Как на практике «наблюдатель» коллапсирует волновую функцию?

Я читал/узнавал об эксперименте с двумя щелями, его последствиях для квантовой теории и о том, как он объясняет, что «частицы» могут вести себя и как волны, и как частицы.

Я знаю, что волновая функция — это вероятность местоположения частицы, и что попадание электронов через двойные щели вызывает интерференционную картину, связанную с множественными волнами. Это, хотя и не имеет интуитивного смысла (по отношению к тому, как что-либо может существовать даже в виде волны), я могу проследить.

Однако я читал/слышал, что «наблюдатель» сворачивает волновую функцию в одну точку. Именно это заставило электроны фактически появиться на стене за щелью; однако Фейнман (по общему признанию, в качестве мысленного эксперимента) предположил, что размещение «наблюдателя» перед щелями заставит электроны пролетать как частицы и не оставлять интерференционной картины на задней стенке.

Что такое «наблюдатель»? Как и почему электрон «узнает», что за ним наблюдают, и поэтому заставит его изменить свое поведение?

Тема декогеренции может вас заинтересовать. en.wikipedia.org/wiki/Quantum_decoherence По сути, можно сказать, что «коллапс» происходит, когда электрон запутывается в измерительном устройстве. Поскольку измерительный прибор чрезвычайно запутан с окружающей средой (молекулы воздуха и т. д.), все ожидаемые значения с этого момента будут казаться классическими. Эта книга может быть слишком продвинутой, но «Декогеренция» Шлоссхауэра дает очень хорошее описание.
Как сказал my2cts, «коллапс волновой функции возможен только в головах физиков». Мало того, никто не может физически описать, что такое световая волна. Любые световые явления можно вывести с помощью теории частиц. Что такое световая волна, как не миллиарды когерентных фотонов? ? Вместо запутанности нужен термин корреляция. Вы можете не только соотнести частицы, но и описать, как это сделать. Что такое запутанность, если не корреляция??
по отношению к тому, как что-либо может существовать даже в виде волны. Электрон ≠ волновая функция
Небольшая поправка: «Я знаю, что волновая функция — это вероятность местоположения частицы» — это неверно. Волновая функция — это амплитуда вероятности (см. этот пост ), которая не совпадает с плотностью вероятности (также называемой распределением, с которой вы обычно сталкиваетесь на базовом курсе вероятностей). Чтобы получить фактическую вероятность (плотность), вам нужен квадрат модуля волновой функции ( а именно , правило Борна).
Наблюдение по своей сути является взаимодействием . Это сбивает людей с толку, потому что мы инстинктивно думаем о «наблюдении» за чем-то как о способе «смотреть» на систему, чтобы получать от нее информацию на расстоянии, не взаимодействуя с ней. На квантовом уровне это понятие разделения исчезает, и часть наблюдения, связанная с взаимодействием, становится настолько значимой, что становится неспособной не изменять состояние наблюдаемого объекта.

Ответы (6)

Другие ответы здесь, хотя и технически правильные, могут быть представлены не на уровне, соответствующем вашему кажущемуся фону.

Когда электрон взаимодействует с любой другой системой таким образом, что поведение другой системы зависит от поведения электрона (например, он записывает одно, если электрон пошел налево, и другое, если он пошел направо), тогда электрон больше не имеет волновой функции. свое собственное: система электрон + «детектор» имеет совместное состояние. Двое запутались .

Электрон не должен ничего «знать». Результатом простого физического взаимодействия является вектор состояния, который по законам квантовой механики исключает вмешательство любой из подсистем этой более крупной системы. Тем не менее, совместное состояние само по себе может демонстрировать своего рода «эффект интерференции» (хотя и не тот, о котором вы обычно думаете в эксперименте с двумя щелями).

Если эта запутанность хорошо контролируется (как в лаборатории), то (а) демонстрация этой «совместной интерференции» может быть практичной, и (б) также возможно устранение запутанности, таким образом восстанавливая единственную суперпозицию электрона. Вот откуда мы знаем, что он не «рухнул».

Но если запутанность вызвана блуждающими фотонами, молекулами воздуха и т. д., то всякая надежда управлять ими почти сразу же рушится, и мы уже не можем демонстрировать интерференцию на практике. С этого момента система будет вести себя как классическая, с независимым развитием различных ветвей. Этот факт называется декогеренцией . Суперпозиция еще не «разрушилась», но у нас больше нет возможности показать или использовать суперпозицию.

Вы можете заметить, что это все еще оставляет открытым ключевой вопрос: когда множество ветвей станут одной? Это называется проблемой измерения , и физики даже сегодня не согласны с ответом.

Насколько я понимаю, нет никакого способа «телепатически» измерить что-то об электроне. Нам либо нужно оттолкнуть от него другой электрон (или протон, или что-то еще), или, возможно, мы можем заставить что-то воздействовать на его электрическое поле — но на электрон в равной степени будет воздействовать поле измерительного устройства. Другими словами, чтобы измерить электрон, мы вынуждены его возмущать. И вот тогда происходит «крах». То есть «наблюдение».
В макромире мы можем наблюдать за вещами без (заметного) воздействия на них, потому что есть крошечные вещи (фотоны), которые могут отражаться от больших вещей, не оказывая на них существенного влияния. Но когда мы вступаем в квантовую сферу, нет ничего меньшего, потому что квантовые частицы уже (по определению) являются самыми маленькими вещами из существующих.
@A_P Было бы здорово, если бы вы могли рассказать, почему отрицательные результаты или результаты без взаимодействия, такие как результаты Реннингера, одинаково эффективны для сведения волновой функции к классическим значениям.
@JPattarini Спасибо, что упомянули об этом. Отсутствие события обнаружения может быть столь же красноречивым, как и его наличие . В мысленном эксперименте Реннингера волновая функция сводится не к точке, а к полусфере траекторий, где она не была обнаружена. Простой способ понять все это состоит в том, что всякий раз, когда информация о состоянии получена, это представляет собой запутанность. И ясно, что иногда информация может поступать негативным образом. Вместо того, чтобы нас «вынуждали потревожить», здесь мы попытались и в каком-то смысле потерпели неудачу. Но попытки было достаточно.
@A_P Я думаю, мне придется опубликовать отдельный вопрос по этому поводу, но кажется, что если отрицательного результата детектора достаточно для обновления волновой функции, то мы должны увидеть эффекты квантового Зенона в любой установке, подобной Реннингеру. По сути, если обнаружение и необнаружение являются измерениями в равной степени, создается впечатление, что эволюция состояния вряд ли вообще должна происходить.
@JPattarini Еще один вопрос - хорошая идея. Я не физик. Но как вы думаете, почему мы увидим квантовый эффект Зенона? Есть только один детектор на фиксированном расстоянии, ответственный за частичный коллапс. Кроме того, государство все еще развивается ; это просто не является связной суперпозицией.
Если мы позволим Д + средние состояния детектора, где было обнаружение и Д − где не было , то | ψ ⟩ эволюционирует в | Д + ⟩ ⊗ | ψ 1 ⟩ + | Д − ⟩ ⊗ | ψ 2 ⟩ , где | ψ 2 ⟩ является суперпозицией собственных состояний положения. Они все еще могут мешать друг другу; они просто не могли вмешиваться ни в | ψ 1 ⟩ состояний (игнорируя тот факт, что частица все равно была поглощена на этой ветви).
@A_P Боюсь, мне тоже нужно упрощенное объяснение, но я смотрю много научных лекций. Как ваш ответ согласуется / противоречит «многомировой» интерпретации квантовой механики?
@JackR.Woods Мы называем суперпозицию декогерентной , когда она выходит за рамки нашей способности управлять (или обнаруживать). Поскольку крайне маловероятно, что ветви суперпозиции будут пересекаться дальше этой точки, некоторые люди любят говорить, что мы должны называть их «разными мирами». Но не происходит никакого особого события, которое могло бы обозначить четкую границу, поэтому я чувствую, что это немного глупо. Почему «практически невозможное для современного человека обратить вспять» должно быть границей сотворения мира? (продолжение)
Пещерные люди не могли обнаружить даже суперпозицию одной частицы, а каждая частица находится в такой суперпозиции, если рассматривать ее в какой-то основе. Означает ли это, что каждая частица тогда находилась в «двух мирах»? Конечно, нет. Кроме того, многие ошибочно полагают, что когда миры разветвляются, получается один результат. Это неправда. Все возможности остаются, даже если они не мешают. Только когда все это переплетается с вами , происходит что-то особенное (с вашей точки зрения). Опять же, я просто никто, поэтому, наверное, лучше читать "экспертов".

Коллапс волновой функции является особенностью Копенгагенской интерпретации, которая является одной из интерпретаций квантовой механики. Это не единственный. В наши дни люди почти не говорят об интерпретациях квантовой механики. Они больше говорят о декогеренции. Одной из вещей, которая всегда неудовлетворительна в КИ, было то, что он никогда не определял, что подразумевается под такими терминами, как «наблюдатель» и «измерение».

Более естественный способ думать об этом — с точки зрения декогеренции. Когда квантово-механическая система взаимодействует с окружающей средой, ее фазовая информация имеет тенденцию к зашифровыванию. Декогеренция — это теория, которая позволяет нам вычислять такого рода вещи и, например, находить шкалу времени, в которой эта фазовая информация теряется. Когда окружающая среда является большой вещью с большим количеством энергии, шкала времени для декогеренции очень коротка. Когда люди говорят о наблюдателях и измерениях, они имеют в виду объекты настолько большие и содержащие столько энергии, что эта временная шкала намного короче любой другой временной шкалы в задаче, и поэтому имеет смысл рассматривать ее как мгновенный коллапс, как в КИ.

кроме того, декогеренция не отображает суперпозиции в собственные функции, а чистые состояния — в смешанные, которые можно интерпретировать как «классические» распределения вероятностей: декогеренция сама по себе не касается отдельных измерений.
@Ben Crowell Как декогеренция объясняет частичный коллапс волновой функции в установке Реннингера?

Коллапс волновой функции происходит только в голове физика.

Мы имеем дело с запутанностью волновых функций электрона и детектора. В задаче о двух щелях мы можем записать волновую функцию электрона как ψ л + ψ р . Детектор имеет два ортогональных состояния, л и р . Если нет детектора, у нас есть помехи. Если он есть и если он различает две возможности со 100% уверенностью, то волновая функция должна быть ψ л л + ψ р р . Это запутанное состояние, в котором интерференция отсутствует, т.к. ⟨ ψ л л | ψ р р ⟩

"=" ⟨ ψ л | ψ р ⟩ ⟨ л | р ⟩ "=" 0 .

Обрушения не происходит, разве что во время установки извещателя.

В первые годы квантовой теории доминировала школа мысли, известная как копенгагенская интерпретация.

Согласно этой школе мысли, волновая функция частицы может претерпевать мгновенные изменения при измерении некоторого свойства частицы. Предполагалось, что акт измерения вызывает изменение (которое иногда называют «коллапсом» волновой функции). Итак, краткий ответ на ваш вопрос, согласно Копенгагенской школе, заключается в том, что наблюдатель вызывает коллапс волновой функции, производя измерения. Например, если фотон взаимодействует с фотопластинкой, создавая темное пятно, положение фотона внезапно локализуется.

Многие физики выдвинули возражения против этой интерпретации по трем основным причинам. Во-первых, коллапс кажется мгновенным, без какой-либо поддерживающей теории о том, что его опосредует или запускает. Во-вторых, «измерение» — это просто взаимодействие между частицей и какой-то другой частицей, которая оказывается частью измерительного прибора. И, в-третьих, сам измерительный прибор представляет собой просто набор частиц с волновыми функциями, так почему же он не должен подвергаться таким же прерывистым изменениям вместе с измеряемым им объектом?

Эти возражения до сих пор полностью не разрешены. Было предложено много резолюций, и у каждой есть свои сторонники и противники.

Фотон представляет собой пакет электромагнитных волн или связан с ним. Его энергию можно представить как воплощенную в плотности энергии электрического и магнитного полей. Волновая функция описывает этот волновой пакет. Наблюдение за фотоном обычно означает, что он был захвачен (как в ПЗС-матрице или на кусочке пленки). При захвате фотон передает свою энергию улавливающему устройству, и волна исчезает. Функциям нечего описывать.

Студентов-физиков учат следующим трем вещам: 1) Волновая функция — это функция плотности вероятности, бесконечная по размеру, которая служит полезной фикцией, позволяя нам вычислять свойства частицы. 2) Коллапс волновой функции — это реальное событие, не выдуманное событие, инициированное чем-то внешним по отношению к конкретной рассматриваемой волновой функции. 3) Физики имеют некоторое представление о том, что происходит во Вселенной, поэтому мы должны относиться к ним серьезно.

Ясно, что одна из этих трех вещей должна быть удалена.

Первые два утверждения неверны. Кто учит этому?
Как на практике «наблюдатель» коллапсирует волновую функцию?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v