Теория объективного коллапса
| Часть серии статей о |
| Квантовая механика |
|---|
Теории объективного коллапса , также известные модели спонтанного коллапса. [1] или модели динамического сокращения , [2] предложены решения проблемы измерения в квантовой механике . [3] Как и в случае с другими интерпретациями квантовой механики , они являются возможным объяснением того, почему и как квантовые измерения всегда дают определенные результаты, а не их суперпозицию, как предсказывает уравнение Шредингера , и, в более общем смысле, то, как классический мир возникает из квантовой теории. Фундаментальная идея состоит в том, что унитарная эволюция волновой функции, описывающей состояние квантовой системы, является приближенной. Он хорошо работает для микроскопических систем, но постепенно теряет свою актуальность, когда масса/сложность системы увеличивается.
В теориях коллапса уравнение Шрёдингера дополняется дополнительными нелинейными и стохастическими членами (спонтанный коллапс), которые локализуют волновую функцию в пространстве. В результате динамика такова, что для микроскопических изолированных систем новые члены оказывают незначительное влияние; следовательно, обычные квантовые свойства восстанавливаются, за исключением очень незначительных отклонений. Такие отклонения потенциально могут быть обнаружены в специальных экспериментах, и во всем мире прилагаются все большие усилия по их тестированию.
Встроенный механизм усиления гарантирует, что для макроскопических систем, состоящих из многих частиц, коллапс становится сильнее квантовой динамики. Тогда их волновая функция всегда хорошо локализована в пространстве, настолько хорошо локализована, что ведет себя для всех практических целей как точка, движущаяся в пространстве по законам Ньютона.
В этом смысле модели коллапса обеспечивают единое описание микроскопических и макроскопических систем, избегая концептуальных проблем, связанных с измерениями в квантовой теории.
Наиболее известные примеры таких теорий:
- Модель Гирарди–Римини–Вебера (GRW)
- Модель непрерывной спонтанной локализации (CSL)
- Модель Диози – Пенроуза (ДП)
Теории коллапса противостоят теориям многомировой интерпретации , поскольку они утверждают, что процесс коллапса волновой функции ограничивает ветвление волновой функции и устраняет ненаблюдаемое поведение.
История теорий коллапса
[ редактировать ]В статье Филипа Перла 1976 года были впервые использованы квантовые нелинейные стохастические уравнения для динамического моделирования коллапса волновой функции; [4] : 477 [5] [6] [7] этот формализм позже был использован для модели CSL. Однако этим моделям не хватало характера «универсальности» динамики, т.е. ее применимости к произвольной физической системе (по крайней мере, на нерелятивистском уровне), что является необходимым условием для того, чтобы любая модель стала жизнеспособным вариантом.
Следующее важное достижение произошло в 1986 году, когда Гирарди, Римини и Вебер опубликовали статью с многозначительным названием «Единая динамика для микроскопических и макроскопических систем». [4] [8] где они представили то, что сейчас известно как модель GRW, по инициалам авторов. Модель имеет два руководящих принципа: [4]
- Состояния базиса положения используются при динамическом сокращении состояний («предпочтительным базисом» является положение);
- Модификация должна уменьшить суперпозиции для макроскопических объектов, не изменяя при этом микроскопические предсказания.
В 1990 году усилия группы GRW, с одной стороны, и П. Перла, с другой, были объединены в формулировку модели непрерывной спонтанной локализации (CSL). [9] [10] где динамика Шредингера и случайно флуктуирующее классическое поле вызывают коллапс в пространственно локализованные собственные состояния. [4] : 478
В конце 1980-х и 1990-х Диози [11] [12] и Пенроуз [13] [14] и другие [4] : 508 независимо сформулировал идею о том, что коллапс волновой функции связан с гравитацией. Динамическое уравнение структурно аналогично уравнению CSL.
Самые популярные модели
[ редактировать ]В литературе наиболее широко обсуждаются три модели:
- Модель Гирарди-Римини-Вебера (GRW) : [8] Предполагается, что каждая составляющая физической системы независимо испытывает самопроизвольный коллапс. Коллапсы случайны во времени и распределены согласно распределению Пуассона; они случайны в пространстве и с большей вероятностью возникнут там, где волновая функция больше. В период между коллапсами волновая функция развивается согласно уравнению Шрёдингера. Для составных систем коллапс каждой составляющей вызывает коллапс волновой функции центра масс.
- Модель непрерывной спонтанной локализации (CSL) : [10] Уравнение Шрёдингера дополняется нелинейным и стохастическим диффузионным процессом, управляемым подходящим образом выбранным универсальным шумом, связанным с плотностью массы системы, который противодействует квантовому разбросу волновой функции. Что касается модели GRW, то чем больше система, тем сильнее коллапс, что объясняет квантово-классический переход как прогрессивное нарушение квантовой линейности, когда масса системы увеличивается. Модель CSL сформулирована в терминах идентичных частиц.
- Модель Диози – Пенроуза (ДП) : [12] [13] Диози и Пенроуз сформулировали идею о том, что гравитация ответственна за коллапс волновой функции. Пенроуз утверждал, что в сценарии квантовой гравитации, где пространственная суперпозиция создает суперпозицию двух разных кривизн пространства-времени, гравитация не терпит таких суперпозиций и спонтанно разрушает их. Он также предоставил феноменологическую формулу для времени коллапса. Независимо и до Пенроуза, Диоси представил динамическую модель, которая коллапсирует волновую функцию в том же временном масштабе, который предложил Пенроуз.
Модель квантовой механики с универсальной локализацией положения (QMUPL) [12] следует также упомянуть; расширение модели GRW для идентичных частиц, сформулированной Тумулкой, [15] что доказывает несколько важных математических результатов, касающихся уравнений коллапса. [16]
Во всех перечисленных до сих пор моделях шум, ответственный за коллапс, является марковским (без памяти): либо процесс Пуассона в дискретной модели GRW, либо белый шум в непрерывных моделях. Модели можно обобщить, включив в них произвольные (цветные) шумы, возможно, с отсечкой по частоте: модель CSL была расширена до ее цветной версии. [17] [18] (cCSL), а также модель QMUPL [19] [20] (cQMUPL). В этих новых моделях свойства коллапса остаются в основном неизменными, но конкретные физические предсказания могут существенно измениться.
Во всех моделях коллапса эффект шума не может быть описан в рамках квантовой механики. Вместо этого он должен предотвратить квантовомеханическую линейность и унитарность. [21] : 423
В моделях коллапса энергия не сохраняется, поскольку шум, ответственный за коллапс, вызывает броуновское движение каждого компонента физической системы. Соответственно, кинетическая энергия увеличивается с небольшой, но постоянной скоростью. Такую особенность можно модифицировать, не изменяя свойств коллапса, за счет включения в динамику соответствующих диссипативных эффектов. Это достигается для моделей GRW, CSL и QMUPL, получая их диссипативные аналоги (dGRW, [22] дКСЛ, [23] dQMUPL [24] ). В этих новых моделях энергия термализуется до конечного значения.
Наконец, модель QMUPL была дополнительно обобщена и включила как цветной шум, так и диссипативные эффекты. [25] [26] (модель dcQMUPL).
Испытания моделей коллапса
[ редактировать ]Модели коллапса модифицируют уравнение Шредингера; поэтому они делают предсказания, которые отличаются от стандартных предсказаний квантовой механики. Хотя отклонения трудно обнаружить, количество экспериментов по поиску эффектов спонтанного коллапса растет. Их можно разделить на две группы:
- Интерферометрические эксперименты. Они представляют собой усовершенствованную версию эксперимента с двумя щелями, показывающую волновую природу материи (и света). Современные версии предназначены для увеличения массы системы, времени полета и/или расстояния делокализации для создания еще больших суперпозиций. Наиболее известные эксперименты такого рода проводятся с атомами, молекулами и фононами .
- Неинтерферометрические эксперименты. Они основаны на том, что шум коллапса, помимо коллапса волновой функции, также вызывает диффузию поверх движения частиц, которая действует всегда, даже когда волновая функция уже локализована. В экспериментах такого рода задействованы холодные атомы, оптико-механические системы, детекторы гравитационных волн, подземные эксперименты. [27]
Проблемы и критика, направленная на разрушение теорий
[ редактировать ]Нарушение принципа сохранения энергии
[ редактировать ]Согласно теориям коллапса, энергия не сохраняется, в том числе и для изолированных частиц. Точнее, в моделях GRW, CSL и DP кинетическая энергия увеличивается с постоянной скоростью, которая мала, но не равна нулю.
Это часто представляют как неизбежное следствие принципа неопределенности Гейзенберга: коллапс положения вызывает большую неопределенность импульса. Это объяснение неверно; в теориях коллапса коллапс по положению также определяет локализацию импульса, приводя волновую функцию к почти минимальному состоянию неопределенности как по положению, так и по импульсу, [16] совместимо с принципом Гейзенберга. Причина увеличения энергии заключается в том, что шум коллапса рассеивает частицу, тем самым ускоряя ее.
Это та же ситуация, что и в классическом броуновском движении, и аналогичным образом этот рост можно остановить, добавив диссипативные эффекты. Существуют диссипативные версии моделей QMUPL, GRW и CSL. [22] [23] [24] где свойства коллапса остаются неизменными по отношению к исходным моделям, а энергия термализуется до конечного значения (поэтому она может даже уменьшаться в зависимости от своего начального значения).
Тем не менее, в диссипативной модели энергия не сохраняется строго. Разрешение этой ситуации может быть получено путем рассмотрения также шума как динамической переменной с собственной энергией, которая обменивается с квантовой системой таким образом, что энергия всей системы и шума вместе сохраняется. [ нужна ссылка ]
Релятивистские модели коллапса
[ редактировать ]Одна из самых больших проблем в теориях коллапса — сделать их совместимыми с релятивистскими требованиями. Модели GRW, CSL и DP — нет. Самая большая трудность состоит в том, как совместить нелокальный характер коллапса, необходимый для того, чтобы сделать его совместимым с экспериментально подтвержденным нарушением неравенств Белла, с релятивистским принципом локальности. Модели существуют [28] [29] которые пытаются обобщить в релятивистском смысле модели GRW и CSL, но их статус как релятивистских теорий до сих пор неясен. Формулировка правильной лоренц-ковариантной теории непрерывного объективного коллапса все еще остается предметом исследований.
Проблема с хвостом
[ редактировать ]Во всех теориях коллапса волновая функция никогда полностью не содержится в одной (маленькой) области пространства, потому что член динамики Шредингера всегда будет распространять ее за пределы. Поэтому волновые функции всегда содержат уходящие в бесконечность хвосты, хотя в более крупных системах их «вес» меньше. Критики теорий коллапса утверждают, что неясно, как интерпретировать эти хвосты . В литературе обсуждаются две отдельные проблемы. Первая — это проблема «голых» хвостов: неясно, как интерпретировать эти хвосты, поскольку они сводятся к тому, что система никогда не оказывается полностью локализованной в пространстве. Частный случай этой проблемы известен как «аномалия счета». [30] [31] Сторонники теорий коллапса в основном отвергают эту критику как неправильное понимание теории. [32] [33] как и в контексте теорий динамического коллапса, абсолютный квадрат волновой функции интерпретируется как реальная плотность материи. В этом случае хвосты представляют собой лишь неизмеримо малое количество размазанного вещества. Однако это приводит ко второй проблеме, так называемой «проблеме структурированных хвостов»: неясно, как интерпретировать эти хвосты, поскольку, хотя их «количество материи» невелико, эта материя структурирована как совершенно законный мир. Таким образом, после того, как ящик открыт и кот Шредингера рухнул в «живое» состояние, все еще существует хвост волновой функции, содержащий сущность «низкой материи», структурированную как дохлый кот. Теоретики коллапса предложили ряд возможных решений проблемы структурированных хвостов, но она остается открытой. [34]
См. также
[ редактировать ]- Интерпретация квантовой механики
- Многомировая интерпретация
- Философия информации
- Философия физики
- Квантовая информация
- Квантовая запутанность
- Когерентность (физика)
- Квантовая декогеренция
- ЭПР-парадокс
- Так же, как Зенон
- Проблема измерения
- Измерение в квантовой механике
- Коллапс волновой функции
- Квантовая гравитация
Ссылки
[ редактировать ]- ^ 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 . ISSN 0034-6861 . S2CID 119261020 .
- ^ Басси, Анджело; Жирарди, ДжанКарло (2003). «Модели динамического приведения». Отчеты по физике . 379 (5–6): 257–426. arXiv : Quant-ph/0302164 . Бибкод : 2003PhR...379..257B . дои : 10.1016/S0370-1573(03)00103-0 . S2CID 119076099 .
- ^ Белл, Дж. С. (2004). Выразимое и невыразимое в квантовой механике: Сборник статей по квантовой философии (2-е изд.). Издательство Кембриджского университета. дои : 10.1017/cbo9780511815676 . ISBN 978-0-521-52338-7 .
- ^ Jump up to: а б с д и Басси, Анджело; Лочан, Кинджалк; Сатин, Сима; Сингх, Теджиндер П.; Ульбрихт, Хендрик (2 апреля 2013 г.). «Модели коллапса волновой функции, основные теории и экспериментальные проверки» . Обзоры современной физики . 85 (2): 471–527. arXiv : 1204.4325 . дои : 10.1103/RevModPhys.85.471 .
- ^ Перл, Филип (1976). «Редукция вектора состояния нелинейным уравнением Шредингера». Physical Review D. 13 ( 4): 857–868. Bibcode : 1976PhRvD..13..857P . doi : 10.1103/PhysRevD.13.857 .
- ^ Перл, Филип (1979). «К объяснению того, почему происходят события». Международный журнал теоретической физики . 18 (7): 489–518. Бибкод : 1979IJTP...18..489P . дои : 10.1007/BF00670504 . ISSN 0020-7748 . S2CID 119407617 .
- ^ Перл, Филип (1984). «Экспериментальные испытания динамической редукции вектора состояния». Физический обзор D . 29 (2): 235–240. Бибкод : 1984PhRvD..29..235P . дои : 10.1103/PhysRevD.29.235 .
- ^ Jump up to: а б Жирарди, ГК; Римини, А.; Вебер, Т. (1986). «Единая динамика микроскопических и макроскопических систем». Физический обзор D . 34 (2): 470–491. Бибкод : 1986PhRvD..34..470G . дои : 10.1103/PhysRevD.34.470 . ПМИД 9957165 .
- ^ Перл, Филип (1989). «Сочетание стохастической динамической редукции вектора состояния со спонтанной локализацией». Физический обзор А. 39 (5): 2277–2289. Бибкод : 1989PhRvA..39.2277P . дои : 10.1103/PhysRevA.39.2277 . ПМИД 9901493 .
- ^ Jump up to: а б Жирарди, Джан Карло; Перл, Филип; Римини, Альберто (1990). «Марковские процессы в гильбертовом пространстве и непрерывная спонтанная локализация систем одинаковых частиц». Физический обзор А. 42 (1): 78–89. Бибкод : 1990PhRvA..42...78G . дои : 10.1103/PhysRevA.42.78 . ПМИД 9903779 .
- ^ Диоси, Л. (1987). «Универсальное основное уравнение гравитационного нарушения квантовой механики». Буквы по физике А. 120 (8): 377–381. Бибкод : 1987PhLA..120..377D . дои : 10.1016/0375-9601(87)90681-5 .
- ^ Jump up to: а б с Диоси, Л. (1989). «Модели универсального уменьшения макроскопических квантовых флуктуаций». Физический обзор А. 40 (3): 1165–1174. Бибкод : 1989PhRvA..40.1165D . дои : 10.1103/PhysRevA.40.1165 . ISSN 0556-2791 . ПМИД 9902248 .
- ^ Jump up to: а б Пенроуз, Роджер (1996). «О роли гравитации в уменьшении квантового состояния». Общая теория относительности и гравитация . 28 (5): 581–600. Бибкод : 1996GReGr..28..581P . дои : 10.1007/BF02105068 . ISSN 0001-7701 . S2CID 44038399 .
- ^ Пенроуз, Роджер (2014). «О гравитации квантовой механики 1: Редукция квантового состояния» . Основы физики . 44 (5): 557–575. Бибкод : 2014FoPh...44..557P . дои : 10.1007/s10701-013-9770-0 . ISSN 0015-9018 .
- ^ Тумулка, Родерих (2006). «О спонтанном коллапсе волновой функции и квантовой теории поля». Труды Королевского общества A: Математические, физические и технические науки . 462 (2070): 1897–1908. arXiv : Quant-ph/0508230 . Бибкод : 2006RSPSA.462.1897T . дои : 10.1098/rspa.2005.1636 . ISSN 1364-5021 . S2CID 16123332 .
- ^ Jump up to: а б Басси, Анджело (2005). «Модели коллапса: анализ динамики свободных частиц». Журнал физики A: Математический и общий . 38 (14): 3173–3192. arXiv : Quant-ph/0410222 . дои : 10.1088/0305-4470/38/14/008 . ISSN 0305-4470 . S2CID 37142667 .
- ^ Адлер, Стивен Л; Басси, Анджело (2007). «Свернуть модели с небелыми шумами». Физический журнал A: Математический и теоретический . 40 (50): 15083–15098. arXiv : 0708.3624 . Бибкод : 2007JPhA...4015083A . дои : 10.1088/1751-8113/40/50/012 . ISSN 1751-8113 . S2CID 118366772 .
- ^ Адлер, Стивен Л; Басси, Анджело (2008). «Модели коллапса с небелыми шумами: II. Шумы, связанные с плотностью частиц». Физический журнал A: Математический и теоретический . 41 (39): 395308. arXiv : 0807.2846 . Бибкод : 2008JPhA...41M5308A . дои : 10.1088/1751-8113/41/39/395308 . ISSN 1751-8113 . S2CID 118551622 .
- ^ Басси, Анджело; Фериальди, Лука (2009). «Немарковская динамика свободной квантовой частицы, подверженной спонтанному коллапсу в пространстве: общее решение и основные свойства». Физический обзор А. 80 (1): 012116. arXiv : 0901.1254 . Бибкод : 2009PhRvA..80a2116B . дои : 10.1103/PhysRevA.80.012116 . ISSN 1050-2947 . S2CID 119297164 .
- ^ Басси, Анджело; Фериальди, Лука (2009). «Немарковские квантовые траектории: точный результат». Письма о физических отзывах . 103 (5): 050403. arXiv : 0907.1615 . Бибкод : 2009PhRvL.103e0403B . doi : 10.1103/PhysRevLett.103.050403 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 19792469 . S2CID 25021141 .
- ^ Леггетт, Эй Джей (22 апреля 2002 г.). «Проверка пределов квантовой механики: мотивация, состояние дел, перспективы» . Физический журнал: конденсированное вещество . 14 (15): Р415–Р451. дои : 10.1088/0953-8984/14/15/201 . ISSN 0953-8984 .
- ^ Jump up to: а б Смирна, Андреа; Ваккини, Бассано; Басси, Анджело (2014). «Диссипативное расширение модели Жирарди-Римини-Вебера». Физический обзор А. 90 (6): 062135. arXiv : 1408.6115 . Бибкод : 2014PhRvA..90f2135S . дои : 10.1103/PhysRevA.90.062135 . ISSN 1050-2947 . S2CID 52232273 .
- ^ Jump up to: а б Смирн, Андреа; Басси, Анджело (2015). «Модель диссипативной непрерывной спонтанной локализации (CSL)» . Научные отчеты . 5 (1): 12518. arXiv : 1408.6446 . Бибкод : 2015НатСР...512518С . дои : 10.1038/srep12518 . ISSN 2045-2322 . ПМЦ 4525142 . ПМИД 26243034 .
- ^ Jump up to: а б Басси, Анджело; Ипполити, Эмилиано; Ваккини, Бассано (2005). «Об увеличении энергии в моделях космического коллапса». Журнал физики A: Математический и общий . 38 (37): 8017–8038. arXiv : Quant-ph/0506083 . Бибкод : 2005JPhA...38.8017B . дои : 10.1088/0305-4470/38/37/007 . ISSN 0305-4470 . S2CID 43241594 .
- ^ Фериальди, Лука; Басси, Анджело (2012). «Модели диссипативного коллапса с небелыми шумами». Физический обзор А. 86 (2): 022108.arXiv : 1112.5065 . Бибкод : 2012PhRvA..86b2108F . дои : 10.1103/PhysRevA.86.022108 . ISSN 1050-2947 . S2CID 119216571 .
- ^ Фериальди, Лука; Басси, Анджело (2012). «Точное решение для немарковской диссипативной квантовой динамики». Письма о физических отзывах . 108 (17): 170404. arXiv : 1204.4348 . Бибкод : 2012PhRvL.108q0404F . doi : 10.1103/PhysRevLett.108.170404 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 22680843 . S2CID 16746767 .
- ^ Карлессо, Маттео; Донади, Сандро; Фериальди, Лука; Патерностро, Мауро; Ульбрихт, Хендрик; Басси, Анджело (февраль 2022 г.). «Современное состояние и будущие проблемы неинтерферометрических испытаний моделей коллапса» . Физика природы . 18 (3): 243–250. arXiv : 2203.04231 . Бибкод : 2022NatPh..18..243C . дои : 10.1038/s41567-021-01489-5 . ISSN 1745-2481 . S2CID 246949254 .
- ^ Жирарди, ГК; Грасси, Р.; Перл, П. (1990). «Модели релятивистской динамической редукции: общая основа и примеры». Основы физики . 20 (11): 1271–1316. Бибкод : 1990FoPh...20.1271G . дои : 10.1007/BF01883487 . ISSN 0015-9018 . S2CID 123661865 .
- ^ Тумулка, Родерих (2006). «Релятивистская версия модели Жирарди – Римини – Вебера». Журнал статистической физики . 125 (4): 821–840. arXiv : Quant-ph/0406094 . Бибкод : 2006JSP...125..821T . дои : 10.1007/s10955-006-9227-3 . ISSN 0022-4715 . S2CID 13923422 .
- ^ Льюис, Питер Дж. (1997). «Квантовая механика, ортогональность и счет» . Британский журнал философии науки . 48 (3): 313–328. дои : 10.1093/bjps/48.3.313 . ISSN 0007-0882 .
- ^ Клифтон, Р.; Монтон, Б. (1999). «Дискуссия. Теряем шарики в теориях коллапса волновой функции» . Британский журнал философии науки . 50 (4): 697–717. дои : 10.1093/bjps/50.4.697 . ISSN 0007-0882 .
- ^ Жирарди, ГК; Басси, А. (1999). «Означают ли модели динамической редукции, что арифметика неприменима к обычным макроскопическим объектам?» . Британский журнал философии науки . 50 (1): 49–64. arXiv : Quant-ph/9810041 . дои : 10.1093/bjps/50.1.49 . ISSN 0007-0882 .
- ^ Басси, А.; Жирарди, Г.-К. (1999). "Обсуждение. Еще о динамической редукции и принципе перебора" . Британский журнал философии науки . 50 (4): 719–734. дои : 10.1093/bjps/50.4.719 . ISSN 0007-0882 .
- ^ МакКуин, Кельвин Дж. (2015). «Задачи четырех хвостов для теорий динамического коллапса» . Исследования по истории и философии современной физики . 49 : 10–18. arXiv : 1501.05778 . Бибкод : 2015ШПМП..49...10М . дои : 10.1016/j.shpsb.2014.12.001 . ISSN 1355-2198 . S2CID 55718585 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Джанкарло Гирарди, Теории коллапса , Стэнфордская энциклопедия философии (впервые опубликовано в четверг, 7 марта 2002 г.; содержательная редакция — в пятницу, 15 мая 2020 г.)
- «Физические эксперименты предвещают гибель квантовой теории коллапса» . Журнал Кванта . 20 октября 2022 г. Проверено 21 октября 2022 г.
