국소성 원리

Principle of locality
이 글은 물리학에서 국소성의 원리에 관한 것입니다.로컬리티의 다른 용도는 로컬리티(동음이의)를 참조하십시오.

물리학에서 국소성의 원리는 물체가 오직 그것의 가까운 주변 환경에 의해서만 직접적으로 영향을 받는다는 것을 말합니다.국소성의 원리를 포함하는 이론은 "국지론"이라고 합니다.이것은 원거리에서 순간적인 또는 "비국소적인" 행동의 개념에 대한 대안입니다.지역성은 고전 물리학의 분야 이론에서 발전했습니다.아이디어는 어떤 원인이 다른 지점에서 영향을 미치려면 그 지점들 사이의 공간에 있는 무언가가 행동을 매개해야 한다는 것입니다.영향력을 행사하기 위해서는 파동이나 입자와 같은 것이 두 점 사이의 공간을 통해 영향력을 전달해야 합니다.

특수 상대성 이론은 인과적 영향이 빛의 속도로 이동할 수 있는 최대 속도를 제한합니다. c따라서 국소성의 원리는 한 점의 사건이 다른 점에서 동시에 결과를 초래할 수 없다는 것을 의미합니다.지점 의 이벤트는 B 에서 T = D/ T = 보다 짧은 시간 내에 결과를 발생시킬 수 없습니다 서 D {\ 는 지점 사이의 거리이고 는 진공에서의 빛의 속도입니다.

벨 테스트 실험은 양자역학이 벨의 정리에서 확립된 부등식을 광범위하게 위반한다는 것을 보여줍니다.양자역학에 대한 일부 해석에 따르면, 이 결과는 일부 양자 효과가 국소성 원리에 위배된다는 것을 암시합니다.

전양자역학

주요 기사:멀리서 하는 행동

17세기 동안 뉴턴의 만유인력의 원리는 "거리를 둔 작용"의 관점에서 공식화되었고, 이로 인해 국소성의 원리에 위배되었습니다.뉴턴 자신은 이 위반이 터무니없다고 생각했습니다.

무생물이 물질적이지 않은 다른 것을 조정하지 않고 상호 접촉 없이 다른 것을 조작하고 영향을 미치는 것은 상상할 수 없습니다.중력은 물질에 선천적이고 내재적이며 본질적인 것이어야 하며, 그래서 한 물체가 진공을 통해 멀리 떨어진 곳에서 다른 물체에 작용할 수 있어야 하며, 이를 통해 그 물체의 작용과 힘이 서로 전달될 수 있어야 합니다.나는 철학적인 문제에 유능한 사고력을 가진 사람은 절대로 거기에 빠질 수 없을 정도로 큰 부조리라고 믿습니다.중력은 특정한 법칙에 따라 끊임없이 행동하는 대리인에 의해 발생해야 합니다. 하지만 이 대리인이 중요하든 중요하지 않든 간에 저는 독자들의 배려에 맡겼습니다.[1]

— Isaac Newton, Letters to Bentley, 1692/3

쿨롱의 전기력 법칙은 처음에는 멀리 떨어진 순간의 작용으로도 공식화되었지만, 1880년 제임스 클러크 맥스웰은 국소성에 따르는 필드 방정식이 전자기의 모든 현상을 예측한다는 것을 보여주었습니다.[citation needed]이 방정식들은 전자기력이 빛의 속도로 전파된다는 것을 보여줍니다.

1905년 알베르트 아인슈타인의 특수 상대성 이론은 어떤 물질이나 에너지도 빛의 속도보다 더 빠르게 이동할 수 없다고 가정했고, 아인슈타인은 따라서 국소성의 원리를 따르는 방식으로 물리학을 개혁하려고 했습니다.그는 나중에 국소성의 원리를 따르는 중력 이론인 일반 상대성 이론을 만드는 데 성공했습니다.

그러나 국소성의 원리에 대한 또 다른 도전은 아인슈타인 자신이 창조하는 데 도움을 준 양자역학 이론으로부터 이어서 발생했습니다.

지역성 모형

양자역학에서의 국소성에 대한 도표.

간단한 시공간 도표는 지역성과 관련된 문제를 명확히 하는 데 도움이 될 수 있습니다.[2]양자역학의 논의에 적합한 국소성의 문제를 설명하는 방법이 도표에 설명되어 있습니다.입자는 한 위치에서 생성된 다음 공간적으로 분리된 다른 두 위치에서 분할 및 측정됩니다.두 측정값은 Alice와 Bob의 이름을 따서 명명되었습니다.Alice는 측정(A)을 수행하여 \{의 를 얻고, Bob은 ( 의 를 얻고 실험을 여러 번 반복하여 결과를 비교합니다

시공간에서 앨리스와 밥

시공간 도표의 앨리스와 밥.

시공간 다이어그램은 수직으로 가는 시간 좌표와 수평으로 가는 공간 좌표를 갖습니다.왼쪽의 국소 영역에 있는 앨리스는 그림과 같이 미래에 확장되는 원뿔에서만 사건에 영향을 미칠 수 있습니다. 빛의 속도가 유한하기 때문에 이 경우 밥의 위치를 포함한 다른 영역에 영향을 미치지 못합니다.마찬가지로 우리는 도표를 사용하여 밥의 지역 환경이 앨리스에 의해 동시에 변경될 수 없다고 추론할 수 있습니다. 밥에게 영향을 미치는 모든 사건은 도표에서 밥의 위치 아래 원뿔에 있습니다.앨리스 주변의 점선은 그녀의 미래의 유효한 위치를 보여주고, 밥 주변의 점선은 그의 현재 상황을 야기할 수도 있었던 사건들을 보여줍니다.앨리스가 자신의 위치에서 양자 상태를 측정하면 결과에 라는 레이블이 붙습니다 마찬가지로 Bob도 을(를) 얻습니다 국소성 모형은 이 측정값들 사이의 통계적 관계를 설명하려고 시도합니다.

멀리서 하는 행동

멀리서 하는 행동.

가장 간단한 국소성 모델은 국소성이 없다는 것입니다: 상대성에 대한 제한이 없는 거리에서의 순간적인 행동입니다.멀리 떨어진 행동에 대한 국소 모델을 연속 행동이라고[2] 합니다. 회색 영역(여기서 원)은 "화면"이라고 불리는 수학적 개념입니다.위치에서 화면을 통과하는 경로는 해당 위치의 물리적 모델의 일부가 됩니다.회색 링은 시공간의 모든 부분에서 발생한 사건이 앨리스 또는 밥에 의해 측정된 확률에 영향을 미칠 수 있음을 나타냅니다.따라서 연속적인 행동의 경우 항상 사건이 발생하고 장소에 따라 Alice와 Bob의 모델에 영향을 미칩니다.이 간단한 모델은 상대론적 효과가 미미한 경우인 뉴턴 중력과 정전기를 이용한 태양 행성 역학에 매우 성공적입니다.

미래 입력 의존성 없음

미래 입력 의존성 없음.

많은 지역성 모형은 미래 사건의 가능한 영향을 명시적으로 또는 암시적으로 무시합니다.오른쪽의 시공간 도표는 연속적인 작용과 결합할 때 그러한 제한의 효과를 보여줍니다.미래로부터의 입력(점선 위)은 더 이상 앨리스 또는 밥 모형의 일부로 간주되지 않습니다.이 다이어그램을 연속 작업에 대한 다이어그램과 비교하면 이들 모형이 동일한 지역성 모형이 아님을 알 수 있습니다.[2]현재에 영향을 미치지 않는 미래에 대한 상식적인 논쟁은 합리적인 기준이지만 그러한 가정은 모델의 수학적 성격을 바꿉니다.

벨의 국소적 인과관계

벨의 국소적 인과관계.

존 스튜어트 벨은 벨의 정리를 논의할 때 오른쪽에 표시된 선별 모델을 사용합니다.Alice와 Bob의 공통 과거 사건은 화면이 해당 사건을 흡수하는 방식으로 표시된 것처럼 Alice와 Bob의 확률을 계산하는 데 사용되는 모델의 일부입니다.단, 앨리스 측정 중 Bob의 위치에 있는 이벤트와 향후 이벤트는 제외됩니다.벨은 이 가정을 국소적 인과관계라고 불렀지만, 도표를 가지고 우리는 다른 인과관계의 의미와 결합된 국소적 의미에 걸려들지 않고 그 가정의 의미에 대해 추론할 수 있습니다.[2]대시 선은 앨리스 또는 밥의 과거에 상대론적으로 유효한 영역을 나타냅니다.회색 호는 벨 "화면"으로 가정한 것입니다.

양자역학

쉽게 구별할 수 있는 소수의 행성들의 상대적 위치(예를 들어)는 직접적으로 볼 수 있습니다: 행성들의 상대적 위치를 이해하고 측정하는 것은 기술적인 문제만을 야기합니다.반면에 미시적인 세계는 무작위해 보이는 많은 사건들('통계적' 또는 '확률적')에 걸쳐 평균적으로 측정되는 측정치에 의해서만 알려져 있으며, 측정치는 그 설계에 따라 입자와 유사하거나 파동과 같은 결과를 보여줄 수 있습니다.이 세계는 양자역학에 의해 지배됩니다.[3]지역성의 개념은 더 복잡하며 확률과 상관의 언어로 설명됩니다.

1935년 EPR 논문에서 Albert Einstein, Boris Podolsky, Nathan Rosen은 그러한 실험을 상상했습니다.[4]그들은 양자역학이 오늘날 양자 얽힘으로 알려진 것을 예측한다는 것을 관찰하고, 그것의[5] 결과를 조사했습니다. 그들이 보기에, 고전적인 국소성 원리는 앨리스가 어떤 측정을 하던 간에 밥의 장소에서 "진짜 변화는 일어날 수 없다"는 것을 암시했습니다.양자역학은 Bob의 측정 선택에 따라 파동함수 붕괴를 예측하기 때문에, 그들은 이것이 거리에서의 작용의 한 형태이며 파동함수가 현실의 완전한 묘사가 될 수 없다고 결론지었습니다.물리학자들은 동의하지 않았습니다: 그들은 양자파동 함수를 완전한 것으로 받아들이고 EPR 논문에서 가정한 국소성과 현실성의 본질에 의문을 제기했습니다.[6]

1964년 존 스튜어트 벨은 양자 이론에 의해 예측된 공간적으로 분리된 입자들 사이의 상관관계를 설명하기 위해 지역 숨겨진 변수들로 아인슈타인의 목표인 양자 이론을 "완성"하는 것이 가능한지에 대해 조사했습니다.벨은 얽힌 입자 사이의 상관관계의 특정 값을 측정함으로써 국소 숨은 변수 이론과 양자 이론을 구별하는 기준을 확립했습니다.후속 실험 테스트에서는 일부 양자 효과가 벨의 부등식에 위배되며 국소 은닉 변수 이론으로 재현할 수 없음을 보여주었습니다.[5]벨의 정리는 신중하게 정의된 지역성 모델에 따라 달라집니다.

국소성 및 은닉 변수

본문: 벨의 정리

벨은 양자역학 분석에 필요한 확률 측면에서 국소적 인과관계를 설명했습니다.주어진 상태 가 인 의 확률에 대해 라는 표기법을 사용하여 벨은 확률 분포를 조사했습니다

여기서λ lambda }은(는) 두 입자가 처음에 같은 위치에 있을 때 숨겨진 상태 변수 집합(locally)을 나타냅니다.국소적 인과관계가 성립한다면, 앨리스와 밥이 관측한 확률은 숨겨진 변수에 의해서만 결합되어야 하며, 우리는 다음을 보여줄 수 있습니다.
벨은 이 인수분해의 결과가 벨 부등식으로 알려진 앨리스와 밥이 관찰한 상관관계에 대한 한계임을 증명했습니다.양자역학은 이 한계보다 강한 상관관계를 예측하기 때문에 EPR 논문이 원하는 "완전한" 양자 이론에 국소적으로 설정된 숨겨진 변수를 추가할 수 없습니다.[7]

지역성의 문제를 조사하기 위해 특별히 설계된 수많은 실험들은 양자역학의 예측을 확인합니다; 이것들은 두 측정 위치가 1킬로미터 이상 떨어져 있는 실험들을 포함합니다.[7][8]2022년 노벨 물리학상은 알랭 아스페, 존 클라우저, 안톤 자일링거에게 수여되었는데, 이는 부분적으로 "종 부등식에 대한 위반을 확립한 광자에 대한 실험"에 대한 것이었습니다.[9]이러한 상관 관계로 이어지는 양자 이론의 특정 측면을 양자 얽힘이라고 하며 벨의 시나리오 버전은 현재 얽힘을 실험적으로 검증하는 데 사용됩니다.[7]

용어.

주요 기사:양자 비국소성

벨의 수학적 결과는 실험 데이터와 비교하여 지역의 숨겨진 변수 수학 양자 이론을 제거합니다.그러나 물리적 세계에 대한 수학의 해석은 여전히 논쟁 중에 있습니다.벨은 그의 작품 뒤에 있는 가정을 "국지적 인과성", 줄여서 "국지적 실재성"[10]이라고 표현했습니다.이러한 다른 이름들은 수학적 가정을 바꾸지 않습니다.

이 문구를 사용한 논문의[11] 검토는 현실주의에 대한 일반적인 (고전적인) 물리학적 정의는 다음과 같습니다.

측정 결과가 측정 전에 그리고 측정과 독립적으로 잘 정의되어 있다는 가정.[12]

이 정의는 양자 중첩과 충돌하는 "잘 정의된" 그리고 "이전의..."과 같은 고전적인 개념을 포함합니다.측정값"은 속성의 (metaph물리적) 존재를 의미합니다.구체적으로 벨 정리의 맥락에서 국소적 실재론이라는 용어는 벨 선별 가정이 내포하는 종류 이외에 국소성을 포함하는 일종의 "실재론"으로 볼 수 없습니다.사실주의의 일반적인 아이디어와 양자역학 사이의 이러한 갈등은 지역 현실주의가 논의될 때마다 신중한 분석이 필요합니다.[11]: 98 공간적으로 잘 분리된 두 측정의 결과가 서로에게 인과적으로 영향을 미칠 수 없다는 "국소성" 수식어를 추가하는 [5]것은 이 조합이 벨의 증명과 관련되게 하지 않습니다. 벨이 가정한 유일한 해석은 그가 국소적 인과성이라고 부르는 해석이었습니다.[11]: 98 따라서 벨의 정리는 역인과성이나 초결정론에 기초한 이론뿐만 아니라 비국소 변수의 가능성을 제한하지 않습니다.[2]

파동함수 붕괴의 확률론적 특성 때문에, 양자역학에서 이 명백한 국소성 위반은 무통신 정리에 따라 빛보다 더 빠른 정보를 전송하는 데 사용될 수 없습니다.[13]페레스는 약한 비국소성과 강한 비국소성을 구분하는데, 후자는 빛보다 빠른 의사소통을 가능하게 하는 이론을 언급합니다.이러한 조건하에서 양자역학은 약한 비국소 상관관계를 허용하지만 강한 비국소성은 허용하지 않습니다.[14]

상대론적 양자역학

양자장 이론의 주요 원리 중 하나는 국소성의 원리입니다.[15]필드의 역학을 설명하는 필드 연산자와 라그랑지안 밀도는 상호작용이 거리에 따라 행동으로 설명되지 않는다는 점에서 국부적입니다.이것은 먼 좌표에 의존하는 두 분야의 곱인 라그랑지안의 항들을 피함으로써 달성될 수 있습니다.[15][16]구체적으로, 상대론적 양자장 이론에서 국소성과 인과성의 원리를 적용하기 위해서는 다음 조건이 필요합니다. 만약 두 개의 관측치가 서로 분리된 공간에 있는 두 개의 서로 다른 시공간 영역 내에 국소화된 경우 관측치는 통근해야 합니다.이 조건은 때때로 상대론적 양자장 이론의 공리 중 하나로 부과됩니다.[15][17]

참고 항목

참고문헌

  1. ^ Berkovitz, Joseph (2008). "Action at a Distance in Quantum Mechanics". In Edward N. Zalta (ed.). The Stanford Encyclopedia of Philosophy (Winter ed.).
  2. ^ a b c d e Wharton, K. B.; Argaman, N. (May 18, 2020). "Colloquium : Bell's theorem and locally mediated reformulations of quantum mechanics". Reviews of Modern Physics. 92 (2). doi:10.1103/RevModPhys.92.021002. ISSN 0034-6861.
  3. ^ Feynman, Richard P.; Leighton, Robert B.; Sands, Matthew L. (2007). Quantum Mechanics. The Feynman Lectures on Physics. Vol. 3. Reading/Mass.: Addison-Wesley. ISBN 978-0-201-02118-9.
  4. ^ Einstein, A.; Podolsky, B.; Rosen, N. (May 15, 1935). "Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?". Physical Review. 47 (10): 777–780. doi:10.1103/PhysRev.47.777. ISSN 0031-899X.
  5. ^ a b c Reid, M. D.; Drummond, P. D.; Bowen, W. P.; Cavalcanti, E. G.; Lam, P. K.; Bachor, H. A.; Andersen, U. L.; Leuchs, G. (December 10, 2009). "Colloquium : The Einstein-Podolsky-Rosen paradox: From concepts to applications". Reviews of Modern Physics. 81 (4): 1727–1751. doi:10.1103/RevModPhys.81.1727. ISSN 0034-6861.
  6. ^ 클라우저, 존 F. 그리고 애브너 시모니."벨의 정리. 실험적 테스트와 시사점."물리학의 진보에 관한 보고서 41.12 (1978): 1881
  7. ^ a b c Brunner, Nicolas; Cavalcanti, Daniel; Pironio, Stefano; Scarani, Valerio; Wehner, Stephanie (April 18, 2014). "Bell nonlocality". Reviews of Modern Physics. 86 (2): 419–478. doi:10.1103/RevModPhys.86.419. ISSN 0034-6861.
  8. ^ Holmes, Rebecca (2017). "Local realism is dead, long live local realism?". Physics World. 30 (6): 21–25. Bibcode:2017PhyW...30f..21H. doi:10.1088/2058-7058/30/6/41.
  9. ^ "The Nobel Prize in Physics 2022". Nobel Foundation. October 4, 2022. Archived from the original on October 4, 2022. Retrieved October 6, 2022.
  10. ^ Laudisa, Federico (February 2023). "How and when did locality become 'local realism'? A historical and critical analysis (1963–1978)". Studies in History and Philosophy of Science. 97: 44–57. doi:10.1016/j.shpsa.2022.11.008.
  11. ^ a b c Lambare, Justo Pastor (October 2022). "On the Meaning of Local Realism". Foundations of Physics. 52 (5). doi:10.1007/s10701-022-00618-1. ISSN 0015-9018.
  12. ^ Paterek, Tomasz; Fedrizzi, Alessandro; Gröblacher, Simon; Jennewein, Thomas; Żukowski, Marek; Aspelmeyer, Markus; Zeilinger, Anton (November 21, 2007). "Experimental Test of Nonlocal Realistic Theories Without the Rotational Symmetry Assumption". Physical Review Letters. 99 (21). doi:10.1103/PhysRevLett.99.210406. ISSN 0031-9007.
  13. ^ Susskind, Leonard; Friedman, Art (February 25, 2014). Quantum Mechanics: The Theoretical Minimum. Penguin Books Limited. ISBN 978-0-14-197782-9.
  14. ^ Peres, A. (June 1, 2006). Quantum Theory: Concepts and Methods. Springer Science & Business Media. ISBN 978-0-306-47120-9.
  15. ^ a b c Tong, David (2006). "Quantum Field Theory" (PDF). University of Cambdridge.
  16. ^ Bonneau, Guy (2009). "Local operator". Scholarpedia. 4 (9): 9669. doi:10.4249/scholarpedia.9669. ISSN 1941-6016.
  17. ^ Streater, Raymond Frederick (May 20, 2009). "Wightman quantum field theory". Scholarpedia. 4 (5): 7123. doi:10.4249/scholarpedia.7123. ISSN 1941-6016.

외부 링크

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