Некоторые интерпретации квантовой механики предполагают центральную роль наблюдателя квантового явления. [1] 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 , представляющий измерение. [2] : 55
Теоретическая основа концепции измерения в квантовой механике является спорным вопросом, глубоко связанным со многими интерпретациями квантовой механики . Ключевым моментом является коллапс волновой функции , для которого несколько популярных интерпретаций утверждают, что измерение вызывает прерывистое изменение в собственное состояние оператора, связанного с измеряемой величиной, изменение, которое необратимо во времени.
Более конкретно, принцип суперпозиции ( ψ = Σ n a n ψ n ) квантовой физики гласит, что для волновой функции ψ измерение приведет к состоянию квантовой системы одного из m возможных собственных значений f n , n = 1, 2, ..., m , оператора которая в пространстве собственных функций ψ n , n = 1, 2, ..., m .
После того, как система измерена, становится известно ее текущее состояние; и это не позволяет ей находиться в одном из других состояний — она, по-видимому, декогерировала из них без перспектив будущей сильной квантовой интерференции. [3] [4] [5] Это означает, что тип измерения, выполняемого над системой, влияет на конечное состояние системы.
Экспериментально изученная ситуация, связанная с этим, — это квантовый эффект Зенона , в котором квантовое состояние распадается, если его оставить 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 . [6] [7] [8] Дальнейшие исследования показали, что даже наблюдение результатов после того, как фотон произведен, приводит к коллапсу волновой функции и загрузке предыстории, как показано квантовым ластиком с отложенным выбором . [9]
При обсуждении волновой функции ψ , описывающей состояние системы в квантовой механике, следует быть осторожным с распространенным заблуждением, которое предполагает, что волновая функция ψ представляет собой то же самое, что и физический объект, который она описывает. Эта ошибочная концепция должна тогда требовать существования внешнего механизма, такого как измерительный прибор, который лежит вне принципов, управляющих временной эволюцией волновой функции ψ , чтобы учесть так называемый « коллапс волновой функции » после того, как измерение было выполнено. Но волновая функция ψ не является физическим объектом , как, например, атом, который имеет наблюдаемую массу, заряд и спин, а также внутренние степени свободы. Вместо этого ψ является абстрактной математической функцией , которая содержит всю статистическую информацию, которую наблюдатель может получить из измерений данной системы. В этом случае нет никакой настоящей тайны в том, что эта математическая форма волновой функции ψ должна резко измениться после того, как измерение было выполнено.
Следствием теоремы Белла является то, что измерение одной из двух запутанных частиц может, по-видимому, иметь нелокальный эффект на другую частицу. Дополнительные проблемы, связанные с декогеренцией, возникают, когда наблюдатель моделируется как квантовая система.
Копенгагенская интерпретация , которая является наиболее широко принятой интерпретацией квантовой механики среди физиков, [1] [10] : 248 утверждает, что «наблюдатель» или «измерение» — это просто физический процесс. Один из основателей Копенгагенской интерпретации, Вернер Гейзенберг , писал:
Конечно, введение наблюдателя не следует понимать неправильно, как то, что в описание природы должны быть внесены какие-то субъективные черты. Наблюдатель, скорее, имеет только функцию регистрации решений, т. е. процессов в пространстве и времени, и неважно, 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. [11]
Нильс Бор , также являющийся основателем Копенгагенской интерпретации, писал:
вся недвусмысленная информация об атомных объектах выводится из постоянных отметок, таких как пятно на фотографической пластинке, вызванных ударом электрона, оставленного на телах, которые определяют экспериментальные условия. Не подразумевая никакой особой сложности, необратимые эффекты усиления, на которых основывается регистрация присутствия атомных объектов, скорее напоминают нам о существенной необратимости, присущей самой концепции наблюдения. Описание атомных явлений имеет в этом отношении совершенно объективный характер, в том смысле, что не делается явных ссылок на какого-либо отдельного наблюдателя и что, следовательно, при надлежащем учете релятивистских требований, не возникает никакой двусмысленности в передаче информации. [12]
Аналогично, Эшер Перес заявил, что «наблюдатели» в квантовой физике — это
подобно вездесущим «наблюдателям», которые посылают и принимают световые сигналы в специальной теории относительности . Очевидно, что эта терминология не подразумевает фактического присутствия людей. Эти фиктивные физики могут быть также неодушевленными автоматами, которые могут выполнять все требуемые задачи, если их соответствующим образом запрограммировать. [13] : 12
Критики особой роли наблюдателя также указывают на то, что наблюдатели сами могут быть наблюдаемы, что приводит к парадоксам, таким как у друга Вигнера ; и что неясно, сколько сознания требуется. Как спрашивал Джон Белл , «Ожидала ли волновая функция, чтобы совершить прыжок, тысячи миллионов лет, пока не появилось одноклеточное живое существо? Или ей пришлось немного подождать какого-то высококвалифицированного измерителя — с докторской степенью?» [14]
Выдающееся положение, казалось бы, субъективных или антропоцентрических идей, таких как «наблюдатель» в раннем развитии теории, было постоянным источником беспокойства и философских споров. [15] Ряд религиозных или философских взглядов новой эры отводят наблюдателю более особую роль или накладывают ограничения на то, кто или что может быть наблюдателем. Нет ни одного заслуживающего доверия рецензируемого исследования, которое бы поддерживало такие утверждения. В качестве примера таких утверждений Фритьоф Капра заявил: «Важнейшей особенностью атомной физики является то, что человек-наблюдатель необходим не только для наблюдения свойств объекта, но и для определения этих свойств». [16]
Принцип неопределенности часто путали с эффектом наблюдателя, очевидно, даже его создателем Вернером Гейзенбергом . [17] Принцип неопределенности в его стандартной форме описывает, насколько точно можно измерить положение и импульс частицы одновременно. Если точность измерения одной величины увеличивается, точность измерения другой уменьшается. [18]
Альтернативная версия принципа неопределенности [19] , более соответствующая духу эффекта наблюдателя [20] , полностью учитывает возмущение, которое наблюдатель оказывает на систему, и возникающую при этом ошибку, хотя на практике термин «принцип неопределенности» используется не так.