Действия на расстоянии - Action at a distance

В физика, действие на расстоянии Это концепция, согласно которой объект можно перемещать, изменять или иным образом воздействовать на него без физического прикосновения (как при механическом контакте) другим объектом. То есть это нелокальное взаимодействие разделенных в пространстве объектов.

Этот термин чаще всего использовался в контексте ранние теории гравитации и электромагнетизм чтобы описать, как объект реагирует на влияние удаленных объектов. Например, Закон Кулона и Закон всемирного тяготения Ньютона такие ранние теории.

В более общем смысле «действие на расстоянии» описывает неудачу на ранней стадии атомистический и механистические теории которые стремились свести все физические взаимодействия к столкновениям. Исследование и разрешение этого проблемного явления привело к значительным достижениям в физике, от концепции поля до описания квантовая запутанность и медиаторные частицы из Стандартная модель.^[1]

Электричество и магнетизм

Философ Уильям Оккам обсудил действие на расстоянии, чтобы объяснить магнетизм и способность Солнца нагревать атмосферу Земли, не затрагивая промежуточное пространство.^[2]

Попытки объяснить действие на расстоянии в теории электромагнетизма привели к развитию концепции поле которые опосредуют взаимодействия между токами и зарядами в пустом пространстве. Согласно теории поля, мы учитываем Кулон (электростатическое) взаимодействие между заряженными частицами за счет того, что заряды создают вокруг себя электрическое поле, которая может ощущаться другими зарядами как сила. Максвелл прямо обратился к предмету действия на расстоянии в главе 23 своего Трактат об электричестве и магнетизме в 1873 г.^[3] Он начал с рассмотрения объяснения Формула Ампера данный Гаусс и Вебер. На странице 437 он указывает на отвращение физиков к действиям на расстоянии. В 1845 году Гаусс писал Веберу, желая «действия, не мгновенного, но распространяющегося во времени подобно действию света». Это стремление было развито Максвеллом с теорией электромагнитное поле описанный Уравнения Максвелла, который использовал поле для элегантного объяснения всех электромагнитных взаимодействий, а также света (который до этого считался совершенно не связанным явлением). В теории Максвелла поле - это отдельная физическая сущность, несущая импульсы и энергию в пространстве, а действие на расстоянии - это только кажущийся эффект локального взаимодействия зарядов с окружающим их полем.

Позже электродинамика была описана без полей (в Пространство Минковского ) как прямое взаимодействие частиц с легкий векторы разделения.^{[сомнительный – обсуждать]} Это привело к интегралу действия Фоккера-Тетрода-Шварцшильда. Такой вид электродинамической теории часто называют «прямым взаимодействием», чтобы отличить ее от теорий поля, где действие на расстоянии опосредовано локализованным полем (локализованным в том смысле, что его динамика определяется параметрами соседнего поля).^[4] Это описание электродинамики, в отличие от теории Максвелла, объясняет видимое действие на расстоянии не постулированием опосредующей сущности (поля), а обращением к естественной геометрии специальной теории относительности.

Электродинамика прямого взаимодействия явно симметрична во времени и избегает бесконечной энергии, предсказываемой в поле, непосредственно окружающем точечные частицы. Фейнман и Уиллер показали, что им можно объяснить радиацию и радиационное затухание (что считалось убедительным доказательством независимого существования поля). Однако различные доказательства, начиная с доказательства Дирак, показали, что теории прямого взаимодействия (при разумных предположениях) не допускают Лагранжиан или же Гамильтониан составы (это так называемые Теоремы об отсутствии взаимодействия ). Также важно измерение и теоретическое описание Баранина сдвиг что убедительно свидетельствует о том, что заряженные частицы взаимодействуют со своим собственным полем. Поля из-за этих и других трудностей были возведены в фундаментальные операторы в Квантовая теория поля и Современная физика таким образом в значительной степени отказался от теории прямого взаимодействия.

Сила тяжести

Ньютон

Ньютон Классическая теория гравитации не предлагала никаких перспектив выявления какого-либо посредника гравитационного взаимодействия. Его теория предполагала, что гравитация действует мгновенно, независимо от расстояния. Кеплер Наблюдения России убедительно доказали, что при движении планет угловой момент сохраняется. (Математическое доказательство справедливо только в случае Евклидова геометрия.) Гравитация также известна как сила притяжения между двумя объектами из-за их массы.

С ньютоновской точки зрения действие на расстоянии можно рассматривать как «явление, при котором изменение внутренних свойств одной системы вызывает изменение внутренних свойств удаленной системы, независимо от влияния любых других систем на удаленную систему. и без процесса, несущего это влияние непрерывно в пространстве и времени »(Берковиц, 2008).^[5]

Связанный вопрос, заданный Эрнст Мах Вот как вращающиеся тела узнают, насколько выпукло на экваторе. Похоже, что для этого требуется действие на расстоянии от далекой материи, информирующее вращающийся объект о состоянии Вселенной. Эйнштейн ввел термин Принцип маха по этому вопросу.

Невозможно себе представить, чтобы неодушевленная Материя без посредничества чего-то другого, не являющегося материальным, действовала на другую материю и влияла на нее без взаимного контакта ... Эта гравитация должна быть врожденной, неотъемлемой и существенной для Материи, чтобы одно тело могло воздействовать на нее. другой, находящийся на расстоянии через Вакуум, без посредничества чего-либо еще, с помощью которого их Действие и Сила могут передаваться от одного к другому, является для меня настолько большим абсурдом, что я не верю ни одному Человеку, занимающемуся философскими вопросами. компетентная способность мышления может когда-либо попасть в нее. Гравитация должна быть вызвана Агентом, постоянно действующим в соответствии с определенными законами; но независимо от того, является ли этот агент материальным или нематериальным, я оставил на рассмотрение моих читателей.^[5]
— Исаак Ньютон, Письма Бентли, 1692/3

Различные авторы пытались прояснить аспекты удаленного действия и Бог Участие на основе текстовых исследований,^[6] в основном из Математические основы естественной философии,^[7] Переписка Ньютона с Ричард Бентли (1692/93),^[8] и запросы, которые Ньютон представил в конце Opticks книга в первых трех изданиях (между 1704 и 1721).^[9]

Эндрю Яняк, в Ньютон как философ,^[10] считал, что Ньютон отрицал, что сила тяжести мог быть существенным для материи, отклонял прямое действие на расстоянии, а также отвергал идею материальной субстанции. Но Ньютон, по мнению Джаниака, согласился с несущественным эфир, который он считал, что Ньютон отождествляет себя с Бог сам: «Ньютон, очевидно, думает, что Бог может быть той самой« нематериальной средой », лежащей в основе всех гравитационных взаимодействий между материальными телами».

Штеффен Дюшейн, в Ньютон в действии на расстоянии,^[11] считал, что Ньютон никогда не принимал прямого дистанционного действия, только материальное вмешательство или нематериальное вещество.

Хилари Кочирас, в Гравитация и проблема подсчета вещества Ньютона,^[12] утверждал, что Ньютон был склонен отвергать прямое действие, отдавая приоритет гипотезе нематериальной среды. Но в моменты размышлений Ньютон колебался между принятием и отказом от прямого удаленного действия. Ньютон, согласно Кочирасу, утверждает, что Бог виртуально вездесущ, сила / агент должны существовать в субстанции, а Бог вездесущ по существу, что приводит к скрытой предпосылке, принципу локального действия.

Эрик Шлиссер, в Субстанциальный монизм Ньютона, отдаленное действие и природа эмпиризма Ньютона,^[13] утверждал, что Ньютон категорически не отвергает идею, что материя активна, и поэтому допускал возможность прямого действия на расстоянии. Ньютон утверждает виртуальную вездесущность Бога в дополнение к его существенной вездесущности.

Джон Генри, в Gravity and De gravitatione: развитие идей Ньютона о действиях на расстоянии,^[14] также утверждал, что прямое дистанционное действие не было чем-то непостижимым для Ньютона, отвергая идею о том, что гравитацию можно объяснить тонкой материей, принимая идею всемогущества. Бог, и отвергая эпикурейское влечение.

Для дальнейшего обсуждения см. Ducheyne, S. «Newton on Action at a Distance». Журнал истории философии т. 52.4 (2014): 675–702.

Эйнштейн

В соответствии с Альберт Эйнштейн теория специальная теория относительности, мгновенное действие на расстоянии нарушает релятивистский верхний предел скорости распространения информации. Если бы один из взаимодействующих объектов внезапно сместился со своего места, другой объект мгновенно почувствовал бы его влияние, а это означало, что информация передавалась быстрее, чем скорость света.^{[нужна цитата ]}

Одно из условий, которым должна соответствовать релятивистская теория гравитации, состоит в том, что гравитация опосредуется со скоростью, не превышающей $c$ , скорость света в вакууме. Исходя из предыдущего успеха электродинамики, можно было предвидеть, что релятивистская теория гравитации должна будет использовать концепцию поле, или что-то подобное.^{[нужна цитата ]}

Это было достигнуто с помощью теории Эйнштейна. общая теория относительности, в котором гравитационное взаимодействие опосредовано деформацией геометрии пространства-времени. Материя искажает геометрию пространства-времени, и эти эффекты, как электрические и магнитные поля, распространяются со скоростью света. Таким образом, в присутствии материи пространство-время становится неевклидов, разрешая очевидный конфликт между доказательством Ньютона сохранения углового момента и теорией Эйнштейна специальная теория относительности.^{[нужна цитата ]}

Вопрос Маха относительно выпуклости вращающихся тел решен, потому что локальная геометрия пространства-времени сообщает вращающемуся телу об остальной Вселенной. В теории движения Ньютона пространство действует на объекты, но не на него. В теории движения Эйнштейна материя действует на геометрию пространства-времени, деформируя ее; а геометрия пространства-времени воздействует на материю, влияя на поведение геодезические.^{[нужна цитата ]}

Как следствие, и в отличие от классической теории, общая теория относительности предсказывает, что ускоряющиеся массы испускают гравитационные волны, то есть возмущения кривизны пространства-времени, которые распространяются наружу со скоростью света. Их существование (как многие другие аспекты относительности ) был экспериментально подтверждено астрономами - наиболее драматично в прямое обнаружение гравитационных волн происходящий из слияние черных дыр когда они прошли LIGO в 2015 году.^[15]

Квантовая механика

С начала ХХ века квантовая механика поставил новые задачи для представления о том, что физические процессы должны подчиняться местонахождение. Ли квантовая запутанность считается действием на расстоянии, зависящим от природы волновая функция и декогеренция, вопросы, по которым все еще ведутся серьезные споры среди ученых и философов.

Одна важная линия дебатов началась с Эйнштейна, который оспорил идею о том, что квантовая механика предлагает полное описание реальности, наряду с Борис Подольский и Натан Розен. Они предложили мысленный эксперимент с участием запутанной пары наблюдаемых с некоммутирующими операторами (например, положением и импульсом).^[16]

Этот мысленный эксперимент, получивший название Парадокс ЭПР, зависит от принципа локальности. Обычное представление парадокса следующее: две частицы взаимодействуют и улетают в противоположных направлениях. Даже когда частицы находятся настолько далеко друг от друга, что любое классическое взаимодействие было бы невозможно (см. принцип локальности ), измерение одной частицы тем не менее определяет соответствующий результат измерения другой.

После публикации EPR несколько ученых, таких как де Бройль учился теории локальных скрытых переменных. В 1960-е годы Джон Белл получил неравенство, которое указывает на проверяемую разницу между предсказаниями квантовой механики и локальной скрытые переменные теории.^[17] На сегодняшний день все эксперименты Тестирование неравенств типа Белла в ситуациях, аналогичных мысленному эксперименту ЭПР, дало результаты, согласующиеся с предсказаниями квантовой механики, предполагая, что теории локальных скрытых переменных могут быть исключены. Независимо от того, интерпретируется ли это как доказательство нелокальность зависит от одного интерпретация квантовой механики.

Нестандартные интерпретации квантовой механики различаются по своей реакции на эксперименты типа ЭПР. В Интерпретация Бома дает объяснение, основанное на нелокальных скрытых переменных, для корреляций, наблюдаемых в запутанности. Многие сторонники многомировая интерпретация утверждают, что он может объяснить эти корреляции способом, не требующим нарушения локальности,^[18] позволяя измерениям иметь неуникальные результаты.

Если "действие" определяется как сила, физическая работай или же Информация, то следует четко указать, что запутанность не может сообщать о действии между двумя запутанными частицами (беспокойство Эйнштейна о «жутких действиях на расстоянии» на самом деле не нарушает специальная теория относительности ). Что происходит при запутанности, так это то, что измерение одной запутанной частицы дает случайный результат, а затем более позднее измерение другой частицы в том же запутанном (общем) квантовом состоянии всегда должно давать значение, коррелированное с первым измерением. Поскольку никакая сила, работа или информация не передаются (первое измерение случайное), скорость света предел не применяется (см. Квантовая запутанность и Белл тестовые эксперименты ). В стандарте Копенгагенская интерпретация, как обсуждалось выше, запутанность демонстрирует подлинное нелокальный эффект квантовой механики, но не передает ни квантовой, ни классической информации.

Смотрите также

внешняя ссылка

Инь, Хуан; Цао, юань; Юн, Хай-Линь; Рен, Джи-Ган; Лян, Хао; Ляо, Шэн-Кай; Чжоу, Фэй; Лю, Чанг; Ву, Ю-Пин; Пан, Гэ-Шэн; Чжан, Цян; Пэн, Чэн-Чжи; Пан, Цзянь-Вэй (26 июня 2013 г.). "Ограничение скорости" жуткого действия на расстоянии'". Письма с физическими проверками. 110 (26): 260407. arXiv:1303.0614. Дои:10.1103 / PhysRevLett.110.260407. PMID 23848853. S2CID 119293698.

[Hesse-1] Гессен, Мэри Б. (Декабрь 1955 г.). «Действие на расстоянии в классической физике». Исида. 46 (4): 337–353. Дои:10.1086/348429. JSTOR 227576.

[2] Тахау, Кэтрин Х. Видение и уверенность в эпоху Оккама: оптика, эпистемология и основы семантики, 1250–1345 гг.. Brill Archive. п. 133. ISBN 9004085521.

[3] Клерк Максвелл (1873) Трактат об электричестве и магнетизме, страницы 426–438, ссылка с Интернет-архив

[4] Барут, А. О. «Электродинамика и классическая теория полей и частиц»

[sep-qm-action-distance-5] а ^б Берковиц, Джозеф (2008). «Действие на расстоянии в квантовой механике». В Эдварде Н. Залта (ред.). Стэнфордская энциклопедия философии (Зима 2008 г.).

[6] «Действие Ньютона на расстоянии - разные взгляды». SetThings. 2019-01-12. Получено 29 мая, 2019.

[7] Исаак Ньютон (1999) Принципы: математические основы естественной философии, Калифорнийский университет Press

[8] Бентли, Ричард (1693) Опровержение атеизма по происхождению и образу мира. Часть II, проповедь, прочитанная в соборе Святого Мартина на полях 7 ноября 1692 года: это седьмая лекция, основанная достопочтенным Робертом Бойлем ... / Ричардом Бентли ..., Анн-Арбор, Мичиган; Оксфорд (Великобритания) :: Text Creation Partnership, 2007–10 (EEBO-TCP Phase 1)

[9] Исаак Ньютон (1730) Opticks :: Or, Трактат об отражениях, преломлениях, перегибах и цветах света, Уильям Иннис в Вест-Энде Святого Павла

[10] Эндрю Яняк (2008) Ньютон как философ, Cambridge Core, июль 2008 г.^{[страница нужна ]}

[11] Дюшейн, Штеффен (март 2011 г.). «Ньютон о действии на расстоянии и причине гравитации» (PDF). Исследования по истории и философии науки Часть A. 42 (1): 154–159. Дои:10.1016 / j.shpsa.2010.11.003.

[12] Котирас, Хилари (сентябрь 2009 г.). "Гравитация и проблема подсчета вещества Ньютона". Исследования по истории и философии науки Часть A. 40 (3): 267–280. Дои:10.1016 / j.shpsa.2009.07.003.

[13] Шлиссер, Эрик (март 2011 г.). «Монизм субстанции Ньютона, отдаленное действие и природа эмпиризма Ньютона: обсуждение Х. Кочираса» Гравитация и проблема подсчета субстанции Ньютона"". Исследования по истории и философии науки Часть A. 42 (1): 160–166. Дои:10.1016 / j.shpsa.2010.11.004.

[14] Генри, Джон (март 2011 г.). «Гравитация и De gravitatione: развитие идей Ньютона о действии на расстоянии» (PDF). Исследования по истории и философии науки Часть A. 42 (1): 11–27. Дои:10.1016 / j.shpsa.2010.11.025.

[15] Чу, Дженнифер (11 февраля 2016 г.). «Ученые впервые обнаружили гравитационные волны». Новости MIT.

[16] Эйнштейн, А .; Подольский, Б .; Розен, Н. (1935). «Можно ли считать квантово-механическое описание физической реальности полным?» (PDF). Физический обзор. 47 (10): 777–780. Bibcode:1935ПхРв ... 47..777Э. Дои:10.1103 / PhysRev.47.777.

[17] Белл, Джон S (1 июля 1966 г.). «К вопросу о скрытых переменных в квантовой механике» (PDF). Обзоры современной физики. 38 (3): 447–452. Bibcode:1966РвМП ... 38..447Б. Дои:10.1103 / revmodphys.38.447. OSTI 1444158.

[18] Рубин, Марк А. (2001). "Локальность в интерпретации Эверетта квантовой механики картины Гейзенберга". Основы письма по физике. 14 (4): 301–322. arXiv:Quant-ph / 0103079. Bibcode:2001квант.ч..3079R. Дои:10.1023 / А: 1012357515678. S2CID 6916036.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]