Проблема измерения - Measurement problem

Не путать с Проблема измерения (значения).
Часть серии на
Квантовая механика

В квантовая механика, то проблема измерения рассматривает, как и нужно ли коллапс волновой функции происходит. Невозможность непосредственно наблюдать такой коллапс привела к разным интерпретации квантовой механики и ставит ключевой набор вопросов, на которые должна отвечать каждая интерпретация.

В волновая функция в квантовая механика детерминированно развивается в соответствии с Уравнение Шредингера как линейный суперпозиция разных государств. Однако реальные измерения всегда находят физическую систему в определенном состоянии. Любая будущая эволюция волновой функции основана на состоянии, в котором система была обнаружена на момент проведения измерения, что означает, что измерение «сделало что-то» с системой, что не является очевидным следствием эволюции Шредингера. Проблема измерения состоит в том, чтобы описать, что это за «что-то», как суперпозиция множества возможных значений становится единым измеренным значением.

Чтобы выразить суть по-другому (перефразируя Стивен Вайнберг ),[1][2] волновое уравнение Шредингера определяет волновую функцию в любое более позднее время. Если наблюдатели и их измерительные устройства 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?[3]

Кот Шредингера

Мысленный эксперимент, часто используемый для иллюстрации проблемы измерения, - это «парадокс» Кот Шредингера. Механизм устроен так, чтобы убить кошку, если происходит квантовое событие, такое как распад радиоактивного атома. Таким образом, судьба крупного объекта - кошки - сложна. запутанный с судьбой квантового объекта, атома. До наблюдения, согласно уравнению Шредингера и многочисленным экспериментам с частицами, атом находится в квантовая суперпозиция, а линейная комбинация распавшихся и нераспавшихся состояний, которые со временем эволюционируют. Следовательно, кошка также должна находиться в суперпозиции, линейной комбинации состояний, которые можно охарактеризовать как «живая кошка», и состояний, которые можно охарактеризовать как «мертвая кошка». Каждая из этих возможностей связана с определенным ненулевым амплитуда вероятности. Однако единичное, частное наблюдение кота не находит суперпозиции: всегда находит либо живую, либо мертвую кошку. После измерения кошка определенно жива или мертва. Вопрос в том: Как вероятности преобразуются в реальный, четко определенный классический результат?

Интерпретации

Основная статья: Интерпретации квантовой механики

В Копенгагенская интерпретация является старейшей и, вероятно, до сих пор наиболее широко распространенной интерпретацией квантовой механики.[4][5][6] [7] В большинстве случаев он постулирует что-то в акте наблюдения, что приводит к коллапс волновой функции. Как это могло произойти, широко обсуждается. В целом сторонники Копенгагенской интерпретации склонны нетерпеливо относиться к эпистемологическим объяснениям стоящего за ней механизма. Это отношение выражено в часто цитируемой мантре «Заткнись и посчитай!»[8]

Хью Эверетт с многомировая интерпретация 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 наблюдатель, измерительный прибор, электрон / позитрон и т. д., которые переплетаются, образуя единый более крупный объект, например живой кот / счастливый ученый. Эверетт также попытался продемонстрировать, как вероятностная природа квантовая механика появится в измерениях; работа позже продлена Брайс ДеВитт.

Теория де Бройля – Бома пытается решить задачу измерения совершенно по-другому: информация, описывающая систему, содержит не только волновую функцию, но и дополнительные данные (траекторию), определяющие 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, что и очевидно. коллапс волновой функции происходит, хотя фактического коллапса нет.

В Теория Гирарди – Римини – Вебера (GRW) это не интерпретация, отличающаяся от других интерпретаций коллапса, предполагая, что коллапс волновой функции происходит спонтанно как часть динамики. Частицы имеют ненулевую вероятность столкнуться с "ударом" или спонтанным коллапсом волновой функции порядка одного раза в сто миллионов лет.[9] Хотя коллапс случается крайне редко, огромное количество частиц в измерительной системе означает, что вероятность коллапса где-то в системе высока. Поскольку вся измерительная система запутана (из-за квантовой запутанности), коллапс отдельной частицы вызывает коллапс всего измерительного устройства.

Эрих Джоос и Хайнц-Дитер Зе утверждают, что феномен квантовая декогеренция, которая была заложена в 80-е годы, решает проблему.[10] Идея состоит в том, что окружающая среда вызывает классический вид макроскопических объектов. Зе далее утверждает, что декогеренция позволяет идентифицировать нечеткую границу между квантовым микромиром и миром, в котором применима классическая интуиция.[11][12] Квантовая декогеренция стала важной частью некоторых современных обновлений Копенгагенская интерпретация на основе последовательные истории.[13][14] Квантовая декогеренция не описывает фактический коллапс волновой функции, но объясняет преобразование квантовых вероятностей (которые демонстрируют вмешательство эффекты) к обычным классическим вероятностям. См., Например, Журек,[3] Zeh[11] и Шлосгауэр.[15]

Нынешняя ситуация постепенно проясняется, как описано в статье Шлосхауэра в 2006 году:[16]

В прошлом было выдвинуто несколько предложений, не связанных с декогеренцией, чтобы прояснить значение вероятностей и прийти к Родившееся правило ... Справедливо сказать, что, похоже, не было достигнуто никакого решающего вывода относительно успеха этих выводов. ...
Как известно, [многие работы Бора настаивают на] фундаментальной роли классических понятий. Экспериментальные доказательства суперпозиции макроскопически различных состояний на все более больших масштабах длины противоречат этому утверждению. Суперпозиции кажутся новыми и индивидуально существующими состояниями, часто не имеющими классических аналогов. Тогда только физические взаимодействия между системами определяют 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.

Четвертый подход дается объективные модели коллапса. В таких моделях Уравнение Шредингера модифицируется и получает нелинейные члены. Эти нелинейные модификации имеют стохастический природы и приводят к поведению, которое для микроскопических квантовых объектов, например электронов или атомов, неизмеримо близко к тому, что дается обычным уравнением Шредингера. Однако для макроскопических объектов важна нелинейная модификация, которая вызывает коллапс волновой функции. Модели объективного коллапса эффективные теории. 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 Диоши и Пенроуз. Основное отличие моделей объективного коллапса от других подходов состоит в том, что они делают фальсифицируемый предсказания, которые отличаются от стандартной квантовой механики. Эксперименты уже приближаются к режиму параметров, в котором эти прогнозы могут быть проверены.[17]

Смотрите также

Ссылки и примечания

  1. ^ Вайнберг, Стивен (1998). «Великая редукция: физика двадцатого века». В Майкл Ховард и Уильям Роджер Луи (ред.). Оксфордская история двадцатого века. Издательство Оксфордского университета. п.26. ISBN  0-19-820428-0.
  2. ^ Вайнберг, Стивен (ноябрь 2005 г.). «Ошибки Эйнштейна». Физика сегодня. 58 (11): 31–35. Bibcode:2005ФТ .... 58к..31Вт. Дои:10.1063/1.2155755.
  3. ^ а б Журек, Войцех Хуберт (22 мая 2003 г.). «Декогеренция, einselection и квантовые истоки классического». Обзоры современной физики. 75 (3): 715–775. arXiv:Quant-ph / 0105127. Bibcode:2003RvMP ... 75..715Z. Дои:10.1103 / RevModPhys.75.715. S2CID  14759237.
  4. ^ Шлосгауэр, Максимилиан; Кофлер, Йоханнес; Цайлингер, Антон (август 2013). «Снимок основополагающего отношения к квантовой механике». Исследования по истории и философии науки, часть B. 44 (3): 222–230. arXiv:1301.1069. Bibcode:2013ШПМП..44..222С. Дои:10.1016 / j.shpsb.2013.04.004. S2CID  55537196.
  5. ^ Соммер, Кристоф (2013). «Еще один обзор основополагающих взглядов на квантовую механику». arXiv:1303.2719 [Quant-ph ].
  6. ^ Норсен, Трэвис; Нельсон, Сара (2013). «Еще один снимок основополагающих взглядов на квантовую механику». arXiv:1306.4646 [Quant-ph ].
  7. ^ Болл, Филипп (2013). «Эксперты по-прежнему расходятся во мнениях о том, что означает квантовая теория». Природа. Дои:10.1038 / природа.2013.12198. S2CID  124012568.
  8. ^ Мермин, Н. Дэвид (1990). «Квантовые загадки снова». Американский журнал физики. 58 (8): 731–734. Bibcode:1990AmJPh..58..731M. Дои:10.1119/1.16503.
  9. ^ Белл, Дж. С. (2004). «Есть ли квантовые скачки?». Разговорчивый и невыразимый в квантовой механике: 201–212.
  10. ^ Joos, E .; Зех, Х. Д. (июнь 1985 г.). «Возникновение классических свойств через взаимодействие с окружающей средой». Zeitschrift für Physik B. 59 (2): 223–243. Bibcode:1985ZPhyB..59..223J. Дои:10.1007 / BF01725541. S2CID  123425824.
  11. ^ а б Х. Д. Зе (2003). «Глава 2: Основные понятия и их интерпретация». В E. Joos (ред.). Декогеренция и появление классического мира в квантовой теории (2-е изд.). Springer-Verlag. п. 7. arXiv:Quant-ph / 9506020. Bibcode:2003dacw.conf .... 7Z. ISBN  3-540-00390-8.
  12. ^ Джегер, Грегг (сентябрь 2014 г.). «Что в (квантовом) мире макроскопично?». Американский журнал физики. 82 (9): 896–905. Bibcode:2014AmJPh..82..896J. Дои:10.1119/1.4878358.
  13. ^ Белавкин В.П. (1994). «Принцип неразрушимости квантовой теории измерения». Основы физики. 24 (5): 685–714. arXiv:Quant-ph / 0512188. Bibcode:1994FoPh ... 24..685B. Дои:10.1007 / BF02054669. S2CID  2278990.
  14. ^ Белавкин В.П. (2001). «Квантовый шум, биты и скачки: неопределенности, декогеренция, измерения и фильтрация». Прогресс в квантовой электронике. 25 (1): 1–53. arXiv:Quant-ph / 0512208. Bibcode:2001PQE .... 25 .... 1B. Дои:10.1016 / S0079-6727 (00) 00011-2.
  15. ^ Максимилиан Шлосгауэр (2005). «Декогеренция, проблема измерения и интерпретации квантовой механики». Обзоры современной физики. 76 (4): 1267–1305. arXiv:Quant-ph / 0312059. Bibcode:2004РвМП ... 76.1267С. Дои:10.1103 / RevModPhys.76.1267. S2CID  7295619.
  16. ^ Максимилиан Шлосгауэр (январь 2006 г.). «Экспериментальная мотивация и эмпирическая последовательность в минимальной квантовой механике без коллапса». Анналы физики. 321 (1): 112–149. arXiv:Quant-ph / 0506199. Bibcode:2006АнФи.321..112С. Дои:10.1016 / j.aop.2005.10.004. S2CID  55561902.
  17. ^ Анджело Басси; Кинджалк Лочан; Seema Satin; Теджиндер П. Сингх; Хендрик Ульбрихт (2013). «Модели коллапса волновой функции, лежащие в основе теории и экспериментальные проверки». Обзоры современной физики. 85 (2): 471–527. arXiv:1204.4325. Bibcode:2013РвМП ... 85..471Б. Дои:10.1103 / RevModPhys.85.471. S2CID  119261020.

дальнейшее чтение