Как объяснить феномен наблюдателя в квантовой физике?

1436
3
0
20 октября
01:18
октябрь
2015

Для того, чтобы понять это, давайте посмотрим на квантовую механику изнутри, избавившись от "классичности" нашего мышления.

В чистом квантовом состоянии у системы или частицы нет таких параметров, как координата, скорость и т.д. Вместо этого системы описываются волновой функцией* (разного рода). Суть в том, что в чистом состоянии частица одновременно "находится везде". Так, если у вас есть состояние частицы ψ, описываемое суперпозицией двух состояний (например, спин-вверх/спин-вниз) ψ = ψ₁ + ψ₂**, то частица находится*** одновременно и в первом и во втором состоянии.

Квадрат волновой функции имеет смысл плотности вероятности нахождения системы/частицы в том или ином классическом состоянии при ее измерении****. Здесь я впервые использовал фразу "при ее измерении". Измерение, вообще говоря, как видно выше - это нарушение состояния. То есть, из примера выше, когда вы проводите измерение спина, то частица из квантового чистого состояния принимает одно определенное. Если говорить грубо, частица из квантого мира, где действуют законы квантовой механики переходит в макроскопический мир, где эти законы принципиально не действуют.

Связано это с тем, что измерение само по себе классический процесс, так как измеряющий прибор, например мы, чисто классический макроскопический объект. И дело вовсе не в том, что когда частицу наблюдают, то она "стесняется" и ведет себя как классический объект. А дело в том, что наблюдая, мы, сами того не подозревая, влияем на нее выводя из квантового состояния.

Уже каноническим стал опыт с наблюдением электронов, проходящих сквозь юнговские щели (см. youtube.com). Установка представляет из себя экран, детектирующий электроны, стенку с двумя тонкими щелками и электронная пушка. Когда мы ставим детектор, чтобы каждый раз при прохождении электрона сквозь щелку наблюдать, как она проходит, то на экране мы видим две полоски - электрон ведет себя как обычная частица и летит прямо. Когда мы не наблюдаем за электронами, электроны ведут себя как "волны"***** и интерферируют между собой, выводя на экране интерференционную картину.

Этот опыт демонстрирует, что наблюдение, в действительности - это не просто наблюдение, но нарушение квантовости состояния частицы/системы. Как именно происходит это нарушение - пока непонятно. Теория перехода из квантового мира в макромир и механизмы нарушение чистоты состояния до конца пока не построены.

_______

* Помимо чистого, есть еще смешанные состояния, описываемые матрицей плотности, но их опустим.

** Тут надо еще и на √2 разделить, чтобы квадрат (вероятность) оставался единицей, но да ладно.

*** Слово "находится" здесь немного неверное, надо бы лингвистам придумать какое-нибудь квантово-корректное слово.

**** Например, |ψ(x)|² имеет смысл плотности вероятности нахождения частицы в точке x, а ∫ |ψ(x)|²dx от x₁ до x₂ будет иметь смысл уже вероятности нахождения частицы в области от x₁ до x₂.

***** Это не совсем волна и не совсем частица, а что-то другое, имеющее похожие свойства - "волница", например.

6
15
октябрь
2015

В классической физике, построенной на ньютоновских принципах и применимой к объектам нашего обычного мира, мы привыкли игнорировать тот факт, что инструмент измерения, вступая во взаимодействие с объектом измерения, воздействует на него и изменяет его свойства, включая, собственно, измеряемую величину. Включая свет в комнате, чтобы найти книгу, вы даже не задумываетесь о том, что под воздействием возникшего давления световых лучей (это не фантазия) книга может сдвинуться со своего места, и вы узнаете ее искаженные под влиянием включенного вами света пространственные координаты. Интуиция подсказывает нам (и, в данном случае, совершенно правильно), что акт измерения влияет на измеряемые свойства ничтожно. А теперь задумаемся о процессах, происходящих на субатомном уровне.

Допустим, нам необходимо выяснить пространственное местонахождение элементарной частицы, например, электрона. Нам по-прежнему нужен измерительный инструмент, который вступит во взаимодействие с электроном и возвратит моим детекторам сигнал с информацией о его местопребывании. И тут же возникает сложность: иных инструментов взаимодействия с электроном для определения его положения в пространстве, кроме других элементарных частиц, у нас нет. И, если предположение о том, что свет, вступая во взаимодействие с книгой, на ее пространственных координатах не сказывается, относительно взаимодействия измеряемого электрона с другим электроном или фотонами такого сказать нельзя.

В начале 1920-х годов, когда произошел бурный всплеск творческой мысли, приведший к созданию квантовой механики, эту проблему первым осознал молодой немецкий физик-теоретик Вернер Гейзенберг. За что мы ему очень признательны. Как и за введенное им понятие "неопределенности", математически выраженное в неравенстве, в правой части которой погрешность измерения координаты умножена на погрешность измерения скорости, а в левой части - константа связанная с массой частицы. Сейчас объясню почему это важно.

Термин «неопределенность пространственной координаты» как раз и означает, что мы не знаем точного местоположения частицы. Например, если вы используете глобальную систему рекогносцировки GPS, чтобы определить местоположение этой книги, система вычислит их с точностью до 2-3 метров. Однако, с точки зрения измерения, проведенного инструментом GPS, книга может с некоторой вероятностью находиться где угодно в пределах указанных системой нескольких квадратных метров. В таком случае мы и говорим о неопределенности пространственных координат объекта (в данном примере, книги). Ситуацию можно улучшить, если взять вместо GPS рулетку — в этом случае мы сможем утверждать, что книга находится, например, в 4 м 11 см от одной стены и в 1м 44 см от другой. Но и здесь мы ограничены в точности измерения минимальным делением шкалы рулетки (пусть это будет даже миллиметр) и погрешностями измерения и самого прибора. Чем более точный прибор мы будем использовать, тем точнее будут полученные нами результаты, тем ниже будет погрешность измерения и тем меньше будет неопределенность. В принципе, в нашем обыденном мире свести неопределенность к нулю и определить точные координаты книги можно.

И тут мы подходим к самому принципиальному отличию микромира от нашего повседневного физического мира. В обычном мире, измеряя положение и скорость тела в пространстве, мы на него практически не воздействуем. Таким образом, в идеале мы можем одновременно измерить и скорость, и координаты объекта абсолютно точно (иными словами, с нулевой неопределенностью).

В мире квантовых явлений, однако, любое измерение воздействует на систему. Сам факт проведения нами измерения, например, местоположения частицы, приводит к изменению ее скорости, причем непредсказуемому (и наоборот). Чем меньше неопределенность в отношении одной переменной (координаты частицы), тем более неопределенной становится другая переменная (погрешность измерения скорости) поскольку произведение двух погрешностей в левой части соотношения не может быть меньше константы в правой его части.На самом деле, если нам удастся с нулевой погрешностью (абсолютно точно) определить одну из измеряемых величин, неопределенность другой величины будет равняться бесконечности, и о ней мы не будем знать вообще ничего. Иными словами, если бы нам удалось абсолютно точно установить координаты квантовой частицы, о ее скорости мы не имели бы ни малейшего представления; если бы нам удалось точно зафиксировать скорость частицы, мы бы понятия не имели, где она находится. На практике, конечно, физикам-экспериментаторам всегда приходится искать какой-то компромисс между двумя этими крайностями и подбирать методы измерения, позволяющие с разумной погрешностью судить и о скорости, и о пространственном положении частиц.

На самом деле, принцип неопределенности связывает не только пространственные координаты и скорость — на этом примере он просто проявляется нагляднее всего; в равной мере неопределенность связывает и другие пары взаимно увязанных характеристик микрочастиц. Путем аналогичных рассуждений мы приходим к выводу о невозможности безошибочно измерить энергию квантовой системы и определить момент времени, в который она обладает этой энергией. То есть, пока мы проводим измерение состояния квантовой системы на предмет определения ее энергии, сама энергия системы случайным образом меняется — происходят ее флуктуация, — и выявить ее мы не можем. Тут уместно было бы рассказать о коте Шредингера, но это будет уже совсем не гуманно.

3
4
21 марта
11:25

На ваш вопрос отвечает многомировая интерпретация квантовой механики. Но сразу предупреждаю, что она предположительно нефальсифицируема (впрочем как и другие интерпретации), и поэтому с этой точки зрения ненаучна. Если же вас не останавливает "ненаучность" и вам хочется объяснения, то вот оно. В КМ есть такое явления как запутанность, и именно она в многомировой интерпретации является причиной того, что мы видим мир классическим. На примере "кота Шредингера": кот в изолированной черной коробке находится относительно нас в суперпозиции, наблюдать эту суперпозицию (квантовое состояние) мы не можем, потому что изолирован, нету у кота взаимодействий с нашим миром. В момент открытия ящика, а конкретно, когда фотоны из нашего мира долетают до кота, кот запутывается с нашим миром и вселенная делится на две. В одной наблюдатель видит живого кота, в другой мертвого. Соответственно в этой интерпретации неопределенности и нелокальности нету, существует все что только возможно. Да и свободы воли тоже нету.

0
0
Если вы знаете ответ на этот вопрос и можете аргументированно его обосновать, не стесняйтесь высказаться
Ответить самому
Выбрать эксперта