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/ NetNews Usenet Archive 1992 #20 / NN_1992_20.iso / spool / sci / physics / 14160 < prev    next >
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Text File  |  1992-09-07  |  13.1 KB  |  231 lines

  1. Newsgroups: sci.physics
  2. Path: sparky!uunet!haven.umd.edu!darwin.sura.net!sgiblab!nec-gw!netkeeper!vivaldi!aslws01!aslws01!terry
  3. From: terry@aslws01.asl.dl.nec.com (Terry Bollinger)
  4. Subject: Re: Uncertainty Principle [T.Bollinger => LONG]
  5. Message-ID: <1992Sep5.071519.16554@asl.dl.nec.com>
  6. Sender: news@asl.dl.nec.com
  7. Nntp-Posting-Host: aslws01
  8. Organization: (the process of converting a metal pipes in to an organ?)
  9. References: <1992Sep4.170847.235@prim>
  10. Date: Sat, 5 Sep 1992 07:15:19 GMT
  11. Lines: 218
  12.  
  13. Howdy ya'll,
  14.  
  15. (A long one again -- so QUICK, hit that K before it's too LATE!!)
  16. (Headers are provided if you want to take a quick topical scan.)
  17. (Not recommended for readers who prefer group theory mathematics.)
  18.  
  19. In article <1992Sep4.170847.235@prim> prim!dave@germany.eu.net
  20. (Dave Griffiths) writes:
  21.  
  22. > I just read (Stephen Hawking) a nice explanation of the Uncertainty
  23. > Principle: to measure the position accurately, you need very short
  24. > wavelength photons which will have such a high energy that they will
  25. > bash the particle so hard that it's momentum becomes uncertain...
  26.  
  27. > ... is this explanation a simplification for laymen, or is that how the
  28. > UP was really derived?  I thought that the UP was somehow more "fundamental"
  29. > and not just related to practical difficulties of measurement...
  30.  
  31. THE "DISTURBED PARTICLE" INTERPRETATION OF QUANTUM UNCERTAINTY
  32.  
  33. Historically, some of the earlier books on QM certainly tended to describe
  34. it that way, especially when folks with an essentially classical background
  35. were trying to come to grips with it.  But it has problems, and does in fact
  36. tend to "overtrivialize" the profoundly bizarre underlying principles that
  37. are involved in QM.  E.g., Dr. Richard Feynman found such views misleading
  38. and somewhat offensive, and in his writings he argues against relying too
  39. heavily on such analogies.  In Vol. III of his Lectures he goes to some
  40. lengths to point out that in Stern-Gerlaugh the separation of the base
  41. states does *not* "disturb" the particles in the sense of irreversibly
  42. preventing the original composite state from being recovered.  You can
  43. "rebuild" the state simply by recombining the base state paths -- something
  44. that makes no sense at all from a strict disturb-the-states perspective.
  45.  
  46. THE FOURIER TRANSFORM INTERPRETATION OF QUANTUM UNCERTAINTY
  47.  
  48. One of the most beautiful and readable discussions I've seen on this subject
  49. is by Dr. Roger Penrose in his popular book "The Emperor's New Mind."  On
  50. pages 243-250 of the paperback edition you will find two sections entitled
  51. "The quantum state of a particle" and "The uncertainty principle."  What
  52. you will read is a fascinating discussion of the remarkable symmetry that
  53. lies between particles as they are described in "ordinary" space of three
  54. dimensions, and "momentum" space in which they are positions according to
  55. their momentum values instead of their ordinary-space locations.
  56.  
  57. In Dr. Penrose's discussion, the wavefunction that describes a particle
  58. has the appearance of a corkscrew in both of these spaces.  (See my earlier
  59. discussion of phone cords if you find that interesting.  A phone cord is
  60. just a bound state of the same sort of thing, meaning that when a particle
  61. wavefunction bounces back and forth in a small space it starts looking an
  62. awful lot like a rotating phone cord -- which is itself a superposition of
  63. two opposing corkscrew-like rotating states).
  64.  
  65. Now what is intriguing about these two ways of representing the same particle
  66. is that they are "mediated" or related to each other by something called the
  67. "Fourier transform."  And amazingly, therein lies the real answer to why
  68. this odd little thing called the uncertainty principle must exist.  Without
  69. beating on the exact definition of the Fourier transform here, suffice it to
  70. say that one of its unavoidable features is that if you squeeze the length
  71. of the corkscrew down in one space (it matters not in the least *which* one),
  72. you will find it that the length of the corkscrew in the other space must
  73. expand proportionally -- e.g., shorten the momentum space corkscrew by half,
  74. and the one in real space will double (or vice-versa).  If you keep that
  75. simple rule in mind you've really pretty much covered Fourier transforms
  76. for corkscrews -- it only gets messy and complex when you start combining
  77. corkscrews to produce more complicated wavefunctions.
  78.  
  79. When you keep in mind that the wavefunction gives ALL of the information
  80. that can possibly be known about a particle, this kind of behavior becomes
  81. profound indeed -- and not something understood by simple bat-the-critter-
  82. around analogies.  When the corkscrew in ordinary space becomes very large,
  83. you *cannot* know anything more about the particle until you "force" a
  84. decision upon it, such as with some kind of detector.  (Again, see my earlier
  85. email for a discussion of the probability issue -- it carries over exactly
  86. for corkscrews, right down to the enclosed space of with a volume of "one".)
  87.  
  88. ON JOINT "MEMBERSHIP" OF A PARTICLE IN THE SPACE AND MOMENTUM "CLUBS"
  89.  
  90. The resulting relationships are like some sort of pair of clubs with a long-
  91. term unresolved dispute about joint membership.  Join one of the clubs 100%
  92. (make your corkscrew so short that you have an EXACT location in either
  93. ordinary space or momentum space), and you are 100% LOST from the other
  94. club.  Your location in it becomes scattered literally over the entire
  95. universe, so that at any one location you're probability of being "found"
  96. by a detector becomes flat-out zero.  A distressing state of affairs!
  97.  
  98. Conversely, if you are 100% exactly/precisely/on-the-schnoz located in the
  99. the club we call Space by shrinking your little corkscrew wavefunction down
  100. to an infinitely short rotating spike, you become 100% LOST in the Momentum
  101. club.  (Velocity is still limited by good ol' relativity, but relativity does
  102. not limit momentum.)  Your momentum could be of any magnitude at all, in any
  103. direction at all.
  104.  
  105. THE ENERGY COST OF SPACE/MOMENTUM "MEMBERSHIP"
  106.  
  107. There is an irony in these membership relationships, because it turns out
  108. that the COST of 100% membership in one or the other clubs is most decidely
  109. NOT symmetrical -- the two spaces are similar in many ways, but by no means
  110. are the identical.  The irony is this:  In terms of energy costs, 100%
  111. membership in an exact location in the Space club is infinite -- it would
  112. take more energy than exists in the universe to accomplish it!  The cause
  113. of the problem is that it takes ENERGY to stretch that corkscrew over in
  114. Momentum space, and stretch it you must if you want an exceptionally exact
  115. location for your particle (corkscrew) back in the Space club.  I might
  116. note that this has some implications for why particle research keeps
  117. building bigger and bigger particle colliders -- they need those higher
  118. energies if they want to explore the structure of the universe at smaller
  119. and smaller granularities.
  120.  
  121. It's worth keeping in mind the next time you casually write down a diagram
  122. that *assumes* a whole bunch of infinitely precise particle locations.  With
  123. that kind of philosophical underpinning -- i.e., that any real incarnation
  124. of one of those points would require more energy than currently exists in
  125. the universe -- one might argue that it should not be overly surprising that
  126. the necessity for odd little mathematical games such as "renormalization"
  127. might pop up here and there in such analyses.
  128.  
  129. The flip side of the irony is that it does NOT take infinite energy to achieve
  130. infinitely precise membership in the Momentum club -- although, alas, it does
  131. require an infinitely long length of time!  Compressing the corkscrew in
  132. Momentum space (again) implies an equivalent expansion of the Space club
  133. corkscrew.  Ah, but it does NOT cost energy to spread things out in ordinary
  134. space (at least in the absence of fields), so the energy cost of being very
  135. precisely in the Momentum club is minimal and quite acheivable.
  136.  
  137. SIZE ASYMMETRY OF MATTER IN SPACE/MOMENTUM UNIVERSES
  138.  
  139. The two relationships are seen in the size of our universe.  If you truly
  140. tried to build a universe that was "symmetrical" in its distribution of
  141. paticle memberships between Space space and Momentum space, it would
  142. instantly go ka-BLOOEY and expand drastically into the Space side of things.
  143. Why?  Because it's cheaper that way -- the long intial corkscrews in Momentum
  144. space would act like very energetic springs trying to collapse back together,
  145. and in the process of doing so they would cause an explosion in the no-cost-
  146. to-expand corkscrews of regular Space.
  147.  
  148. The irony in sum is that in some ways the idea of a truly point particle is
  149. MORE real in momentum space than it is in our ordinary space, in that a good
  150. phyisical setup can achieve a given level of "particleness" in Momentum space
  151. at a very much lower cost than a device for measuring comparable levels of
  152. "particleness" in ordinary Space.
  153.  
  154. HIDDEN VARIABLES IN QUANTUM MECHANICS
  155.  
  156. > Does it make any sense to talk about a particle having an unknowable, but
  157. > precise, position and momentum (which would be the case if the problem was
  158. > simply one of measurement)?
  159.  
  160. Good gravy yes it makes sense.  They're called "hidden variable" theories, and
  161. such notables as Dr. Albert Einstein and (more recently) Dr. Bell of CERN
  162. were both notable in their support of at least *thinking* about whether QM
  163. might turn out to be such a thing.  Some of you might find it very surprising
  164. that I mentioned Dr. Bell as a hidden parameter type, given the fact that he
  165. was the person who first pointed out that their were REAL experiments that
  166. could be performed to test the hidden-parameter hypothesis.  But I stick by
  167. my guns -- if you read his collected work, it's hard not to get the impression
  168. that one of the reasons he came up with Bell's Inequality was that deep down
  169. he was sort of hoping that both Dr. Einstein and Dr. David Bohm were right
  170. after all in supporting hidden parameter theories.  He was just very careful
  171. and facts-first in his orientation, a true experimentalist as well as a most
  172. intriguing theorist.
  173.  
  174. Dr. Richard Feynman was NOT a hidden parameter type, and the recent results
  175. of experiments (e.g., Aspect) designed to test whether hidden variable might
  176. lurk at the heart of QM seem to indicate that the answere is NO -- you cannot
  177. do such things without violating both the rules of QM and explicitly observed
  178. behavior in such experiments.  Indeed, the spin thought experiment I posted
  179. recently rests on exactly that issue.  If the universe is full of hidden
  180. variables, it's easy to show why my thought experiment does NOT cause any
  181. kind of problem.  Alas, if it does not use hidden variables, then such thought
  182. experiments can be very troublesome indeed.
  183.  
  184. HIDDEN VARIABLES, PILOT WAVES, AND THE DANGERS OF PHILOSOPHICAL EXTREMES
  185.  
  186. BTW, it's my guess that part of the reason of the reason why Dr. David Bohm,
  187. author of a superb text on QM and a neo-hidden-variable "pilot wave" in his
  188. interpretation of QM, unexpectely went New-Agey on everbody.  If you insist
  189. that particles are real billiard-balls guided by real "pilot wave" fields
  190. and take that view to its philosophical endpoint, Lo!, you do indeed wind
  191. up with some gruesome problems in trying to reconcile the resulting info
  192. links without becoming rather "holistic" in your perspective.  Even Dr. Bell,
  193. who apparently admired Dr. Bohm's work considerably, once made a remark in
  194. an interview that perhaps the reason everything worked out in QM experiments
  195. was that everything was TOTALLY deterministic.  E.g., experimenters would
  196. always look at at the right thing at the right time to get the results
  197. predicted by the implicit action-at-a-distance rules of QM, not because
  198. such action existed, but because the universe was set up in such a fashion
  199. that it would LOOK that way.  The ultimate hidden-variable explanation!
  200.  
  201. NO HIDDEN VARIBLES OR PILOT WAVES FOR MOI...
  202.  
  203. For whatever it's worth, I don't buy the hidden variable school mainly
  204. because it seems to cause more problems than it's worth.  And Dr. Feynman's
  205. beautiful and elegant "integral of history" approache certainly doesn't jibe
  206. well with the pilot wave interpretations that often accompany such ideas,
  207. since you have to assume that somehow the pilot wave coincidentally takes
  208. on EXACTLY the same form produced by the more subtle (and strange) integral
  209. of history methods.  To me Dr. Feynman's insistence on taking the peculiar
  210. behavior of QM at face value and to stop trying to apply meaningless big-
  211. world interpretations on everything seems like a pretty darned good idea,
  212. and one that handles an encounter with Occam's razor a lot better than
  213. ideas that try to code data from the universe into every particle in it.
  214.  
  215. STEPHEN HAWKING AND SHIRLEY MCLANE
  216.  
  217. Final note, somewhat related:  I bought the latest Stephen Hawking book
  218. was absolutely appalled by the introduction that seemed to imply that
  219. "my MY, the reader had best take note of this physicist because, after all,
  220. SHIRLEY MCLANE thinks he's really neat!"
  221.  
  222. Dr. Hawkings, if you ever read this net, SHAME on you for allowing yourself
  223. (and those of us buying books) to be exploited in such a fashion.  I have
  224. been appalled to watch the general decline of science in Western education,
  225. and cannot help but thing how such nonsense subtly but definitively continues
  226. that damage by giving readers the impression that Shirley McLane is somehow
  227. "relevant" to becoming a top-notch physicist.
  228.  
  229.             Cheers,
  230.             Terry Bollinger  (Speaking only for myself)
  231.