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/ NetNews Usenet Archive 1993 #1 / NN_1993_1.iso / spool / sci / physics / 22119 < prev    next >
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Internet Message Format  |  1993-01-05  |  7.0 KB

  1. Path: sparky!uunet!mtnmath!paul
  2. From: paul@mtnmath.UUCP (Paul Budnik)
  3. Newsgroups: sci.physics
  4. Subject: A proof that quantum mechanics is an incomplete theory
  5. Message-ID: <469@mtnmath.UUCP>
  6. Date: 5 Jan 93 17:54:00 GMT
  7. References: <31DEC199211004292@author.gsfc.nasa.gov> <1993Jan5.000032.4518@cs.wayne.edu>
  8. Organization: Mountain Math Software, P. O. Box 2124, Saratoga. CA 95070
  9. Lines: 115
  10.  
  11. In article <1993Jan5.000032.4518@cs.wayne.edu>, atems@igor.physics.wayne.edu (Dale Atems) writes:
  12. > [...]
  13. > >I have posted the proof before. It is not complicated.
  14. > Would you be willing to post it again for the benefit of those of us
  15. > who missed it the first time? [...]
  16.  
  17. The following is an edited version of my posting in November.
  18.  
  19. Quantum mechanics can be thought of as consisting of a linear and
  20. nonlinear theory. The linear theory describes how the wave function
  21. evolves according to the Schrodinger equation or equivalent formalism.
  22. The nonlinear theory describes the quantum jumps that the wave function
  23. undergoes when, for example, particles are created or destroyed. The
  24. linear theory is what most physicists use most of the time. The nonlinear
  25. theory is almost never needed in practical problems in QM. It would be
  26. surprising if there is a fundamental logical flaw in the linear theory
  27. given its wide spread regular use by so many physicists.
  28.  
  29. In contrast the nonlinear theory is known to be vague and the source of
  30. 60 years of confusion about quantum theory and measurement. The
  31. nonlinear theory consists of nothing more than the assumption that
  32. the wave function changes instantaneously when a measurement is made
  33. to become consistent with the results of that measurement. It sounds more
  34. like a philosophical principle and for the most part it can be regarded
  35. as such. However there are certain quantum mechanical calculations in
  36. which this principle *must* be used. It is in these calculations that
  37. QM is vulnerable to attack.
  38.  
  39. The nonlinear theory is crucial to the claim that QM is a complete theory.
  40. We know these nonlinear changes happen because we know particles are
  41. created and destroyed. If the nonlinear changes do not occur
  42. instantaneously they must have a space-time structure. This structure
  43. is not part of any current theory.
  44.  
  45. The following argument shows that the vague assumption that wave function
  46. changes instantaneously with an observation is not adequate to predict the
  47. delays that can be measured experimentally in tests of Bell's inequality.
  48.  
  49. The standard approach to analyzing tests of Bell's inequality treats
  50. the polarizer angle and the photon detection as a single measurement of
  51. the state of the photon. The state is detected at one site and the wave
  52. function is changed in accord with that observation. This restricts the wave
  53. function at the other site in a way that influences the probability
  54. of a joint detection. This works only if the polarizers are not changing.
  55. However, an effective test of Bell's equality requires that the polarizer
  56. angles are changing.
  57.  
  58. In an experiment with changing polarizers, the critical element is the delay
  59. between when the angle changes and when this affects the probability of
  60. joint detections. Unless this delay is less than the time it takes light
  61. to travel from either polarizer to the more distant detector one cannot
  62. claim to have shown that Bell's inequality is violated. Yet this delay
  63. must be as long as the time it takes light to travel from either polarizer
  64. to the detector *at each local site*.  If this were not true one could
  65. use this affect for superluminal communication. All you need to is
  66. locate the polarizers close to the photon source and redirect the photons
  67. so that instead of moving apart they travel to detectors that are
  68. closely spaced. You can then vary the relative angle of the two
  69. polarizers and this will superluminally change the probability of a
  70. joint detection. Because the two detectors are close together you can
  71. use this experimental setup as a communications channel.
  72.  
  73. Once you start considering the distance between the polarizer and detector,
  74. using the assumption that the wave function changes instantaneously becomes
  75. problematic. In the usual geometry the detectors are equally distant from
  76. the photon source. By the time you make an observation and change the
  77. wave function at either detector, the angle of the polarizers *at that time*
  78. can no longer influence the results. Thus the *instantaneous* change must
  79. proceed *backwards* in time so that the state of the distant wave function
  80. is consistent with the observation just made and the position of the distant
  81. polarizer at some *previous* point in time. You might be tempted to change
  82. the wave function when it traverses the polarizer, but this violates rules
  83. of quantum mechanics and would lead to false predictions in other
  84. experiments. If the polarizers are changing there is no basis for
  85. deciding how to do the calculation, i. e. for deciding what polarizer
  86. angle to use at either site.
  87.  
  88. You might try to build a wave function for the probability of a joint
  89. detection and thus do the computation without using the nonlinear theory.
  90. This is not possible. The nonlinear theory is the *only* nonlocal physical
  91. theory.  Without it or some equivalent formulation you cannot obtain the
  92. standard results for the correlations observed in tests of Bell's inequality.
  93.  
  94. The theory you need to predict these delays would give the probability for the
  95. state of the photon if it is detected at a given time. The problem is that
  96. quantum mechanics has no mechanism for computing the probability of a state
  97. that is not an *observable*. It is central to quantum mechanics that the
  98. state is determined by the observation and did not preexist. If the
  99. polarizers are fixed, then the detection of the photon is a direct
  100. observation of the polarization state. If the polarizers are changing
  101. their angle, there is nothing in the detection to suggest the
  102. polarization state. The probability of detection at either location
  103. is unaffected by the angle of either polarizer.
  104.  
  105. We can contrast tests of Bell's inequality with experiments in which such
  106. delays are predictable. Consider an experiment where a single photon
  107. passes through two successive polarizers.  After the wave function
  108. passes through the second polarizer the probability of a later detection
  109. will be determined by the relative angle between the polarizers.
  110. Changing the angles will influence this probability of detection.
  111. This effect is local and predictable because it is *mediated* by the
  112. propagation and structure of the wave function. No such mechanism
  113. exists for computing the delays between changes in polarizer angles
  114. and joint detections that are influenced by these changes in tests
  115. of Bell's inequality. The nonlocal nature of the nonlinear part of
  116. QM precludes the *possibility* of such a mechanism.
  117.  
  118. Quantum mechanics, as currently formulated, is an incomplete theory.
  119. We need to measure these delays experimentally and extend quantum mechanics
  120. based on these results. My expectation is that such experiments
  121. will confirm that nature is local and that quantum mechanics as currently
  122. formulated is not only incomplete but also incorrect.
  123.  
  124. Paul Budnik
  125.