Эффект наблюдателя (физика)
| Часть серии статей о |
| Квантовая механика |
|---|
В физике эффект наблюдателя — это нарушение наблюдаемой системы в результате наблюдения. [1] [2] Часто это является результатом использования инструментов, которые по необходимости тем или иным образом изменяют состояние того, что они измеряют. Распространенным примером является проверка давления в автомобильной шине, при которой часть воздуха выходит, тем самым меняя давление для наблюдения. Аналогичным образом, чтобы увидеть несветящиеся объекты, необходимо, чтобы на объект попал свет, заставивший его отразить этот свет. Хотя эффекты наблюдения часто незначительны, объект все равно претерпевает изменения (что приводит к мысленному эксперименту с котом Шредингера ). Этот эффект можно обнаружить во многих областях физики, но обычно его можно свести к минимуму с помощью различных инструментов или методов наблюдения.
Яркий пример эффекта наблюдателя встречается в квантовой механике , что продемонстрировано экспериментом с двумя щелями . Физики обнаружили, что наблюдение квантовых явлений с помощью детектора или прибора может изменить результаты измерений в этом эксперименте. Несмотря на то, что «эффект наблюдателя» в эксперименте с двумя щелями был вызван наличием электронного детектора, некоторые интерпретировали результаты эксперимента как предполагающие, что сознательный разум может напрямую влиять на реальность. [3] Однако необходимость того, чтобы «наблюдатель» был в сознании, не подтверждается научными исследованиями и была указана как заблуждение, коренящееся в плохом понимании квантовой волновой функции ψ и процесса квантовых измерений. [4] [5] [6]
Физика элементарных частиц
[ редактировать ]Электрон фотоном обнаруживается при взаимодействии ; с это взаимодействие неизбежно изменит скорость и импульс этого электрона. На электрон могут повлиять и другие, менее прямые средства измерения. Также необходимо четко различать измеренное значение величины и значение, полученное в результате процесса измерения. В частности, измерение импульса неповторяемо за короткие промежутки времени. Формула (одномерная для простоты), связывающая участвующие величины, предложенная Нильсом Бором (1928), имеет вид где
- Δ p x – неопределенность измеренного значения импульса,
- Δt – продолжительность измерения,
- v x — скорость частицы до измерения,
- v ′ x — скорость частицы после измерения,
- ħ – приведенная постоянная Планка .
Измеренный ′ импульс электрона затем связан с v x его импульс после измерения связан с v , тогда как x . Это лучший сценарий. [7]
Электроника
[ редактировать ]В электронике нагрузку амперметры и вольтметры обычно подключаются последовательно или параллельно цепи и поэтому своим присутствием влияют на измеряемый ими ток или напряжение, создавая в цепи дополнительную действительную или комплексную передачу , тем самым изменяя . функции и поведение самой схемы. Даже более пассивное устройство, такое как токовые клещи , которое измеряет ток в проводе, не вступая в физический контакт с проводом, влияет на ток в измеряемой цепи, поскольку индуктивность взаимна .
Термодинамика
[ редактировать ]В термодинамике стандартный ртутный термометр должен поглощать или отдавать некоторую тепловую энергию для регистрации температуры и, следовательно, изменять температуру тела, которое он измеряет.
Квантовая механика
[ редактировать ]Теоретическое обоснование концепции измерения в квантовой механике — спорный вопрос, глубоко связанный со многими интерпретациями квантовой механики . Ключевым моментом является коллапс волновой функции , для которого несколько популярных интерпретаций утверждают, что измерение вызывает разрывное изменение собственного состояния оператора, связанного с измеряемой величиной, изменение, которое не обратимо во времени.
Более явно, принцип суперпозиции ( ψ = Σ n a n ψ n ) квантовой физики диктует, что для волновой функции ψ измерение приведет к состоянию квантовой системы одного из m возможных собственных значений f n , n = 1, 2, ..., m оператора , который в пространстве собственных функций ψ n , n = 1, 2, ..., m .
Измерив систему, можно узнать ее текущее состояние; и это не позволяет ему находиться в одном из других своих состояний — он, по-видимому, декогерировался из них без перспектив будущей сильной квантовой интерференции. [8] [9] [10] Это означает, что тип измерения, выполняемого в системе, влияет на конечное состояние системы.
Экспериментально изученная ситуация, связанная с этим, - это квантовый эффект Зенона , при котором квантовое состояние распалось бы, если бы его оставили в покое, но не распадается из-за его непрерывного наблюдения. Динамика квантовой системы при непрерывном наблюдении описывается квантовым стохастическим основным уравнением, известным как уравнение Белавкина . [11] [12] [13] Дальнейшие исследования показали, что даже наблюдение результатов после рождения фотона приводит к коллапсу волновой функции и загрузке предыстории, как показано с помощью квантового ластика с отложенным выбором . [14]
Обсуждая волновую функцию ψ , которая описывает состояние системы в квантовой механике, следует остерегаться распространенного заблуждения, согласно которому волновая функция ψ представляет собой то же самое, что и физический объект, который она описывает. Эта ошибочная концепция должна затем потребовать существования внешнего механизма, такого как измерительный прибор, который лежит за пределами принципов, управляющих временной эволюцией волновой функции ψ , чтобы объяснить так называемый « коллапс волновой функции » после измерение было выполнено. Но волновая функция ψ не является физическим объектом , подобным, например, атому, который имеет наблюдаемую массу, заряд и спин, а также внутренние степени свободы. Вместо этого ψ — это абстрактная математическая функция , содержащая всю статистическую информацию, которую наблюдатель может получить в результате измерений данной системы. В этом случае нет никакой настоящей загадки в том, что эта математическая форма волновой функции ψ должна резко измениться после проведения измерения.
Следствием теоремы Белла является то, что измерение одной из двух запутанных частиц может оказывать нелокальное влияние на другую частицу. Дополнительные проблемы, связанные с декогеренцией, возникают, когда наблюдатель моделируется как квантовая система.
Путаница с принципом неопределенности
[ редактировать ]Принцип неопределенности часто путали с эффектом наблюдателя, очевидно, даже его создателем Вернером Гейзенбергом . [15] Принцип неопределенности в своей стандартной форме описывает, насколько точно можно одновременно измерить положение и импульс частицы. Если точность измерения одной величины увеличивается, точность измерения другой уменьшается. [16] Альтернативная версия принципа неопределенности. [17] больше в духе эффекта наблюдателя, [18] полностью учитывает возмущение, которое наблюдатель оказывает на систему, и возникшую ошибку, хотя на практике термин «принцип неопределенности» чаще всего используется не так.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Дирак, ПАМ (1967). Принципы квантовой механики (4-е изд.). Издательство Оксфордского университета. п. 3.
- ^ Дент, Эрик Б. «Проблемы наблюдения, исследования и измерения, возникающие в связи с теорией сложности» (PDF) . В Ричардсоне, Курт (ред.). Управление комплексом: философия, теория и практика . Архивировано из оригинала (PDF) 19 августа 2019 года . Проверено 23 апреля 2019 г.
- ^ Сквайрс, Юэн Дж. (1994). «Требует ли уменьшение волновой функции сознательных наблюдателей?» . Тайна квантового мира . Группа Тейлор и Фрэнсис. п. 62. ИСБН 9781420050509 .
- ^ «Конечно, введение наблюдателя не следует понимать неправильно как подразумевающее привнесение в описание природы каких-то субъективных особенностей. У наблюдателя, скорее, есть только функция регистрации решений, т. е. процессов в пространстве и время, и неважно, является ли наблюдатель аппаратом или человеком , но регистрация, т. е. переход от «возможного» к «действительному», здесь совершенно необходима и не может быть исключена из интерпретации кванта; теория». - Вернер Гейзенберг , Физика и философия , с. 137
- ^ "Ждала ли волновая функция скачка в течение тысяч миллионов лет, пока не появилось одноклеточное живое существо? Или ей пришлось еще немного подождать какого-то высококвалифицированного измерителя - с докторской степенью?" - Джон Стюарт Белл , 1981, Квантовая механика для космологов . В CJ Isham, R. Penrose и DW Sciama (ред.), Квантовая гравитация 2: второй Оксфордский симпозиум . Оксфорд: Clarendon Press, стр. 611.
- ^ Согласно стандартной квантовой механике, совершенно безразлично, останутся ли экспериментаторы рядом, чтобы наблюдать за своим экспериментом, или вместо этого покинут комнату и делегируют наблюдение неодушевленному аппарату, который усиливает микроскопические события до макроскопических измерений и записывает их по времени. -необратимый процесс( Белл, Джон (2004). Выразимое и невыразимое в квантовой механике: Сборник статей по квантовой философии . Издательство Кембриджского университета. п. 170. ИСБН 9780521523387 . ). Измеренное состояние не мешает состояниям, исключенным из измерения. Как выразился Ричард Фейнман : «Природа не знает, на что вы смотрите, и она ведет себя так, как будет вести себя независимо от того, потрудитесь ли вы записать данные или нет». ( Фейнман, Ричард (2015). Фейнмановские лекции по физике . Том. III. Основные книги. Глава 3.2. ISBN 9780465040834 . ).
- ^ Ландау, LD ; Лифшиц, Э.М. (1977). Квантовая механика: нерелятивистская теория . Том. 3. Перевод Сайкса, Дж. Б.; Белл, Дж. С. (3-е изд.). Пергамон Пресс . §7, §44. ISBN 978-0-08-020940-1 .
- ^ BD'Espagnat, П.Эберхард, В.Шоммерс, Ф.Селлери . Квантовая теория и картины реальности . Спрингер-Верлаг, 1989 г., ISBN 3-540-50152-5
- ^ Шлоссхауэр, Максимилиан (2005). «Декогеренция, проблема измерения и интерпретации квантовой механики» . Преподобный Мод. Физ . 76 (4): 1267–1305. arXiv : Quant-ph/0312059 . Бибкод : 2004РвМП...76.1267С . дои : 10.1103/RevModPhys.76.1267 . S2CID 7295619 . Проверено 28 февраля 2013 г.
- ^ Джакоза, Франческо (2014). «Об унитарной эволюции и коллапсе в квантовой механике» . Кванта . 3 (1): 156–170. arXiv : 1406.2344 . дои : 10.12743/quanta.v3i1.26 . S2CID 55705326 .
- ^ В. П. Белавкин (1989). «Новое волновое уравнение для непрерывных измерений без сноса». Буквы по физике А. 140 (7–8): 355–358. arXiv : Quant-ph/0512136 . Бибкод : 1989PhLA..140..355B . дои : 10.1016/0375-9601(89)90066-2 . S2CID 6083856 .
- ^ Говард Дж. Кармайкл (1993). Подход открытых систем к квантовой оптике . Берлин Гейдельберг Нью-Йорк: Springer-Verlag.
- ^ Мишель Бауэр; Денис Бернар; Тристан Бенуа. Повторные стохастические измерения (Технический отчет). arXiv : 1210.0425 . Бибкод : 2012JPhA...45W4020B . дои : 10.1088/1751-8113/45/49/494020 .
- ^ Ким, Юн Хо; Р. Ю; ИП Кулик; Ю. Х. Ши; Марлан Скалли (2000). «Квантовый ластик отложенного выбора». Письма о физических отзывах . 84 (1): 1–5. arXiv : Quant-ph/9903047 . Бибкод : 2000PhRvL..84....1K . doi : 10.1103/PhysRevLett.84.1 . ПМИД 11015820 . S2CID 5099293 .
- ^ Фурута, Ая. «Одно можно сказать наверняка: принцип неопределенности Гейзенберга не умер» . Научный американец . Проверено 23 сентября 2018 г.
- ^ Гейзенберг, В. (1930), Физические принципы квантовой теории , Лейпциг: Хирцель английский перевод Физические принципы квантовой теории . Чикаго: University of Chicago Press, 1930. переиздано в Дувре, 1949 г.
- ^ Одзава, Масанао (2003), «Универсальная переформулировка принципа неопределенности Гейзенберга в отношении шума и помех при измерении», Physical Review A , 67 (4): 042105, arXiv : quant-ph/0207121 , Bibcode : 2003PhRvA..67d2105O , doi : 10.1103/PhysRevA.67.042105 , S2CID 42012188
- ^ В.П. Белавкин (1992). «Квантовые непрерывные измерения и апостериорный коллапс CCR». Связь в математической физике . 146 (3): 611–635. arXiv : math-ph/0512070 . Бибкод : 1992CMaPh.146..611B . дои : 10.1007/BF02097018 . S2CID 17016809 .