stringtranslate.com

Проблема измерения

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 в соответствии с уравнением Шредингера 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 система была обнаружена, когда было сделано измерение, что означает, что измерение «сделало что-то» с системой, что, очевидно, не является следствием эволюции Шредингера . Проблема измерения заключается в описании того, что это «что-то», как суперпозиция многих возможных значений становится одним измеренным значением.

Если выразиться иначе (перефразируя Стивена Вайнберга ), [3] [4] уравнение Шредингера определяет волновую функцию в любой более поздний момент времени. Если наблюдатели и их измерительная аппаратура 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? [5]

Кот Шредингера

Мысленный эксперимент под названием «кот Шредингера» иллюстрирует проблему измерения. Механизм настроен на убийство кота, если происходит квантовое событие, например, распад радиоактивного атома. Механизм и кот заключены в камеру, поэтому судьба кота неизвестна, пока камера не будет открыта. До наблюдения, согласно квантовой механике, атом находится в квантовой суперпозиции , линейной комбинации распавшихся и целых состояний. Также согласно квантовой механике, составная система атом-механизм-кот описывается суперпозициями составных состояний. Поэтому кот будет описан как находящийся в суперпозиции, линейной комбинации двух состояний «неповрежденный атом — живой кот» и «распавшийся атом — мертвый кот». Однако, когда камера открыта, кот либо жив, либо мертв: суперпозиции не наблюдается. После измерения кот определенно жив или мертв. [6] : 154 

Сценарий с котом иллюстрирует проблему измерения: как неопределенная суперпозиция может дать один определенный результат? Он также иллюстрирует другие вопросы квантового измерения, [7] : 585  включая то, когда происходит измерение? Было ли это тогда, когда наблюдался кот? Как определяется измерительный аппарат? Механизм обнаружения радиоактивного распада? Кот? Камера? Какова роль наблюдателя ?

Интерпретации

Взгляды, часто объединяемые 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 вычисляй!», чтобы суммировать взгляды копенгагенского типа, высказывание, которое часто ошибочно приписывают Ричарду Фейнману и которое Мермин позже нашел недостаточно детализированным. [10] [11]

В целом, взгляды в Копенгагенской традиции постулируют нечто в акте наблюдения, что приводит к коллапсу волновой функции . Эта концепция, хотя часто приписывается Нильсу Бору , была создана Вернером Гейзенбергом , чьи более поздние труды скрыли многие разногласия, которые у него и Бора были 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] То, как именно понимать этот процесс, остается предметом спора. [16]

Бор изложил свои взгляды в письме Паули в 1947 году. [17] Бор указывает, что процессы измерения, такие как камеры Вильсона или фотографические пластинки, включают огромное усиление, требующее энергии, намного превышающей изучаемые квантовые эффекты, и он отмечает, что эти процессы необратимы. [18] Он считал, что последовательное изложение этого вопроса является нерешенной проблемой.

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 сущностями, например, наблюдателем, измерительным прибором, электроном/позитроном и т. д., которые запутываются, образуя единую большую сущность, например, живущего кота/счастливого ученого . Эверетт также попытался продемонстрировать, как вероятностная природа квантовой механики будет проявляться в измерениях, работа, позже расширенная Брайсом ДеВиттом . Однако сторонники эвереттовской программы еще не достигли консенсуса относительно правильного способа обоснования использования правила Борна для вычисления вероятностей. [19] [20]

Теория де Бройля–Бома пытается решить проблему измерения совершенно иначе: информация, описывающая систему, содержит не только волновую функцию, но и дополнительные данные (траекторию), дающие 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 и возникает кажущийся коллапс волновой функции, хотя на самом деле коллапса нет. [21]

Четвертый подход дается моделями объективного коллапса . В таких моделях уравнение Шредингера модифицируется и получает нелинейные члены. Эти нелинейные модификации имеют стохастическую природу и приводят к поведению, которое для микроскопических квантовых объектов, например, электронов или атомов, неизмеримо близко к поведению, заданному обычным уравнением Шредингера. 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 некоторого внешнего неквантового поля, но природа этого поля неизвестна. Одним из возможных кандидатов является гравитационное взаимодействие, как в моделях Диоси и Пенроуза . Главное отличие моделей объективного коллапса по сравнению с другими подходами 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 (квантовой запутанностью), коллапс одной частицы инициирует коллапс всего измерительного аппарата. Поскольку теория GRW делает предсказания, отличные от предсказаний ортодоксальной квантовой механики в некоторых условиях, она не является интерпретацией квантовой механики в строгом смысле.

Роль декогеренции

Эрих Йос и Хайнц-Дитер Цех утверждают, что явление квантовой декогеренции , которое было поставлено на твердую почву в 1980-х годах, решает эту проблему. [24] Идея заключается в том, что окружающая среда вызывает классический вид макроскопических объектов. Цех 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, основанных на последовательных историях . [27] [28] Квантовая декогеренция не описывает фактический коллапс волновой функции, но она объясняет преобразование квантовых вероятностей (которые демонстрируют эффекты интерференции ) в обычные классические вероятности. См., например, Зурек, [5] Цех [25] и Шлосшауэр. [29]

Нынешняя ситуация постепенно проясняется, как описано в статье Шлоссхауэра 2006 года следующим образом: [30]

В прошлом было выдвинуто несколько предложений, не связанных с декогеренцией, с целью прояснить значение вероятностей и прийти к правилу Борна ... Справедливо будет сказать, что, по-видимому, не было сделано окончательного вывода относительно успешности этих выводов. ...

Как хорошо известно, [многие статьи Бора настаивают на] фундаментальной роли классических концепций. Экспериментальные доказательства суперпозиций макроскопически различных состояний на все более больших масштабах длины противоречат такому изречению. Суперпозиции кажутся новыми и индивидуально существующими состояниями, часто без каких-либо классических аналогов. Только физические взаимодействия между системами затем определяют конкретное разложение на классические состояния с точки зрения каждой конкретной системы. Таким образом, классические концепции следует понимать как локально возникающие в относительном состоянии и больше не должны претендовать на фундаментальную роль в физической теории.

Смотрите также

Более техническое рассмотрение математики, связанной с этой темой, см. в разделе Измерение в квантовой механике .

Ссылки и примечания

  1. ^ Шлосшауэр, Максимилиан (2005-02-23). ​​«Декогеренция, проблема измерения и интерпретации квантовой механики». Reviews of Modern Physics . 76 (4): 1267–1305. arXiv : quant-ph/0312059 . doi : 10.1103/RevModPhys.76.1267. ISSN  0034-6861.
  2. ^ Леггетт, А. Дж. (11.02.2005). «Проблема квантового измерения». Science . 307 (5711): 871–872. doi :10.1126/science.1109541. ISSN  0036-8075.
  3. ^ Вайнберг, Стивен (1998). «Великая редукция: физика в двадцатом веке». В Майкле Говарде и Уильяме Роджере Луисе (ред.). Оксфордская история двадцатого века . Oxford University Press. стр. 26. ISBN 0-19-820428-0.
  4. ↑ Вайнберг, Стивен (ноябрь 2005 г.). «Ошибки Эйнштейна». Physics Today . 58 (11): 31–35. Bibcode : 2005PhT....58k..31W. doi : 10.1063/1.2155755 . S2CID  120594692.
  5. ^ ab Zurek, Wojciech Hubert (22 мая 2003 г.). «Декогеренция, отбор собственных чисел и квантовые истоки классического». Reviews of Modern Physics . 75 (3): 715–775. arXiv : quant-ph/0105127 . Bibcode :2003RvMP...75..715Z. doi :10.1103/RevModPhys.75.715. S2CID  14759237.
  6. ^ Багготт, Дж. Э. (2013). Квантовая история: история за 40 мгновений (Впечатление: 3-е изд.). Оксфорд: Oxford Univ. Press. ISBN 978-0-19-965597-7.
  7. ^ Гриффитс, Дэвид Дж.; Шрётер, Даррелл Ф. (2018-08-16). Введение в квантовую механику. Cambridge University Press. doi :10.1017/9781316995433. ISBN 978-1-316-99543-3.
  8. ^ Шлосшауэр, Максимилиан; Кофлер, Йоханнес; Цайлингер, Антон (август 2013 г.). «Краткий обзор основополагающих установок в отношении квантовой механики». Исследования по 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.
  9. ^ Болл, Филип (2013). «Эксперты до сих пор расходятся во мнениях о том, что означает квантовая теория». Nature . doi :10.1038/nature.2013.12198. S2CID  124012568.
  10. ^ Мермин, Н. Дэвид (1989). «Что не так с этой подушкой?». Physics Today . 42 (4): 9. Bibcode : 1989PhT....42d...9D. doi : 10.1063/1.2810963.
  11. ^ Мермин, Н. Дэвид (2004). «Мог ли Фейнман сказать это?». Physics Today . 57 (5): 10–11. Bibcode : 2004PhT....57e..10M. doi : 10.1063/1.1768652 .
  12. ^ Ховард, Дон (декабрь 2004 г.). «Кто придумал «Копенгагенскую интерпретацию»? Исследование мифологии». Философия науки . 71 (5): 669–682. doi :10.1086/425941. ISSN  0031-8248. S2CID  9454552.
  13. ^ Камиллери, Кристиан (май 2009 г.). «Создание мифа о Копенгагенской интерпретации». Perspectives on Science . 17 (1): 26–57. doi :10.1162/posc.2009.17.1.26. ISSN  1063-6145. S2CID  57559199.
  14. ^ Энглерт, Бертольд-Георг (2013-11-22). "О квантовой теории". The European Physical Journal D. 67 ( 11): 238. arXiv : 1308.5290 . Bibcode :2013EPJD...67..238E. doi :10.1140/epjd/e2013-40486-5. ISSN  1434-6079. S2CID  119293245.
  15. ^ Пайерлс, Рудольф (1991). «В защиту «измерения»". Мир физики . 4 (1): 19–21. doi :10.1088/2058-7058/4/1/19. ISSN  2058-7058.
  16. ^ Хили, Ричард (2016). «Квантово-байесовские и прагматические взгляды на квантовую теорию». В Zalta, Edward N. (ред.). Стэнфордская энциклопедия философии . Исследовательская лаборатория метафизики, Стэнфордский университет.
  17. ^ Бор, Нильс (1985) [16 мая 1947 г.], Йорген Калькар (ред.), Нильс Бор: Собрание сочинений, т. 6: Основы квантовой физики I (1926–1932), стр. 451–454
  18. ^ Stenholm, Stig (1983), "To fathom space and time", in Meystre, Pierre (ed.), Quantum Optics, Experimental Gravitation, and Measurement Theory , Plenum Press, p. 121, Роль необратимости в теории измерения подчеркивалась многими. Только таким образом можно получить постоянную запись. Тот факт, что отдельные положения указателя должны иметь асимптотическую природу, обычно связанную с необратимостью, использовался в теории измерения Данери, Лойнджера и Проспери (1962). Он был принят как формальное представление идей Бора Розенфельдом (1966).
  19. ^ Кент, Адриан (2010). «Один мир против многих: неадекватность эвереттовских отчетов об эволюции, вероятности и научном подтверждении». Многие миры? . Oxford University Press . стр. 307–354. arXiv : 0905.0624 . ISBN 9780199560561. OCLC  696602007.
  20. ^ Барретт, Джеффри (2018). «Формулировка квантовой механики относительного состояния Эверетта». В Zalta, Edward N. (ред.). Стэнфордская энциклопедия философии . Исследовательская лаборатория метафизики, Стэнфордский университет.
  21. ^ Шелдон, Голдштейн (2017). «Бомовская механика». В Zalta, Edward N. (ред.). Стэнфордская энциклопедия философии . Исследовательская лаборатория метафизики, Стэнфордский университет.
  22. ^ Басси, Анджело; Лочан, Кинджалк; Сатин, Сима; Сингх, Теджиндер П.; Ульбрихт, Хендрик (2013). «Модели коллапса волновой функции, лежащие в их основе теории и экспериментальные тесты». Reviews of Modern Physics . 85 (2): 471–527. arXiv : 1204.4325 . Bibcode : 2013RvMP...85..471B. doi : 10.1103/RevModPhys.85.471. S2CID  119261020.
  23. ^ Белл, Дж. С. (2004). «Существуют ли квантовые скачки?». Выразимое и невыразимое в квантовой механике. С. 201–212.
  24. ^ 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.
  25. ^ ab Zeh, HD (2003). "Глава 2: Основные понятия и их интерпретация". В Joos, E. (ред.). Декогеренция и появление классического мира в квантовой теории (2-е изд.). Springer-Verlag. стр. 7. arXiv : quant-ph/9506020 . Bibcode :2003dacw.conf....7Z. ISBN 3-540-00390-8.
  26. ^ Jaeger, Gregg (сентябрь 2014 г.). «Что в (квантовом) мире является макроскопическим?». American Journal of Physics . 82 (9): 896–905. Bibcode : 2014AmJPh..82..896J. doi : 10.1119/1.4878358.
  27. ^ Белавкин, В. П. (1994). «Принцип неразрушимости квантовой теории измерений». Основы физики . 24 (5): 685–714. arXiv : quant-ph/0512188 . Bibcode :1994FoPh...24..685B. doi :10.1007/BF02054669. S2CID  2278990.
  28. ^ Белавкин, ВП (2001). «Квантовый шум, биты и скачки: неопределенности, декогеренция, измерения и фильтрация». Прогресс квантовой электроники . 25 (1): 1–53. arXiv : quant-ph/0512208 . Bibcode :2001PQE....25....1B. doi :10.1016/S0079-6727(00)00011-2.
  29. ^ Максимилиан Шлосшауэр (2005). «Декогеренция, проблема измерения и интерпретации квантовой механики». Reviews of Modern Physics . 76 (4): 1267–1305. arXiv : quant-ph/0312059 . Bibcode :2004RvMP...76.1267S. doi :10.1103/RevModPhys.76.1267. S2CID  7295619.
  30. ^ Шлосшауэр, Максимилиан (январь 2006 г.). «Экспериментальная мотивация и эмпирическая согласованность в минимальной квантовой механике без коллапса». Annals of Physics . 321 (1): 112–149. arXiv : quant-ph/0506199 . Bibcode : 2006AnPhy.321..112S. doi : 10.1016/j.aop.2005.10.004. S2CID  55561902.

Дальнейшее чтение

В Викицитатнике есть цитаты, связанные с проблемой измерения .