Во-первых, позвольте мне заявить, что у меня гораздо меньше опыта в физике, чем у большинства присутствующих здесь. Квантовая механика была настолько далекой, насколько я понял, и это было около 9 лет назад, и до сих пор от нее не было никакой пользы.
Кажется, многие люди думают, что, наблюдая за Вселенной, мы изменяем Вселенную. Это стандартное махание руками, производимое людьми, которые не понимают физику - спасибо, Фритьоф Капра.
Читая о квантовой физике в Интернете, я обнаружил, что эта идея распространяется слишком часто. Достаточно часто, чтобы я задавался вопросом, правильно ли мое понимание.
Мои вопросы:
Всегда ли наблюдение за частицей означает удар по ней чем-то, чтобы коллапсировать волновую функцию?
Есть ли другой вид наблюдения?
Что имеют в виду физики, когда говорят «наблюдать»?
Связано, но не отвечает на вопрос, что такое наблюдение: в чем разница между измерением и любым другим взаимодействием в квантовой механике?
Если предположить, что прилетающая «первая» частица подготовлена в чистом виде, взаимодействие с другой частицей представляется необходимым. Однако такое взаимодействие может быть просто спонтанным испусканием фотона или другой частицы исходной падающей частицей.
Самое главное, что такое взаимодействие само по себе недостаточно. Чтобы произошло событие измерения (коллапс волновой функции в формализме фон Неймана), мы также должны «физически потерять след» некоторой информации взаимодействующей частицы после того, как взаимодействие произошло, так что мы должны заменить описание запутанного состояния второй частицы после взаимодействия с вероятностной смесью таких состояний, что вынуждает описание первой частицы после взаимодействия в терминах действительнозначной матрицы плотности вероятности, а не как комплексной амплитуды чистого состояния, с которой мы начали. Это изменение описания автоматически включает увеличение энтропии, которое также происходит физически.
Если вторая, взаимодействующая частица либо не вылетает из аппарата, либо не взаимодействует с третьей частицей, которая таким образом вылетает, т. е. «взаимодействует с окружающей средой», измерения еще не произошло, все взаимодействие в принципе обратимо, и комплексно-амплитудное описание остается приемлемым. . Измерение требует «потери» (через декогерентность) запутанной информации путем дальнейшего запутывания с окружающей средой и рассеяния.
Убегающая третья частица часто является испускаемым фотоном или фононом. См. ссылку в связанном ответе . В чем разница между измерением и любым другим взаимодействием в квантовой механике? , особенно в статье Лондона и Бауэра 1939 года (но избегайте их метафизики) для деталей. Совсем недавно см. эту книгу по теории квантовых измерений , в частности, на странице 102, где упоминается точка зрения Zeh.
Вы могли заметить, что в этом описании остается некоторая двусмысленность. Это было очень подробно проанализировано и решено Зуреком, но это становится немного сложнее. См., например , http://arxiv.org/abs/1001.3419 и ссылки там.
«Свернуть форму волны» — многозначительный термин, с которым согласятся не все физики. Существует великое множество «бесколлапсных» интерпретаций, в которых не отводится особой роли измерениям, которые непосредственно изменяют волновую функцию. Существуют также интерпретации типа коллапса, в которых коллапс происходит более или менее спонтанно, как в теории Роджера Пенроуза, согласно которой гравитационные эффекты заставляют любую суперпозицию, превышающую определенный порог массы, невероятно быстро коллапсировать.
С практической точки зрения трудно представить себе технику измерения, которую нельзя было бы описать как столкновение одной частицы с другой. Большинство квантово-оптических экспериментов основано на рассеянии света атомом, чтобы обнаружить состояние атома, многие эксперименты с заряженными частицами включают запуск частиц в поверхность или проволоку, чтобы обнаружить их, и так далее. Я думаю, что эксперимент с твердотельным кубитом, проведенный такими людьми, как Роб Шолкопф в Йельском университете, вероятно, будет считаться исключением, потому что я полагаю, что они используют СКВИД для определения состояния своих искусственных атомов с помощью магнитных полей. Однако, если вы хотите быть очень придирчивым, вы, вероятно, могли бы рассматривать это также как взаимодействие частиц в некотором смысле КЭД.
Но и там акт измерения не оставляет исходной системы неизменной. Хотя не было бы общего согласия с конкретной формулировкой «наблюдение меняет вселенную», идея о том, что квантовые системы ведут себя по-разному после измерения, является центральной в теории, и ее нельзя избежать.
Дело в том, что существует множество разных мнений, которые, поскольку они не могут быть различимы экспериментально, существуют и используются разными людьми для интерпретации экспериментов.
Традиционный взгляд на квантовую механику, хотя он и пошатнулся со временем, состоит в том, что необходимо проводить четкое различие между классической и квантовой механикой. Прибор должен описываться классически, а квант описывает результаты измерения эксперимента. Затем фон Нейман попытался показать, что различие не обязательно должно быть четким и что вы можете включить аппарат в квантовое описание, но тогда оно само должно наблюдаться другим аппаратом, который должен быть описан классически. Вигнер утверждал, что эта регрессия квантового/классического разрыва может быть доведена до разума, поэтому к этим идеям привязывается много лжи, потому что они, кажется, оправдывают важность человеческого разума над чем-либо еще в мире.
Другие подходы утверждали, что, по крайней мере, нет различия между классическим и квантовым. Одним из них является Интерпретация многих миров, в которой утверждается, что суперпозиция состояний представляет реально реализованные состояния, но в разных вселенных. Другая интерпретация — бомовская или пилотная волна, в которой утверждается, что волновое уравнение описывает волну, которая направляет частицы. Затем к уравнению Шрёдингера добавляется дополнительное уравнение, чтобы показать, как происходит это управление. В обеих теориях нет необходимости говорить об измерении, по крайней мере, в более глубоком смысле, чем то, что делается в классической физике.
Вот неполный список интерпретаций квантовой механики.
Таким образом, в контексте копенгагенской интерпретации и парадигмы фон Неймана/Вигнера ответ на заглавный вопрос был бы да, есть разница между измерением и столкновением с другой частицей. В контексте интерпретаций Бома или MWI ответ будет отрицательным.
Как узнать результат эксперимента? Вы «наблюдаете» это.
Как вы на самом деле это делаете? Ну, своими глазами.
Как это работает? Фотоны, испускаемые или отражаемые поверхностью, поражают специальные молекулы в ваших глазах. Это приводит к сигналу, который передается в остальную часть вашего мозга.
Таким образом, фактическое наблюдение в конечном итоге происходит путем обмена фотонами. Теперь вы хотите наблюдать действительно маленькие частицы. Частицы настолько малы, что взаимодействие с фотоном фактически изменяет их.
Напрашивается вопрос, можно ли исследовать что-то вроде электрона, не ударив его фотоном или чем-то еще, что могло бы изменить его состояние. Это действительно тяжело. Так что в большинстве случаев наблюдение за чем-то действительно влияет на это.
Есть пара приемов, например, наблюдение за чем-то, что само по себе находится под влиянием частицы, которую вы хотите измерить (скажем, электрическое поле движущегося электрона может влиять на другую молекулу, и вы можете провести измерение на молекуле).
Но в конечном итоге все эти процессы основаны на резонансе. Если вы хотите что-то измерить, вы должны создать какой-то резонанс, а это всегда означает двустороннее взаимодействие на каком-то уровне.
Этот вопрос напоминает мне дзенский коан:
Что такое звук одной руки?
Согласно этому сайту (который также подробно описывает коан), если:
при ходьбе, стоянии, сидении и лежании вы прямо и без перерыва продолжаете изучение этого коана, вы внезапно вырвете кармический корень рождения и смерти и разрушите пещеру невежества.
... и/или понимать квантовую механику :-) Хорошо ... может быть, недостаточно хорошо для степени, но вы меня поняли ;)
все частицы являются суммами или продуктами взаимодействий других частиц, однако для порога наблюдений требуются столкновения с более высокой энергией.