В квантовой механике проблема измерения — это проблема того, как и происходит ли коллапс волновой функции . Невозможность непосредственно наблюдать такой коллапс привела к появлению различных интерпретаций квантовой механики и ставит ряд ключевых вопросов, на которые должна ответить каждая интерпретация.
Волновая функция в квантовой механике детерминированно развивается 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 ), [1] [2] уравнение Шрёдингера 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? [3]
Мысленный эксперимент, часто используемый для иллюстрации проблемы измерения, — это «парадокс» кота Шрёдингера . Устроен механизм, позволяющий убить кошку, если произойдет квантовое событие, например распад радиоактивного атома. Таким образом, судьба крупномасштабного объекта, кошки, переплетается с судьбой квантового объекта, атома. До наблюдения, согласно уравнению Шрёдингера и многочисленным экспериментам с частицами, атом находится в квантовой суперпозиции — линейной комбинации распавшихся и нераспавшихся состояний, которые развиваются со временем. Следовательно, кот также должен находиться в суперпозиции, линейной комбинации состояний, которые можно охарактеризовать как «живой кот», и состояний, которые можно охарактеризовать как «мертвый кот». Каждая из этих возможностей связана с определенной ненулевой амплитудой вероятности . Однако единичное, частное наблюдение за кошкой не обнаруживает суперпозиции: оно всегда находит либо живую кошку, либо мертвую кошку. После измерения кот окончательно жив или мертв. Вопрос в том, как вероятности преобразуются в реальный, четко определенный классический результат?
Взгляды, часто группируемые в Копенгагенскую интерпретацию, являются старейшими и, в совокупности, вероятно, до сих пор наиболее широко распространенными взглядами на квантовую механику. [4] [5] 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. [6] [7]
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. [8] [9] 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. [10] [11] Как именно понимать 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]
Многомировая интерпретация Хью Эверетта пытается 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. [17] [18]
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. [19]
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. [20] 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. [21] 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 предсказаний ортодоксальной квантовой механики, она не является интерпретацией квантовой механики в строгом смысле.
Эрих Йоос и Хайнц-Дитер Це утверждают, что явление квантовой декогеренции , заложенное в 1980-е годы, решает проблему. [22] Идея состоит в том, что окружающая среда вызывает классический внешний вид макроскопических объектов. Зе далее утверждает, что декогеренция позволяет идентифицировать нечеткую границу между квантовым микромиром и миром, где применима классическая интуиция. [23] [24] Квантовая декогеренция становится важной частью некоторых современных обновлений Копенгагенской интерпретации , основанной на последовательных историях . [25] [26] Квантовая декогеренция не описывает фактический коллапс волновой функции, но она объясняет преобразование квантовых вероятностей (которые проявляют интерференционные эффекты) в обычные классические вероятности. См., например, Зурек, [3], Зех [23] и Шлоссхауэр. [27]
Нынешняя ситуация постепенно проясняется и описана в статье Шлоссауэра 2006 года следующим образом: [28]
В прошлом было выдвинуто несколько предложений, не связанных с декогеренцией, чтобы прояснить значение вероятностей и прийти к правилу Борна ... Справедливо 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.
Более техническую трактовку математики, связанной с этой темой, см. в разделе «Измерения в квантовой механике» .
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.
