Насколько я понимаю квантовую механику, когда наблюдается волновая функция, она мгновенно коллапсирует в одно состояние (или, по крайней мере, в течение планковского времени). Есть ли причина, по которой это не должно занимать времени? Можно ли ненадолго понаблюдать за ним в другом состоянии, прежде чем он перейдет в свернутое состояние?
Важно помнить, что квантовая механика — это инструмент, который мы используем для описания мира — это не то же самое, что мир. Как бы мы ни любили говорить о волновых функциях, совсем не ясно, существует ли волновая функция. Такие вопросы, как «может ли волновая функция коллапсировать мгновенно?» выделить это.
Давайте рассмотрим конкретный пример, в котором полезны и нерелятивистская квантовая механика, и копенгагенская вероятностная интерпретация волновой функции: нейтронный интерферометр. Фундаментальная квантово-механическая особенность любого интерферометра заключается в том, что падающие частицы идут двумя путями к одному и тому же месту назначения, что можно продемонстрировать с помощью эффектов интерференции. Нейтронные интерферометры имеют педагогическое преимущество, заключающееся в том, что в каждой существующей реализации количество нейтронов в интерферометре одновременно всегда равно нулю или единице.
Нейтрон в интерферометре имеет собственный (сильного взаимодействия) радиус около фемтометра. Его волновой вектор вдоль направления движения характеризуется длиной волны де Бройля, обычно составляющей несколько ангстрем. Перпендикулярно направлению его движения, в срезе через середину интерферометра, распределение вероятностей нейтрона соответствует двухямному потенциалу: нейтрон может находиться в том или ином плече интерферометра, но не в середине. Запретная середина может быть макроскопической. В нейтронном интерферометре это сантиметры. (В оптических интерферометрах LIGO путь каждого лазера составляет несколько километров, и вероятность обнаружения лазерного фотона в болотах Луизианы вне вакуумной системы равна нулю.)
Вы можете установить эту волновую функцию нейтрона, решив уравнение Шредингера,
для трехмерного потенциала . Ваш потенциал должен соответствовать материалу, из которого состоит интерферометр (решетка ядер кремния), плюс любой «образец», присутствующий в одном из плеч, плюс, оканчивающийся где-то вверх по течению, двумерный бесконечный колодец, чтобы объяснить, что нейтроны не могут возникнуть из вне линии луча. Решение этого уравнения дает вероятности того, что нейтроны будут наблюдаться в каждом из детекторов ниже по потоку от интерферометра, и предсказывает, как эти вероятности изменятся, если «выборка» будет скорректирована. Эксперимент с интерферометром измеряет эти вероятности, подсчитывая множество нейтронов на этих детекторах, расположенных ниже по потоку, затем настраивая образец и измеряя новые распределения.
Когда мы говорим, что «наблюдение коллапсирует волновую функцию», мы обычно имеем в виду следующее: если бы мы поместили детекторы внутрь интерферометра, где мы продемонстрировали, что один и тот же нейтрон движется по обоим путям, мы бы никогда не наблюдали один и тот же нейтрон, «классически обнаруживаемый» в обеих руках. Даже в том случае, когда возможности обнаружения пространственно разнесены, так что теория относительности предполагает, что они не могут влиять друг на друга, вероятность «обнаружения» одного и того же нейтрона в обоих плечах равна нулю. Таким образом, Копенгагенская интерпретация вносит специальную поправку, чтобы объяснить это, вводя идею коллапса. Есть некоторые виды взаимодействий, которые изменяют волновую функцию «мгновенно», используя механизм, который будет разработан позже.
Книги по поп-науке делают много шума из мгновенного коллапса, потому что в теории относительности ничто не происходит мгновенно. Это немного глупо, потому что уравнение Шрёдингера нерелятивистское.
Ранний намек на выход из этой загадки дал Мотт, 1929 ( см. также ): если события обнаружения также являются квантово-механическими, поведение «классических» измерений становится вопросом коррелированных вероятностей. Было проведено огромное количество исследований по этому вопросу, особенно за последние двадцать лет, с использованием релятивистской квантовой механики, «слабых измерений» и подлых слухов о запутанности. В настоящее время у вас есть другой ответ, который ссылается на две статьи за 2019 и 2020 годы и предполагает, что тайна в основном была раскрыта из этой исторической головоломки.
Квантовая система всегда находится в одном состоянии, но это не означает, что с волновой функцией что-то «произошло». Это просто точка зрения.
Замените кота Шредингера на ученого, наблюдающего за счетчиком Гейгера. Для «настоящего» ученого вне коробки ученый в коробке находится в суперпозиции двух состояний: в одной возможности он наблюдал атомный распад. В другой возможности у него нет.
В обоих возможных состояниях внутренний ученый наблюдал, что атом находится в том или ином состоянии, но, по мнению внешнего ученого, на самом деле ничего не происходило.
Когда внешний ученый откроет коробку и спросит: «Атом распался?», ситуация разрешится с его точки зрения... но он не знает, находится ли он в большей коробке или нет.
Понятие «коллапс» на самом деле просто ограничивает способы, которыми состояние наблюдателя связано с состоянием того, что он наблюдал.
Коллапс не мгновенный. Скорее, это происходит в течение конечного времени и по (разумно, по крайней мере, в принципе) хорошо понятной динамике. В этой статье они наблюдают за траекторией квантового скачка из-за измерения, делая снимки в разное время.
Кроме того, квантовый переход из одного состояния в другое может быть обнаружен до того, как он завершится, и детерминистически обращен вспять — как показано в этом исследовании , где они достигли этого, наблюдая за населенностью третьего состояния, связанного с одним из двух других. Этот метод может быть полезен в будущем для квантовой коррекции ошибок.
Другой вопрос, который может возникнуть, - насколько удивителен этот результат? Изменит ли это наше понимание квантовой механики? Ответ - нет, так как ответ на этот вопрос с наибольшим количеством голосов объясняет очень хорошо и надежно.
Биофизик
Тлинк
тонон