| Часть серии по |
| Квантовая механика |
|---|
В квантовой механике , то проблема измерения рассматривает , как, или, коллапс волновой функции происходит. Неспособность наблюдать такой коллапс напрямую привела к различным интерпретациям квантовой механики и ставит ключевой набор вопросов, на которые должна отвечать каждая интерпретация.
Волновая функция в квантовой механике эволюционирует детерминированно в соответствии с уравнением Шредингера в виде линейной суперпозиции различных состояний. Однако реальные измерения всегда находят физическую систему в определенном состоянии. Любая будущая эволюция волновой функции основана на состоянии, в котором система была обнаружена на момент проведения измерения, что означает, что измерение «сделало что-то» с системой, что не является очевидным следствием эволюции Шредингера. Проблема измерения состоит в том, чтобы описать, что это за «что-то», как суперпозиция множества возможных значений становится единым измеренным значением.
Чтобы выразить суть по-другому (перефразируя Стивена Вайнберга ), [1] [2] волновое уравнение Шредингера определяет волновую функцию в любое более позднее время. Если наблюдатели и их измерительные устройства сами описываются детерминированной волновой функцией, почему мы не можем предсказать точные результаты измерений, а только вероятности? В качестве общего вопроса: как можно установить соответствие между квантовой реальностью и классической реальностью? [3]
Кот Шредингера [ править ]
Мысленный эксперимент, часто используемый для иллюстрации проблемы измерения, - это «парадокс» кота Шредингера . Механизм устроен так, чтобы убить кошку, если происходит квантовое событие, такое как распад радиоактивного атома. Таким образом, судьба крупномасштабного объекта, кошки, связана с судьбой квантового объекта, атома. До наблюдения, согласно уравнению Шредингера и многочисленным экспериментам с частицами, атом находится в квантовой суперпозиции , линейной комбинациираспавшихся и нераспавшихся состояний, которые со временем эволюционируют. Следовательно, кошка также должна находиться в суперпозиции, линейной комбинации состояний, которые можно охарактеризовать как «живая кошка», и состояний, которые можно охарактеризовать как «мертвая кошка». Каждая из этих возможностей связана с определенной ненулевой амплитудой вероятности . Однако одно частное наблюдение кошки не находит суперпозиции: она всегда находит либо живую, либо мертвую кошку. После измерения кошка определенно жива или мертва. Возникает вопрос: как вероятности преобразуются в реальный, четко определенный классический результат?
Интерпретации [ править ]
Взгляды, часто группируемые вместе, как Копенгагенская интерпретация, являются старейшим и, в совокупности, вероятно, все еще наиболее широко распространенным подходом к квантовой механике. [4] [5] Н. Дэвид Мермин придумал фразу «Заткнись и посчитай!» резюмируя взгляды копенгагенского типа, высказывание, которое часто ошибочно приписывают Ричарду Фейнману, и которое позже Мермин обнаружил недостаточно детальным. [6] [7]
Вообще, взгляды в копенгагенской традиции постулируют что-то в акте наблюдения, что приводит к коллапсу волновой функции . Эта концепция, хотя ее часто приписывают Нильсу Бору , возникла благодаря Вернеру Гейзенбергу , чьи более поздние труды скрыли многие разногласия, которые у него и Бора возникли во время их сотрудничества, и которые так и не разрешились. [8] [9] В этих школах мысли волновые функции могут рассматриваться как статистическая информация о квантовой системе, а коллапс волновой функции - это обновление этой информации в ответ на новые данные. [10] [11] Как именно понять этот процесс, остается предметом споров. [12]
Бор предложил интерпретацию, независимую от субъективного наблюдателя, измерения или коллапса; вместо этого «необратимый» или фактически необратимый процесс вызывает распад квантовой когерентности, который придает классическое поведение «наблюдения» или «измерения». [13] [14] [15] [16]
Хью Эверетт «s многомировая интерпретация попытка решить эту проблему, предполагая , что существует только одна волновая функция, суперпозиция всей вселенной, и она никогда не разрушается, так что нет никаких проблем измерения. Вместо этого акт измерения - это просто взаимодействие между квантовыми объектами, например, наблюдателем, измерительным прибором, электроном / позитроном и т. Д., Которые сплетаются, образуя единую более крупную сущность, например, живую кошку / счастливый ученый . Эверетт также попытался продемонстрировать, как вероятностная природа квантовой механики проявится в измерениях, работа позже расширена Брайсом ДеВиттом.. Однако сторонники программы Эверетта еще не достигли консенсуса относительно правильного способа оправдания использования правила Борна для вычисления вероятностей. [17] [18]
Теория Де Бройля-Бома пытается решить проблему измерения совершенно по-другому: информация, описывающая систему, содержит не только волновую функцию, но и дополнительные данные (траекторию), определяющие положение частицы (частиц). Роль волновой функции заключается в создании поля скоростей для частиц. Эти скорости таковы, что распределение вероятностей для частицы остается согласованным с предсказаниями ортодоксальной квантовой механики. Согласно теории де Бройля-Бома, взаимодействие с окружающей средой во время процедуры измерения разделяет волновые пакеты в конфигурационном пространстве, откуда происходит кажущийся коллапс волновой функции, даже если фактического коллапса нет. [19]
Четвертый подход представлен моделями объективного коллапса . В таких моделях уравнение Шредингера модифицируется и получает нелинейные члены. Эти нелинейные модификации имеют стохастический характер и приводят к поведению, которое для микроскопических квантовых объектов, например электронов или атомов, неизмеримо близко к тому, которое дается обычным уравнением Шредингера. Однако для макроскопических объектов важна нелинейная модификация, которая вызывает коллапс волновой функции. Модели объективного коллапса - эффективные теории . Считается, что стохастическая модификация возникает из-за некоторого внешнего неквантового поля, но природа этого поля неизвестна. Одним из возможных кандидатов является гравитационное взаимодействие, как в моделях Диоши иПенроуз . Основное отличие моделей объективного коллапса от других подходов состоит в том, что они делают опровергающие предсказания, которые отличаются от стандартной квантовой механики. Эксперименты уже приближаются к режиму параметров, в котором эти прогнозы могут быть проверены. [20] Теория Гирарди – Римини – Вебера (GRW) предполагает, что коллапс волновой функции происходит спонтанно как часть динамики. Частицы имеют ненулевую вероятность подвергнуться «удару» или спонтанному коллапсу волновой функции порядка одного раза в сто миллионов лет. [21]Хотя коллапс случается крайне редко, огромное количество частиц в системе измерения означает, что вероятность коллапса где-то в системе высока. Поскольку вся измерительная система запутана (из-за квантовой запутанности), коллапс отдельной частицы вызывает коллапс всего измерительного устройства. Поскольку теория GRW в некоторых условиях делает прогнозы, отличные от предсказаний ортодоксальной квантовой механики, это не интерпретация квантовой механики в строгом смысле этого слова.
Роль декогеренции [ править ]
Эрих Йоос и Хайнц-Дитер Зе утверждают, что феномен квантовой декогеренции , который был прочно обоснован в 1980-х годах, решает проблему. [22] Идея состоит в том, что окружающая среда вызывает классический вид макроскопических объектов. Зе далее утверждает, что декогеренция позволяет идентифицировать нечеткую границу между квантовым микромиром и миром, в котором применима классическая интуиция. [23] [24] Квантовая декогеренция стала важной частью некоторых современных обновлений копенгагенской интерпретации, основанной на непротиворечивых историях . [25] [26]Квантовая декогеренция не описывает реальный коллапс волновой функции, но объясняет преобразование квантовых вероятностей (которые демонстрируют интерференционные эффекты) в обычные классические вероятности. См., Например, Zurek, [3] Zeh [23] и Schlosshauer. [27]
Нынешняя ситуация постепенно проясняется, как описано в статье Шлосхауэра в 2006 году: [28]
- Несколько предложений, не связанных с декогеренцией, были выдвинуты в прошлом, чтобы прояснить значение вероятностей и прийти к правилу Борна ... Справедливо будет сказать, что, похоже, не было достигнуто никакого решающего вывода относительно успеха этих выводов. ...
- Как известно, [многие работы Бора настаивают на] фундаментальной роли классических понятий. Экспериментальные доказательства суперпозиции макроскопически различных состояний на все более больших масштабах длины противоречат этому утверждению. Суперпозиции кажутся новыми и индивидуально существующими состояниями, часто не имеющими классических аналогов. Тогда только физические взаимодействия между системами определяют конкретное разложение на классические состояния с точки зрения каждой конкретной системы. Таким образом, классические концепции следует понимать как локально возникающие в смысле относительного состояния и больше не должны претендовать на фундаментальную роль в физической теории.
См. Также [ править ]
Для более технического рассмотрения математики, вовлеченной в тему, см. Измерение в квантовой механике .
- Абсолютное время и пространство
- Теория конструкторов
- Мысленные эксперименты Эйнштейна
- Парадокс ЭПР
- Теорема Глисона
- Наблюдатель (квантовая физика)
- Философия физики
- Квантовое познание
- Квантовая псевдотелепатия
- Квантовый эффект Зенона
- Друг Вигнера
Ссылки и примечания [ править ]
- ^ Вайнберг, Стивен (1998). «Великая редукция: физика двадцатого века» . В Майкл Ховард и Уильям Роджер Луи (ред.). Оксфордская история двадцатого века . Издательство Оксфордского университета. п. 26 . ISBN 0-19-820428-0.
- Перейти ↑ Weinberg, Steven (ноябрь 2005 г.). «Ошибки Эйнштейна». Физика сегодня . 58 (11): 31–35. Bibcode : 2005PhT .... 58k..31W . DOI : 10.1063 / 1.2155755 .
- ^ a b Zurek, Войцех Хуберт (22 мая 2003 г.). «Декогеренция, einselection и квантовые истоки классического». Обзоры современной физики . 75 (3): 715–775. arXiv : квант-ph / 0105127 . Bibcode : 2003RvMP ... 75..715Z . DOI : 10.1103 / RevModPhys.75.715 . S2CID 14759237 .
- ^ Шлосхауэр, Максимилиан; Кофлер, Йоханнес; Цайлингер, Антон (август 2013). «Снимок основополагающего отношения к квантовой механике». Исследования в области истории и философии науки Часть B . 44 (3): 222–230. arXiv : 1301.1069 . Bibcode : 2013SHPMP..44..222S . DOI : 10.1016 / j.shpsb.2013.04.004 . S2CID 55537196 .
- ^ Болл, Филипп (2013). «Эксперты все еще расходятся во мнениях о том, что означает квантовая теория» . Природа . DOI : 10.1038 / nature.2013.12198 . S2CID 124012568 .
- ^ Мермин, Н. Дэвид (1989). «Что не так с этой подушкой?». Физика сегодня . 42 (4): 9. DOI : 10,1063 / 1,2810963 .
- ^ Мермин, Н. Дэвид (2004). "Мог ли Фейнман сказать это?" . Физика сегодня . 57 (5): 10–11. Bibcode : 2004PhT .... 57e..10M . DOI : 10.1063 / 1.1768652 .
- ^ Ховард, Дон (декабрь 2004 г.). «Кто изобрел« Копенгагенскую интерпретацию »? Этюд по мифологии» . Философия науки . 71 (5): 669–682. DOI : 10.1086 / 425941 . ISSN 0031-8248 .
- ^ Камиллери, Кристиан (май 2009 г.). «Построение мифа о копенгагенской интерпретации» . Перспективы науки . 17 (1): 26–57. DOI : 10,1162 / posc.2009.17.1.26 . ISSN 1063-6145 .
- ^ Englert, Berthold-Георг (2013-11-22). «По квантовой теории». Европейский физический журнал D . 67 (11): 238. arXiv : 1308.5290 . DOI : 10.1140 / epjd / e2013-40486-5 . ISSN 1434-6079 .
- ^ Пайерлс, Рудольф (1991). «В защиту« измерения » ». Мир физики . 4 (1): 19–21. DOI : 10.1088 / 2058-7058 / 4/1/19 . ISSN 2058-7058 .
- ^ Хили, Ричард (2016). «Квантово-байесовские и прагматические взгляды на квантовую теорию» . В Залте, Эдвард Н. (ред.). Стэнфордская энциклопедия философии . Лаборатория метафизических исследований Стэнфордского университета.
- ^ Джон Белл (1990), "против 'измерения ' ", Physics World , 3 (8), DOI : 10,1088 / 2058-7058 / 3/8/ 26
- ↑ Нильс Бор (1985) [16 мая 1947], Йорген Калькар (редактор), Нильс Бор: Собрание сочинений , Vol. 6: Основы квантовой физики I (1926-1932), стр. 451-454
- ^ Стиг Стенхольм (1983), «Чтобы понять пространство и время», в Пьере Мейстре (редактор), Квантовая оптика, экспериментальная гравитация и теория измерений , Plenum Press, стр. 121.
Многие подчеркивали роль необратимости в теории измерения. Только так можно получить постоянную запись. Тот факт, что отдельные позиции указателя должны иметь асимптотическую природу, обычно связанную с необратимостью, был использован в теории измерений Данери, Лоингера и Проспери (1962). Это было принято Розенфельдом (1966) как формальное представление идей Бора.
- ^ Фриц Хааке (1 апреля 1993 г.), «Классическое движение переменных измерителя в квантовой теории измерений», Physical Review A , 47 (4), DOI : 10.1103 / PhysRevA.47.2506
- ^ Кент, Адриан (2010). «Один мир против многих: неадекватность эвереттианских представлений об эволюции, вероятности и научном подтверждении». Множество миров? . Издательство Оксфордского университета . С. 307–354. arXiv : 0905.0624 . ISBN 9780199560561. OCLC 696602007 .
- ^ Барретт, Джеффри (2018). "Формулировка относительного состояния квантовой механики Эверетта" . В Залте, Эдвард Н. (ред.). Стэнфордская энциклопедия философии . Лаборатория метафизических исследований Стэнфордского университета.
- ^ Шелдон, Голдштейн (2017). «Бомовская механика» . В Залте, Эдвард Н. (ред.). Стэнфордская энциклопедия философии . Лаборатория метафизических исследований Стэнфордского университета.
- ^ Анджело Басси; Кинджалк Лочан; Seema Satin; Теджиндер П. Сингх; Хендрик Ульбрихт (2013). «Модели коллапса волновой функции, лежащие в основе теории и экспериментальные проверки». Обзоры современной физики . 85 (2): 471–527. arXiv : 1204.4325 . Полномочный код : 2013RvMP ... 85..471B . DOI : 10.1103 / RevModPhys.85.471 . S2CID 119261020 .
- ^ Белл, Дж. С. (2004). «Есть ли квантовые скачки?». Разговорчивый и невыразимый в квантовой механике: 201–212.
- ^ Joos, E .; Zeh, HD (июнь 1985 г.). «Возникновение классических свойств через взаимодействие с окружающей средой». Zeitschrift für Physik Б . 59 (2): 223–243. Bibcode : 1985ZPhyB..59..223J . DOI : 10.1007 / BF01725541 . S2CID 123425824 .
- ^ а б Х. Д. Зе (2003). «Глава 2: Основные понятия и их интерпретация». В E. Joos (ред.). Декогеренция и появление классического мира в квантовой теории (2-е изд.). Springer-Verlag. п. 7. arXiv : Quant-ph / 9506020 . Bibcode : 2003dacw.conf .... 7Z . ISBN 3-540-00390-8.
- ↑ Jaeger, Gregg (сентябрь 2014 г.). «Что в (квантовом) мире макроскопично?». Американский журнал физики . 82 (9): 896–905. Bibcode : 2014AmJPh..82..896J . DOI : 10.1119 / 1.4878358 .
- ^ В. П. Белавкина (1994). «Принцип неразрушимости квантовой теории измерения». Основы физики . 24 (5): 685–714. arXiv : квант-ph / 0512188 . Bibcode : 1994FoPh ... 24..685B . DOI : 10.1007 / BF02054669 . S2CID 2278990 .
- ^ В. П. Белавкина (2001). «Квантовый шум, биты и скачки: неопределенности, декогеренция, измерения и фильтрация». Прогресс в квантовой электронике . 25 (1): 1–53. arXiv : квант-ph / 0512208 . Bibcode : 2001PQE .... 25 .... 1B . DOI : 10.1016 / S0079-6727 (00) 00011-2 .
- ^ Максимилиан Schlosshauer (2005). «Декогеренция, проблема измерения и интерпретации квантовой механики». Обзоры современной физики . 76 (4): 1267–1305. arXiv : квант-ph / 0312059 . Bibcode : 2004RvMP ... 76.1267S . DOI : 10.1103 / RevModPhys.76.1267 . S2CID 7295619 .
- ^ Максимилиан Шлосхауэр (январь 2006 г.). «Экспериментальная мотивация и эмпирическая последовательность в минимальной квантовой механике без коллапса». Анналы физики . 321 (1): 112–149. arXiv : квант-ph / 0506199 . Bibcode : 2006AnPhy.321..112S . DOI : 10.1016 / j.aop.2005.10.004 . S2CID 55561902 .
Дальнейшее чтение [ править ]
 | В Викицитаторе есть цитаты, связанные с: Проблема измерения |
- Р. Буний, С. Хсу и А. Зи О происхождении вероятности в квантовой механике (2006)
