Эффект наблюдателя (физика)

Факт, что наблюдение за ситуацией меняет ее

В физике эффект наблюдателя — это возмущение наблюдаемой системы актом наблюдения. ^{[1] [2]} Это часто является результатом использования инструментов, которые по необходимости изменяют состояние того, что они измеряют, каким-либо образом. Обычным примером является проверка давления в автомобильной шине, которая заставляет часть воздуха выходить, тем самым изменяя величину наблюдаемого давления. Аналогично, для наблюдения несветящихся объектов требуется, чтобы свет попал на объект, чтобы он отразил этот свет. Хотя эффекты наблюдения часто незначительны, объект все равно испытывает изменение (что приводит к мысленному эксперименту с котом Шредингера ). Этот эффект можно обнаружить во многих областях физики, но обычно его можно свести к незначительному значению, используя различные инструменты или методы наблюдения.

Яркий пример эффекта наблюдателя встречается в квантовой механике , как это продемонстрировано в эксперименте с двумя щелями . Физики обнаружили, что наблюдение квантовых явлений детектором или прибором может изменить результаты измерений этого эксперимента. Несмотря на то, что «эффект наблюдателя» в эксперименте с двумя щелями вызван присутствием электронного детектора, некоторые интерпретировали результаты эксперимента как предположение о том, что сознательный разум может напрямую влиять на реальность. ^[3] Однако необходимость того, чтобы «наблюдатель» был сознательным, не подтверждается научными исследованиями и была указана как заблуждение, коренящееся в плохом понимании квантовой волновой функции ψ и процесса квантового измерения. ^{[4] [5] [6]}

Физика элементарных частиц

Электрон обнаруживается при взаимодействии с фотоном ; это взаимодействие неизбежно изменит скорость и импульс этого электрона. Другие, менее прямые средства измерения могут повлиять на электрон. Также необходимо четко различать измеренное значение величины и значение , полученное в результате процесса измерения. В частности, измерение импульса не может быть повторено в короткие промежутки времени. Формула (одномерная для простоты), связывающая вовлеченные величины, принадлежащая Нильсу Бору (1928), имеет вид где $${\displaystyle |v'_{x}-v_{x}|\Delta p_{x}\approx \hbar /\Delta t,}$$

• Δ p _x — неопределенность измеренного значения импульса,
• Δ t — 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 , тогда как его импульс после измерения связан с v ′ _x . Это наилучший сценарий. ^[7 ]

Электроника

В электронике амперметры и вольтметры обычно подключаются последовательно или параллельно к цепи, и таким образом, своим присутствием влияют на ток или напряжение, которые они измеряют, представляя дополнительную действительную или комплексную нагрузку на цепь, тем самым изменяя передаточную функцию и поведение самой цепи. Даже более пассивное устройство, такое как токовые клещи , которое измеряет ток в проводе, не вступая в физический контакт с проводом, влияет на ток через измеряемую цепь, поскольку индуктивность является взаимной .

Термодинамика

В термодинамике стандартный ртутный стеклянный термометр должен поглощать или отдавать некоторое количество тепловой энергии для регистрации температуры и, следовательно, изменять температуру тела, которую он измеряет.

Квантовая механика

Некоторые интерпретации квантовой механики предполагают центральную роль наблюдателя квантового явления. ^[8] Квантовомеханический наблюдатель связан с проблемой эффекта наблюдателя, где измерение обязательно требует взаимодействия с измеряемым физическим объектом, влияя на его свойства посредством взаимодействия. Термин «наблюдаемый» приобрел техническое значение, обозначая эрмитов оператор , который представляет измерение. ^{[9] : 55}

Смотрите также

• Наблюдатель (специальная теория относительности)

Ссылки

1. Дирак, П. А. М. (1967). Принципы квантовой механики (4-е изд.). Oxford University Press. стр. 3.
2. Дент, Эрик Б. «Проблемы наблюдения, исследования и измерения, выявленные теорией сложности» (PDF) . В Ричардсоне, Курте (ред.). Управление комплексом: философия, теория и практика . Архивировано из оригинала (PDF) 19 августа 2019 г. . Получено 23 апреля 2019 г. .
3. Сквайрс, Юэн Дж. (1994). «Требует ли редукция волновой функции сознательных наблюдателей?». Тайна квантового мира . Taylor & Francis Group. стр. 62. ISBN 9781420050509.
4. "Разумеется, введение наблюдателя не следует понимать неправильно, как то, что в описание природы должны быть введены какие-то субъективные черты. Наблюдатель, скорее, имеет только функцию регистрации решений, т. е. процессов в пространстве и времени, и не имеет значения, является ли наблюдатель аппаратом или человеком ; но регистрация, т. е. переход от "возможного" к "действительному", здесь абсолютно необходима и не может быть исключена из интерпретации квантовой теории". - Вернер Гейзенберг , Физика и философия , стр. 137
5. «Ожидала ли волновая функция своего прыжка в течение тысяч миллионов лет, пока не появилось одноклеточное живое существо? Или ей пришлось 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.
6. Согласно стандартной квантовой механике, совершенно безразлично, остаются ли экспериментаторы, чтобы наблюдать за своим экспериментом, или вместо этого покидают комнату и делегируют наблюдение неодушевленному аппарату, который усиливает микроскопические события до макроскопических измерений и записывает их с помощью необратимого во времени процесса ( Белл, Джон (2004). Выразимое и невыразимое в квантовой механике: Сборник статей по квантовой философии . Издательство Кембриджского университета. стр. 170. ISBN 9780521523387.). Измеренное состояние не мешает состояниям, исключенным измерением. Как сказал Ричард Фейнман : «Природа не знает, на что вы смотрите, и она ведет себя так, как будет себя вести, независимо от того, потрудитесь ли вы записать данные или нет». ( Фейнман, Ричард (2015). Лекции Фейнмана по физике . Том III. Основные книги. Гл. 3.2. ISBN 9780465040834.).
7. Ландау, Л. Д .; Лифшиц, Э. М. (1977). Квантовая механика: нерелятивистская теория. Том 3. Перевод Сайкса, Дж. Б.; Белла, Дж. С. (3-е изд.). Pergamon Press . §7, §44. ISBN 978-0-08-020940-1.
8. Шлосшауэр, Максимилиан; Кофлер, Йоханнес; Цайлингер, Антон (1 августа 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. Риффель, Элеанор Г.; Полак, Вольфганг Х. (4 марта 2011 г.). Квантовые вычисления: легкое введение . MIT Press. ISBN 978-0-262-01506-6.