Эксперимент Поппера - Википедия - Poppers experiment

Часть серии на
Квантовая механика
${ Displaystyle я HBAR { гидроразрыва { partial} { partial t}} | psi (t) rangle = { hat {H}} | psi (t) rangle}$ Уравнение Шредингера
Вступление Глоссарий История Учебники
Фон Классическая механика Старая квантовая теория Обозначение Бра – Кет Гамильтониан Вмешательство
Основы Согласованность Декогеренция Комплементарность Уровень энергии Запутанность Гамильтониан Принцип неопределенности Основное состояние Вмешательство Измерение Нелокальность Наблюдаемый Оператор Квантовая Квантовая флуктуация Квантовое число Квантовый шум Квантовая область Квантовое состояние Квантовая система Квантовая телепортация Кубит Вращение Суперпозиция Симметрия (Спонтанное) нарушение симметрии Состояние вакуума Распространение волн Волновая функция Коллапс волновой функции Дуальность волна-частица Волна материи
Последствия Эффект Зеемана Эффект Старка Эффект Ааронова – Бома Квантование Ландау Квантовый эффект Холла Квантовый эффект Зенона Квантовое туннелирование Фотоэлектрический эффект Эффект Казимира
Эксперименты Неравенство Белла Дэвиссон-Гермер Двойная щель Элицур – Вайдман Франк-Герц Неравенство Леггетта – Гарга Мах – Цендер Поппер Квантовый ластик  (отложенный выбор ) Кот Шредингера Штерн-Герлах Отсроченный выбор Уиллера
Составы Обзор Гейзенберг Взаимодействие Матрица Фазовое пространство Шредингер Суммирование по историям (интеграл по путям)
Уравнения Дирак Хеллманн-Фейнман Кляйн – Гордон Липпманн-Швингер Паули Ридберг Шредингер
Интерпретации Обзор Байесовский Последовательные истории Копенгаген де Бройль-Бом Ансамбль Скрытая переменная Многомиры Объективный коллапс Квантовая логика Реляционный Стохастик Транзакционный
Дополнительные темы Квантовый отжиг Квантовый хаос Квантовые вычисления Квантовая геометрия Матрица плотности Квантовая теория поля Дробная квантовая механика Квантовая гравитация Квантовая информатика Квантовое машинное обучение Теория возмущений (квантовая механика) Релятивистская квантовая механика Теория рассеяния Самопроизвольное параметрическое преобразование с понижением частоты Квантовая статистическая механика
Ученые Ааронов Колокол Блэкетт Блох Бом Бор Родившийся Bose де Бройль Кэндлин Комптон Дирак Дэвиссон Дебай Эренфест Эйнштейн Эверетт Фок Ферми Фейнман Глаубер Gutzwiller Гейзенберг Гильберта Иордания Крамерс Паули ягненок Ландо Лауэ Мозли Милликен Оннес Планк Раби Раман Ридберг Шредингер Зоммерфельд фон Нейман Weyl Вена Вигнер Zeeman Цайлингер Гоудсмит Уленбек Ян
Категории ► Квантовая механика

Поппера это эксперимент, предложенный философом Карл Поппер проверить различные интерпретации квантовой механики (КМ). Фактически, еще в 1934 году Поппер начал критиковать все более общепринятые Копенгагенская интерпретация, популярный субъективист интерпретация квантовой механики. Поэтому в его самой известной книге Logik der Forschung он предложил первый эксперимент, который якобы проводился эмпирическим путем для различения Копенгагенской интерпретации и реалистической интерпретации, которую он защищал. Эйнштейн, однако, написал Попперу письмо об эксперименте, в котором выдвинул ряд серьезных возражений.^[1] и сам Поппер заявил, что эта первая попытка была «грубейшей ошибкой, которой я глубоко сожалею и с тех пор стыжусь».^[2]

Поппер, однако, вернулся к основам квантовой механики с 1948 года, когда он развил свою критику детерминизма как в квантовой, так и в классической физике.^[3]Фактически, Поппер значительно активизировал свою исследовательскую деятельность по основам квантовой механики на протяжении 1950-х и 1960-х годов, развивая свою интерпретацию квантовой механики в терминах реально существующих вероятностей (склонностей), в том числе благодаря поддержке ряда выдающихся физиков. (Такие как Дэвид Бом ).^[4]

Обзор

В 1980 году Поппер предложил, возможно, свой более важный, но упускаемый из виду вклад в QM: «новую упрощенную версию ЭПР эксперимент ".^[5]

Однако эксперимент был опубликован только два года спустя в третьем томе журнала. Постскриптум к Логика научных открытий.^[6]

Наиболее широко известная интерпретация квантовой механики - это копенгагенская интерпретация, предложенная Нильс Бор и его школа. Он утверждает, что наблюдения приводят к коллапс волновой функции, тем самым предлагая противоречащий интуиции результат, что две хорошо разделенные, не взаимодействующие системы требуют действие на расстоянии. Поппер утверждал, что такая нелокальность противоречит здравому смыслу и приведет к субъективистской интерпретации явлений в зависимости от роли «наблюдателя».

В то время как аргумент ЭПР всегда задумывался как мысленный эксперимент, выдвинутый, чтобы пролить свет на внутренние парадоксы КМ, Поппер предложил эксперимент, который можно было бы экспериментально реализовать, и участвовал в конференции по физике, организованной в Бари в 1983 году, чтобы представить свой поэкспериментируйте и предложите экспериментаторам провести его.

Фактическая реализация эксперимента Поппера потребовала новых методов, которые использовали бы феномен Спонтанное параметрическое понижающее преобразование но в то время еще не использовался, поэтому его эксперимент в конечном итоге был проведен только в 1999 году, через пять лет после смерти Поппера.

Предлагаемый эксперимент Поппера

Вопреки первому (ошибочному) предложению 1934 года, эксперимент Поппера 1980 года использует пары запутанных частиц, чтобы проверить Принцип неопределенности Гейзенберга.^[5][7]

Действительно, Поппер утверждает:

"Я хочу предложить важный эксперимент, чтобы тест достаточно ли одного знания для создания «неопределенности» и, как следствие, разброса (как утверждается в копенгагенской интерпретации), или же физическая ситуация является причиной разброса ».^[8]

Предлагаемый Поппер эксперимент состоит из источника частиц низкой интенсивности, который может генерировать пары частиц, движущихся влево и вправо вдоль Икс-ось. Низкая интенсивность луча такова, что «высока вероятность того, что две частицы, зарегистрированные одновременно слева и справа, являются теми, которые действительно взаимодействовали перед испусканием».^[8]

Есть две щели, по одной на пути движения двух частиц. За щелями расположены полукруглые наборы счетчиков, которые могут обнаруживать частицы после того, как они проходят через щели (см. Рис. 1). «Эти счетчики являются совпадающими счетчиками [так], что они обнаруживают только частицы, которые одновременно прошли через A и B.»^[9]

Рис.1 Экспериментируйте с обеими щелями одинаковой ширины. Обе частицы должны иметь одинаковый разброс импульсов.

Поппер утверждал, что, поскольку щели локализуют частицы в узкой области вдоль у-оси, из принципа неопределенности они испытывают большие неопределенности в у-компоненты их импульсов. Этот больший разброс импульсов будет проявляться в том, что частицы обнаруживаются даже в положениях, лежащих за пределами областей, куда частицы обычно достигают, исходя из их начального разброса импульсов.

Поппер предлагает считать частицы совпадающими, т.е. мы считаем только те частицы за щелью B, чей партнер прошел через щель A. Частицы, которые не могут пройти через щель A, игнорируются.

Рассеяние Гейзенберга для обоих пучков частиц, идущих направо и налево, проверяется "путем увеличения или уменьшения двух щелей A и B. Если щели более узкие, то в игру должны вступить счетчики, расположенные выше и выше. ниже, если смотреть через щели. Включение этих счетчиков указывает на более широкие углы рассеяния, которые идут с более узкой щелью, согласно соотношениям Гейзенберга ".^[9]

Рис.2. Эксперимент с суженной щелью A и широко открытой щелью B. Должны ли две частицы иметь одинаковый разброс импульсов? Если они этого не сделают, говорит Поппер, копенгагенская интерпретация неверна. Если они это сделают, это указывает на действие на расстоянии, - говорит Поппер.

Теперь прорезь в точке A сделана очень маленькой, а прорезь в точке B очень широкой. Поппер писал, что, согласно EPR аргумент, мы измерили положение "y" для обеих частиц (одной, проходящей через A, и другой, проходящей через B) с точностью ${ displaystyle Delta y}$, и не только для частицы, проходящей через щель A. Это связано с тем, что из начального запутанного состояния ЭПР мы можем вычислить положение частицы 2, когда положение частицы 1 известно, примерно с такой же точностью. Мы можем это сделать, утверждает Поппер, даже если щель B широко открыта.^[9]

Таким образом, Поппер утверждает, что «довольно точно»знание"" о положении y частицы 2 сделано; это у позиция измеряется косвенно. А поскольку это, согласно копенгагенской интерпретации, наша знание которое описывается теорией - и особенно соотношениями Гейзенберга - следует ожидать, что импульс ${ displaystyle p_ {y}}$ частицы 2 рассеивается столько же, сколько и частица 1, даже если щель A намного уже, чем широко открытая щель B.

Теперь скаттер в принципе можно проверить с помощью счетчиков. Если копенгагенская интерпретация верна, то такие счетчики на дальней стороне B, которые указывают на широкий разброс (и узкую щель), теперь должны подсчитывать совпадения: счетчики, которые не считали никаких частиц до того, как щель A была сужена.

Подводя итог: если копенгагенская интерпретация верна, то любое повышение точности измерения нашей просто знание частиц, проходящих через щель B, должно увеличивать свой разброс.^[10]

Поппер был склонен полагать, что тест решит против Копенгагенской интерпретации, поскольку он применяется к принципу неопределенности Гейзенберга. Если тест решит в пользу Копенгагенской интерпретации, утверждал Поппер, его можно интерпретировать как указание на действие на расстоянии.

Дебаты

Многие рассматривали эксперимент Поппера как решающую проверку квантовой механики, и велись споры о том, какой результат может дать фактическая реализация эксперимента.

В 1985 году Садбери указал, что состояние EPR, которое можно записать как ${ displaystyle psi (y_ {1}, y_ {2}) = int _ {- infty} ^ { infty} e ^ {iky_ {1}} e ^ {- iky_ {2}} , dk }$, уже содержал бесконечный разброс по импульсам (неявный в интеграле по k), так что дальнейшее распространение невозможно было увидеть при локализации одной частицы.^[11][12] Хотя это указывало на критический недостаток аргумента Поппера, его полный смысл не был понят. Криппс теоретически проанализировал эксперимент Поппера и предсказал, что сужение щели A приведет к увеличению разброса импульсов на щели B. Криппс также утверждал, что его результат был основан только на формализм квантовой механики без каких-либо проблем интерпретации. Таким образом, если Поппер и бросал вызов чему-либо, он бросал вызов центральному формализму квантовой механики.^[13]

В 1987 году Колле и Лаудон высказали серьезное возражение против предложения Поппера.^[14] Они указали, что, поскольку пары частиц, исходящие из источника, имеют нулевой полный импульс, источник не может иметь четко определенного положения. Они показали, что, если принять во внимание неопределенность положения источника, появившееся размытие смывает эффект Поппера.

Более того, Рыжий проанализировал эксперимент Поппера, используя широкий источник, и пришел к выводу, что он не может дать эффекта, которого добивался Поппер.^[15]

Осуществление эксперимента Поппера

Рис.3 Принципиальная схема эксперимента Кима и Ши на кристалле BBO, который генерирует запутанные фотоны. Линза LS помогает создать резкое изображение щели A на месте щели B.

Рис.4 Результаты фотонного эксперимента Ким и Ши, направленного на реализацию предложения Поппера. Дифракционная картина в отсутствие щели B (красные символы) намного уже, чем при наличии реальной щели (синие символы).

Эксперимент Поппера был реализован в 1999 году Ким и Ши с использованием спонтанное параметрическое преобразование с понижением частоты источник фотонов. Они не наблюдали дополнительного разброса по импульсу частицы 2 из-за прохождения частицы 1 через узкую щель. Они пишут:

«Действительно, удивительно видеть, что экспериментальные результаты согласуются с предсказанием Поппера. Посредством квантовой запутанности можно узнать точное положение фотона и, следовательно, ожидать большей неопределенности в его импульсе при обычной копенгагенской интерпретации соотношений неопределенностей. Однако измерение показывает, что импульс не испытывает соответствующего увеличения неопределенности. Является ли это нарушением принципа неопределенности? "^[16]

Скорее, импульсный разброс частицы 2 (наблюдаемый при совпадении с частицей 1, проходящей через щель A) был уже, чем ее импульсный разброс в начальном состоянии.

Они пришли к выводу, что:

Поппер и ЭПР были правы в предсказании физических результатов своих экспериментов. Однако Поппер и ЭПР сделали ту же ошибку, применив результаты физики двух частиц к объяснению поведения отдельной частицы. запутанное состояние - это не состояние двух отдельных частиц. Наш экспериментальный результат категорически НЕ является нарушением принципа неопределенности, который управляет поведением отдельного кванта ".^[16]

Это привело к возобновлению жарких споров, некоторые даже доходили до того, что утверждали, что эксперимент Ким и Ши продемонстрировал отсутствие нелокальности в квантовой механике.^[17]

Унникришнан (2001), обсуждая результат Ким и Ши, написал, что результат:

«является твердым доказательством того, что не существует удаленного восстановления состояния ... Эксперимент Поппера и его анализ вынуждают нас радикально изменить существующий взгляд на квантовую нелокальность».^[18]

Шорт подверг критике эксперимент Кима и Ши, утверждая, что из-за конечного размера источника локализация частицы 2 несовершенна, что приводит к меньшему разбросу импульсов, чем ожидалось.^[19] Однако аргумент Шорта подразумевает, что если бы источник был улучшен, мы бы увидели разброс импульса частицы 2.^{[нужна цитата ]}

Санчо провел теоретический анализ эксперимента Поппера, используя интегральный подход, и обнаружил подобное сужение в импульсном разбросе частицы 2, как это наблюдали Ким и Ши.^[20] Хотя этот расчет не дал им глубокого понимания, он показал, что экспериментальный результат Ким-Ши согласуется с квантовой механикой. В нем ничего не говорится о том, какое отношение это имеет к копенгагенской интерпретации, если таковое имеется.

Критика предложения Поппера

Табиш Куреши опубликовал следующий анализ аргумента Поппера.^[21][22]

Идеал EPR состояние записывается как ${ displaystyle | psi rangle = int _ {- infty} ^ { infty} | y, y rangle , dy = int _ {- infty} ^ { infty} | p, -p rangle , dp}$, где две метки в «кет-состоянии» представляют положения или импульсы двух частиц. Это подразумевает идеальную корреляцию, то есть обнаружение частицы 1 в позиции ${ displaystyle x_ {0}}$ также приведет к обнаружению частицы 2 на ${ displaystyle x_ {0}}$. Если измерить, что частица 1 имеет импульс ${ displaystyle p_ {0}}$, частица 2 будет обнаружена как имеющая импульс ${ displaystyle -p_ {0}}$. Частицы в этом состоянии имеют бесконечный разброс по импульсам и бесконечно делокализованы. Однако в реальном мире корреляции всегда несовершенные. Рассмотрим следующее запутанное состояние

${ displaystyle psi (y_ {1}, y_ {2}) = A ! int _ {- infty} ^ { infty} dpe ^ {- p ^ {2} / 4 sigma ^ {2} } e ^ {- ipy_ {2} / hbar} e ^ {ipy_ {1} / hbar} exp [- {(y_ {1} + y_ {2}) ^ {2} / 16 Omega ^ { 2}}]}$

куда ${ displaystyle sigma}$ представляет собой конечный импульсный разброс, а ${ displaystyle Omega}$ является мерой разброса положения частиц. Неопределенности в положении и импульсе для двух частиц можно записать как

${ displaystyle Delta p_ {2} = Delta p_ {1} = { sqrt { sigma ^ {2} + { hbar ^ {2} / 16 Omega ^ {2}}}}, ~~~ ~ Delta y_ {1} = Delta y_ {2} = { sqrt { Omega ^ {2} + hbar ^ {2} / 16 sigma ^ {2}}}.}.$

Воздействие узкой щели на частицу 1 можно представить как приведение ее к узкому гауссовскому состоянию: ${ displaystyle phi _ {1} (y_ {1}) = { frac {1} {( epsilon ^ {2} 2 pi) ^ {1/4}}} e ^ {- y_ {1} ^ {2} / 4 epsilon ^ {2}}}$. Это снизит состояние частицы 2 до ${ Displaystyle phi _ {2} (y_ {2}) = ! int _ {- infty} ^ { infty} psi (y_ {1}, y_ {2}) phi _ {1} ^ {*} (y_ {1}) dy_ {1}}$Неопределенность импульса частицы 2 теперь может быть вычислена и дается выражением

${ displaystyle Delta p_ {2} = { sqrt { frac { sigma ^ {2} (1+ epsilon ^ {2} / Omega ^ {2}) + hbar ^ {2} / 16 Омега ^ {2}} {1 + 4 epsilon ^ {2} ( sigma ^ {2} / hbar ^ {2} +1/16 Omega ^ {2})}}}.}.$

Если мы подойдем к крайнему пределу бесконечно узкой щели A (${ displaystyle epsilon to 0}$), неопределенность импульса частицы 2 равна ${ displaystyle lim _ { epsilon to 0} Delta p_ {2} = { sqrt { sigma ^ {2} + hbar ^ {2} / 16 Omega ^ {2}}}}$, что было именно тем, с чего началось распространение импульса. Фактически, можно показать, что импульсный разброс частицы 2, обусловленный прохождением частицы 1 через щель A, всегда меньше или равен ${ Displaystyle { sqrt { sigma ^ {2} + hbar ^ {2} / 16 Omega ^ {2}}}}$ (начальный спред), для любого значения ${ displaystyle epsilon, sigma}$, и ${ displaystyle Omega}$. Таким образом, частица 2 не получает никакого дополнительного разброса по импульсу, чем то, что у нее уже было. Это предсказание стандартной квантовой механики. Таким образом, импульсный разброс частицы 2 всегда будет меньше того, что содержалось в исходном пучке. Это то, что на самом деле было замечено в эксперименте Ким и Ши. Предложенный Поппером эксперимент, если его провести таким образом, не сможет проверить копенгагенскую интерпретацию квантовой механики.

С другой стороны, если щель A постепенно сужается, разброс по импульсам частицы 2 (обусловленный обнаружением частицы 1 за щелью A) будет постепенно увеличиваться (никогда, конечно, за пределы начального разброса). Это то, что предсказывает квантовая механика. Поппер сказал

«... если копенгагенская интерпретация верна, то любое увеличение точности измерения нашего простого знания о частицах, проходящих через щель B, должно увеличивать их разброс».

Этот конкретный аспект можно проверить экспериментально.

Эксперимент Поппера и призрачная дифракция

Было показано, что этот эффект действительно экспериментально продемонстрирован в так называемой двухчастичной призрачное вмешательство эксперимент.^[23] Этот эксперимент не проводился с целью проверки идей Поппера, но в итоге дал убедительный результат относительно теста Поппера. В этом эксперименте два запутанных фотона движутся в разных направлениях. Фотон 1 проходит через щель, но на пути фотона 2 нет щели. Однако фотон 2, если он обнаружен в совпадении с фиксированным детектором за щелью, детектирующей фотон 1, показывает дифракционную картину. Ширина дифракционной картины для фотона 2 увеличивается, когда щель на пути фотона 1 сужается. Таким образом, повышение точности знания о фотоне 2 за счет регистрации фотона 1 за щелью приводит к увеличению разброса фотонов 2.

Эксперимент Поппера и световая сигнализация

В этом разделе фактическая точность оспаривается. Соответствующее обсуждение можно найти на Обсуждение: эксперимент Поппера. Пожалуйста, помогите убедиться, что оспариваемые утверждения надежный источник. (Ноябрь 2012 г.) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)

Ожидаемый дополнительный разброс импульса, который Поппер ошибочно приписал копенгагенской интерпретации, можно интерпретировать как допускающий сверхсветовая связь, что считается невозможным даже в квантовая механика. Действительно, некоторые авторы критиковали эксперимент Поппера за невозможность сверхсветовой коммуникации в квантовой механике.^[24][25]Использование квантовые корреляции для связи со скоростью, превышающей скорость света, считается ошибочной из-за теорема о запрете общения в квантовой механике. Однако теорема неприменима к этому эксперименту. В этом эксперименте «отправитель» пытается сигнализировать 0 и 1, сужая или расширяя щель, тем самым изменяя распределение вероятностей между детекторами «получателя». Если теорема о запрете общения были применимы, то независимо от того, расширяет ли отправитель щель или сужает ее, получатель должен видеть одинаковое распределение вероятностей среди своих детекторов. Это верно независимо от того, использовалось ли устройство для связи (т.е. без схема совпадений) или нет (т.е. по совпадению).

Смотрите также

• Лазейки в тестовых экспериментах Белла

Рекомендации