Что такое квантовые явления, существующие до наблюдения?

Вы говорите о проблеме измерения , которая пока не имеет общепринятого решения.

Но чистое квантовое состояние после измерения находится в точно такой же сущности, как и до измерения, а именно в новом чистом квантовом состоянии. Просто измерение вынуждает (каким-то еще не до конца понятым механизмом, решающим проблему измерения) квантовое состояние находиться в одном из собственных векторов оператора , описывающего измерение. Он «принуждается» (схлопывается....) в собственное состояние, которое соответствует значению измерения, полученному из измерения. Какое это собственное состояние/вектор, является случайным — это единственное место, где квантоваянеопределенность входит в картину. Оттуда он будет развиваться заново, следуя уравнению Шредингера, как это было до измерения. Одним из результатов этого последнего утверждения является то, что если конкретный оператор измерения («наблюдаемый») коммутирует с гамильтонианом, то состояние остается таким, какое оно есть, принимая только глобальную фазовую задержку, линейно увеличивающуюся со временем. Между измерениями эволюция квантового состояния полностью детерминирована.

Если в измерении есть неопределенность ( т.е. дополнительная и отличная от приведенной выше квантовой неопределенности, например , из-за неточности приборов), то состояние, с точки зрения измерителя, становится классической смесью чистых состояний. В принципе, это моделируется путем присвоения классических вероятностей каждому из чистых состояний, которые могут согласовываться с измерением: эти вероятности являются классическими условными вероятностями с учетом конкретного полученного значения измерения. Фактически это обобщение ситуации, возникающей в мысленном эксперименте друга Вигнера.. В принципе, все эти возможности развиваются посредством параллельных расчетов уравнения Шредингера, а затем классически комбинируются их прогнозы вероятностей для расчета общих распределений вероятностей для измерений в будущем. На практике проще выполнить этот расчет с помощью формализма матрицы плотности. Короче говоря, основная динамика по-прежнему остается динамикой чистой эволюции унитарного состояния: неведение наблюдателя о том, какое именно чистое состояние преобладает, кодируется и обрабатывается формализмом матрицы плотности .

То, что вы описали, является копенгагенской интерпретацией, в которой волновая функция дает вам вероятность найти частицу в определенном месте. Когда мы наблюдаем за частицей, мы «схлопываем» волновую функцию, и тогда мы знаем, где она находится.

Это не единственная интерпретация, но стандартная. Однако в целом невозможно провести различие между различными интерпретациями, поскольку все они дают одинаковые экспериментальные результаты (за некоторыми исключениями).

Позвольте мне ответить на ваш вопрос: «Эти эксперименты действительно отражают то, как работает природа?» с другим вопросом: если бы эти эксперименты не отражали того, как работает природа, то как мы могли бы проводить эти эксперименты и получать такие результаты? Другими словами, странные результаты этих экспериментов должны соответствовать тому, как работает природа.

Однако я должен указать, что современные интерпретации, как правило, не включают идею коллапса наблюдателя и волновой функции из-за таких проблем, как «что представляет собой наблюдатель?» и «почему наблюдатель вызывает коллапс волновой функции?»

Было сказано, что согласно уравнению Шредингера, независимо от наблюдения, частицы существуют в состоянии волновой функции, которая представляет собой ряд потенциальностей, а не реальных объектов. Затем акт наблюдения заставляет волну потенциальности коллапсировать в состояние материи.

Это правда?

Ответ на ваш первый вопрос: это зависит. :) Тот факт, что вы можете взять волновую функцию, которая описывает электрон в потенциале (одно из основных решений уравнения Шредингера), а затем возвести этот результат в квадрат, действительно дает вам распределение вероятностей указанного электрона в этом конкретном потенциале.

Но вы никогда не узнаете точно, где и с каким импульсом находится электрон, не измерив его. Обычно это делается с помощью по крайней мере одного фотона (обычно много), и фотон направляется в сторону распределения вероятностей, а полученный отклоненный/испущенный фотон измеряется детектором. Но это измерение — лишь крошечная часть информации о том, где находился электрон в тот момент, когда с ним взаимодействовал фотон. Итак, в каком-то смысле, стреляя фотоном в электрон, вы фактически «зафиксировали» состояние электрона на короткий момент. Однако, если вы полностью не выбили электрон из потенциала, в котором он находился, когда вы выпустили свой фотон, вы на самом деле не изменили распределение вероятности электрона.

Коллапс волновой функции — это термин, описывающий конкретный момент измерения. До этого момента у вас было просто распределение вероятностей. Я помню, что в некоторых моих учебниках и некоторых научных статьях это распределение вероятностей упоминается термином: функция плотности вероятности. Это именно то, что вы вычисляете, когда возводите волновую функцию в квадрат.

Если вы считаете, что ничто не является реальным, пока оно не наблюдается, то вы не ошибаетесь. Но с практической точки зрения мы не живем в мире, где мы точно воспринимаем события, происходящие в масштабе времени, измеряемом планковским временем. И у вас, вероятно, будут проблемы с пониманием концепций современной квантовой механики.

По вашему второму вопросу:

Кроме того, являются ли эти квантовые эксперименты аномалиями, а не тем, как работает природа, или эти квантовые эксперименты, такие как двойная щель и квантовые ластики, на самом деле отражают то, как работает природа даже в отсутствие человеческих манипуляций.

Эти эксперименты на самом деле так работают в природе. Однако, как я уже упоминал в своем ответе на ваш первый вопрос, это зависит от вашей точки зрения. И природа работает гораздо более сложным образом, чем мы видим в экспериментах или относительно простых расчетах, сделанных, скажем, в курсовых работах для выпускников. В неэкспериментальных/нетеоретических сценариях, где большая часть квантовой механики происходит во Вселенной, МНОЖЕСТВО взаимодействий происходит одновременно. Для любой заданной системы взаимодействий частиц вы легко найдете на порядки более сложную, чем кто-либо успешно рассчитал до сих пор. У нас есть только ограниченные вычислительные/аналитические возможности, и это только для самых простых систем (таких как атом водорода или некоторые простые молекулы). Многое можно сделать, моделируя или вычисляя вещи для молекул, используя электронные потенциалы и различные предположения, но вы не смотрите на волновые функции для этих молекул. Итак... то, как сегодня преподают квантовую механику, дает большинству людей очень простой, узкий взгляд.

В нерелятивистской квантовой механике у вас есть дифференциальное уравнение в частных производных, подобное уравнению Шрёдингера. Решения называются волновыми функциями. Это похоже на уравнения Максвелла в том, что если вы предоставляете значения за один раз, вы можете получить значения позже.

В отличие от Максвелла, значения, которые вам нужно предоставить, являются сложными, и, в отличие от Максвелла, вам нужно предоставить их не для каждой точки физического пространства, а для пространства, которое имеет 3n компонентов, где n — количество частиц, указание всех этих чисел достаточно, чтобы сказать вам где каждая отдельная частица такова, что они являются координатами всей конфигурации всех n частиц.

ХОРОШО. Поэтому для каждой конфигурации мы указываем комплексное число. Значение комплексных чисел изменяется во времени в соответствии с уравнением Шрёдингера.

Если у вас есть две частицы, то возможно, что волновая функция$\Psi(x,y,z,X,Y,Z,t)$может быть записано как произведение двух других функций

$$\Psi(x,y,z,X,Y,Z,t)=A(x,y,z,t)B(X,Y,Z,t).$$ Если это так, то оно факторизуемо. Измерения связаны с этими факторизуемыми состояниями.

Иногда бывают операции, которые если сделать их дважды, то получится один и тот же результат, например, можно сделать устройство, которое расщепляет луч влево и вправо, но так, что если у вас есть две таких машины, то луч, который ушел влево в первой, всегда идет налево во второй машине, а луч, который шел вправо в первой машине, всегда идет вправо во второй машине. Такие состояния являются собственными для балок, и устройство всегда действует на эти собственные вещи одинаково. Измерения связаны с этими устройствами и состояниями.

Теперь у нас есть ингредиенты, чтобы ответить на ваш вопрос. Вы всегда можете записать свою волновую функцию в виде суммы факторизуемых состояний, каждое из которых является собственным для некоторых устройств, и они будут действовать совершенно объективно для этих устройств. Однако, если вы являетесь собственным для одного устройства, вы не будете собственным для других устройств, поэтому эти другие устройства будут развивать вас, чтобы разделить на сумму каждую из сумм, являющихся собственными для этого устройства.

Когда кто-то говорит потенциальный, он просто имеет в виду не собственный для этого устройства. Уравнения эволюции говорят о том, что оно распадается на сумму собственных состояний. Технически это уже была сумма собственных состояний, поэтому под расщеплением я имею в виду различные собственные состояния, когда они разложены на множители, то есть другое состояние для других частиц имеет отдельную волну другой частицы.

Например

$$\Psi(x,y,z,X,Y,Z,0)=\left(5A(x,y,z,0)+2a(x,y,z,0)\right)B(X,Y,Z,0)$$ где A и a являются собственными, эволюционирует к $$\Psi(x,y,z,X,Y,Z,0) = \left(5A(x,y,z,t)C(X,Y,Z,t)\right) + \left(2a(x,y,z,t)D(X,Y,Z,t)\right)$$ где C и D не пересекаются (разделены).

Та другая частица, которая отделяется, если связана с другими собственными состояниями, эффективно измеряет первую. Если для разделения собственного состояния первого требуется целая группа, то они вместе измеряют первое. Чтобы измерить это, они также в основном не должны зависеть от всего остального. Вы не можете измерить одну вещь, если все остальное отвлекает вас и влияет на то, что вы делаете, потому что тогда другие вещи могут сделать вас неотделимыми.

Обратите внимание на 5 и 2: иногда член в сумме меньше, чем другой член в сумме, и тогда он может иметь меньшее влияние на будущую эволюцию, когда оба перекрываются.

В нашем примере все это больше не будет перекрываться, если отдельные части (C и D) никогда больше не перекрываются. А непересекающиеся вещи ведут себя так, как будто они единственные в мире. Таким образом, вещи, которые его измеряют, действуют так, как будто существует только один результат. Поскольку они ведут себя так, как будто это единственное, что мы называем коллапсом, требуется время, чтобы полностью отделиться, но после разделения каждый из них ведет себя так, как будто существует только он.

Тогда что-то другое может измерить то, что его измерило, и так далее, каждый из них действует так, как если бы существовала только вещь, присущая тому, что они измерили. А поскольку приведение собственного генератора к устройству повторяемо, это мнение кажется объективным для того, кто его измерил, поскольку повторное выполнение дает те же результаты.

Вот как результат может казаться объективным для части (например, C или D).

Поскольку мы никогда не видели отклонений от эволюции волн, разумно сказать, что так устроена природа. Однако очевидно, что устройства изменили ситуацию, они разделили волны. Другое устройство отделило бы$\Psi$в$3K(x,y,z,t)+4k(x,y,z,t)$вместо$5A(x,y,z,t)+2a(x,y,z,t)$так что измерения что-то делают. И они происходят с течением времени, поэтому порядок, в котором вы их выполняете, может иметь значение, может быть, вы были собственными для A/a, но вы провели измерение K/k, которое разделяет его на вещи, которые являются K/k, поэтому, если вы делаете A/a измерения вам придется разбить K на A/a и разделить k на A/a, где теперь вы получите немного A и немного a, тогда как если бы вы сначала провели измерение A/a, вы бы точно получили A (или получили a для уверен, потому что он уже был собственным для A / a, поэтому он был одним (например, A) или другим (например, a)).

Так что я действительно не упомянул эти скаляры 2,3,4,5, которые появились. Когда вы пишете$\Psi$как комбинация собственных состояний вы математически вынуждены иметь там константы. Они важны для создания чего-то собственного для одного устройства из вещей, которые являются собственными для чего-то другого, но только в том случае, если они не разделены.

В частности, если вы посмотрите на устройство, которое измеряет, сколько раз группа вещей отклонялась влево, то эти константы будут влиять на то, что это устройство является собственным, и, следовательно, на то, что мы видим, когда измеряем, сколько из них было отправлено влево. Таким образом, они влияют на то, что измерительный прибор называет частотой наблюдений.

Таким образом, кажется, что волны всегда следуют уравнению, как когда мы измеряем, так и когда мы этого не делаем. Измерение влияет. И порядок, в котором вы измеряете, меняет ваши результаты. Но мы никогда не измеряем числовые значения волны, все, что мы можем сделать, это развить ее так, чтобы она стала частями, которые затем действуют независимо, и поэтому каждая часть может думать, что это целое. И этот внешний вид кажется объективным, потому что, если эта часть выполняет одно и то же измерение дважды, она получает один и тот же результат оба раза (если только она не выполняет другое измерение между ними, поскольку измерения разделяют вещи, которые не являются для нее собственными, поэтому изменяют их).