается естественным изначальным для всех частиц состоянием, к которому стремятся все их свойства. Необходимость принять какое-то реальное значение свойств возникает только при взаимодействии частицы с окружением (полями, переносчиками взаимодействия, другими частицами), причём только тех свойств, которые участвуют в данном взаимодействии. Пока сохраняется данное взаимодействие, сохраняются значения свойств, которые в нём участвуют. При разрушении взаимодействия свойства возвращаются в суперпозицию - подвергаются рекогеренции.
Таким образом, взаимодействие, вынуждающее свойство частицы принять реальное значение, является тем фактором, который связывает квантовый мир возможностей с классическим миром определённости. Действие является не менее фундаментальным элементом Вселенной, чем свойство.
Через состояние суперпозиции того или иного свойства, возможно, проходят все превращения частиц (осцилляции нейтрино, распад нейтрона и т.д.).
Первичная суперпозиция частицы по всем свойствам (включая параметры стандартной модели), вероятно, существует только как вероятность появления частицы из вакуума, а моментом рождения частицы является момент приобретения ею значения первого свойства.
Из первичной суперпозиции частицы, впервые появившиеся в момент разрушения псевдовакуума, случайно приобрели первые значения свойств. Истинная, а не вероятностная случайность первоначального приобретения значений свойств частицами - следствие одновременности и отсутствия предшествующих прецедентов этого события, результат которых можно было бы скопировать, исключающие участие статистического механизма вероятностей. Физическое значение истинной случайности - получение частицами как можно большего начального разнообразия свойств.
Первоначальное приобретение значений свойств могло соответствовать нескольким схемам.
Во-первых, возможные варианты значений свойств, так же как и сами виды взаимодействий, могли быть заданы заранее законом высшего по отношению к квантовому отбору иерархического порядка, а случайным образом частицей приобретался лишь тот или иной вариант значения свойства из заданных (три "цвета" кварков, заряды кварков и лептонов и т.д.).
Во-вторых, иерархически высшим законом могли быть заданы только виды взаимодействий и их закономерности, в то время как варианты значений свойств возникали случайно в момент приобретения их частицей (больше, чем три "цвета" кварков, другие варианты зарядов частиц, другая кратность - 1/2, 1/4 - зарядов кварков и т.д.).
В-третьих, случайно могли возникать и виды взаимодействий со всеми их закономерностями (другие способы нарушения симметрии), и варианты значений свойств.
В плане максимального начального разнообразия значений свойств частиц - материала последующего отбора - более предпочтительными являются второй и третий варианты. Для третьего варианта важно также то, что для функционирования механизма отбора необходимо существование закона высшего порядка, определяющего закономерности взаимодействия, согласно которым взаимодействие будет стабильным или нестабильным для тех или иных значений свойств. То есть, даже если существующие виды взаимодействий появились случайно, то их появление должно было предшествовать началу квантового отбора.
Возможна также ситуация, когда одни свойства появлялись по одному варианту, а другие - по другому. Это может объяснить, например, почему масса выделяется среди прочих свойств большим разнообразием значений.
Таким образом "первичный бульон" частиц содержал большое разнообразие частиц со случайными значениями свойств и их сочетаниями. Они составили материал последующего отбора.
Отбор заключается в следующем. Частицы, вновь вступающие во взаимодействие, или вновь рождающиеся в результате взаимодействия, вынуждены приобрести значения необходимых для взаимодействия свойств. Для этого они с определённой вероятностью копируют уже существующие значения аналогичных свойств существующих в данный момент времени частиц, уже состоящих в аналогичном взаимодействии (находящихся в том же квантовом состоянии). Копирование происходит по вероятностной схеме, аналогичной предложенной Ли Смолиным, - вероятность прямо пропорциональна количественным соотношениям реально существующих во Вселенной на данный момент времени частиц, имеющих тот или иной вариант значения данного свойства (что соответствует частоте встречаемости реальных переменных в реальном ансамбле у Ли Смолина). Частица, делающая выбор, может скопировать то или иное значение свойства другой аналогичной частицы, уже состоящей в аналогичном взаимодействии, с вероятностью, равной частоте встречаемости во Вселенной частиц, уже имеющих такое же значение такого же свойства в данный момент времени. Механизм копирования имеет нелокальный характер и его реализация не зависит от того, на каком расстоянии друг от друга в пространстве находятся копирующая и копируемая частицы, тем более, что, строго говоря, копируемой частицы как таковой не существует - копируется значение свойства совокупности всех частиц Вселенной, обладающих этим значением и объединённых нелокальной связью.
То есть, если говорить о природе суперпозиции, возможные варианты значений свойств не столько "находятся" в суперпозиции свойств данной частицы, сколько являются нелокально "транслированными" на данную частицу значениями свойств реально существующих во Вселенной аналогичных частиц. Такую "трансляцию выбора" можно определить как перенос посредством нелокальной когерентной связи значений свойств всех существующих в данный момент времени во Вселенной аналогичных частиц, сделавших аналогичный выбор и имеющих значение данного свойства, на суперпозицию свойств данной частицы, делающей выбор, который (перенос) непосредственно задает значения вероятностей того или иного варианта выбора. Надо заметить, что в этом случае суперпозиция частицы вне выбора и суперпозиция частицы в момент выбора имеют различные свойства: первая не содержит каких-либо вероятностных предпочтений (или содержит все вероятности всех возможных ситуаций выбора), в то время как вторая содержит "транслированные" на неё вероятности конкретного выбора.
В случае разрушения взаимодействия, участвовавшие в нём свойства, если они не участвуют в каких-то других взаимодействиях, подвергаются рекогеренции - возвращаются в состояние суперпозиции и утрачивают реальные значения. Таким образом "стираются" значения свойств, которые приводят к нестойким взаимодействиям.
Описанный выше механизм обеспечивает отбор, закрепление и размножение тех вариантов значений свойств и их комбинаций, которые приводят к образованию более стабильных во времени частиц, и уменьшению относительной частоты встречаемости "неудачных" вариантов и комбинаций.
Проще говоря, реальное значение А, приводящее к образованию более стабильного взаимодействия, существуя то время, которое существует данное взаимодействие, при равных других условиях, копируется больше раз, чем реальное значение В того же свойства, приводящее к образованию менее стабильного взаимодействия. Скопированное больше раз, и соответственно, существующее в большем числе копий, значение А по описанному статистическому закону будет копироваться всё с большей вероятностью.
Этот механизм я назвал "естественный квантовый отбор". Он основывается на естественной первоначальной неопределённости - суперпозиции - значений свойств частиц вещества и их определении путём вероятностного нелокального копирования в результате взаимодействий - декогеренции. Недетерминированностость результата декогеренции - следствие её вероятностного (или истинно случайного при отсутствии предшествующих прецедентов) характера. Физическое значение вероятностной случайности - обеспечение возможности отбора значений свойств наиболее стабильных частиц.
Наблюдаемые сейчас величины стандартной модели не являются, строго говоря, константами, а их постоянство поддерживается динамическим механизмом вероятностного копирования. Константой выглядит величина, для которой на данном этапе развития Вселенной существует один преобладающий вариант значения свойства, вероятность копирования которого стремится к единице.
Область применения теории не ограничивается субатомными взаимодействиями - подобный механизм отбора вариантов более стабильных взаимодействий может быть применим вплоть до химических реакций, в которых имеют место квантовые эффекты.
Что касается суперпозиции положения частицы в пространстве (я бы её назвал суперпозицией возможностей частицы провзаимодействовать в той или иной точке пространства) - первом свойстве частиц, с суперпозицией которого столкнулись исследователи, - учитывая плотность "населения" ранней Вселенной частицами, её можно рассматривать как возможность выбора одной частицей, с какой из соседних ей частиц (то есть, в какой из точек пространства) "лучше" вступить во взаимодействие, и которая (возможность) существует постоянно (до определённых значений отношения массы частицы и температуры [4]) и независимо от присутствия каких-либо частиц по соседству. В данном случае "лучше" также определяется стабильностью взаимодействия, которое будет образовано, то есть частотой встречаемости во Вселенной того или иного результата такого взаимодействия. В случае, когда возможные варианты взаимодействий равнозначны, как в случае взаимодействия с материалом фотопластинки в опытах с интерференцией и дифракцией частиц, выбор варианта выглядит как истинно случайный.
И - да - частица в состоянии суперпозиции положения в пространстве в известном эксперименте проходит две щели одновременно. Вернее, две щели проходят вероятности частицы провзаимодействовать в данных точках пространства.
Описанный механизм естественного квантового отбора должен приводить к появлению во Вселенной трёх фракций частиц, занимающих разное положение в процессе квантового отбора.
Первая фракция - "удачные" взаимодействующие частицы, являющиеся относительно стабильными сами и (или) дающие относительно стабильные результаты взаимодействия. Свойства этих частиц закреплялись и размножались в ходе квантового отбора и из этих частиц состоит наблюдаемое "материальное" вещество Вселенной.
Вторая фракция - "неудачные" нестабильные взаимодействующие частицы, дающие нестабильные результаты взаимодействия, или нестабильные не взаимодействующие частицы. Такие частицы "выбраковывались" отбором и со временем распадались до частиц, составляющих третью фракцию.
Третья фракция - самостоятельно появившиеся, появившиеся вследствие взаимодействия между собой других частиц или являющиеся результатом распада частиц второй фракции, стабильные частицы, по своим свойствам не вступающие ни в какие взаимодействия, кроме гравитационного. Эти частицы могут составлять гипотетическую "тёмную материю" - "мусорник частиц" квантового отбора.
Граница между первой и второй фракциями не чёткая и существуют промежуточные частицы, являющиеся относительно нестойкими, встречающиеся в небольшом количестве как продукт превращений частиц первой фракции.
Следствием существования естественного квантового отбора является несущественность для равновесия сил и вещества Вселенной того, каким именно образом была нарушена симметрия, какие взаимодействия и с какими свойствами в результате этого образовались и какие параметры стандартной модели установились. Равновесие достигается динамическим механизмом отбора.

Для экспериментальной проверки теории возможно провести с небольшой модификацией обычный эксперимент с интерференцией или дифракцией одиночных частиц. Модификация заключается в использовании фотопластинки из двух равных, разделённых точно по центру пластинки частей. Первая часть - из обычного материала, с которым частицы, тестируемые в эксперименте, создают стойкое взаимодействие, в результате которого образуется вещество с высоким процентным содержанием во Вселенной. Вторая часть - из материала, с которым частицы, тестируемые в эксперименте, создают нестойкое взаимодействие (но достаточной стойкости, чтобы можно было учесть результаты эксперимента), в результате которого образуется вещество с низким процентным содержанием во Вселенной. В результате эксперимента, если, как минимум, часть теории, касающаяся суперпозиции положения частицы в пространстве, верна, тестируемые частицы должны с большей вероятностью "выбирать" ту часть пластинки, с которой они вступают в более стойкое взаимодействие с более распространённым во Вселенной результатом.

Литература:
[1] Верхозин А.Н. Интерпретация квантовой механики//Вестник Псковского государственного университета. Серия: Экономические и технические науки, 2013. №2. С.231-246
[2] Lee Smolin, A real ensemble interpretation of quantum mechanics. arXiv:1104.2822v1. Режим доступа (русский реферат): http://www.timeorigin21.narod.ru/rus_translation/1104.2822v1_Smolin.pdf
[3] Zurek H. Woitech. Decoherence and the Transition from Quantum to Classical. Los Alamos Science, Number 27, 2002. Режим доступа (русский перевод): http://www.timeorigin21.narod.ru/rus_translation/Zurek.pdf
[4] Верхозин А. Н. Тепловая декогеренция (анализ результатов опыта исследовательской группы Цайлингера)//Вестник Псковского государственного университета. Серия: Экономические и технические науки, 2013. №2. С.194-200