Проблема измерения
| Часть серии статей о |
| Квантовая механика |
|---|
В квантовой механике — проблема измерения это проблема определенных результатов: квантовые системы имеют суперпозиции, но квантовые измерения дают только один определенный результат. [1] [2]
Волновая функция в квантовой механике развивается детерминированно согласно уравнению Шрёдингера как линейная суперпозиция различных состояний. Однако реальные измерения всегда обнаруживают физическую систему в определенном состоянии. Любая будущая эволюция волновой функции основана на состоянии, в котором была обнаружена система на момент проведения измерения, а это означает, что измерение «сделало что-то» с системой, что не является очевидным следствием эволюции Шредингера . Проблема измерения заключается в описании того, что представляет собой это «что-то», как суперпозиция многих возможных значений становится единым измеренным значением.
Выражаясь по-другому (перефразируя Стивена Вайнберга ), [3] [4] уравнение Шредингера определяет волновую функцию в любой более поздний момент времени. Если наблюдатели и их измерительные приборы сами описываются детерминированной волновой функцией, почему мы не можем предсказать точные результаты измерений, а только вероятности? Общий вопрос: как можно установить соответствие между квантовой реальностью и классической реальностью? [5]
кот Шрёдингера
Мысленный эксперимент под названием «Кот Шредингера» иллюстрирует проблему измерения. Устроен механизм, позволяющий убить кошку, если произойдет квантовое событие, например распад радиоактивного атома. Механизм и кошка заключены в камеру, поэтому судьба кошки неизвестна, пока камера не будет открыта. До наблюдения, согласно квантовой механике, атом находится в квантовой суперпозиции — линейной комбинации распавшегося и неповреждённого состояний. Также согласно квантовой механике составная система атом-механизм-кошка описывается суперпозицией составных состояний. Следовательно, кота можно было бы описать как суперпозицию, линейную комбинацию двух состояний: «неповрежденный атомно-живой кот» и «разложившийся атомно-мертвый кот». Однако когда камеру открывают, кот либо жив, либо мертв: суперпозиции не наблюдается. После измерения кот окончательно жив или мертв. [6] : 154
Сценарий с котом иллюстрирует проблему измерения: как неопределенная суперпозиция может привести к единственному определенному результату? Он также иллюстрирует другие проблемы квантовых измерений, [7] : 585 в том числе, когда происходит измерение? Это было тогда, когда кота заметили? Как определяется измерительная аппаратура? Механизм обнаружения радиоактивного распада? Кот? Камера? Какова роль наблюдателя ?
Интерпретации
Взгляды, часто группируемые в Копенгагенскую интерпретацию, являются старейшими и, в совокупности, вероятно, до сих пор наиболее широко распространенными взглядами на квантовую механику. [8] [9] Н. Дэвид Мермин придумал фразу «Заткнись и посчитай!» Чтобы обобщить взгляды копенгагенского типа, высказывание, которое часто ошибочно приписывают Ричарду Фейнману и которое Мермин позже нашел недостаточно детализированным. [10] [11]
Как правило, взгляды копенгагенской традиции предполагают в акте наблюдения что-то, что приводит к коллапсу волновой функции . Эта концепция, хотя ее часто приписывают Нильсу Бору , принадлежала Вернеру Гейзенбергу , чьи более поздние работы затмили многие разногласия, которые возникли у него и Бора во время их сотрудничества и которые они так и не разрешили. [12] [13] В этих школах мысли волновые функции можно рассматривать как статистическую информацию о квантовой системе, а коллапс волновой функции — это обновление этой информации в ответ на новые данные. [14] [15] Как именно понимать этот процесс, остается предметом споров. [16]
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». [17] [18]
Хью Эверетта пытается Многомировая интерпретация решить проблему, предполагая, что существует только одна волновая функция, суперпозиция всей Вселенной, и она никогда не коллапсирует, поэтому нет проблемы измерения. Вместо этого акт измерения — это просто взаимодействие между квантовыми объектами, например, наблюдателем, измерительным прибором, электроном/позитроном и т. д., которые сплетаются, образуя одну большую сущность, например, живую кошку/счастливого ученого . Эверетт также попытался продемонстрировать, как вероятностная природа квантовой механики будет проявляться в измерениях, эта работа позже была расширена Брайсом ДеВиттом . Однако сторонники программы Эвереттиана еще не пришли к единому мнению относительно правильного способа обоснования использования правила Борна для расчета вероятностей. [19] [20]
Теория де Бройля-Бома пытается решить проблему измерения совсем иначе: информация, описывающая систему, содержит не только волновую функцию, но и дополнительные данные (траекторию), задающие положение частицы (частиц). Роль волновой функции заключается в создании поля скоростей частиц. Эти скорости таковы, что распределение вероятностей частицы остается в соответствии 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 и происходит кажущийся коллапс волновой функции, даже если реального коллапса нет. [21]
Четвертый подход представлен моделями объективного коллапса . В таких моделях уравнение Шредингера модифицируется и приобретает нелинейные члены. Эти нелинейные модификации носят стохастический характер и приводят к поведению, которое для микроскопических квантовых объектов, например электронов или атомов, неизмеримо близко к поведению, определяемому обычным уравнением Шрёдингера. Однако для макроскопических объектов нелинейная модификация становится важной и вызывает коллапс волновой функции. Модели объективного коллапса являются эффективными теориями . Считается, что стохастическая модификация возникает из-за какого-то внешнего неквантового поля, но природа этого поля неизвестна. Одним из возможных кандидатов является гравитационное взаимодействие, как в моделях Диози и Пенроуза . Основное отличие моделей объективного коллапса от других подходов заключается в том, что они делают фальсифицируемые предсказания, которые отличаются от стандартной квантовой механики. Эксперименты уже приближаются к режиму параметров, в котором эти предсказания могут быть проверены. [22]
Теория Жирарди -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. [23] Хотя коллапс случается крайне редко, само количество частиц в измерительной системе означает, что вероятность коллапса, происходящего где-то в системе, высока. Поскольку вся измерительная система запутана (путём квантовой запутанности), коллапс одной частицы инициирует коллапс всей измерительной аппаратуры. Поскольку теория GRW в некоторых условиях делает предсказания, отличные от ортодоксальной квантовой механики, она не является интерпретацией квантовой механики в строгом смысле.
Роль декогеренции
Эрих Йоос и Хайнц-Дитер Це утверждают, что явление квантовой декогеренции , заложенное в 1980-е годы, решает проблему. [24] Идея состоит в том, что окружающая среда обусловливает классический внешний вид макроскопических объектов. Зе далее утверждает, что декогеренция позволяет идентифицировать нечеткую границу между квантовым микромиром и миром, где применима классическая интуиция. [25] [26] Квантовая декогеренция становится важной частью некоторых современных обновлений Копенгагенской интерпретации, основанной на последовательной истории . [27] [28] Квантовая декогеренция не описывает действительный коллапс волновой функции, но она объясняет преобразование квантовых вероятностей (которые проявляют интерференционные эффекты) в обычные классические вероятности. См., например, Журек, [5] палец на ноге [25] и Шлоссауэр. [29]
Нынешняя ситуация постепенно проясняется и описана в статье Шлоссхауэра 2006 года следующим образом: [30]
В прошлом было выдвинуто несколько предложений, не связанных с декогеренцией, чтобы прояснить значение вероятностей и прийти к правилу Борна ... Справедливости ради стоит сказать, что, по-видимому, не было достигнуто никакого решающего вывода относительно успеха этих выводов. ...
Как известно, [на этом настаивают во многих работах Бора] фундаментальная роль классических понятий. Экспериментальные данные о суперпозиции макроскопически различных состояний на все более крупных масштабах противоречат такому утверждению. Суперпозиции кажутся новыми и индивидуально существующими состояниями, часто не имеющими классических аналогов. Только физические взаимодействия между системами определяют тогда 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.
Смотрите также
Более техническую трактовку математики, связанной с этой темой, см. в разделе « Измерения в квантовой механике» .
Ссылки и примечания
- ^ Шлоссауэр, Максимилиан (23 февраля 2005 г.). «Декогеренция, проблема измерения и интерпретации квантовой механики» . Обзоры современной физики . 76 (4): 1267–1305. arXiv : Quant-ph/0312059 . дои : 10.1103/RevModPhys.76.1267 . ISSN 0034-6861 .
- ^ Леггетт, Эй Джей (11 февраля 2005 г.). «Проблема квантового измерения» . Наука . 307 (5711): 871–872. дои : 10.1126/science.1109541 . ISSN 0036-8075 .
- ^ Вайнберг, Стивен (1998). «Великая редукция: физика двадцатого века» . В Майкле Ховарде и Уильяме Роджере Луи (ред.). Оксфордская история двадцатого века . Издательство Оксфордского университета. п. 26 . ISBN 0-19-820428-0 .
- ^ Вайнберг, Стивен (ноябрь 2005 г.). «Ошибки Эйнштейна» . Физика сегодня . 58 (11): 31–35. Бибкод : 2005PhT....58k..31W . дои : 10.1063/1.2155755 . S2CID 120594692 .
- ^ Перейти обратно: а б Журек, Войцех Хуберт (22 мая 2003 г.). «Декогеренция, энселекция и квантовое происхождение классики». Обзоры современной физики . 75 (3): 715–775. arXiv : Quant-ph/0105127 . Бибкод : 2003РвМП...75..715Z . дои : 10.1103/RevModPhys.75.715 . S2CID 14759237 .
- ^ Бэгготт, Дж. Э. (2013). Квантовая история: история за 40 мгновений (Впечатление: 3-е изд.). Оксфорд: Оксфордский университет. Нажимать. ISBN 978-0-19-965597-7 .
- ^ Гриффитс, Дэвид Дж.; Шретер, Даррелл Ф. (16 августа 2018 г.). Введение в квантовую механику . Издательство Кембриджского университета. дои : 10.1017/9781316995433 . ISBN 978-1-316-99543-3 .
- ^ Шлоссауэр, Максимилиан; Кофлер, Йоханнес; Цайлингер, Антон (август 2013 г.). «Снимок основополагающих взглядов на квантовую механику». Исследования по истории и философии науки . Часть B. 44 (3): 222–230. arXiv : 1301.1069 . Бибкод : 2013ШПМП..44..222С . дои : 10.1016/j.shpsb.2013.04.004 . S2CID 55537196 .
- ^ Болл, Филип (2013). «Эксперты до сих пор расходятся во мнениях относительно того, что означает квантовая теория» . Природа . дои : 10.1038/nature.2013.12198 . S2CID 124012568 .
- ^ Мермин, Н. Дэвид (1989). «Что не так с этой подушкой?». Физика сегодня . 42 (4): 9. Бибкод : 1989ФТ....42д...9Д . дои : 10.1063/1.2810963 .
- ^ Мермин, Н. Дэвид (2004). «Мог ли Фейнман сказать это?» . Физика сегодня . 57 (5): 10–11. Бибкод : 2004ФТ....57е..10М . дои : 10.1063/1.1768652 .
- ^ Ховард, Дон (декабрь 2004 г.). «Кто придумал «Копенгагенскую интерпретацию»? Исследование мифологии» . Философия науки . 71 (5): 669–682. дои : 10.1086/425941 . ISSN 0031-8248 . S2CID 9454552 .
- ^ Камиллери, Кристиан (май 2009 г.). «Конструирование мифа Копенгагенской интерпретации» . Перспективы науки . 17 (1): 26–57. дои : 10.1162/posc.2009.17.1.26 . ISSN 1063-6145 . S2CID 57559199 .
- ^ Энглерт, Бертольд-Георг (22 ноября 2013 г.). «О квантовой теории». Европейский физический журнал Д. 67 (11): 238. arXiv : 1308.5290 . Бибкод : 2013EPJD...67..238E . дои : 10.1140/epjd/e2013-40486-5 . ISSN 1434-6079 . S2CID 119293245 .
- ^ Пайерлс, Рудольф (1991). «В защиту «измерения» ». Мир физики . 4 (1): 19–21. дои : 10.1088/2058-7058/4/1/19 . ISSN 2058-7058 .
- ^ Хили, Ричард (2016). «Квантово-байесовский и прагматический взгляд на квантовую теорию» . В Залте, Эдвард Н. (ред.). Стэнфордская энциклопедия философии . Лаборатория метафизических исследований Стэнфордского университета.
- ^ Бор, Нильс (1985) [16 мая 1947], Йорген Калькар (редактор), Нильс Бор: Собрание сочинений , том. 6: Основы квантовой физики I (1926–1932), стр. 451–454.
- ^ Стенхольм, Стиг (1983), «Чтобы понять пространство и время», в Мейстре, Пьер (редактор), « Квантовая оптика, экспериментальная гравитация и теория измерений» , Plenum Press, стр. 121.
Роль необратимости в теории измерений подчеркивалась многими. Только так можно получить постоянную запись. Тот факт, что отдельные положения указателя должны иметь асимптотическую природу, обычно связанную с необратимостью, был использован в теории измерений Данери, Лойнгера и Проспери (1962). Розенфельд (1966) принял его как формальное представление идей Бора.
- ^ Кент, Адриан (2010). «Один мир против многих: неадекватность эвереттовских объяснений эволюции, вероятности и научного подтверждения». Много миров? . Издательство Оксфордского университета . стр. 307–354. arXiv : 0905.0624 . ISBN 9780199560561 . ОСЛК 696602007 .
- ^ Барретт, Джеффри (2018). «Формулировка квантовой механики Эверетта в относительном состоянии» . В Залте, Эдвард Н. (ред.). Стэнфордская энциклопедия философии . Лаборатория метафизических исследований Стэнфордского университета.
- ^ Шелдон, Гольдштейн (2017). «Бомовская механика» . В Залте, Эдвард Н. (ред.). Стэнфордская энциклопедия философии . Лаборатория метафизических исследований Стэнфордского университета.
- ^ Басси, Анджело; Лочан, Кинджалк; Сатин, Сима; Сингх, Теджиндер П.; Ульбрихт, Хендрик (2013). «Модели коллапса волновой функции, основные теории и экспериментальные проверки». Обзоры современной физики . 85 (2): 471–527. arXiv : 1204.4325 . Бибкод : 2013РвМП...85..471Б . дои : 10.1103/RevModPhys.85.471 . S2CID 119261020 .
- ^ Белл, Дж. С. (2004). «Существуют ли квантовые скачки?». Выразимое и невыразимое в квантовой механике. стр. 201–212.
- ^ Йоос, Э.; Зех, HD (июнь 1985 г.). «Появление классических свойств через взаимодействие с окружающей средой». Zeitschrift für Physik B. 59 (2): 223–243. Бибкод : 1985ZPhyB..59..223J . дои : 10.1007/BF01725541 . S2CID 123425824 .
- ^ Перейти обратно: а б Зех, HD (2003). «Глава 2: Основные понятия и их интерпретация». В Йоосе, Э. (ред.). Декогеренция и появление классического мира в квантовой теории (2-е изд.). Спрингер-Верлаг. п. 7. arXiv : quant-ph/9506020 . Бибкод : 2003dacw.conf....7Z . ISBN 3-540-00390-8 .
- ^ Джагер, Грегг (сентябрь 2014 г.). «Что в (квантовом) мире является макроскопическим?». Американский журнал физики . 82 (9): 896–905. Бибкод : 2014AmJPh..82..896J . дои : 10.1119/1.4878358 .
- ^ Белавкин, ВП (1994). «Принцип неразрушения квантовой теории измерений». Основы физики . 24 (5): 685–714. arXiv : Quant-ph/0512188 . Бибкод : 1994FoPh...24..685B . дои : 10.1007/BF02054669 . S2CID 2278990 .
- ^ Белавкин, ВП (2001). «Квантовый шум, биты и скачки: неопределенности, декогеренция, измерения и фильтрация». Прогресс в квантовой электронике . 25 (1): 1–53. arXiv : Quant-ph/0512208 . Бибкод : 2001PQE....25....1B . дои : 10.1016/S0079-6727(00)00011-2 .
- ^ Максимилиан Шлоссауэр (2005). «Декогеренция, проблема измерения и интерпретации квантовой механики». Обзоры современной физики . 76 (4): 1267–1305. arXiv : Quant-ph/0312059 . Бибкод : 2004РвМП...76.1267С . дои : 10.1103/RevModPhys.76.1267 . S2CID 7295619 .
- ^ Шлоссхауэр, Максимилиан (январь 2006 г.). «Экспериментальная мотивация и эмпирическая последовательность в минимальной неколлапсной квантовой механике». Анналы физики . 321 (1): 112–149. arXiv : Quant-ph/0506199 . Бибкод : 2006АнФиз.321..112С . дои : 10.1016/j.aop.2005.10.004 . S2CID 55561902 .
дальнейшее чтение
- Р. Буний, С. Сюй и А. Зи О происхождении вероятности в квантовой механике (2006)
- Белл, Джон Стюарт (1990), «Против «измерения» », Physics World , 3 (8): 33–41, doi : 10.1088/2058-7058/3/8/26 .