Acțiunea la distanță în electromagnetism și mecanica cuantică

Electricitate și magnetism

Eforturile de a explica acțiunea la distanță în teoria electromagnetismului au dus la dezvoltarea conceptului de câmp care a mediat interacțiunile dintre curenți și sarcini în spațiul gol. Conform teoriei câmpului, reprezentăm interacțiunea Coulomb (electrostatică) între particulele încărcate prin faptul că sarcinile produc în jurul lor un câmp electric, care poate fi resimțit de alte sarcini ca forță. Maxwell a abordat direct subiectul acțiunii la distanță în capitolul 23 din Un tratat privind energia electrică și magnetismul din 1873. El a început prin a examina explicația formulei lui Ampere dată de Gauss și Weber. La pagina 437 el vorbe;te despre dezaprobarea fizicienilor a acțiunii la distanță. În 1845, Gauss a scris lui Weber despre dorința de „acțiune, nu instantanee, dar propagată în timp într-o manieră similară celei a luminii”. Această aspirație a fost dezvoltată de Maxwell cu teoria unui câmp electromagnetic descris de ecuațiile lui Maxwell, care a folosit câmpul pentru a explica în mod elegant toate interacțiunile electromagnetice, precum și lumina (care pînă atunci fusese văzută ca un fenomen complet neînrudit). În teoria lui Maxwell, câmpul este propria sa entitate fizică, transportând impuls și energie în spațiu, iar acțiunea la distanță este doar efectul aparent al interacțiunilor locale ale sarcinilor cu câmpul înconjurător.

Electrodinamica a fost ulterior descrisă fără câmpuri (în spațiul Minkowski) ca interacțiune directă a particulelor cu vectori de separare de gen lumină. Aceasta a dus la integrala acțiunii Fokker-Tetrode-Schwarzschild. Acest tip de teorie electrodynamică este adesea numită „interacțiune directă” pentru a o deosebi de teoriile câmpului în care acțiunea la distanță este mediată de un câmp localizat (localizat în sensul că dinamica sa este determinată de parametrii câmpului apropiat). Această descriere a electrodinamicii, spre deosebire de teoria lui Maxwell, explică acțiunea aparentă la distanță, nu prin postularea unei entități de mediere (câmpul), ci prin apelarea la geometria naturală a relativității speciale.

Electrodinamica interacțiunii directe este explicit simetrică în timp și evită energia infinită prezisă în câmpul imediat ce înconjoară particulele punctuale. Feynman și Wheeler au arătat că pot explica radiațiile și amortizarea radiațiilor (care au fost considerate probe puternice pentru existența independentă a câmpului). Cu toate acestea, diferite dovezi, începând cu cele ale lui Dirac, au arătat că teoriile de interacțiune directă (sub ipoteze rezonabile) nu acceptă formulări lagrangiene sau hamiltoniene (acestea sunt așa-numitele Teoreme ale ne-interacției). De asemenea, este semnificativă măsurarea și descrierea teoretică a deplasării Lamb care sugerează puternic că particulele încărcate interacționează cu propriul lor câmp. Câmpurile, din cauza acestor dificultăți și a altor dificultăți, au fost ridicate la operatori fundamentali în teopria câmpului cuantic, iar fizica modernă a abandonat în mare măsură teoria interacțiunii directe.

Mecanica cuantică

De la începutul secolului al XX-lea, mecanica cuantică a venit cu noi provocări pentru viziunea că procesele fizice ar trebui să respecte principiul localității. Dacă inseparabilitatea cuantică se explică prin acțiune-la-distanță depinde de natura funcției de undă și decoerență, probleme asupra cărora există încă o dezbatere considerabilă între oamenii de știință și filosofi. O linie importantă de dezbateri a apărut odată cu Einstein, care a contestat ideea că mecanica cuantică oferă o descriere completă a realității împreună cu Boris Podolski și Nathan Rosen. Ei au propus un experiment de gândire care implică o pereche de observabile inseparate cu operatori care nu comută (de exemplu poziția și impulsul).

Acest experiment de gândire, care a devenit cunoscut ca paradoxul EPR, depinde de principiul localității. O prezentare comună a paradoxului este următoarea: două particule interacționează și zboară în direcții opuse. Chiar și atunci când particulele sunt atât de îndepărtate încât orice interacțiune clasică ar fi imposibilă (vezi principiul localității), măsurarea unei particule determină totuși rezultatul corespunzător al unei măsurări a celeilalte.

După lucrarea despre paradoxul EPR, mai mulți oameni de știință, precum de Broglie, au studiat teoriile variabilelor ascunse locale. În anii 1960, John Bell a derivat o inegalitate care a indicat o diferență testabilă între predicțiile mecanicii cuantice și teoriile variabilelor ascunse locale. Până în prezent, toate experimentele care testează inegalitățile de tip Bell în situații analoge cu experimentul gândit EPR au rezultate consecvente cu predicțiile mecanicii cuantice, sugerând că teoriile variabilelor ascunse locale pot fi excluse. Dacă acest lucru este interpretat sau nu ca o dovadă a nonlocalității, depinde de interpretarea mecanicii cuantice.

Interpretările non-standard ale mecanicii cuantice variază în răspunsul lor la experimentele de tip EPR. Interpretarea lui Bohm oferă o explicație bazată pe variabile ascunse nelocalizate pentru corelațiile observate în inseparabilitate. Mulți susținători ai interpretării multor lumi susțin că pot explica aceste corelații într-un mod care nu necesită o încălcare a localității, permițând măsurătorilor să aibă rezultate ne-unice.