Lịch sử Podcast

Sự ra đời của lý thuyết lượng tử

Sự ra đời của lý thuyết lượng tử

Nhà vật lý người Đức Max Planck công bố nghiên cứu đột phá của mình về ảnh hưởng của bức xạ lên một chất “vật đen”, và lý thuyết lượng tử của vật lý hiện đại ra đời.

Thông qua các thí nghiệm vật lý, Planck đã chứng minh rằng năng lượng, trong một số tình huống nhất định, có thể thể hiện các đặc tính của vật chất. Theo lý thuyết của vật lý cổ điển, năng lượng chỉ là một hiện tượng giống như sóng liên tục, không phụ thuộc vào các đặc tính của vật chất. Lý thuyết của Planck cho rằng năng lượng bức xạ được tạo thành từ các thành phần giống như hạt, được gọi là "lượng tử". Lý thuyết đã giúp giải quyết các hiện tượng tự nhiên chưa giải thích được trước đây như ứng xử của nhiệt trong chất rắn và bản chất của sự hấp thụ ánh sáng ở cấp độ nguyên tử. Năm 1918, Planck được trao giải Nobel vật lý cho công trình nghiên cứu bức xạ vật đen.

Các nhà khoa học khác, chẳng hạn như Albert Einstein, Niels Bohr, Louis de Broglie, Erwin Schrodinger và Paul M. Dirac, đã nâng cao lý thuyết của Planck và có khả năng phát triển cơ học lượng tử - một ứng dụng toán học của lý thuyết lượng tử duy trì rằng năng lượng là vật chất và một làn sóng, tùy thuộc vào các biến nhất định. Do đó, cơ học lượng tử có một cái nhìn xác suất về tự nhiên, trái ngược hẳn với cơ học cổ điển, trong đó tất cả các thuộc tính chính xác của các vật thể, về nguyên tắc, đều có thể tính toán được. Ngày nay, sự kết hợp của cơ học lượng tử với thuyết tương đối của Einstein là cơ sở của vật lý hiện đại.


Sự ra đời của thời gian: Các vòng lượng tử mô tả sự tiến hóa của Vũ trụ

Vụ nổ lớn là gì và điều gì đã xảy ra trước nó? Các nhà khoa học từ Khoa Vật lý, Đại học Warsaw đã cố gắng trả lời câu hỏi. Trong khuôn khổ của lực hấp dẫn lượng tử vòng lặp, họ đã đưa ra một mô hình lý thuyết mới, mô hình này có thể hữu ích cho việc xác thực các giả thuyết về các sự kiện trước Vụ nổ lớn. Thành tựu này là một trong số ít mô hình mô tả lý thuyết Einstein đầy đủ chứ không chỉ là phiên bản đơn giản hóa của nó.

Các nhà vật lý từ Khoa Vật lý, Đại học Warsaw đã đưa ra - trên các trang của Đánh giá vật lý D - một mô hình lý thuyết mới về lực hấp dẫn lượng tử mô tả sự xuất hiện của không-thời gian từ các cấu trúc của lý thuyết lượng tử. Nó không chỉ là một trong số ít mô hình mô tả lý thuyết tương đối tổng quát đầy đủ của Einstein mà còn hoàn toàn nhất quán về mặt toán học. Giáo sư Jerzy Lewandowski từ Khoa Vật lý, Đại học Warsaw (FUW) giải thích: “Các giải pháp được áp dụng cho phép theo dõi sự tiến hóa của Vũ trụ theo cách vật lý dễ chấp nhận hơn so với trường hợp của các mô hình vũ trụ trước đây.

Trong khi thuyết tương đối rộng được áp dụng để mô tả Vũ trụ ở quy mô vũ trụ, thì cơ học lượng tử được áp dụng để mô tả thực tế ở quy mô nguyên tử. Cả hai lý thuyết đều được phát triển vào đầu thế kỷ 20. Giá trị của chúng kể từ đó đã được xác nhận bởi các thí nghiệm và quan sát rất phức tạp. Vấn đề nằm ở chỗ các lý thuyết loại trừ lẫn nhau.

Theo thuyết tương đối rộng, thực tế luôn được xác định duy nhất (như trong cơ học cổ điển). Tuy nhiên, thời gian và không gian đóng một vai trò tích cực trong các sự kiện và bản thân chúng là đối tượng của các phương trình của Einstein. Mặt khác, theo vật lý lượng tử, người ta chỉ có thể hiểu được sơ bộ về tự nhiên. Một dự đoán chỉ có thể được thực hiện với xác suất độ chính xác của nó bị giới hạn bởi các đặc tính vốn có. Nhưng các định luật của các lý thuyết lượng tử thịnh hành không áp dụng cho thời gian và không gian. Những mâu thuẫn như vậy là không phù hợp trong các điều kiện tiêu chuẩn - các thiên hà không phải là đối tượng của các hiện tượng lượng tử và lực hấp dẫn lượng tử đóng một vai trò nhỏ trong thế giới của các nguyên tử và hạt. Tuy nhiên, các hiệu ứng trọng lực và lượng tử cần phải hợp nhất trong các điều kiện gần với Vụ nổ lớn.

Các mô hình vũ trụ học truyền thống mô tả sự tiến hóa của Vũ trụ trong khuôn khổ của chính thuyết tương đối rộng. Các phương trình cốt lõi của lý thuyết cho thấy rằng Vũ trụ là một sự sáng tạo năng động, không ngừng mở rộng. Khi các nhà lý thuyết cố gắng khám phá Vũ trụ như thế nào trong thời gian trôi qua, họ đạt đến giai đoạn mà mật độ và nhiệt độ trong mô hình trở nên vô hạn - nói cách khác, họ mất đi cảm giác vật lý. Do đó, sự vô hạn có thể chỉ là dấu hiệu cho thấy những điểm yếu của lý thuyết trước đây và thời điểm của Vụ nổ lớn không nhất thiết phải biểu thị sự ra đời của Vũ trụ.

Để có được ít nhất một số kiến ​​thức về lực hấp dẫn lượng tử, các nhà khoa học xây dựng các mô hình lượng tử đơn giản hóa, được gọi là mô hình vũ trụ lượng tử, trong đó không-thời gian và vật chất được biểu thị bằng một giá trị duy nhất hoặc một vài giá trị đơn lẻ. Ví dụ, mô hình được phát triển bởi Ashtekar, Bojowald, Lewandowski, Paw & # 322owski và Singh dự đoán rằng lực hấp dẫn lượng tử ngăn cản sự gia tăng mật độ năng lượng vật chất vượt quá một giá trị tới hạn nhất định (bậc của mật độ Planck). Do đó, chắc chắn đã có một vũ trụ hợp đồng trước Vụ nổ lớn. Khi mật độ vật chất đạt đến giá trị tới hạn, kéo theo đó là sự mở rộng nhanh chóng - Vụ nổ lớn, được gọi là Vụ nổ lớn. Tuy nhiên, mô hình là một mô hình đồ chơi được đơn giản hóa cao.

Câu trả lời thực sự cho bí ẩn Vụ nổ lớn nằm trong một lý thuyết lượng tử thống nhất giữa vật chất và lực hấp dẫn. Một nỗ lực trong việc phát triển một lý thuyết như vậy là lực hấp dẫn lượng tử vòng (LQG). Lý thuyết cho rằng không gian được dệt từ các sợi một chiều. Wojciech Kami & # 324ski, MSc từ FUW mô tả: “Nó cũng giống như trường hợp của một loại vải - mặc dù nhìn từ xa nó có vẻ mịn, nhưng ở những vùng gần chúng ta thấy rằng nó bao gồm một mạng lưới các sợi”. Không gian như vậy sẽ tạo thành một tấm vải mịn - diện tích một cm vuông sẽ bao gồm 10 66 sợi chỉ.

Các nhà vật lý Marcin Domaga & # 322a, Wojciech Kami & # 324ski và Jerzy Lewandowski, cùng với Kristina Giesel từ Đại học Bang Louisiana (khách mời), đã phát triển mô hình của họ trong khuôn khổ lực hấp dẫn lượng tử vòng lặp. Điểm bắt đầu của mô hình là hai trường, một trong số đó là trường hấp dẫn. Marcin Domaga & # 322a, Tiến sĩ (FUW) giải thích: "Nhờ thuyết tương đối rộng, chúng ta biết rằng lực hấp dẫn là dạng hình học của không-thời gian. Do đó, chúng ta có thể nói rằng điểm xuất phát của chúng ta là không gian ba chiều".

Điểm bắt đầu thứ hai là trường vô hướng - một đối tượng toán học trong đó một giá trị cụ thể được quy về mọi điểm trong không gian. Trong mô hình đề xuất, trường vô hướng được hiểu là dạng vật chất đơn giản nhất. Trường vô hướng đã được biết đến trong vật lý trong nhiều năm, chúng được ứng dụng, trong số những trường khác, để mô tả sự phân bố nhiệt độ và áp suất trong không gian. Giáo sư Lewandowski nhận xét: “Chúng tôi đã chọn trường vô hướng vì nó là đặc điểm điển hình của các mô hình vũ trụ học đương đại và mục đích của chúng tôi là phát triển một mô hình có thể tạo nên một bước tiến khác trong nghiên cứu lực hấp dẫn lượng tử”.

Trong mô hình được phát triển bởi các nhà vật lý từ Warsaw, thời gian xuất hiện như là mối quan hệ giữa trường hấp dẫn (không gian) và trường vô hướng - một thời điểm trong thời gian được cho bởi giá trị của trường vô hướng. Giáo sư Lewandowski giải thích: “Chúng tôi đặt ra câu hỏi về hình dạng của không gian tại một giá trị nhất định của trường vô hướng và các phương trình lượng tử của Einstein cung cấp câu trả lời. Do đó, hiện tượng thời gian trôi qua nổi lên như một thuộc tính của trạng thái trường hấp dẫn và vô hướng và sự xuất hiện của trạng thái như vậy tương ứng với sự ra đời của không-thời gian đã biết. Giáo sư Lewandowski giải thích: "Điều đáng lưu ý là thời gian không tồn tại ở thời điểm bắt đầu của mô hình. Không có gì xảy ra.

Nhà vật lý từ FUW đã có thể đưa ra mô tả chính xác hơn về sự tiến hóa của Vũ trụ. Trong khi các mô hình dựa trên lý thuyết tương đối rộng được đơn giản hóa và giả định trường hấp dẫn tại mọi điểm của Vũ trụ là giống hệt nhau hoặc có thể thay đổi nhỏ, trường hấp dẫn trong mô hình được đề xuất có thể khác nhau tại các điểm khác nhau trong không gian.

Việc xây dựng lý thuyết được đề xuất là mô hình tiên tiến đầu tiên được đặc trưng bởi tính nhất quán toán học bên trong. Nó xuất phát như sự tiếp tục tự nhiên của nghiên cứu lượng tử hóa lực hấp dẫn, nơi mà mỗi lý thuyết mới đều bắt nguồn từ các lý thuyết cổ điển. Để đạt được mục đích đó, các nhà vật lý áp dụng một số thuật toán nhất định, được gọi là lượng tử hóa. Marcin Domaga & # 322a, MSc, giải thích: "Thật không may cho các nhà vật lý, các thuật toán này không chính xác. "Chúng tôi đã thành công trong việc thực hiện lượng tử hóa đầy đủ và thu được một trong những mô hình khả thi."

Vẫn còn một chặng đường dài phía trước, theo Giáo sư Lewandowski: "Chúng tôi đã phát triển một bộ máy lý thuyết nhất định. Chúng tôi có thể bắt đầu phân tích nó với các câu hỏi và nó sẽ cung cấp câu trả lời." Các nhà lý thuyết từ FUW dự định, trong số những người khác, sẽ hỏi xem liệu Big Bounce có thực sự xảy ra trong mô hình của họ hay không. Giáo sư Lewandowski cho biết: “Trong tương lai, chúng tôi sẽ cố gắng đưa vào mô hình các trường xa hơn của Mô hình Chuẩn của các hạt cơ bản. Bản thân chúng tôi cũng tò mò muốn tìm hiểu điều gì sẽ xảy ra.


Mạng Copenhagen

Các tác giả: Kojevnikov, Alexei

  • Mô tả những bước đầu tiên chùn bước của các nhà vật lý lượng tử ban đầu
  • Theo dõi quỹ đạo của các nhà nghiên cứu trẻ trong thời kỳ kinh tế không chắc chắn và khó khăn
  • Là một phần của bộ sưu tập bốn tập theo dấu sự phát triển của lý thuyết lượng tử tại bốn trung tâm châu Âu

Mua cuốn sách này

  • ISBN 978-3-030-59188-5
  • Được đánh dấu kỹ thuật số, không có DRM
  • Định dạng bao gồm: EPUB, PDF
  • sách điện tử có thể được sử dụng trên tất cả các thiết bị đọc
  • Tải xuống sách điện tử ngay lập tức sau khi mua
  • ISBN 978-3-030-59187-8
  • Giao hàng miễn phí cho các cá nhân trên toàn thế giới
  • Khách hàng là tổ chức nên liên hệ với người quản lý tài khoản của họ
  • Thường sẵn sàng được gửi đi trong vòng 3 đến 5 ngày làm việc, nếu còn hàng

Cuốn sách này là một phân tích lịch sử về cuộc cách mạng cơ học lượng tử và sự xuất hiện của một ngành học mới từ quan điểm, không phải của một giáo sư, mà là của một Tiến sĩ gần đây hoặc thực tế. sinh viên mới bắt đầu vào một sự nghiệp học tập không chắc chắn trong thời kỳ kinh tế khó khăn. Cơ học lượng tử bùng nổ trong lĩnh vực trí tuệ từ năm 1925 đến năm 1927, với hơn 200 ấn phẩm trên khắp thế giới, phần lớn là tác giả của các nhà khoa học trẻ dưới 30 tuổi, sinh viên cao học hoặc nghiên cứu sinh sau tiến sĩ. Lý thuyết kết quả là một sản phẩm tập thể mà không một cơ quan có thẩm quyền nào có thể tuyên bố, nhưng nó có một điểm quan trọng về mặt địa lý - Viện Vật lý lý thuyết Copenhagen - nơi diễn ra hầu hết các cuộc trao đổi ý tưởng không chính thức, được xuất bản trước và là nơi mọi người tham gia vào cộng đồng mới khao khát đến thăm. Một sự kết hợp hiếm có giữa hoàn cảnh và nguồn lực - chính trị, ngoại giao, tài chính và trí tuệ - đã cho phép Niels Bohr thiết lập “Mecca” của lý thuyết lượng tử bên ngoài các trung tâm khoa học truyền thống và mạnh mẽ hơn. Các nghiên cứu sinh sau tiến sĩ quốc tế tạm thời, thay vì các giáo sư đã thành danh, đã phát triển một nền văn hóa nghiên cứu trở thành nguồn gốc của những đổi mới lớn trong lĩnh vực này. Chức vụ trợ lý tạm thời, các vị trí sau tiến sĩ và các chức vụ tương đương là phương thức tồn tại chính của các học giả trẻ trong thời kỳ khủng hoảng kinh tế và căng thẳng quốc tế sau Thế chiến I. Quỹ đạo sự nghiệp không an toàn và những bước di chuyển không thể đoán trước qua các vị trí tạm thời không ổn định đã góp phần vào triển vọng và cách giải thích chung của họ về lý thuyết cơ học lượng tử mới nổi.

Cuốn sách này là một phần của bộ sưu tập bốn tập đề cập đến sự khởi đầu của nghiên cứu vật lý lượng tử tại các trung tâm lớn của Châu Âu là Göttingen, Copenhagen, Berlin và Munich, những công trình này xuất hiện từ một nghiên cứu mở rộng về cuộc cách mạng lượng tử như một sự chuyển đổi lớn của kiến ​​thức vật lý được thực hiện. của Viện Max Planck về Lịch sử Khoa học và Viện Fritz Haber (2006–2012).


Sự ra đời của thuyết lượng tử - LỊCH SỬ

Nhà vật lý người Đức Max Planck công bố nghiên cứu đột phá của mình về ảnh hưởng của bức xạ lên chất "vật đen", và lý thuyết lượng tử của vật lý hiện đại ra đời.

Thông qua các thí nghiệm vật lý, Planck đã chứng minh rằng năng lượng, trong một số tình huống nhất định, có thể thể hiện các đặc tính của vật chất. Theo các lý thuyết của vật lý cổ điển, năng lượng chỉ là một hiện tượng giống như sóng liên tục, không phụ thuộc vào các đặc tính của vật chất. Lý thuyết của Planck cho rằng năng lượng bức xạ được tạo thành từ các thành phần giống như hạt, được gọi là "lượng tử". Lý thuyết đã giúp giải quyết các hiện tượng tự nhiên chưa giải thích được trước đây như ứng xử của nhiệt trong chất rắn và bản chất của sự hấp thụ ánh sáng ở cấp độ nguyên tử. Năm 1918, Planck được trao giải Nobel vật lý cho công trình nghiên cứu bức xạ vật đen.

Các nhà khoa học khác, chẳng hạn như Albert Einstein, Niels Bohr, Louis de Broglie, Erwin Schrodinger và Paul M. Dirac, đã nâng cao lý thuyết Planck và có thể phát triển cơ học lượng tử - một ứng dụng toán học của lý thuyết lượng tử duy trì rằng năng lượng là cả hai. vật chất và sóng, tùy thuộc vào các biến số nhất định. Do đó, cơ học lượng tử có một cái nhìn xác suất về tự nhiên, trái ngược hẳn với cơ học cổ điển, trong đó tất cả các thuộc tính chính xác của các vật thể, về nguyên tắc, đều có thể tính toán được. Ngày nay, sự kết hợp của cơ học lượng tử với thuyết tương đối của Einstein là cơ sở của vật lý hiện đại.


Lý thuyết dây đại diện cho sự phát triển vượt bậc của lý thuyết ma trận S, [1] một chương trình nghiên cứu do Werner Heisenberg bắt đầu vào năm 1943 [2] sau khi John Archibald Wheeler giới thiệu ma trận S vào năm 1937. [3] Nhiều nhà lý thuyết lỗi lạc đã tiếp thu và ủng hộ lý thuyết ma trận S, bắt đầu từ cuối những năm 1950 và trong suốt những năm 1960. Lĩnh vực này trở nên bị gạt ra ngoài lề và bị loại bỏ vào giữa những năm 1970 [4] và biến mất vào những năm 1980. Các nhà vật lý đã bỏ qua nó vì một số phương pháp toán học của nó là xa lạ, và bởi vì sắc động lực học lượng tử đã thay thế nó như một phương pháp thực nghiệm có chất lượng tốt hơn đối với các tương tác mạnh. [5]

Lý thuyết đã trình bày một sự suy nghĩ lại một cách triệt để về nền tảng của các quy luật vật lý. Vào những năm 1940, người ta đã thấy rõ rằng proton và neutron không phải là những hạt giống như hạt electron. Mômen từ của chúng khác rất nhiều so với mômen từ của một hạt tích điện ½ spin giống điểm, quá nhiều để quy sự khác biệt là một nhiễu loạn nhỏ. Tương tác của chúng mạnh đến mức chúng phân tán như một quả cầu nhỏ, không giống như một điểm. Heisenberg đề xuất rằng các hạt tương tác mạnh trên thực tế là các vật thể mở rộng, và vì có những khó khăn về nguyên lý với các hạt tương đối tính mở rộng, ông đề xuất rằng khái niệm về điểm không-thời gian đã bị phá vỡ ở quy mô hạt nhân.

Không có không gian và thời gian, rất khó để hình thành một lý thuyết vật lý. Heisenberg đề xuất một giải pháp cho vấn đề này: tập trung vào các đại lượng có thể quan sát được — những thứ có thể đo lường được bằng các thí nghiệm. Một thí nghiệm chỉ nhìn thấy một đại lượng hiển vi nếu nó có thể được chuyển bằng một chuỗi các sự kiện đến các thiết bị cổ điển bao quanh buồng thí nghiệm. Những vật bay đến vô cùng. là các hạt ổn định, ở trạng thái chồng chất lượng tử của các trạng thái động lượng khác nhau.

Heisenberg đề xuất rằng ngay cả khi không gian và thời gian không đáng tin cậy, khái niệm về trạng thái động lượng, được xác định ở xa phòng thí nghiệm, vẫn hoạt động. Đại lượng vật lý mà ông đề xuất là cơ bản là biên độ cơ học lượng tử để một nhóm các hạt tới biến thành một nhóm các hạt đi ra, và ông không thừa nhận rằng có bất kỳ bước nào ở giữa.

Ma trận S là đại lượng mô tả cách một tập hợp các hạt đến chuyển thành các hạt đi ra. Heisenberg đề xuất nghiên cứu ma trận S một cách trực tiếp, không có bất kỳ giả thiết nào về cấu trúc không-thời gian. Nhưng khi quá trình chuyển đổi từ quá khứ sang tương lai xa diễn ra trong một bước không có bước trung gian, thì rất khó để tính toán bất cứ điều gì. Trong lý thuyết trường lượng tử, các bước trung gian là dao động của trường hoặc tương đương là dao động của các hạt ảo. Trong lý thuyết ma trận S được đề xuất này, không có đại lượng cục bộ nào cả.

Heisenberg đề xuất sử dụng tính đơn nhất để xác định ma trận S. Trong tất cả các tình huống có thể hình dung, tổng bình phương của các biên độ phải bằng 1. Tính chất này có thể xác định biên độ theo một trật tự lý thuyết trường lượng tử theo thứ tự trong một chuỗi nhiễu loạn khi các tương tác cơ bản được đưa ra và trong nhiều lý thuyết trường lượng tử, biên độ phát triển quá nhanh ở năng lượng cao để tạo thành ma trận S đơn nhất. Nhưng nếu không có thêm giả thiết về hành vi năng lượng cao, tính đơn nhất không đủ để xác định sự phân tán, và đề xuất này đã bị bỏ qua trong nhiều năm.

Đề xuất của Heisenberg được hồi sinh vào năm 1956 khi Murray Gell-Mann nhận ra rằng các mối quan hệ phân tán — giống như những mối quan hệ được phát hiện bởi Hendrik Kramers và Ralph Kronig vào những năm 1920 (xem quan hệ Kramers-Kronig) —cho phép hình thành một khái niệm về quan hệ nhân quả, một khái niệm mà các sự kiện trong tương lai sẽ không ảnh hưởng đến các sự kiện trong quá khứ, ngay cả khi khái niệm vi mô về quá khứ và tương lai không được xác định rõ ràng. Ông cũng nhận ra rằng các mối quan hệ này có thể hữu ích trong việc tính toán các vật quan sát đối với trường hợp vật lý tương tác mạnh. [6] Các quan hệ phân tán là đặc tính phân tích của ma trận S, [7] và chúng áp đặt các điều kiện nghiêm ngặt hơn so với các điều kiện tuân theo đơn nhất. Sự phát triển này trong lý thuyết ma trận S bắt nguồn từ khám phá của Murray Gell-Mann và Marvin Leonard Goldberger (1954) về phép vượt đối xứng, một điều kiện khác mà ma trận S phải đáp ứng. [8] [7]

Những người ủng hộ nổi bật cách tiếp cận "quan hệ phân tán" mới bao gồm Stanley Mandelstam [9] và Geoffrey Chew, [10] cả hai đều làm việc tại UC Berkeley vào thời điểm đó. Mandelstam đã phát hiện ra các quan hệ phân tán kép, một dạng phân tích mới và mạnh mẽ, vào năm 1958, [9] và tin rằng nó sẽ cung cấp chìa khóa cho sự tiến bộ trong các tương tác mạnh không thể chữa khỏi.

Vào cuối những năm 1950, người ta đã phát hiện ra nhiều hạt tương tác mạnh có spin cao hơn, và rõ ràng chúng không phải là tất cả cơ bản. Trong khi nhà vật lý Nhật Bản Shoichi Sakata đề xuất rằng các hạt có thể được hiểu là trạng thái liên kết của chỉ ba trong số chúng (proton, neutron và mô hình Lambda xem Sakata), [11] Geoffrey Chew tin rằng không có hạt nào trong số này là cơ bản [12] [13] (để biết chi tiết, xem Mô hình Bootstrap). Cách tiếp cận của Sakata đã được Murray Gell-Mann và George Zweig làm lại thành mô hình quark vào những năm 1960 bằng cách biến điện tích của các thành phần giả thuyết thành phân số và bác bỏ ý tưởng rằng chúng là các hạt quan sát được. Vào thời điểm đó, cách tiếp cận của Chew được coi là chủ đạo hơn vì nó không đưa ra các giá trị điện tích phân đoạn và vì nó tập trung vào các phần tử ma trận S có thể đo được bằng thực nghiệm, chứ không phải các thành phần giống như điểm giả thuyết.

Năm 1959, Tullio Regge, một nhà lý thuyết trẻ ở Ý, đã phát hiện ra rằng các trạng thái ràng buộc trong cơ học lượng tử có thể được tổ chức thành các họ được gọi là quỹ đạo Regge, mỗi họ có momenta góc riêng biệt. [14] Ý tưởng này được tổng quát hóa thành cơ học lượng tử tương đối tính bởi Stanley Mandelstam, Vladimir Gribov và Marcel Froissart [fr], bằng cách sử dụng một phương pháp toán học (biểu diễn Sommerfeld – Watson) được Arnold Sommerfeld và Kenneth Marshall Watson phát hiện nhiều thập kỷ trước đó: kết quả được đặt tên là công thức Froissart – Gribov. [15]

Năm 1961, Geoffrey Chew và Steven Frautschi nhận ra rằng các meson có quỹ đạo đường thẳng Regge [16] (trong sơ đồ của họ, spin được vẽ dựa trên khối lượng bình phương trên một cái gọi là biểu đồ Chew-Frautschi), ngụ ý rằng sự tán xạ của các hạt này sẽ có hành vi rất lạ — nó sẽ nhanh chóng giảm xuống theo cấp số nhân ở các góc lớn. Với nhận thức này, các nhà lý thuyết hy vọng xây dựng lý thuyết về các hạt tổng hợp trên quỹ đạo Regge, mà biên độ tán xạ của chúng có dạng tiệm cận theo yêu cầu của lý thuyết Regge.

Năm 1967, một bước tiến đáng chú ý trong phương pháp bootstrap là nguyên tắc đối ngẫu DHS được Richard Dolen, David Horn và Christoph Schmid đưa ra vào năm 1967, [17] tại Caltech (thuật ngữ ban đầu của nó là "đối ngẫu trung bình" hoặc "hữu hạn quy tắc tổng năng lượng (FESR) đối ngẫu ”). Ba nhà nghiên cứu nhận thấy rằng mô tả trao đổi cực Regge (ở năng lượng cao) và cộng hưởng (ở năng lượng thấp) cung cấp nhiều biểu diễn / xấp xỉ của một và cùng một quá trình vật lý có thể quan sát được. [18]

Mô hình đầu tiên trong đó các hạt hadronic về cơ bản tuân theo các quỹ đạo Regge là mô hình cộng hưởng kép được xây dựng bởi Gabriele Veneziano vào năm 1968, [19] người lưu ý rằng hàm Euler beta có thể được sử dụng để mô tả dữ liệu biên độ tán xạ 4 hạt cho các hạt như vậy. . Biên độ tán xạ Veneziano (hoặc mô hình Veneziano) nhanh chóng được khái quát thành n-biên độ hạt của Ziro Koba và Holger Bech Nielsen [20] (cách tiếp cận của họ được mệnh danh là chủ nghĩa hình thức Koba – Nielsen), và hiện nay được Miguel Virasoro và Joel A. Shapiro [22] công nhận là chuỗi đóng. phương pháp tiếp cận được gọi là mô hình Shapiro – Virasoro).

Năm 1969, các quy tắc Chan-Paton (do Jack E. Paton và Hong-Mo Chan đề xuất) [23] cho phép các yếu tố isospin được thêm vào mô hình Veneziano. [24]

Năm 1969–70, Yoichiro Nambu, [25] Holger Bech Nielsen, [26] và Leonard Susskind [27] [28] đã trình bày một cách giải thích vật lý về biên độ Veneziano bằng cách biểu diễn lực hạt nhân dưới dạng dây dao động, một chiều. Tuy nhiên, mô tả dựa trên dây này về lực mạnh đã đưa ra nhiều dự đoán mâu thuẫn trực tiếp với kết quả thực nghiệm.

Năm 1971, Pierre Ramond [29] và John H. Schwarz và André Neveu [30] đã cố gắng triển khai các fermion vào mô hình kép một cách độc lập. Điều này dẫn đến khái niệm "dây quay", và chỉ ra một phương pháp để loại bỏ tachyon có vấn đề (xem chủ nghĩa hình thức RNS). [31]

Các mô hình cộng hưởng kép cho các tương tác mạnh là một chủ đề nghiên cứu tương đối phổ biến từ năm 1968 đến năm 1973. [32] Cộng đồng khoa học mất hứng thú với lý thuyết dây như một lý thuyết về các tương tác mạnh vào năm 1973 khi sắc động lực học lượng tử trở thành trọng tâm chính của nghiên cứu lý thuyết [33] (chủ yếu là do sức hấp dẫn lý thuyết về tiệm cận tự do của nó). [34]

Năm 1974, John H. Schwarz và Joël Scherk, [35] và Tamiaki Yoneya độc lập, [36] đã nghiên cứu các dạng rung động của dây giống như boson và nhận thấy rằng các đặc tính của chúng hoàn toàn khớp với đặc tính của graviton, hạt truyền tin giả định của lực hấp dẫn. Schwarz và Scherk cho rằng lý thuyết dây đã không thành công vì các nhà vật lý đã đánh giá thấp phạm vi của nó. Điều này dẫn đến sự phát triển của lý thuyết dây bosonic.

Lý thuyết dây được xây dựng dựa trên hành động Polyakov, [37] mô tả cách các chuỗi di chuyển trong không gian và thời gian. Giống như lò xo, dây có xu hướng co lại để giảm thiểu thế năng của chúng, nhưng sự bảo toàn năng lượng ngăn chúng biến mất, và thay vào đó chúng dao động. Bằng cách áp dụng các ý tưởng của cơ học lượng tử vào dây, có thể suy ra các chế độ dao động khác nhau của dây và mỗi trạng thái dao động dường như là một hạt khác nhau. Khối lượng của mỗi hạt, và kiểu mà nó có thể tương tác, được xác định bởi cách dây rung động — về bản chất, bởi "nốt nhạc" mà dây "phát ra âm thanh". Thang âm của các nốt nhạc, mỗi nốt tương ứng với một loại hạt khác nhau, được gọi là "phổ" của lý thuyết.

Các mô hình ban đầu bao gồm cả hai mở ra chuỗi, có hai điểm cuối riêng biệt và đóng cửa chuỗi, nơi các điểm cuối được nối để tạo thành một vòng lặp hoàn chỉnh. Hai loại dây hoạt động theo những cách hơi khác nhau, tạo ra hai quang phổ. Không phải tất cả các lý thuyết chuỗi hiện đại đều sử dụng cả hai loại, một số chỉ kết hợp nhiều loại khép kín.

Mô hình chuỗi sớm nhất có một số vấn đề: nó có một thứ nguyên quan trọng NS = 26, một đặc điểm ban đầu được phát hiện bởi Claud Lovelace vào năm 1971 [38] lý thuyết có tính không ổn định cơ bản, sự hiện diện của tachyon [39] (xem sự ngưng tụ của tachyon), ngoài ra, phổ của các hạt chỉ chứa boson, các hạt giống như photon. tuân theo các quy tắc hành vi cụ thể. Trong khi boson là một thành phần quan trọng của Vũ trụ, chúng không phải là thành phần duy nhất của nó. Việc nghiên cứu cách một lý thuyết dây có thể bao gồm các fermion trong phổ của nó đã dẫn đến việc phát minh ra siêu đối xứng (ở phương Tây) [40] vào năm 1971, [41] một phép biến đổi toán học giữa boson và fermion. Các lý thuyết dây bao gồm các dao động fermionic ngày nay được gọi là lý thuyết siêu dây.

Năm 1977, phép chiếu GSO (được đặt theo tên của Ferdinando Gliozzi, Joël Scherk và David I. Olive) đã dẫn đến một họ các lý thuyết chuỗi đơn nhất không có tachyon, [42] các lý thuyết siêu dây nhất quán đầu tiên (xem bên dưới).

Các cuộc cách mạng siêu dây đầu tiên là thời kỳ của những khám phá quan trọng bắt đầu từ năm 1984. [43] Người ta nhận ra rằng lý thuyết dây có khả năng mô tả tất cả các hạt cơ bản cũng như tương tác giữa chúng. Hàng trăm nhà vật lý bắt đầu nghiên cứu lý thuyết dây như một ý tưởng hứa hẹn nhất để thống nhất các lý thuyết vật lý. [44] Cuộc cách mạng được bắt đầu bởi một khám phá về sự hủy bỏ dị thường trong lý thuyết dây loại I thông qua cơ chế Green – Schwarz (được đặt theo tên của Michael Green và John H. Schwarz) vào năm 1984. [45] [46] Khám phá mang tính đột phá về chuỗi dị bản được tạo ra bởi David Gross, Jeffrey Harvey, Emil Martinec và Ryan Rohm vào năm 1985. [47] Nó cũng được thực hiện bởi Philip Candelas, Gary Horowitz, Andrew Strominger và Edward Witten vào năm 1985 để thu được N = 1 < displaystyle N = 1> siêu đối xứng, sáu kích thước bổ sung nhỏ ( NS = 10 chiều tới hạn của lý thuyết siêu dây lần đầu tiên được John H. Schwarz phát hiện vào năm 1972) [48] cần được tổng hợp hóa trên đa tạp Calabi – Yau. [49] (Trong lý thuyết dây, sự tổng hợp là sự tổng quát hóa của lý thuyết Kaluza – Klein, được đề xuất lần đầu tiên vào những năm 1920.) [50]

Đến năm 1985, năm lý thuyết siêu dây riêng biệt đã được mô tả: loại I, [51] loại II (IIA và IIB), [51] và dị loại (SO (32) và E8×E8) . [47]

Phát hiện tạp chí trong số tháng 11 năm 1986 (tập 7, # 11) có một câu chuyện trang bìa được viết bởi Gary Taubes, "Everything's Now Tied to Strings", giải thích lý thuyết dây cho khán giả phổ thông.

Năm 1987, Eric Bergshoeff [de], Ergin Sezgin [de] và Paul Townsend đã chỉ ra rằng không có siêu dây trong mười một chiều (số chiều lớn nhất phù hợp với một graviton duy nhất trong lý thuyết siêu trọng lực), [52] mà là siêu siêu mỏng. [53]

Vào đầu những năm 1990, Edward Witten và những người khác đã tìm thấy bằng chứng mạnh mẽ rằng các lý thuyết siêu dây khác nhau là các giới hạn khác nhau của lý thuyết 11 chiều [54] [55] được gọi là lý thuyết M [56] (để biết chi tiết, xem Giới thiệu về M -học thuyết). Những khám phá này đã châm ngòi cho cuộc cách mạng siêu dây thứ hai diễn ra khoảng giữa năm 1994 và 1995. [57]

Các phiên bản khác nhau của lý thuyết siêu dây đã được thống nhất, theo hy vọng từ lâu, bởi những điểm tương đương mới. Chúng được gọi là đối ngẫu S, đối ngẫu T, đối ngẫu U, đối xứng gương và chuyển đổi đồng thời. Các lý thuyết khác nhau về dây cũng liên quan đến lý thuyết M.

Năm 1995, Joseph Polchinski phát hiện ra rằng lý thuyết yêu cầu bao gồm các vật thể có chiều cao hơn, được gọi là D-branes: [58] đây là các nguồn của trường Ramond – Ramond điện và từ được yêu cầu bởi tính đối ngẫu của chuỗi. [59] D-branes đã bổ sung cấu trúc toán học phong phú bổ sung vào lý thuyết và mở ra khả năng xây dựng các mô hình vũ trụ thực tế trong lý thuyết (để biết chi tiết, xem vũ trụ học Brane).

Năm 1997–98, Juan Maldacena phỏng đoán mối quan hệ giữa lý thuyết dây và n = 4 lý thuyết Yang – Mills siêu đối xứng, một lý thuyết đo. [60] Phỏng đoán này, được gọi là tương ứng AdS / CFT, đã tạo ra rất nhiều sự quan tâm trong lĩnh vực vật lý năng lượng cao. [61] Đó là sự hiện thực hóa nguyên lý ba chiều, có ý nghĩa sâu rộng: thư từ AdS / CFT đã giúp làm sáng tỏ những bí ẩn của các lỗ đen được gợi ý bởi công trình của Stephen Hawking [62] và được cho là cung cấp độ phân giải của màu đen. lỗ hổng thông tin nghịch lý. [63]

Năm 2003, khám phá của Michael R. Douglas về bối cảnh lý thuyết dây, [64] cho thấy rằng lý thuyết dây có một số lượng lớn các sai lệch không tương đương, [65] đã dẫn đến nhiều cuộc thảo luận về những gì lý thuyết dây cuối cùng có thể dự đoán, và vũ trụ học có thể được đưa vào lý thuyết như thế nào. [66]

Một cơ chế khả dĩ của ổn định chân không lý thuyết dây (cơ chế KKLT) được đề xuất vào năm 2003 bởi Shamit Kachru, Renata Kallosh, Andrei Linde và Sandip Trivedi. [67]


Lịch sử của Cơ học lượng tử

Nơtron không được phát hiện cho đến năm 1932 vì vậy chống lại nền tảng này mà chúng ta theo dõi sự khởi đầu của lý thuyết lượng tử từ năm 1859.

Năm 1859, Gustav Kirchhoff đã chứng minh một định lý về bức xạ vật đen. Vật đen là một vật thể hấp thụ tất cả năng lượng rơi vào nó và bởi vì nó không phản chiếu ánh sáng, nó sẽ có màu đen đối với một người quan sát. Vật đen cũng là một vật phát hoàn hảo và Kirchhoff đã chứng minh rằng năng lượng phát ra E E E chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ T T T và tần số v v v của năng lượng phát ra, tức là

Ông đã thách thức các nhà vật lý tìm ra hàm J J J.

Năm 1879, Josef Stefan đề xuất, trên cơ sở thực nghiệm, rằng tổng năng lượng do một vật nóng phát ra tỷ lệ với lũy thừa thứ tư của nhiệt độ. Nói chung, Stefan nói điều này là sai. Kết luận tương tự cũng được đưa ra vào năm 1884 bởi Ludwig Boltzmann đối với bức xạ vật đen, lần này là từ những cân nhắc lý thuyết sử dụng nhiệt động lực học và lý thuyết điện từ của Maxwell. Kết quả, bây giờ được gọi là định luật Stefan-Boltzmann, không trả lời đầy đủ thách thức của Kirchhoff vì nó không trả lời câu hỏi cho các bước sóng cụ thể.

Năm 1896, Wilhelm Wien đề xuất một giải pháp cho thách thức Kirchhoff. Tuy nhiên, mặc dù giải pháp của ông phù hợp với các quan sát thực nghiệm đối với các giá trị nhỏ của bước sóng, nó đã được chứng minh là bị phá vỡ trong vùng hồng ngoại xa bởi Rubens và Kurlbaum.

Kirchhoff, người từng ở Heidelberg, chuyển đến Berlin. Boltzmann đã được đề nghị cho chiếc ghế của mình ở Heidelberg nhưng đã từ chối. Chiếc ghế sau đó được đề nghị cho Hertz, người cũng đã từ chối lời đề nghị này, vì vậy nó đã được đề nghị một lần nữa, lần này cho Planck và anh ta đã chấp nhận.

Rubens đến thăm Planck vào tháng 10 năm 1900 và giải thích kết quả của mình cho anh ta. Trong vòng vài giờ sau khi Rubens rời khỏi nhà Planck, Planck đã đoán được công thức chính xác cho hàm J J J của Kirchhoff. Phỏng đoán này phù hợp rất tốt với bằng chứng thực nghiệm ở tất cả các bước sóng nhưng Planck không hài lòng với điều này và cố gắng đưa ra một suy ra lý thuyết của công thức. Để làm được điều này, ông đã thực hiện một bước chưa từng có khi cho rằng tổng năng lượng được tạo thành từ các nguyên tố năng lượng không thể phân biệt được - lượng tử năng lượng. Anh đã viết

Planck himself gave credit to Boltzmann for his statistical method but Planck's approach was fundamentally different. However theory had now deviated from experiment and was based on a hypothesis with no experimental basis. Planck won the 1918 Nobel Prize for Physics for this work.

In 1901 Ricci and Levi-Civita published Absolute differential calculus. It had been Christoffel's discovery of 'covariant differentiation' in 1869 which let Ricci extend the theory of tensor analysis to Riemannian space of n n n dimensions. The Ricci and Levi-Civita definitions were thought to give the most general formulation of a tensor. This work was not done with quantum theory in mind but, as so often happens, the mathematics necessary to embody a physical theory had appeared at precisely the right moment.

In 1905 Einstein examined the photoelectric effect. The photoelectric effect is the release of electrons from certain metals or semiconductors by the action of light. The electromagnetic theory of light gives results at odds with experimental evidence. Einstein proposed a quantum theory of light to solve the difficulty and then he realised that Planck's theory made implicit use of the light quantum hypothesis. By 1906 Einstein had correctly guessed that energy changes occur in a quantum material oscillator in changes in jumps which are multiples of ℏ v hslash v ℏ v where ℏ hslash ℏ is Planck's reduced constant and v v v is the frequency. Einstein received the 1921 Nobel Prize for Physics, in 1922 , for this work on the photoelectric effect.

In 1913 Niels Bohr wrote a revolutionary paper on the hydrogen atom. He discovered the major laws of the spectral lines. This work earned Bohr the 1922 Nobel Prize for Physics. Arthur Compton derived relativistic kinematics for the scattering of a photon ( a light quantum ) off an electron at rest in 1923 .

However there were concepts in the new quantum theory which gave major worries to many leading physicists. Einstein, in particular, worried about the element of 'chance' which had entered physics. In fact Rutherford had introduced spontaneous effect when discussing radio-active decay in 1900 . In 1924 Einstein wrote:-

Einstein had been puzzled by paradox ( ii ) and Pauli quickly told Bohr that he did not believe his theory. Further experimental work soon ended any resistance to belief in the electron. Other ways had to be found to resolve the paradoxes.

Up to this stage quantum theory was set up in Euclidean space and used Cartesian tensors of linear and angular momentum. However quantum theory was about to enter a new era.

The year 1924 saw the publication of another fundamental paper. It was written by Satyendra Nath Bose and rejected by a referee for publication. Bose then sent the manuscript to Einstein who immediately saw the importance of Bose's work and arranged for its publication. Bose proposed different states for the photon. He also proposed that there is no conservation of the number of photons. Instead of statistical independence of particles, Bose put particles into cells and talked about statistical independence of cells. Time has shown that Bose was right on all these points.

Work was going on at almost the same time as Bose's which was also of fundamental importance. The doctoral thesis of Louis de Broglie was presented which extended the particle-wave duality for light to all particles, in particular to electrons. Schrödinger in 1926 published a paper giving his equation for the hydrogen atom and heralded the birth of wave mechanics. Schrödinger introduced operators associated with each dynamical variable.

The year 1926 saw the complete solution of the derivation of Planck's law after 26 years. It was solved by Dirac. Also in 1926 Born abandoned the causality of traditional physics. Speaking of collisions Born wrote

Heisenberg's work used matrix methods made possible by the work of Cayley on matrices 50 years earlier. In fact 'rival' matrix mechanics deriving from Heisenberg's work and wave mechanics resulting from Schrödinger's work now entered the arena. These were not properly shown to be equivalent until the necessary mathematics was developed by Riesz about 25 years later.

Also in 1927 Bohr stated that space-time coordinates and causality are complementary. Pauli realised that spin, one of the states proposed by Bose, corresponded to a new kind of tensor, one not covered by the Ricci and Levi-Civita work of 1901 . However the mathematics of this had been anticipated by Eli Cartan who introduced a 'spinor' as part of a much more general investigation in 1913 .

Dirac, in 1928 , gave the first solution of the problem of expressing quantum theory in a form which was invariant under the Lorentz group of transformations of special relativity. He expressed d'Alembert's wave equation in terms of operator algebra.

The uncertainty principle was not accepted by everyone. Its most outspoken opponent was Einstein. He devised a challenge to Niels Bohr which he made at a conference which they both attended in 1930 . Einstein suggested a box filled with radiation with a clock fitted in one side. The clock is designed to open a shutter and allow one photon to escape. Weigh the box again some time later and the photon energy and its time of escape can both be measured with arbitrary accuracy. Of course this is not meant to be an actual experiment, only a 'thought experiment'.

Niels Bohr is reported to have spent an unhappy evening, and Einstein a happy one, after this challenge by Einstein to the uncertainty principle. However Niels Bohr had the final triumph, for the next day he had the solution. The mass is measured by hanging a compensation weight under the box. This is turn imparts a momentum to the box and there is an error in measuring the position. Time, according to relativity, is not absolute and the error in the position of the box translates into an error in measuring the time.

Although Einstein was never happy with the uncertainty principle, he was forced, rather grudgingly, to accept it after Bohr's explanation.

In 1932 von Neumann put quantum theory on a firm theoretical basis. Some of the earlier work had lacked mathematical rigour, but von Neumann put the whole theory into the setting of operator algebra.


5. The Transactional Interpretation

This entry so far has considered the two most significant motivating arguments in favor of adopting retrocausality as a hypothesis for dealing with the interpretational challenges of quantum theory. But these motivations do not by themselves amount to an interpretation or model of quantum theory. §6 consists of a survey of a range of retrocausal models, but this section first considers perhaps the most prominent retrocausal model, the transactional interpretation. Developed by Cramer in the 1980s (Cramer 1980, 1986, 1988), the transactional interpretation is heavily influenced by the framework of the Wheeler-Feynman absorber approach to electrodynamics (see §1) the Wheeler-Feynman schema can be adopted to describe the microscopic exchange of a single quantum of energy, momentum, etc., between and within quantum systems.

At the heart of the transactional interpretation is the &ldquotransaction&rdquo: real physical events are identified with so-called &ldquohandshakes&rdquo between forward-evolving quantum states (psi) and backward-evolving complex-conjugates (psi^*). When a quantum emitter (such as a vibrating electron or atom in an excited state) is to emit a single quantum (a photon, in these cases), the source produces a radiative field&mdashthe &ldquooffer&rdquo wave. Analogously to the Wheeler-Feynman description, this field propagates outwards both forward and backward in time (as well as across space). When this field encounters an absorber, a new field is generated&mdashthe &ldquoconfirmation&rdquo wave&mdashthat likewise propagates both forward and backward in time, and so is present as an advanced incident wave at the emitter at the instant of emission. Both the retarded field produced by the absorber and the advanced field produced by the emitter exactly cancel with the retarded field produced by the emitter and advanced field produced by the absorber for all times before the emission and after the absorption of the photon only between the emitter and the absorber is there a radiative field. Thus the transaction is completed with this &ldquohandshake&rdquo: a cycle of offer and confirmation waves

repeats until the response of the emitter and absorber is sufficient to satisfy all of the quantum boundary conditions&hellipat which point the transaction is completed. (Crammer 1986: 662)

Many confirmation waves from potential absorbers may converge on the emitter at the time of emission but the quantum boundary conditions can usually only permit a single transaction to form. Any observer who witnesses this process would perceive only the completed transaction, which would be interpreted as the passage of a particle (e.g., a photon) between emitter and absorber.

The transactional interpretation takes the wave function to be a real physical wave with spatial extent. The wave function of the quantum mechanical formalism is identical with the initial offer wave of the transaction mechanism and the collapsed wave function is identical with the completed transaction. Quantum particles are thus not to be thought of as represented by the wave function but rather by the completed transaction, of which the wave function is only the initial phase. As Cramer explains:

The transaction may involve a single emitter and absorber or multiple emitters and absorbers, but it is only complete when appropriate boundary conditions are satisfied at all loci of emission and absorption. Particles transferred have no separate identity independent from the satisfaction of these boundary conditions. (1986: 666)

The amplitude of the confirmation wave which is produced by the absorber is proportional to the local amplitude of the incident wave that stimulated it and this, in turn, is dependent on the attenuation it received as it propagated from the source. Thus, the total amplitude of the confirmation wave is just the absolute square of the initial offer wave (evaluated at the absorber), which yields the Born rule. Since the Born rule arises as a product of the transaction mechanism, there is no special significance attached to the role of the observer in the act of measurement. The &ldquocollapse of the wave function&rdquo is interpreted as the completion of the transaction.

The transactional interpretation explicitly interprets the quantum state (psi) as real, and so does not constitute an attempt to exploit the retrocausality loopholes to the theorems that rule out (psi)-epistemic accounts. Additionally, the transactional interpretation subverts the dilemma at the core of the EPR argument (Einstein, et al. 1935) by permitting incompatible observables to take on definite values simultaneously: the wavefunction, according to the transactional interpretation,

brings to each potential absorber the full range of possible outcomes, and all have &ldquosimultaneous reality&rdquo in the EPR sense. The absorber interacts so as to cause one of these outcomes to emerge in the transaction, so that the collapsed [wavefunction] manifests only one of these outcomes. (Crammer 1986: 668).

Most importantly, however, the transactional interpretation employs both retarded and advanced waves, and in doing so admits the possibility of providing a &ldquozigzag&rdquo explanation of the nonlocality associated with entangled quantum systems.

Before turning to one of the more significant objections to the transactional interpretation, and to retrocausality in general, it is instructive to tease apart here two complementary descriptions of this transaction process. On the one hand there is a description of the real physical process, consisting of the passage of a particle between emitter and absorber, that a temporally bound experimenter would observe and on the other hand there is a description of a dynamical process of offer and confirmation waves that is instrumental in establishing the transaction. This latter process simply cannot occur in an ordinary time sequence, not least because any temporally bound observer by construction cannot detect any offer or confirmation waves. Cramer suggests that the &ldquodynamical process&rdquo be understood as occurring in a &ldquopseudotime&rdquo sequence:

The account of an emitter-absorber transaction presented here employs the semantic device of describing a process extending across a lightlike or a timelike interval of space-time as if it occurred in a time sequence external to the process. The reader is reminded that this is only a pedagogical convention for the purposes of description. The process is atemporal and the only observables come from the superposition of all &ldquosteps&rdquo to form the final transaction. (Crammer 1986: 661, fn.14)

These steps are of course the cyclically repeated exchange of offer and confirmation waves which continue &ldquountil the net exchange of energy and other conserved quantities satisfies the quantum boundary conditions of the system&rdquo (1986: 662). There is a strong sense here that any process described as occurring in pseudotime is not a process at all but, as Cramer reminds, merely a &ldquopedagogical convention for the purposes of description&rdquo. Whether it is best to understand causality according to the transactional interpretation in terms of processes underscored by conserved quantities is closely tied to how one should best understand this pseudotemporal process.

Maudlin (2011) outlines a selection of problems that arise in Cramer&rsquos theory as a result of the pseudotemporal account of the transaction mechanism: processes important to the completion of a transaction take place in pseudotime only (rather than in real time) and thus cannot be said to have taken place at all. Since a temporally bound observer can only ever perceive a completed transaction, i.e., a collapsed wavefunction, the uncollapsed wavefunction never actually exists. Since the initial offer wave is identical to the wavefunction of the quantum formalism, any ensuing exchange of advanced and retarded waves required to provide the quantum mechanical probabilities, according to Maudlin, also do not exist. Moreover, Cramer&rsquos exposition of the transaction mechanism seems to suggest that the stimulation of sequential offer and confirmation waves occurs deterministically, leaving a gaping hole in any explanation the transactional interpretation might provide of the stochastic nature of quantum mechanics. Although these problems are significant, Maudlin admits that they may indeed be peculiar to Cramer&rsquos theory. Maudlin also sets out a more general objection to retrocausal models of quantum mechanics which he claims to pose a problem for &ldquoany theory in which both backwards and forwards influences conspire to shape events&rdquo (2011: 184).

Maudlin&rsquos main objection to the transactional interpretation hinges upon the fact that the transaction process depends crucially on the fixity of the absorbers &ldquojust sitting out there in the future, waiting to absorb&rdquo (2011: 182) one cannot presume that present events are unable to influence the future disposition of the absorbers. Maudlin offers a thought experiment to illustrate this objection. A radioactive source is constrained to emit a (eta)-particle either to the left or to the right. To the right sits absorber MỘT at a distance of 1 unit. Absorber NS is also located to the right but at a distance of 2 units and is built on pivots so that it can be swung around to the left on command. A (eta)-particle emitted at time (t_<0>) to the right will be absorbed by absorber MỘT at time (t_<1>). If after time (t_<1>) the (eta)-particle is not detected at absorber MỘT, absorber NS is quickly swung around to the left to detect the (eta)-particle after time (2t_<1>).

According to the transactional interpretation, since there are two possible outcomes (detection at absorber MỘT or detection at absorber NS), there will be two confirmation waves sent back from the future, one for each absorber. Furthermore, since it is equally probable that the (eta)-particle be detected at either absorber, the amplitudes of these confirmation waves should be equal. However, a confirmation wave from absorber NS can only be sent back to the emitter if absorber NS is located on the left. For this to be the case, absorber MỘT must not have detected the (eta)-particle and thus the outcome of the experiment must already have been decided. The incidence of a confirmation wave from absorber NS at the emitter đảm bảo that the (eta)-particle is to be sent to the left, even though the amplitude of this wave implies a probability of a half of this being the case. As Maudlin (2011: 184) states so succinctly, &ldquoCramer&rsquos theory collapses&rdquo.

The key challenge from Maudlin is that any retrocausal mechanism must ensure that the future behavior of the system transpires consistently with the spatiotemporal structure dictated by any potential future causes: &ldquostochastic outcomes at a particular point in time may influence the future, but that future itself is supposed to play a role in producing the outcomes&rdquo (2011: 181). In the transactional interpretation the existence of the confirmation wave itself presupposes some determined future state of the system with retrocausal influence. However, with standard (i.e., forward-in-time) stochastic causal influences affecting the future from the present, a determined future may not necessarily be guaranteed in every such case, as shown by Maudlin&rsquos experiment.

Maudlin&rsquos challenge to the transactional interpretation has been met with a range of responses (see P. Lewis 2013 and the entry on action at a distance in quantum mechanics for more discussion of possible responses). The responses generally fall into two types (P. Lewis 2013). The first type of response attempts to accommodate Maudlin&rsquos example within the transactional interpretation. Berkovitz (2002) defends the transactional interpretation by showing that causal loops of the type found in Maudlin&rsquos experiment need not obey the assumptions about probabilities that are common in linear causal situations. Marchildon (2006) proposes considering the absorption properties of the long distance boundary conditions: if the universe is a perfect absorber of all radiation then a confirmation wave from the left will always be received by the radioactive source at the time of emission and it will encode the correct probabilistic information. Kastner (2006) proposes differentiating between competing initial states of the radioactive source, corresponding to the two emission possibilities, that together characterize an unstable bifurcation point between distinct worlds, where the seemingly problematic probabilities reflect a probabilistic structure across both possible worlds.

The second type of response is to modify the transactional interpretation. For instance, Cramer (2016) introduces the idea of a hierarchy of advanced-wave echoes dependent upon the magnitude of the spatiotemporal interval from which they originate. Kastner (2013) surmises that the source of the problem that Maudlin has exposed, however, is the idea that quantum processes take place in the &ldquoblock world&rdquo, and rejects this conception of processes in her own development of the transactional interpretation. According to her &ldquopossibilist&rdquo transactional interpretation, all the potential transactions exist in a real space of possibilities, which amounts at once to a kind of modal realism and an indeterminacy regarding future states of the system (hence Kastner&rsquos rejection of the block universe view). The possibilist transactional interpretation arguably handles multi-particle scenarios more naturally, and presents the most modern sustained development of the transactional interpretation (although see P. Lewis 2013 for criticisms of the possibilist transactional interpretation specific to Maudlin&rsquos challenge).


6. The Continuous Spontaneous Localization Model (CSL)

The model just presented (QMSL) has a serious drawback: it does not allow to deal with systems containing identical constituents, because it does not respect the symmetry or antisymmetry requirements for such particles. A quite natural idea to overcome this difficulty is to relate the hitting process not to the individual particles but to the particle number density averaged over an appropriate volume. This can be done by introducing a new phenomenological parameter in the theory which however can be eliminated by an appropriate limiting procedure (see below).

Another way to overcome this problem derives from injecting the physically appropriate principles of the GRW model within the original approach of P. Pearle. This line of thought has led to what is known as the CSL (Continuous Spontaneous Localization) model (Pearle 1989 Ghirardi, Pearle, and Rimini 1990) in which the discontinuous jumps which characterize QMSL are replaced by a continuous stochastic evolution in the Hilbert space (a sort of Brownian motion of the statevector).

The basic working principles are CSL are similar to those of the GRW model, though the technical detail might different significantly. For a review see (Bassi and Ghirardi 2003 Adler 2007, Bassi, Lochan, et al. 2013). At this regard, it is interesting to note (Ghirardi, Pearle, & Rimini 1990) that for any CSL dynamics there is a hitting dynamics which, from a physical point of view, is &lsquoas close to it as one wants&rsquo. Instead of entering into the details of the CSL formalism, it is useful, for the discussion below, to analyze a simplified version of it.

With the aim of understanding the physical implications of the CSL model, such as the rate of suppression of coherence, we make now some simplifying assumptions. First, we assume that we are dealing with only one kind of particles (e.g., the nucleons), secondly, we disregard the standard Schrödinger term in the evolution and, finally, we divide the whole space in cells of volume (d^3). We denote by (ket) a Fock state in which there are (n_i) particles in cell (i), and we consider a superposition of two states (ket) and (ket) which differ in the occupation numbers of the various cells of the universe. With these assumptions it is quite easy to prove that the rate of suppression of the coherence between the two states (so that the final state is one of the two and not their superposition) is governed by the quantity:

all cells of the universe appearing in the sum within the square brackets in the exponent. Apart from differences relating to the identity of the constituents, the overall physics is quite similar to that implied by QMSL.

Equation 6 offers the opportunity of discussing the possibility of relating the suppression of coherence to gravitational effects. In fact, with reference to this equation we notice that the worst case scenario (from the point of view of the time necessary to suppress coherence) is that corresponding to the superposition of two states for which the occupation numbers of the individual cells differ only by one unit. In this case the amplifying effect of taking the square of the differences disappears. Let us then ask the question: how many nucleons (at worst) should occupy different cells, in order for the given superposition to be dynamically suppressed within the time which characterizes human perceptual processes? Since such a time is of the order of (10^<-2>) sec and (f = 10^<-16> ext< sec>^<-1>), the number of displaced nucleons must be of the order of (10^<18>), which corresponds, to a remarkable accuracy, to a Planck mass. This figure seems to point in the same direction as Penrose&rsquos attempts to relate reduction mechanisms to quantum gravitational effects (Penrose 1989).


Max Planck and the Birth of Quantum Mechanics

From left to right: Walther Nernst, Albert Einstein, Max Planck, Robert Andrews Millikan, and Max von Laue at a dinner given by von Laue on November 12, 1931, in Berlin.

In the early evening of Sunday, October 7, 1900—120 years ago—Max Planck found the functional form of the curve that we now know as the Planck distribution of black-body radiation. By my account, it was the birthdate of quantum mechanics.

A few hours earlier Hermann Rubens and his wife had visited the Plancks. This being a Sunday, they probably enjoyed coffee and cake together. Rubens was the experimental professor of physics at Humboldt University in Berlin where Planck was the theoretical one. Rubens and his collaborator, Ferdinand Kurlbaum, had recently managed to measure the power emitted by a black body as a function of temperature at the unusually long wavelength of 51 microns. They had used multiple reflections from rock salt to filter a narrow band of the spectrum. Working at 51 microns, they measured the low temperature limit and the highest temperatures within the experimental reach of their oven. The remarkable result was that at low frequencies, in the classical regime, the results did not fit the predictions of Wilhelm Wien. Rubens told Planck that for small frequencies the measured spectral density was linear with temperature.

Planck was intrigued. As soon as the gathering ended, he set to work. His interest in the data was profound. That evening he figured out the shape of the curve, with its peculiar denominator that in the limit of low frequency showed the appropriate experimental behavior—linear with temperature.

The anecdote, as referred by Abraham Pais in his book Subtle is the Lord, states that Planck mailed a postcard to Rubens with the function that very evening, so that Rubens would get it first thing in the morning (the post would have been delivered and set on his desk by the time he arrived at his office in the university). Rubens probably asked Planck that very same morning: Why is it this shape?

The presentation of new data, followed by Planck’s function, was on October 17. The function fit the data, both at the low temperature and high temperature limits. Planck had been interested on the black body spectrum for a long time. He understood thermodynamics and classical electrodynamics. But it was the high-quality data of Rubens that drove his mind to find a solution. It took him a few months, and on Dec. 14 he presented the derivation of his theory where, “on an act of desperation,” he introduced the quantum of energy: the beginning of quantum mechanics.


Quantum Theory

With the turn of the 20th century, the field of physics underwent two major transformations, roughly at the same time. The first was Einstein's General Theory of Relativity, which dealt with the universal realm of physics. The second was Quantum Theory, which proposed that energy exists as discrete packets—each called a "quantum." This new branch of physics enabled scientists to describe the interaction between energy and matter down through the subatomic realm.

Einstein saw Quantum Theory as a means to describe Nature on an atomic level, but he doubted that it upheld "a useful basis for the whole of physics." He thought that describing reality required firm predictions followed by direct observations. But individual quantum interactions cannot be observed directly, leaving quantum physicists no choice but to predict the probability that events will occur. Challenging Einstein, physicist Niels Bohr championed Quantum Theory. He argued that the mere act of indirectly observing the atomic realm changes the outcome of quantum interactions. According to Bohr, quantum predictions based on probability accurately describe reality.

Niels Bohr and Max Planck, two of the founding fathers of Quantum Theory, each received a Nobel Prize in Physics for their work on quanta. Einstein is considered the third founder of Quantum Theory because he described light as quanta in his theory of the Photoelectric Effect, for which he won the 1921 Nobel Prize.

May 15, 1935: The Physical Review publishes the Einstein, Podolsky, and Rosen (EPR) paper claiming to refute Quantum Theory.

Newspapers were quick to share Einstein's skepticism of the "new physics" with the general public. Einstein's paper, "Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?" prompted Niels Bohr to write a rebuttal. Modern experiments have upheld Quantum Theory despite Einstein's objections. However, the EPR paper introduced topics that form the foundation for much of today's physics research.

Einstein and Niels Bohr began disputing Quantum Theory at the prestigious 1927 Solvay Conference, attended by top physicists of the day. By most accounts of this public debate, Bohr was the victor.


Xem video: Thuyết lượng tử: Linh hồn không chết, nó quay trở về vũ trụ. Khoa học và Khám phá (Tháng Giêng 2022).