Why This Nobel Prize Winner Thinks Quantum Mechanics is Nonsense

เจอราร์ด ทอฟ ได้รับรางวัลโนเบลในปี 1999 และรางวัลเบรกทูรางวัลล่าสุดสำหรับผลงานของเขาเกี่ยวกับแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาค เขายังคิดว่ากลศาสตร์ควอนตัมเป็นเรื่องไร้สาระ ที่จริงแล้วเขามีทฤษฎีทางเลือกสำหรับกลศาสตร์ควอนตัมที่เขาบอกว่าเป็นวิธีการทำงานของโลกจริงๆ ทฤษฎีนี้ถูกเพิกเฉยโดยนักฟิสิกส์เกือบทั้งหมด ซึ่งเป็นเรื่องน่าเสียดาย เพราะเขาทำนายขีดจำกัดสำหรับสิ่งที่คอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถทำได้

วันนี้ฉันต้องการจะบอกคุณเกี่ยวกับความคิดของทอฟเกี่ยวกับฟิสิกส์ควอนตัมในขอบเขตที่ฉันเข้าใจ ฉันเรียนรู้สิ่งนี้จากหนังสือที่เขาเขียนชื่อว่า การตีความออโตมาตาเซลลูลาร์ของกลศาสตร์ควอนตัม ในคำพูดของเขาเอง หัวข้อของหนังสือเล่มนี้คือความเป็นจริงเบื้องหลังกลศาสตร์ควอนตัม แต่หนังสือเล่มนี้ไม่ใช่แค่เกี่ยวกับกลศาสตร์ควอนตัมเท่านั้น เพราะความเป็นจริงใหม่นี้จะเป็นพื้นฐานของฟิสิกส์ทั้งหมด ดังที่ทอฟกล่าวไว้ สิ่งที่เราตามหาจริงๆ คือแนวทางใหม่ในการคาดเดาว่าทฤษฎีของโลกคืออะไร

มาเริ่มต้นด้วยการเตือนความจำอย่างรวดเร็วเกี่ยวกับวิธีการทำงานของกลศาสตร์ควอนตัมตามปกติ เรามักคุ้นเคยกับวัตถุที่มีคุณสมบัติที่แน่นอนซึ่งคุณสามารถหาปริมาณได้ โต๊ะตัวนี้เป็นสีขาว เก้าอี้ตัวนี้แข็งแรง และประโยคนี้เข้าใจได้จนถึงตอนนี้ ในกลศาสตร์ควอนตัมมันไม่ทำงานแบบนั้น แต่ทุกอย่างจะอธิบายด้วยฟังก์ชันคลื่น มันมักจะแสดงด้วยอักษรกรีกตัวใหญ่ ไซ โดยพื้นฐานแล้วกลศาสตร์ควอนตัมทั้งหมดเกี่ยวกับไซขนาดใหญ่ ฟังก์ชันคลื่นอธิบายสถานะของระบบ ระบบอาจเป็นเช่นอนุภาค และสถานะอาจเป็นตำแหน่งของมัน แต่ฟังก์ชันคลื่นมักจะไม่บอกคุณอย่างแน่นอนว่าอนุภาคกำลังทำอะไรหรืออยู่ที่ไหน มันแค่ให้ความน่าจะเป็นแก่คุณที่คุณสามารถคำนวณได้จากฟังก์ชันคลื่น

ฟังก์ชันคลื่นอาจบอกคุณตัวอย่างเช่น อนุภาคมีความน่าจะเป็น 50% ที่จะอยู่ทางด้านซ้ายของหน้าจอและมีความน่าจะเป็น 50% ที่จะอยู่ทางด้านขวา แล้วถ้าคุณวัดอนุภาคคุณก็รู้ว่ามันอยู่ทางซ้ายด้วยความน่าจะเป็น 100% แต่ความน่าจะเป็นมาจากฟังก์ชันคลื่น ดังนั้นนั่นหมายความว่าถ้าคุณทำการวัด คุณต้องอัปเดตฟังก์ชันคลื่นเพื่อสะท้อนการเปลี่ยนแปลงความน่าจะเป็น เรียกว่าการยุบตัวของฟังก์ชันคลื่น หรือการลดลง หรือการอัปเดต ปัญหาคือการยุบตัวนี้ไม่ใช่แบบท้องถิ่น มันไม่ได้เริ่มต้นที่หนึ่งที่แล้วแพร่กระจายจากที่นั่น มันเกิดขึ้นในทันทีทุกที่เร็วกว่าความเร็วแสง ที่การยุบตัวของฟังก์ชันคลื่นทำลายขีดจำกัดความเร็วแสงเป็นเหตุผลที่ไอน์สไตน์ไม่ชอบกลศาสตร์ควอนตัม ฉันคิดว่าไอน์สไตน์ถูกต้องและทอฟก็คิดเช่นกัน

วิธีที่ทอฟต้องการปรับปรุงฟิสิกส์ควอนตัมคือการกำจัดการยุบตัวของฟังก์ชันคลื่น และเขาทำเช่นนั้นโดยการกำจัดอิสระเสรีโดยทำให้กลศาสตร์ควอนตัมเป็นตัวกำหนดทั้งหมด ในเวอร์ชันปัจจุบัน กลศาสตร์ควอนตัมไม่ได้เป็นตัวกำหนดเพราะฟังก์ชันคลื่นให้เพียงความน่าจะเป็นแก่คุณเท่านั้น มันไม่ได้กำหนดผลลัพธ์ของการวัด ในเวอร์ชันของทอฟ มันทำได้ เพียงแค่เราไม่สามารถคาดเดาผลลัพธ์ได้เพราะเราขาดข้อมูล นั่นคือทอฟกล่าวว่าความสุ่มของกลศาสตร์ควอนตัมมีต้นกำเนิดเหมือนกับความสุ่มอื่นๆ ที่เราสังเกตเห็น เช่น เมื่อคุณโยนลูกเต๋า มันไม่ใช่ว่าผลลัพธ์ของการโยนไม่ได้ถูกกำหนดไว้ เราแค่ไม่สามารถคำนวณได้เพราะเราไม่รู้สถานะเริ่มต้นที่แน่นอน นี่ก็เป็นสิ่งที่ไอน์สไตน์คิดและเหตุผลที่เขาพูดว่าพระเจ้าไม่เล่นลูกเต๋า

ตกลง ดังนั้นทอฟต้องการที่จะพาเรากลับไปสู่ความแน่นอน แต่แล้วอิสระเสรีเกี่ยวอะไรกับเรื่องนี้ สำหรับสิ่งหนึ่ง นักปรัชญาได้ถกเถียงกันมานานหลายพันปีว่าความแน่นอนเข้ากันได้กับอิสระเสรีหรือไม่ ดังนั้นอาจเป็นเพียงการกระทำของการกลับไปสู่ความแน่นอนทำให้ความคิดเกี่ยวกับอิสระเสรีของบางคนเสียหาย แล้วอีกครั้ง นักปรัชญาส่วนใหญ่ก็เห็นพ้องกันว่าความไม่แน่นอนของกลศาสตร์ควอนตัมไม่ได้ให้อิสระเสรีแก่คุณเช่นกัน ดังนั้นโดยพื้นฐานแล้วมันไม่สำคัญ อิสระเสรีไม่มีความหมายไม่ว่ากลศาสตร์ควอนตัมจะมีรากฐานที่เป็นตัวกำหนดหรือไม่ แต่คำถามทางปรัชญาเล็กน้อยนี้ไม่ใช่เหตุผลที่ทอฟพูดถึงอิสระเสรี เขาพูดถึงเรื่องนี้เพราะความคิดบางอย่างเกี่ยวกับอิสระเสรีเป็นสมมติฐานสำหรับการพิสูจน์ที่มีชื่อเสียงที่สุดที่กลศาสตร์ควอนตัมถูกต้องตามที่คาดไว้ การพิสูจน์ที่มีชื่อเสียงนี้เป็นสิ่งที่ได้รับรางวัลโนเบลในปี 2022 และใช่ ฉันกำลังพูดถึงการทดสอบทฤษฎีบทของเบลล์

ทฤษฎีบทของเบลล์กล่าวว่าทฤษฎีที่เป็นตัวกำหนดซึ่งเป็นแบบท้องถิ่น ดังนั้นสิ่งที่ทอฟต้องการจะให้ด้วยสมมติฐานเพิ่มเติมบางอย่างปฏิบัติตามอสมการสำหรับความสัมพันธ์ระหว่างผลลัพธ์การวัดบางอย่าง การทดลองละเมิดอสมการนี้ ดังนั้นนักฟิสิกส์ส่วนใหญ่จึงสรุปว่าทฤษฎีที่เป็นตัวกำหนดและเป็นแบบท้องถิ่นไม่สามารถอธิบายข้อสังเกตของเราได้ แต่ทอฟกล่าวว่าปัญหาคือสมมติฐานเพิ่มเติมกับทฤษฎีบทของเบลล์ หนึ่งในนั้นคือผู้ทดลองสามารถเลือกสิ่งที่พวกเขาจะวัดได้อย่างอิสระ และนั่นคือที่มาของอิสระเสรี ทอฟชี้ให้เห็นว่าในทฤษฎีที่เป็นตัวกำหนดอย่างสมบูรณ์ สิ่งที่ผู้ทดลองเลือกก็ถูกกำหนดไว้เช่นกัน ทุกสิ่งที่เกิดขึ้นกำลังเกิดขึ้นและจะเกิดขึ้นนั้นถูกเข้ารหัสไว้แล้วในเงื่อนไขเริ่มต้นที่บิกแบง ถ้าคุณไม่อยู่ในบิกแบง นั่นเป็นเรื่องน่าละอาย มันเป็นเหตุการณ์ที่ค่อนข้างยิ่งใหญ่ แต่ไม่ต้องกังวล คุณไม่จำเป็นต้องรู้ว่าเกิดอะไรขึ้น มันสำคัญก็ต่อเมื่อข้อมูลนี้มีอยู่ เพราะนั่นอธิบายว่าทำไมผลลัพธ์การวัดจึงเหมาะสมกับการตั้งค่าการวัดเสมอ

ทอฟไม่ขอโทษเลยเกี่ยวกับการปฏิเสธอิสระเสรีของเขา เขาเขียนว่า "ไม่ว่าจะชอบหรือไม่ การกระทำของการทดลองถูกกำหนดโดยกฎของฟิสิกส์ การตัดสินใจของพวกเขามีรากฐานในอดีตอันไกลโพ้นย้อนกลับไปจนถึงบิกแบง" แต่หมายความว่าอย่างไรกันแน่ อะไรถูกกำหนด อะไรถูกกำหนดคือการทดลองและระบบที่คุณกำลังดูอยู่ต้องมีความสัมพันธ์กับสิ่งที่คุณวัดและความสัมพันธ์เหล่านี้ต้องมีอยู่ในสถานะเริ่มต้นของจักรวาลแล้ว เกี่ยวกับเรื่องนี้ทอฟเขียนว่ามันเป็นความสัมพันธ์ที่ลึกลับ แต่ก็ไม่ขัดแย้งกับสิ่งที่เรารู้เกี่ยวกับกฎของฟิสิกส์ นี่คือประเด็นสำคัญของข้อเสนอของทอฟและบางครั้งก็เรียกว่าซูเปอร์ดีเทอร์มิเนซึม ที่การตัดสินใจว่าคุณจะวัดอะไรนั้นสัมพันธ์กับสถานะของระบบที่คุณวัด มันไม่ใช่สาเหตุ มันไม่ใช่ว่าฟังก์ชันคลื่นของอิเล็กตรอนทำให้ฟิสิกส์อนุภาคหมุนลูกบิด มันเป็นเพียงกฎแห่งธรรมชาติที่ทำให้สองสิ่งนี้ต้องเข้ากันเสมอ

ทอฟยังคิดว่าปัญหาของอิสระเสรีในกลศาสตร์ควอนตัมเป็นเรื่องที่น่าสนใจเล็กน้อย เพราะสิ่งที่เรากำลังพูดถึงจริงๆ คือแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่ช่วยให้เราทำนายได้ ดังที่เขาเขียนไว้ ความคิดเกี่ยวกับอิสระเสรีจะต้องถูกแทนที่ด้วยความคิดที่ว่าแบบจำลองที่มีประโยชน์ของธรรมชาติควรให้การทำนายที่ถูกต้อง ในทางเทคนิคมากขึ้น ทอฟกล่าวต่อไปนี้ ฟังก์ชันคลื่นที่เราใช้ในกลศาสตร์ควอนตัมนั้นดีและดีในการอธิบายสิ่งที่เกิดขึ้น แต่ก็ไม่ใช่ของจริง อย่างไรก็ตาม มีฟังก์ชันคลื่นอื่นที่เป็นของจริง เขาเรียกว่าออนโทโลจิคัล และฟังก์ชันคลื่นนั้นเป็นฟังก์ชันที่ให้ความน่าจะเป็น 100% ในการได้รับผลลัพธ์การวัดโดยเฉพาะ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง สถานะที่เราคิดว่าเป็นแบบคลาสสิกที่ไม่ใช่ควอนตัมเป็นแบบออนโทโลจิคัล พวกมันเป็นของจริง แมวที่ตายแล้วเป็นของจริงและแมวที่มีชีวิตอยู่เป็นของจริง แต่แมวที่ตายและมีชีวิตอยู่ไม่ใช่ของจริงในกรอบงานของทอฟ ดังนั้นเขาจึงไม่ได้บอกว่ากลศาสตร์ควอนตัมที่เราใช้ในปัจจุบันผิด มันเป็นเพียงว่าเราตีความมันผิดวิธี เมื่อเราตั้งค่าการทดลองและเขียนฟังก์ชันคลื่นสำหรับมัน ฟังก์ชันคลื่นนี้ไม่ได้อธิบายสถานะจริงของระบบ มันอธิบายความน่าจะเป็นที่สถานะจริงอาจเป็นได้เพราะเราขาดข้อมูล และทั้งหมดนี้ฟังดูดีและสมเหตุสมผลมาก แต่ราคาที่คุณต้องจ่ายคือคุณต้องการความสัมพันธ์ระหว่างสิ่งที่คุณจะวัดและสิ่งที่คุณวัดเกี่ยวกับมัน

ทอฟเรียกสิ่งที่เขาพูดว่าการตีความออโตมาตาเซลลูลาร์ของกลศาสตร์ควอนตัม แต่ฉันยังไม่ได้พูดอะไรเกี่ยวกับออโตมาตาเซลลูลาร์ ดังนั้นนี่คืออะไร ออโตมาตาเซลลูลาร์คือสิ่งที่ทอฟคิดว่าเป็นพื้นฐานที่เป็นตัวกำหนดเบื้องหลังฟิสิกส์ควอนตัม ออโตมาตาเซลลูลาร์เป็นวัตถุที่กะทัดรัดหรือเป็นแบบโลคัลที่ดำเนินการในขั้นเวลาที่ไม่ต่อเนื่อง ออโตมาตาเซลลูลาร์สามารถมีปฏิกิริยากับเพื่อนบ้านและเรารู้ว่าสิ่งนี้สามารถก่อให้เกิดคุณลักษณะที่เกิดขึ้นใหม่ที่ซับซ้อนอย่างน่าประหลาดใจ สตีเฟน วูล์ฟราม ผู้ซึ่งทฤษฎีทุกสิ่งที่เราได้พูดคุยกันในวิดีโอก่อนหน้านี้ก็ใช้เวอร์ชันของออโตมาตาเซลลูลาร์เช่นกัน สำหรับทอฟ สิ่งที่เกี่ยวข้องคือออโตมาตาเซลลูลาร์มีปฏิกิริยากับเพื่อนบ้านเท่านั้น พวกเขามีสิ่งที่เราเรียกว่าปฏิกิริยาเพื่อนบ้านที่ใกล้ที่สุด สิ่งนี้สำคัญสำหรับวัตถุประสงค์ของทอฟเพราะจำไว้ว่าเราต้องการทฤษฎีแบบท้องถิ่นไม่มีสิ่งใดที่เร็วกว่าแสงเกิดขึ้น ออโตมาตาเซลลูลาร์ของทอฟโดยพื้นฐานแล้วเป็นเวอร์ชันควอนตัมของเกียร์ เขาคิดว่าสิ่งนี้เป็นสิ่งที่จักรวาลประกอบขึ้นเป็นเวอร์ชันที่เล็กมากในระดับพลังค์ ลองนึกภาพหน้าจอที่แสดงวิวัฒนาการของออโตมาตาเซลลูลาร์ของเรา เราจินตนาการว่าพิกเซลมีขนาดประมาณหนึ่งความยาวพลังค์ 10 ยกกำลัง -33 ซม. ดังนั้นออโตมาตาเซลลูลาร์จึงมีขนาดเล็กอย่างน่าขันและพวกมันรวมกันเพื่อก่อให้เกิดสิ่งที่เราเรียกว่าอนุภาคและน่าจะเป็นพื้นที่ด้วยตัวเอง และเพราะเขาคิดว่าธรรมชาติที่แท้จริงของความเป็นจริงมีความเกี่ยวข้องกับระดับพลังค์ เขาจึงคิดว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมจะหมดกำลังในที่สุด นี่เป็นเพราะพวกเขาต้องใช้สถานะออนโทโลจิคัลในออโตมาตาเซลลูลาร์ และสถานะเหล่านี้มีน้อยกว่าสถานะที่นักฟิสิกส์เชื่อว่าเป็นของจริงในปัจจุบัน เขาเขียนว่า "การแยกตัวประกอบจำนวนที่มีหลักหลายล้านหลักเป็นตัวประกอบเฉพาะจะไม่เป็นไปได้ ถ้าวิศวกรประสบความสำเร็จในการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมเช่นนั้น ดูเหมือนว่าทฤษฎีออโตมาตาเซลลูลาร์จะถูกพิสูจน์ว่าผิด ถ้าคุณลืมไปครึ่งหนึ่งของสิ่งที่ฉันพูดไปแล้ว วิดีโอนี้มาพร้อมกับแบบทดสอบที่ช่วยให้คุณตรวจสอบว่าคุณจำได้มากแค่ไหน"

ตกลง นั่นคือสิ่งที่ทอฟพูด ตอนนี้ฉันจะบอกคุณว่าฉันคิดอย่างไรกับเรื่องนี้ ก่อนอื่น ฉันคิดว่าเขากำลังผสมผสานความคิดที่แตกต่างกันสองอย่างเข้าด้วยกัน หนึ่งคือความคิดนี้กับสถานะออนโทโลจิคัลและวิธีการกำหนดทฤษฎีแบบท้องถิ่นและเป็นตัวกำหนดที่อยู่ภายใต้ฟิสิกส์ควอนตัม อีกอย่างคือสิ่งที่เกี่ยวกับออโตมาตาเซลลูลาร์ ฉันไม่ตื่นเต้นมากกับออโตมาตาเซลลูลาร์เพราะทุกสิ่งที่ไม่ต่อเนื่อง ไม่ว่าจะในอวกาศหรือเวลาจะละเมิดสมมาตรของทฤษฎีของไอน์สไตน์และมันยากมากที่จะทำให้มันทำงานได้โดยไม่ขัดแย้งกับข้อมูลอย่างหยาบคาย ทอฟรู้เรื่องนี้แน่นอน แต่ฉันคิดว่าปัญหานั้นร้ายแรงกว่าที่เขาทำให้มันฟังดูว่าออโตมาตาเซลลูลาร์ที่ไม่ต่อเนื่องมีปัญหานี้กับสมมาตรของทฤษฎีของไอน์สไตน์ เหตุผลที่ฉันเชื่อว่าสตีเฟน วูล์ฟรามเริ่มใช้ไฮเปอร์กราฟเหล่านี้ พวกเขามีกฎการอัปเดตที่ยากกว่าขั้นตอนในเวลาและเข้ากันได้กับทฤษฎีของไอน์สไตน์

ตอนนี้เกี่ยวกับความคิดของทอฟสำหรับสถานะออนโทโลจิคัล ใช่ ฉันคิดว่าคุณทำได้ แต่ตามความจริงแล้วฉันไม่เห็นประโยชน์ในทางปฏิบัติเพราะเขาไม่ได้อธิบายว่าสถานะออนโทโลจิคัลคืออะไรหรือคุณจะหาสิ่งเหล่านั้นได้อย่างไร และหากไม่มีสิ่งนั้น คุณก็ทำอะไรกับความคิดนี้ไม่ได้ ตอนนี้ดู สิ่งที่ฉันเพิ่งพูดอาจผิดและอาจเป็นไปได้ว่าเขาแก้ปัญหาใหญ่ มันเป็นเพียงเพราะเราโง่เกินไปที่จะเข้าใจมัน แต่ในระดับปฏิบัติ ฉันไม่รู้ว่าจะทำอย่างไรกับการตีความนี้ ไม่ว่าจะเป็นเช่นนั้น ฉันคิดว่านี่เป็นข้อเสนอที่น่าสนใจมาก อย่างน้อยที่สุด มันก็เป็นมุมมองใหม่เกี่ยวกับปัญหาเก่า มันก็เป็นเรื่องเศร้าเล็กน้อยเช่นกัน เพราะความคิดของทอฟเกี่ยวกับฟิสิกส์ควอนตัมถูกเพิกเฉยโดยนักฟิสิกส์เกือบทั้งหมด คุณคงคิดว่าใครบางคนที่มีคุณวุฒิมากมายอย่างทอฟจะมีโอกาสที่ความคิดของเขาจะได้รับการยอมรับอย่างจริงจัง แต่เห็นได้ชัดว่าไม่ใช่

ดังนั้นคุณคิดอย่างไรกับเรื่องนี้ ความคิดของทอฟสมเหตุสมผลมากกว่าฟิสิกส์ควอนตัมหรือทั้งสองอย่างเข้าใจยากเท่าๆ กัน แจ้งให้ฉันทราบในความคิดเห็น ใช่ ฉันได้พูดถึงกลศาสตร์ควอนตัมอีกครั้ง คุณรู้หรือไม่ว่าฉันมีหลักสูตรเกี่ยวกับกลศาสตร์ควอนตัมที่คุณสามารถเรียนได้ฟรีที่ Brilliant หลักสูตรของฉันจะช่วยให้คุณเข้าใจว่าฟังก์ชันคลื่นคืออะไรและความแตกต่างระหว่างซูเปอร์โพซิชันและการพันกันคืออะไร มันยังครอบคลุมการแทรกแซง หลักความไม่แน่นอน และทฤษฎีบทของเบลล์ และหลังจากนั้นคุณสามารถดำเนินการต่อด้วยหลักสูตรเกี่ยวกับการคำนวณควอนตัมหรือสมการเชิงอนุพันธ์ได้ Brilliant เสนอหลักสูตรเกี่ยวกับหัวข้อต่างๆ มากมายในด้านวิทยาศาสตร์ วิทยาการคอมพิวเตอร์ และคณิตศาสตร์ หลักสูตรทั้งหมดของพวกเขามีการแสดงภาพแบบโต้ตอบและมาพร้อมกับคำถามติดตามผล ไม่ว่าคุณจะต้องการเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับแบบจำลองภาษาขนาดใหญ่หรือพีชคณิต ต้องการเรียนรู้การเขียนโค้ดใน Python หรือรู้วิธีการทำงานของหน่วยความจำคอมพิวเตอร์ Brilliant ก็ครอบคลุมคุณ มันเป็นวิธีการเรียนรู้ที่รวดเร็วและง่าย และคุณสามารถทำได้ทุกที่ทุกเวลาที่มีเวลา และพวกเขากำลังเพิ่มหลักสูตรใหม่ทุกเดือน และแน่นอน ฉันมีข้อเสนอพิเศษสำหรับผู้ชมของช่องนี้ ถ้าคุณใช้ลิงค์ของฉัน brilliant.org/zabina หรือสแกนรหัส QR คุณจะได้ลองใช้ทุกสิ่งที่ Brilliant มีให้สำหรับ 30 วันเต็มและคุณจะได้รับส่วนลด 20% สำหรับการสมัครสมาชิกแบบพรีเมียมรายปี ดังนั้นไปตรวจสอบสิ่งนี้กัน