Как возможно, что квантовые явления (например, суперпозиция) возможны, когда все квантовые частицы постоянно наблюдаются?

Разве частицы, из которых состоит это квантовое состояние, не взаимодействуют друг с другом? Почему это не приводит к краху государства?

У нас есть математическая модель для наблюдений за любой системой в микромире. Эта модель — квантовая механика, и ее предсказания неоднократно подтверждались экспериментально.

Наблюдаемые величины — это величины, которые мы можем измерить относительно частиц и полей в микромире. Главный постулат состоит в том, что каждой наблюдаемой соответствует квантово-механический оператор. Эти операторы входят в уравнения квантовой механики, решения которых при заданных граничных условиях описывают систему в микромире.

Это правда, что квантовая система постоянно взаимодействует внутри себя, как описано в квантовой модели, и могут быть непрерывные взаимодействия с границами, но взаимодействие не является синонимом измерения . Непрерывные взаимодействия находятся вне массовой оболочки, виртуальны и находятся в пределах квантово-механических решений определенных уровней энергии и разрешенных состояний и сохранения квантовых чисел. Это не измерения.

Разве не все частицы во Вселенной взаимодействуют с полем Хиггса, гравитонами и т. д.? Почему это не приводит к коллапсу каждого квантового состояния?

Коллапс — это причудливая терминология для измерения . Никто не измеряет непрерывные виртуальные обмены поля Хиггса, придающие массу элементарным частицам, как и гравитоны. На самом деле гравитоны — это гипотетические частицы, потому что мы никогда не измеряли их так, как мы измеряли фотоны. Также никто не измеряет виртуальные фотоны, которые удерживают электроны на своих энергетических уровнях вокруг ядра.

Основное заблуждение состоит в отождествлении «взаимодействия» с измерением. Измерение обязательно означает взаимодействие. Взаимодействие — это гораздо больше, чем измерение.

Ваш вопрос содержит ложное утверждение:

Если не ошибаюсь, под "наблюдаемым" мы понимаем взаимодействие с любой другой частицей

Вы ошибаетесь.

В разных интерпретациях квантовой механики определение «измерения» различно. Но я думаю, что будет достаточно, если я дам всего пять из которых вы сможете выбрать сами.

• В интерпретациях Копенгагена/фон Неймана коллапс волновой функции запускается наблюдателем. Этот человек обладает особым свойством, на которое не способен ни один другой объект во Вселенной. В копенгагенской интерпретации коллапс может быть инициирован любой системой, связанной с наблюдателем, включая измерительную аппаратуру и внешнюю среду (если наблюдатель не изолирован от нее). Все вещи можно условно разделить на наблюдаемую систему и измерительную систему так называемым «разрезом Гейзенберга» с единственным требованием, чтобы измерительная система включала наблюдателя.

• Интерпретация фон Неймана — крайний случай копенгагенской интерпретации, когда разрез Гейзенберга размещается как можно ближе к наблюдателю. Таким образом, даже части его мозга можно считать частью наблюдаемой системы. В интерпретации фон Неймана коллапс волновой функции происходит, когда наблюдатель чувствует, что какое-либо квалиа (чувство) зависит от измеренного значения.

• В интерпретации Бома коллапс волновой функции происходит, когда наблюдатель вносит в измеряемую систему некоторое возмущение, неизбежное при проведении измерения. Отличие измерения от любого другого взаимодействия состоит в том, что возмущение, вносимое измерением, заранее неизвестно. Это связано с тем, что начальные условия системы, содержащей наблюдателя, неизвестны. Другими словами, наблюдатель всегда содержит информацию, которая неизвестна и не может быть определена никакими средствами из-за проблемы самореференции. Томас Брейер назвал это явление «субъективной декогеренцией». Философы считают, что эта непредсказуемость системы, содержащей наблюдателя для самого себя, определяет свободу воли.

• В реляционной интерпретации коллапс происходит, когда взаимодействие влияет на окончательное измерение, выполняемое конечным наблюдателем универсальной волновой функции в бесконечном будущем. Таким образом, чтобы произошел коллапс, результат взаимодействия должен каким-то образом воздействовать на внешнюю среду, звезды и т. д. сейчас или в будущем, а не перекогерироваться и теряться.

• В многомировой интерпретации коллапс волновой функции никогда не происходит. Вместо этого то, что наблюдатель воспринимает как коллапс, является просто событием запутывания наблюдателя с наблюдаемой системой.

Прежде всего, давайте проясним кое-что об основных постулатах квантовой механики.

Один из постулатов состоит в том, что все измеримые величины в квантовой системе математически представлены так называемыми наблюдаемыми. Таким образом, наблюдаемая является математическим объектом, точнее, реальным линейным оператором, чьи «собственные состояния» образуют полный набор. По существу это означает, что любое квантовое состояние может быть выражено как линейная комбинация этих собственных состояний наблюдаемого.

Простым примером наблюдаемой величины является оператор спина. Если мы применим постулат к этому случаю, это просто означает, что любое спиновое состояние может быть выражено как комбинация собственных состояний спинового оператора. Например, если мы говорим о спине электрона, то собственными состояниями являются «спин вверх» и «спин вниз» (наивно можно было бы думать, что электрон вращается против часовой стрелки или по часовой стрелке соответственно). Таким образом, любое состояние вращения можно рассматривать как линейную комбинацию этих состояний вращения вверх и вниз.

Теперь, когда мы проводим измерение спина конкретного электрона, мы узнаем, каков спин электрона в этот момент. Другой постулат гласит, что единственным возможным результатом такого измерения является собственное состояние. Таким образом, единственные возможные результаты измерения спина электрона — либо его спин вверх, либо спин вниз. Таким образом, после этого измерения мы знаем, что электрон имеет один из этих спинов, его предыдущее спиновое состояние «схлопнулось» в одно из этих состояний.

Есть и другие постулаты, которые точно говорят нам, как состояние квантовой системы меняется со временем. Поэтому, если мы немного подождем после того, как измерим спиновое состояние электрона, его спиновое состояние могло измениться, если, например, он взаимодействует с какой-то другой частицей. Таким образом, используя законы квантовой механики, мы можем вычислить вероятности измерения скорости вращения вверх или вниз в более позднее время.

Таким образом, квантовая механика на самом деле ничего не говорит о постоянном наблюдении квантовых состояний или вообще о наблюдении отдельно от измерения, если уж на то пошло. Он касается только измерений состояний и эволюции состояний во времени.

Итак, чтобы объяснить ваш конкретный вопрос с точки зрения квантовой механики, скажем, что у нас есть сложная квантовая система, состоящая из многих частей (частиц, полей и т. д.). Мы можем измерить некоторые свойства этой системы с самого начала, предоставив нам конкретное начальное состояние системы. Затем эти различные части системы могут продолжать взаимодействовать друг с другом и эволюционировать по законам квантовой механики в какое-то новое состояние (то есть по уравнению Шредингера или Дирака, или по уравнениям какой-либо квантовой теории поля и т. д.). После этого мы можем провести новые измерения и, в принципе, точно рассчитать вероятности различных возможных исходов каждого из этих измерений. Однако, когда мы проводим эти новые измерения, вероятности перестают быть вероятностями, и мы получаем новое определенное состояние, предыдущее.

Так что, возможно, я не ответил на два ваших конкретных вопроса, но, надеюсь, я прояснил некоторые моменты в квантовой механике, так что теперь вы можете увидеть недостатки, присущие этим вопросам.

Я просто хочу добавить кое-что к правильному ответу @annav с практическим примером из базовой квантовой теории поля. Представьте себе процесс частиц с$2$исходные частицы и$2$конечные частицы, у вас есть некоторое начальное состояние (скажем, при t=$-\infty$), который$|i\rangle =|1\rangle |2\rangle$, куда$|1\rangle$а также$|2\rangle$состояния (при t=$-\infty$) исходных частиц. Это начальное состояние$|i\rangle$имеет унитарную эволюцию.

На практике нетривиальная часть этой эволюции связана с обменом «виртуальными частицами» (например, вы можете представить, как два начальных электрона обмениваются «виртуальным фотоном», или первоначальный левый электрон и первоначальный правый электрон обмениваются «виртуальный Хиггс»)

Теперь исходное состояние$|i\rangle$развивается, поэтому в$t = +\infty$, конечное состояние можно записать$|f\rangle = \sum\limits_{k,l} A_{1,2;k,l}|k\rangle |l\rangle$, куда$|k\rangle$а также$|l\rangle$представляют некоторое возможное состояние конечных частиц.

До сих пор вы видите, что происходит (унитарная) эволюция благодаря взаимодействию, но нет «коллапса».$A_{1,2;k,l}$, в приведенном выше выражении — это просто амплитуда вероятности найти конечные частицы в состоянии$|k\rangle |l\rangle$, полагая исходные частицы в состоянии$|1\rangle |2\rangle$.

Однако если провести измерение (при t=$+\infty$), у вас будет "коллапс", и вы найдете конечное состояние$|k\rangle |l\rangle$с вероятностью$|A_{1,2;k,l}|^2$

Другой интересный момент заключается в том, что, рассматривая здесь простую квантовую механику, взаимодействия между частицей и измерительным прибором могут проявляться запутанностью. Мы можем рассмотреть пример двухщелевого эксперимента с фотонами. Без какой-либо измерительной аппаратуры общее состояние равно$|\psi\rangle = |\psi_L\rangle + |\psi_R \rangle$, куда$L$а также$R$представляют две щели. Если вы принесете с собой измерительный прибор, потенциально способный определить, какая щель использовалась для фотона, но без явного измерения, новое состояние будет ;

$|\psi'\rangle = |\psi_L\rangle |M_L \rangle + |\psi_R \rangle |M_R \rangle$, куда$|M_R\rangle$а также$|M_L\rangle$состояния измерительной аппаратуры, которые являются квазиортогональными ($\langle M_R|M_L\rangle = 0$). Это состояние перед измерением, мы видим, что существует запутанность между состояниями частицы и состояниями измерительного прибора. Поскольку состояния аппарата ортогональны, это разрушает интерференционную картину. Теперь вы действительно можете выполнить измерение, в этом случае вы явно определяете, какая щель использовалась фотоном. После этого конечное состояние будет$|\psi''\rangle = |\psi_L\rangle |M_L \rangle$, если$L$щелевой путь обнаружен. Более правильные модели включали бы фактически запутанные (до измерения) состояния между частицей, измерительным прибором и окружающей средой.$\sum\limits_i |\psi_i\rangle |M_i \rangle |E_i \rangle$.