Дополнительность (физика)

‹Приведенный ниже шаблон ( необходим эксперт ) рассматривается для удаления. См. Шаблоны для обсуждения, чтобы помочь достичь консенсуса. ›

Эта статья требует внимания эксперта по данной теме . Конкретная проблема: «из-за того, что статья слишком расплывчата, нужен более строгий подход». При размещении этого тега рассмотрите возможность связывания этого запроса с WikiProject . ( Июнь 2019 г. )

Квантовая механика
Часть серии по
${\ Displaystyle я \ HBAR {\ гидроразрыва {\ partial} {\ partial t}} \| \ psi (t) \ rangle = {\ hat {H}} \| \ psi (t) \ rangle}$ Уравнение Шредингера
Вступление Глоссарий История Учебники
Фон Классическая механика Старая квантовая теория Обозначение Бра – Кет Гамильтониан Вмешательство
Основы Родившееся правило Комптоновская длина волны Согласованность Декогеренция Комплементарность Уровень энергии Запутанность Гамильтониан Принцип неопределенности Основное состояние Вмешательство Измерение Слабое измерение Нелокальность Наблюдаемый Оператор Квантовая Квантовая флуктуация Квантовое число Квантовый шум Квантовая область Квантовое состояние Квантовая система Квантовая телепортация Кубит Вращение Суперпозиция Квантовое вакуумное состояние Симметрия (Спонтанное) нарушение симметрии Состояние вакуума Распространение волн Волновая функция Коллапс волновой функции Дуальность волна-частица Волна материи Прямоугольный потенциальный барьер Пространство фока
Последствия Эффект Зеемана Эффект Старка Эффект Ааронова – Бома Квантование Ландау Квантовый эффект Холла Квантовый эффект Зенона Квантовое туннелирование Фотоэлектрический эффект Эффект Казимира
Эксперименты Неравенство Белла Дэвиссон-Гермер Двойная щель Элицур – Вайдман Франк-Герц Неравенство Леггетта – Гарга Мах – Цендер Поппер Квантовый ластик ( отложенный выбор ) Кот Шредингера Штерн-Герлах Отсроченный выбор Уиллера
Составы Обзор Динамические картинки ( Гейзенберг ; Взаимодействие ; Шредингер ) Матрица Фазовое пространство Суммирование по историям (интеграл по путям)
Уравнения Дирак Хеллманн-Фейнман Кляйн – Гордон Липпманн-Швингер Паули Ридберг Шредингер
Интерпретации Обзор Байесовский Последовательные истории Копенгаген Космологический де Бройль-Бом Ансамбль Скрытая переменная Многомиры Объективный коллапс Квантовая логика Реляционный Стохастик Транзакционный
Дополнительные темы Квантовый отжиг Квантовый хаос Квантовые вычисления Квантовая геометрия Матрица плотности Квантовая теория поля Дробная квантовая механика Квантовая гравитация Квантовая информатика Квантовое машинное обучение Теория возмущений (квантовая механика) Релятивистская квантовая механика Теория рассеяния Теория сверхтекучего вакуума Самопроизвольное параметрическое преобразование с понижением частоты Квантовая статистическая механика
Ученые Ааронов Колокол Блэкетт Блох Бом Бор Родившийся Bose де Бройль Кэндлин Комптон Дирак Дэвиссон Дебай Эренфест Эйнштейн Эверетт Фок Ферми Фейнман Глаубер Gutzwiller Гейзенберг Гильберта Иордания Крамерс Паули ягненок Ландо Лауэ Мозли Милликен Оннес Планк Раби Раман Ридберг Шредингер Зоммерфельд фон Нейман Weyl Вена Вигнер Zeeman Цайлингер Гоудсмит Уленбек Ян
Категории ► Квантовая механика
v т е

В физике, комплементарность является одновременно теоретическим и экспериментальным результатом ^[1]^[2]^[3] из квантовой механики , которые также называют принципом комплементарности . Сформулированный Нильсом Бором , ведущим основателем квантовой механики ^[4], принцип дополнительности гласит, что объекты обладают определенными парами дополнительных свойств, которые нельзя наблюдать или измерять одновременно.

Примеры дополнительных свойств, которые рассматривал Бор:

Позиция и импульс
Крутиться по разным осям
Свойства, связанные с волнами и частицами
Значение поля и его изменение (в определенной позиции)
Запутанность и согласованность ^[5]

Другие примеры включают:

Поляризация фотона

Двойственность волны и частицы [ править ]

Как указывалось, частицы и волновые аспекты физических объектов являются взаимодополняющими явлениями. Обе концепции заимствованы из классической механики , где невозможно быть частицей и волной одновременно. Таким образом, невозможно измерить полные свойства волны и частицы в определенный момент. ^[6] Более того, Бор подразумевает, что невозможно рассматривать объекты, регулируемые квантовой механикой, как обладающие внутренними свойствами, независимыми от определения с помощью измерительного устройства, точка зрения, поддерживаемая теоремой Кохена-Спекера . Тип измерения определяет, какое свойство отображается. Однако эксперимент с одной и двумя щелямии другие эксперименты показывают, что некоторые эффекты волны и частицы можно измерить за одно измерение. ^[7]

Природа [ править ]

Аспект дополнительности заключается в том, что он не только применим к измеримости или познаваемости некоторого свойства физического объекта, но, что более важно, он применим к ограничениям самого проявления этого свойства этим физическим объектом в физическом мире. Все свойства физических объектов существуют только в парах, которые Бор описал как дополнительные или сопряженные пары. Физическая реальность определяется и определяется проявлениями свойств, которые ограничиваются компромиссами между этими дополнительными парами. Например, электрон может проявлять все большую и большую точность своего положения только в обмен на дополнительную потерю в точности проявления своего импульса. Это означает, что существует ограничение на точность, с которой электрон может занимать (т.е. проявлять) положение,поскольку бесконечно точное положение диктует, что его проявленный импульс будет бесконечно неточным или неопределенным (то есть непроявленным или непроявленным), что невозможно. Конечные ограничения в точности проявления свойств количественно определены Гейзенбергом.принцип неопределенности и единицы Планка . Дополнительность и неопределенность диктуют, что, следовательно, все свойства и действия в физическом мире в некоторой степени проявляются как недетерминированные.

Физики Ф. А. М. Фрескура и Бэзил Хили резюмировали причины введения принципа дополнительности в физику следующим образом: ^[8]

В традиционном представлении предполагается, что существует реальность в пространстве-времени и что эта реальность является данной вещью, все аспекты которой можно рассматривать или артикулировать в любой данный момент. Бор был первым, кто указал на то, что квантовая механика поставила под сомнение эту традиционную точку зрения. Для него «неделимость кванта действия», которая была его способом описания принципа неопределенности, означала, что не все аспекты системы можно рассматривать одновременно. Используя один конкретный элемент устройства, можно было бы проявить только определенные свойства за счет других, в то время как с помощью другого устройства можно было бы проявить другой дополнительный аспект таким образом, что исходный набор стал непроявленным, то есть исходные атрибуты больше не были четко определены. Для Бораэто было указанием на то, что принцип дополнительности - принцип, который, как он ранее знал, широко проявлялся в других интеллектуальных дисциплинах, но не появлялся в классической физике, должен быть принят как универсальный принцип.

Возникновение комплементарности в системе происходит при рассмотрении обстоятельств, при которых он пытается измерить ее свойства; как заметил Бор, принцип дополнительности «подразумевает невозможность какого-либо резкого разделения между поведением атомных объектов и взаимодействием с измерительными приборами, которые служат для определения условий, при которых возникают явления». ^[9] Важно отличать, как это делал Бор в своих первоначальных утверждениях, принцип дополнительности от утверждения принципа неопределенности. Техническое обсуждение современных проблем, связанных с дополнительностью в физике, см., Например, в Bandyopadhyay (2000), ^[10], из которой были взяты части этого обсуждения.

Дополнительные соображения [ править ]

В своей первоначальной лекции по этой теме Бор указал, что точно так же, как конечность скорости света подразумевает невозможность резкого разделения между пространством и временем (относительность), конечность кванта действия подразумевает невозможность резкого разделения между поведением системы и ее взаимодействием с измерительными приборами и приводит к хорошо известным трудностям с понятием «состояния» в квантовой теории; понятие дополнительности призвано символизировать эту новую ситуацию в эпистемологии, созданную квантовой теорией. Некоторые люди ^{[ необходима цитата ]} считают это философским дополнением к квантовой механике., в то время как другие считают это открытием, столь же важным, как и формальные аспекты квантовой теории. Примеры последнего включают Леона Розенфельда , который утверждал, что «[C] комплементарность - это не философская надстройка, изобретенная Бором для украшения квантового формализма, это фундамент квантового описания» ^[11]. и Джон Уиллер , который высказал мнение, что «принцип дополнительности Бора - самая революционная научная концепция этого века и сердце его пятидесятилетних поисков полного значения квантовой идеи». ^[12]

Эксперименты [ править ]

Типичным примером взаимодополняемости волны и частицы в лаборатории является эксперимент с двумя щелями . Суть дополнительного поведения - это вопрос: «Какая существует информация - встроенная в составные части Вселенной - которая может раскрыть историю сигнальных частиц, когда они проходят через двойную щель?» Если существует информация (даже если она не измеряется наблюдателем ), которая показывает, «какую щель» прошла каждая частица, то каждая частица не будет проявлять волновой интерференции с другой щелью. Это поведение, подобное частицам. Но если нет информациио какой щели существует - так что ни один наблюдатель, независимо от того, насколько хорошо он оборудован, никогда не сможет определить, через какую щель проходит каждая частица - тогда сигнальные частицы будут мешать самим себе, как если бы они прошли через обе щели, как волна. Это волнообразное поведение. Согласно соотношению двойственности Энглерта – Гринбергера, эти поведения являются дополнительными, поскольку, когда наблюдается одно поведение, другое отсутствует. Оба поведения можно наблюдать одновременно, но каждое только как меньшее проявление их полного поведения (как определено отношением дуальности). Эта суперпозиция дополнительных поведений существует всякий раз, когда есть частичная информация о том, «какая щель». Хотя есть некоторые разногласия по поводу отношения двойственности и, следовательно, самой дополнительности,противоположная позиция не принимается основной физикой. ^[13]^{: 35–40} Эксперименты с двойной щелью с одиночными фотонами ясно показывают, что фотоны одновременно являются частицами и волнами. Фотоны попадают на экран, где они обнаруживаются в точках, и когда набирается достаточное количество точек, отчетливо виден волновой аспект. В неподвижных фотонах одновременно видны частицы и волны.

Различные эксперименты по нейтронной интерферометрии демонстрируют тонкость понятий двойственности и дополнительности. Пройдя через интерферометр , нейтрон действует как волна. Тем не менее, при прохождении нейтрон подвержен гравитации . Поскольку нейтронный интерферометр вращается через гравитационное поле Землиможет наблюдаться фазовый переход между двумя плечами интерферометра, сопровождающийся изменением конструктивной и деструктивной интерференции нейтронных волн на выходе из интерферометра. Некоторые интерпретации утверждают, что понимание эффекта интерференции требует признания того, что одиночный нейтрон проходит через интерферометр обоими путями одновременно; единичный нейтрон был бы как бы «одновременно в двух местах». Поскольку два пути через нейтронный интерферометр могут составлять от 5 до 15 см.кроме того, эффект вряд ли микроскопический. Это похоже на традиционные эксперименты с двухщелевым и зеркальным интерферометром, где щели (или зеркала) могут быть расположены произвольно далеко друг от друга. Итак, в интерференционных и дифракционных экспериментах нейтроны ведут себя так же, как фотоны (или электроны) соответствующей длины волны. ^[14]^[15]^{: 211–213}

История [ править ]

Нильс Бор, по-видимому, задумал принцип дополнительности во время лыжных каникул в Норвегии в феврале и марте 1927 года, во время которых он получил письмо от Вернера Гейзенберга относительно недавно открытого (и еще не опубликованного) принципа неопределенности последнего . По возвращении из отпуска, когда Гейзенберг уже представил свою статью о принципе неопределенности для публикации, он убедил Гейзенберга, что принцип неопределенности является проявлением более глубокой концепции дополнительности. ^[6] Гейзенберг должным образом приложил примечание по этому поводу к своей статье о принципе неопределенности перед ее публикацией, заявив:

Бор обратил мое внимание на то, что неопределенность в нашем наблюдении не возникает исключительно из-за наличия разрывов, но напрямую связана с требованием, чтобы мы приписывали одинаковую значимость совершенно разным экспериментам, которые проявляются в теории [частиц]. с одной стороны, и в волновой теории - с другой.

Бор публично представил принцип дополнительности в лекции, которую он прочитал 16 сентября 1927 года на Международном физическом конгрессе, состоявшемся в Комо, Италия , на котором присутствовало большинство ведущих физиков того времени, за заметными исключениями Эйнштейна , Шредингера и Дирака . Тем не менее, эти трое присутствовали месяц спустя, когда Бор снова представил принцип на Пятом конгрессе Solvay в Брюсселе, Бельгия . Лекция была опубликована в трудах обеих этих конференций, а в следующем году была переиздана в журналах Naturwissenschaften (на немецком языке) и в журнале Nature (на английском языке). ^[16]

Статья Бора в 1949 г. под названием «Обсуждения с Эйнштейном эпистемологических проблем атомной физики» ^[17] многими рассматривается как окончательное описание понятия дополнительности. ^[18]

См. Также [ править ]

Афшар эксперимент
Дебаты Бора и Эйнштейна
Соотношение двойственности Энглерта – Гринбергера
Теорема Эренфеста
Интерпретация квантовой механики
Несовместимые наблюдаемые
Квантовая запутанность
Квантовая неопределенность
Транзакционная интерпретация
Теория поглотителя Уиллера – Фейнмана
Понтрягинская двойственность
преобразование Фурье

Ссылки [ править ]

^ Холл, Джордж М. (1997). Гениальный разум природы: расшифровка моделей человека, общества и общества . Springer. п. 409. ISBN 978-0-306-45571-1.
^ Уитакер, Эндрю (2006). Эйнштейн, Бор и квантовая дилемма: от квантовой теории к квантовой дилеме . Кембридж. п. 414. ISBN 9780521671026.
^ Селлери, Франко (2012). Дуальность волна-частица . Springer. п. 55. ISBN 978-1461364689.
^ Уокер, Эван Харрис (2000). Физика сознания . Кембридж, Массачусетс: Персей. п. 271. ISBN. 0-7382-0436-6. ... основоположники квантовой механики - Гейзенберг , Шредингер и Бор ...
^ Крамер, Джон Г .; Герберт, Ник (14 февраля 2015 г.). Исследование возможности нелокальной квантовой коммуникации (отчет) (отредактированная ред.). arXiv : 1409.5098v2 . Bibcode : 2014arXiv1409.5098C .
^ a b Бэгготт, Джим (2011). Квантовая история: история в 40 мгновений . Оксфордская достопримечательность. Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. п. 97. ISBN 978-0-19-956684-6.
^ Боска Диас-Pintado, Мария К. (29-31 марта 2007). «Обновление дуальности волна-частица» . 15-я встреча Великобритании и Европы по основам физики . Лидс, Великобритания . Проверено 21 июня 2008 .
^ Frescura, FAM; Хили, Би Джей (июль 1984 г.). «Алгебры, квантовая теория и предпространство» (PDF) . Revista Brasileira de Física . Специальный том «Os 70 anos de Mario Schonberg»: 49–86, 2.
^ Калькар, Йорген; Бор, Нильс ; Розенфельд, Леон ; Рюдингер, Эрик; Aaserud, Финн (1996). Основы квантовой физики II (1933-1958) . Эльзевир. п. 210. ISBN 978-0-444-89892-0. Проверено 24 октября 2011 .
^ Bandyopadhyay, Supriyo (2000). " Эксперименты Welcher Weg и принцип дополнительности ортодоксального Бора" (PDF) . Физика Буквы A . 276 (5–6): 233–239. arXiv : квант-ph / 0003073 . Bibcode : 2000PhLA..276..233B . DOI : 10.1016 / S0375-9601 (00) 00670-8 . S2CID 14779753 . Архивировано (PDF) из оригинала 10.10.2019 - через CERN .
^ Нильс Бор ; fwd. Леон Розенфельд; изд. Калькар; и другие. (1996). «Дополнительность: основа квантового описания» . Основы квантовой физики II (1933–1958) . Собрание сочинений Нильса Бора. 7 . Эльзевир. С. 284–285. ISBN 978-0-444-89892-0.CS1 maint: дополнительный текст: список авторов ( ссылка )
^ Уилер, Джон А. (январь 1963 г.). « » Нет Беглец и заточенный Добродетель «-A дань Нильса Бора». Физика сегодня . Vol. 16 нет. 1. п. 30. Bibcode : 1963PhT .... 16a..30W . DOI : 10.1063 / 1.3050711 .
^ Гарош, Серж; Раймонд, Жан-Мишель (2006). Изучение кванта: атомы, полости и фотоны (1-е изд.). Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0198509141.
^ Colella, R .; Оверхаузер, AW ; Вернер, С.А. (1975). «Наблюдение гравитационно-индуцированной квантовой интерференции» (PDF) . Письма с физическим обзором . 34 (23): 1472–1474. Bibcode : 1975PhRvL..34.1472C . DOI : 10.1103 / physrevlett.34.1472 . Архивировано из оригинального (PDF) 17 мая 2012 года.
↑ Гельмут Раух; Сэмюэл А. Вернер (2000). Нейтронная интерферометрия: уроки экспериментальной квантовой механики . Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-850027-8.
↑ Бор N (1928). «Квантовый постулат и недавнее развитие атомной теории» . Природа . 121 (3050): 580–590. Bibcode : 1928Natur.121..580B . DOI : 10.1038 / 121580a0 . Имеется в собрании ранних работ Бора « Теория атома и описание природы» (1934).
^ Бор, Нильс (1949). «Дискуссии с Эйнштейном по эпистемологическим проблемам атомной физики». В Schilpp, Пол Артур (ред.). Альберт Эйнштейн: философ-ученый . Открытый суд.
^ Сондерс, Саймон (2005). «Дополнительность и научная рациональность». Основы физики . 35 (3): 417–447. arXiv : квант-ph / 0412195 . Bibcode : 2005FoPh ... 35..417S . DOI : 10.1007 / s10701-004-1982-х . S2CID 17301341 .

Дальнейшее чтение [ править ]

Бертольд-Георг Энглерт , Марлан О. Скалли и Герберт Вальтер , Квантово-оптические тесты дополнительности , Nature, том 351, стр 111–116 (9 мая 1991 г.) и (те же авторы) The Duality in Matter and Light Scientific American, стр. 56– 61, (декабрь 1994 г.). Демонстрирует, что комплементарность обеспечивается, а эффекты квантовой интерференции уничтожаются декогеренцией ( необратимыми корреляциями объект-аппарат ), а не самим принципом неопределенности Гейзенберга, как считалось ранее .
Нильс Бор , Причинность и дополнительность: дополнительные статьи под редакцией Яна Фэя и Генри Дж. Фолза. Философские сочинения Нильса Бора, Том IV . Ox Bow Press. 1998 г.

Внешние ссылки [ править ]

В Викицитатнике есть цитаты, связанные с: Дополнительностью (физика)

Дискуссии с Эйнштейном по эпистемологическим проблемам атомной физики
Ответ Эйнштейна на критику

[1] Холл, Джордж М. (1997). Гениальный разум природы: расшифровка моделей человека, общества и общества . Springer. п. 409. ISBN 978-0-306-45571-1.

[2] Уитакер, Эндрю (2006). Эйнштейн, Бор и квантовая дилемма: от квантовой теории к квантовой дилеме . Кембридж. п. 414. ISBN 9780521671026.

[3] Селлери, Франко (2012). Дуальность волна-частица . Springer. п. 55. ISBN 978-1461364689.

[4] Уокер, Эван Харрис (2000). Физика сознания . Кембридж, Массачусетс: Персей. п. 271. ISBN. 0-7382-0436-6. ... основоположники квантовой механики - Гейзенберг , Шредингер и Бор ...

[5] Крамер, Джон Г .; Герберт, Ник (14 февраля 2015 г.). Исследование возможности нелокальной квантовой коммуникации (отчет) (отредактированная ред.). arXiv : 1409.5098v2 . Bibcode : 2014arXiv1409.5098C .

[Baggott2011-6] Бэгготт, Джим (2011). Квантовая история: история в 40 мгновений . Оксфордская достопримечательность. Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. п. 97. ISBN 978-0-19-956684-6.

[7] Боска Диас-Pintado, Мария К. (29-31 марта 2007). «Обновление дуальности волна-частица» . 15-я встреча Великобритании и Европы по основам физики . Лидс, Великобритания . Проверено 21 июня 2008 .

[8] Frescura, FAM; Хили, Би Джей (июль 1984 г.). «Алгебры, квантовая теория и предпространство» (PDF) . Revista Brasileira de Física . Специальный том «Os 70 anos de Mario Schonberg»: 49–86, 2.

[9] Калькар, Йорген; Бор, Нильс ; Розенфельд, Леон ; Рюдингер, Эрик; Aaserud, Финн (1996). Основы квантовой физики II (1933-1958) . Эльзевир. п. 210. ISBN 978-0-444-89892-0. Проверено 24 октября 2011 .

[Bandyopadhyay2000-10] Bandyopadhyay, Supriyo (2000). " Эксперименты Welcher Weg и принцип дополнительности ортодоксального Бора" (PDF) . Физика Буквы A . 276 (5–6): 233–239. arXiv : квант-ph / 0003073 . Bibcode : 2000PhLA..276..233B . DOI : 10.1016 / S0375-9601 (00) 00670-8 . S2CID 14779753 . Архивировано (PDF) из оригинала 10.10.2019 - через CERN .

[Bohr1996a-11] Нильс Бор ; fwd. Леон Розенфельд; изд. Калькар; и другие. (1996). «Дополнительность: основа квантового описания» . Основы квантовой физики II (1933–1958) . Собрание сочинений Нильса Бора. 7 . Эльзевир. С. 284–285. ISBN 978-0-444-89892-0.CS1 maint: дополнительный текст: список авторов ( ссылка )

[12] Уилер, Джон А. (январь 1963 г.). « » Нет Беглец и заточенный Добродетель «-A дань Нильса Бора». Физика сегодня . Vol. 16 нет. 1. п. 30. Bibcode : 1963PhT .... 16a..30W . DOI : 10.1063 / 1.3050711 .

[Haroche-13] Гарош, Серж; Раймонд, Жан-Мишель (2006). Изучение кванта: атомы, полости и фотоны (1-е изд.). Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0198509141.

[14] Colella, R .; Оверхаузер, AW ; Вернер, С.А. (1975). «Наблюдение гравитационно-индуцированной квантовой интерференции» (PDF) . Письма с физическим обзором . 34 (23): 1472–1474. Bibcode : 1975PhRvL..34.1472C . DOI : 10.1103 / physrevlett.34.1472 . Архивировано из оригинального (PDF) 17 мая 2012 года.

[RauchWerner2000-15] Гельмут Раух; Сэмюэл А. Вернер (2000). Нейтронная интерферометрия: уроки экспериментальной квантовой механики . Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-850027-8.

[Bohr1928English-16] Бор N (1928). «Квантовый постулат и недавнее развитие атомной теории» . Природа . 121 (3050): 580–590. Bibcode : 1928Natur.121..580B . DOI : 10.1038 / 121580a0 . Имеется в собрании ранних работ Бора « Теория атома и описание природы» (1934).

[Bohr1949-17] Бор, Нильс (1949). «Дискуссии с Эйнштейном по эпистемологическим проблемам атомной физики». В Schilpp, Пол Артур (ред.). Альберт Эйнштейн: философ-ученый . Открытый суд.

[Saunders-18] Сондерс, Саймон (2005). «Дополнительность и научная рациональность». Основы физики . 35 (3): 417–447. arXiv : квант-ph / 0412195 . Bibcode : 2005FoPh ... 35..417S . DOI : 10.1007 / s10701-004-1982-х . S2CID 17301341 .