Я не вижу никаких проблем с коллапсом измерения/волновой функции в квантовой механике.

Информация о частице содержится в векторе единичной нормы, называемом волновой функцией. Один из постулатов гласит, что эта волновая функция должна эволюционировать со временем по мере того, как частица взаимодействует с другими частицами (находясь в потенциальном поле, создаваемом другими частицами).

Измерение переменной состояния, такой как положение, эквивалентно взаимодействию частицы с измерительным устройством, специально разработанным для изменения волновой функции частицы в одно из собственных состояний положения.

Так что никакого особого явления вроде «коллапса волновой функции» не существует. Измерение — это всего лишь пример взаимодействия, т. е. взаимодействия, которое переводит волновую функцию в собственное состояние измеряемой переменной. Волновая функция не коллапсирует и не перестает существовать после измерения. Волновая функция, как обычно, эволюционирует во времени.

Я часто вижу предлагаемые объяснения коллапса волновой функции (я помню декогеренцию). О чем все это? «Коллапс» кажется обычной эволюцией волновой функции. Кто-нибудь может объяснить, почему коллапс такой загадочный?

может эта ветка поможет? физика.stackexchange.com/q/27
Разница между pou, описывающим язык «коллапса», заключается в том, что вы описываете волновую функцию в (x, y, z, t), а коллапс говорит только о волновых функциях как (x, y, z), т. е. полное решение для точных граничных условий. Каждое новое граничное условие — это «коллапс». Согласен, глупый термин, волновая функция — это математическая формула, а не воздушный шарик в космосе.
@annav, но даже тогда проблема остается: когда вы вводите новые граничные условия?
«Коллапс» кажется обычной эволюцией волновой функции — нет. Эволюция во времени волновой функции в квантовой механике унитарна, а «коллапс» — нет .
Другой способ сформулировать комментарий Якоба таков: временная эволюция волновой функции описывается уравнением Шрёдингера, а «коллапс» — нет. Не существует математического уравнения, описывающего это. Пример: как бы вы ожидали, что такое уравнение будет выглядеть для описания коллапса состояния суперпозиции со спином вверх и вниз к одному из (совершенно случайных!) Результатов любого состояния со спином вверх или вниз.
@Andrea Мы говорим о моделировании данных с помощью математики, поэтому граничные условия определяются конкретной наблюдаемой системой, для которой мы используем волновую функцию для ее моделирования. Волновые функции меняются в зависимости от граничных условий, не так ли?
@HartmutBraun Да, теперь я вижу эту проблему. Эта проблема существует только для дискретных операторов? Собственные состояния оператора непрерывного положения в любом случае не являются физическими, поэтому волновая функция никогда не может коллапсировать точно в собственное состояние положения (но только сколь угодно близко к нему).
@EggMan учитывает положение частицы. Начиная с волновой функции, описывающей довольно удачно расположенное положение (отверстие в экране), эволюция во времени (в точности описанная Шредингером) может привести ко все более и более «расплывчатой» волновой функции, описывающей не очень хорошо -расположенная частица. Затем, когда вы измеряете положение частицы, например, позволяя ей попасть в датчик камеры, она снова схлопнется в хорошо расположенную волновую функцию, но случайным образом где-то на датчике. И снова для этого коллапса не существует подходящей математической модели. (Все, cum grano salis , пожалуйста)
@annav Если я правильно понимаю, вы говорите о рисовании (мысленной) линии вокруг системы и говорите, что все, что находится внутри линии, ведет себя в соответствии с уравнением Шредингера с граничными условиями, наложенными, ну, на границу. Это, безусловно, способ решения проблемы измерения, возможно, тот, который большинство людей использует на практике, но он не беспроблемный. Как тогда ведет себя остальной мир? Кроме того, мы знаем, что можем сдвинуть эту воображаемую линию: мы можем (или должны) включить детекторы в описание КМ, но если мы этого не сделаем, мы все равно получим правильные результаты.
@Andrea Граничные условия очень специфичны для конкретной проблемы, числа, которые вводятся для выбора решений уравнений, а не граница между QM и CM. simscale.com/docs/simwiki/numerics-background/… .Кто знает, нужна ли квантовая механика для взаимодействия из измерений или невозможности классического описания больших систем, как сверхполноты и сверхпроводимости.
@annav Я согласен, я не понимаю, как это приближает нас к ответу «что происходит, когда фотон с круговой поляризацией попадает в поляризационный светоделитель?» Когда вы вводите граничные условия?
Начнем с того, что фотоны не имеют круговой поляризации. см. физику.stackexchange.com/ questions/377667/ … . Нужно указать точные размеры светоделителя и попытаться решить дифференциальное уравнение для «Фотон данного спина взаимодействует с данным полем данного светоделителя». Конечно, этого не делается, поскольку используются качественные аргументы.

Ответы (11)

Коллапс становится «таинственным», как только вы понимаете, что:

  1. Все вещи, включая лабораторное оборудование, возможно, состоят из атомов, которые должны удовлетворять требованиям квантовой механики.
  2. Невозможно разработать взаимодействие между квантовыми системами, которое автоматически приводит к отправке «волновой функции частицы в одно из собственных состояний положения». В лучшем случае вы можете получить то, что ваша частица и ваш аппарат запутаются. Это результат унитарной эволюции.

У вас есть (очень, очень широко) два решения. Либо вы решите, что существуют специальные физические системы, называемые «измерительными приборами», которые подчиняются другим законам эволюции, чем остальные квантовые системы. Или вы говорите: «Все может идти в суперпозиции». Оба варианта странные, отсюда и «проблема» и бесконечные споры о трактовках.

[ Изменить, чтобы включить комментарий @MikeScott ]
Существует третий вариант, а именно сказать, что «квантовая механика неполна, должна быть лучшая теория, описывающая то, что на самом деле происходит». Этот вариант тоже приводит к странностям, а потому не ставит точку в бесконечных спорах.

Второй вариант лежит в основе многомировой интерпретации. Если вам интересно, прочитайте стр. 37 и далее на сайте users.ox.ac.uk/~lina0174/introduction.pdf .
Ага. И это не странно.
@Andrea Есть третий вариант, который в целом заключается в том, что существуют скрытые переменные, которые не учитывают локальность (но учитывают причинно-следственную связь). Это интерпретация пилотной волны Бома.
Первый вариант явно абсурден.
@R..GitHubSTOPHELPINGICE Настолько очевидно, что сообщество физиков спорит об этом уже около ста лет :)
@ConnorBehan Я полагаю, странно это или нет, субъективно, но держу пари, что подавляющее большинство людей не согласятся с вами.
@R.. GitHub ПРЕКРАЩАЕТ ПОМОЧЬ ICE: Это может показаться абсурдным, но, по крайней мере, теоретически это можно проверить, что делает его надежной наукой.
@The_Sympathizer: концепция «коллапса волновой функции» как чего-то, что «происходит» при «измерении», по своей сути не поддается проверке. Это так же ненаучно, как высказывание «Бог выбирает, что происходит» — не противоречит, но не подлежит научному исследованию. Вот почему копенгагенская интерпретация — это интерпретация , а не теория.
«Ваша частица и человек-наблюдатель и все, кого они пытаются сообщить о своем результате, чтобы запутаться» недостаточно хороши?
Откуда берутся эти результаты: «Невозможно спроектировать взаимодействие между квантовыми системами, которое автоматически приводит к отправке «волновой функции частицы в одно из собственных состояний положения»? Есть ли математические результаты по этому поводу? В частности, в С точки зрения декогеренции было бы достаточно, чтобы частица «почти наверняка» находилась в своем собственном состоянии, чтобы мы видели это как проекцию… так что даже унитарная эволюция могла бы в некотором масштабе привести к приблизительному коллапсу, верно?
@ LL3.14 Декогеренция не приводит суперпозицию к собственному состоянию (даже приблизительно). Декогеренция переводит чистое состояние, являющееся суперпозицией собственных состояний, в смешанное состояние, которое воспроизводит статистику (классической) вероятностной смеси этих собственных состояний. Это убивает интерференционные эффекты и заставляет систему вести себя так, как если бы волновая функция схлопнулась. Но волновая функция никогда не коллапсирует! В частности, система+среда все еще находятся в суперпозиции чистого состояния.
@ LL3.14 С точки зрения невозможности, это следствие унитарной эволюции линейности. Эскиз. Вам нужна эволюция системы+аппарата, которая | | р е а д у | ты п и | | р е а д у | д о ш н . Но тогда эта эволюция подразумевает, что ( α | + β | ) | р е а д у α | ты п + β | д о ш н Если это не имеет смысла, предлагаю вам задать вопрос по этому поводу,

Я думаю, что тайна отчасти связана с копенгагенской интерпретацией, впоследствии систематизированной фон Нейманом, согласно которой волновая функция частицы при измерении некоторого наблюдаемого свойства частицы переключается на одну из собственных функций этой наблюдаемой. Не было никакого связанного объяснения того, как это переключение происходило непрерывным образом — просто предполагалось, что это произошло.

Как и вы, я часто считал, что измерение — это просто тип взаимодействия между частицами, а так называемый коллапс — результат моделирования таких взаимодействий с помощью чрезмерно упрощенных гамильтонианов, в которых предполагается некоторая потенциальная функция, которая маскирует лежащую в основе сложность взаимодействия между наблюдаемой частицей и частицами, из которых состоит измерительное устройство.

Тем не менее, этот принцип кажется странным, если рассматривать крайние примеры. Возьмем в качестве мысленного эксперимента устройство с двумя щелями в открытом космосе, в котором детектирующий экран находится на расстоянии пяти световых лет от щелей. Если электрон выстреливается через щели, его волновая функция, в соответствии со стандартной интерпретацией, распространяется по огромной области пространства, но когда пять лет спустя электрон, в конце концов, попадает на детекторный экран, его волновая функция мгновенно становится сильно локализованным волновым пакетом. . Мне все еще кажется, что это довольно трудно принять.

Последний абзац не кажется мне трудным для понимания (вероятно, потому, что я только начал с этой темы). Не можем ли мы определить детектирующее взаимодействие как «столкновение» с фотоном с очень большим импульсом? Это взаимодействие кажется мне драматичным, поэтому я могу признать, что оно резко меняет волновую функцию.
Последний абзац не является правильным описанием эксперимента с двумя щелями длиной 5 световых лет, потому что он относится к «волновой функции электрона». Существует только совместная волновая функция электрона и детектора, и она никогда не становится более локализованной, а только более коррелированной.
@КоннорБехан. Суть копенгагенской интерпретации в том, что она отрицает то, что вы сказали, и рассматривает детектирующий экран как «измерительное устройство», которое каким-то образом остается в стороне от того, что происходит на квантовом уровне.
Отвечая на @EggMan, неприемлемым для меня аспектом является не то, что волновая функция изменяется в примере, который я привел, а то, что копенгагенская интерпретация заключается в том, что волновая функция мгновенно меняется от равномерного распространения через область в несколько кубических световых лет к тому, чтобы быть резкий пик в микроскопической области внутри детектора.
О, значит, это было причиной того, что копенгагенскую интерпретацию трудно принять. Тогда я полностью согласен.
@ConnorBehan Привет, Коннор, если тебе нравится асинхронный чат об этом, дай мне знать. У меня есть докторская степень в области теоретической физики, и я хотел бы сотрудничать в разработке некоторых мысленных экспериментов в этой области.
Это не отвечает на вопрос ОП, в частности, может ли тип взаимодействия, описываемый ОП, моделировать процесс измерения без коллапса. Ответ заключается в том, что не может.

Я думаю, что другие ответы довольно сложны.

Выполнение двух последовательных измерений спина всегда дает один и тот же результат. Это явная причина, по которой мы коллапсируем волновую функцию, чтобы после первого измерения волновая функция отражала правильную статистику с учетом всей макроскопической информации. Если вы хотите, чтобы WF всегда давал правильную статистику для частицы, это единственный способ в копенгагенской QM.

Спин был просто примером.

Мне не ясно, имеет ли смысл «коллапс волновой функции» даже в «Копенгагенской интерпретации».

Эта точка зрения представлена ​​в канонической ссылке [1] (которую иногда называют наиболее близким разъяснением взглядов Бора, например в [4]), которую я для удобства резюмирую ниже. См. [1] для более подробной информации. Надеюсь, из моего резюме станет ясно, что, за исключением очень ограниченного (и фактически тривиального) смысла, обсуждаемого ниже, «коллапс» на самом деле относится к идеализированному коллапсу, который в действительности никогда не происходит .

В известной статье Белла [4] специально «критикуются» некоторые отрывки, которые я опишу ниже, в том смысле, что они адекватно отражают неполноту стандартной квантовой механики, которой он не удовлетворен (и он говорит о «прыжках», которые просто не кажется правильным, судите сами), так что можно видеть, насколько авторитетна точка зрения в [1] даже для ее известных критиков. Некоторые дополнительные комментарии по этому подходу можно найти в литературе, например, в [2], стр. 12.

Чтобы увидеть, что на самом деле означает «коллапс», мы должны изучить теоретическое описание того, что означает реальное измерение в квантовой механике, как описано в [1], в частности, в разделе 7. (Обоснование того, почему это подход к измерению , они берутся, приведены в предыдущих разделах 1, 2 и 6 - я бы отвлекся, если бы начал оправдывать все это, например, почему неизбежно, что мы должны предполагать существование классических объектов, поэтому, пожалуйста, обратитесь к [1] ​​для этого , ниже мы просто примем как данность, что мы должны описывать измерение следующим образом).

Измерительный прибор представляет собой классическую систему с квазиклассической волновой функцией. Предполагая, что процесс измерения может «полностью описать» квантовую систему (т. е. в пределах квантовой механики), это означает, что квазиклассическая волновая функция является частью полного базиса собственных функций, характеризующих процесс измерения, т. е. собственных функций, связанных с возможными собственными значениями измерительный аппарат. Предполагая, что его спектр дискретен для простоты, это означает набор

Φ н ( Икс ) с
представляют возможные состояния измерительного прибора, и мы можем с уверенностью сказать, что классический прибор описывается одной и только одной из этих волновых функций, если мы знаем значение измерения.

Другими словами, классический характер измерительного прибора означает, что мы можем быть абсолютно уверены, что измерительный прибор находится в заданном состоянии. н и поэтому имеет волновую функцию в стационарном состоянии

Φ н ( Икс ) .

До измерения системы аппарат и система являются независимыми подсистемами всей системы, поэтому полная волновая функция является произведением их волновых функций.

Ψ ( Икс , у ) "=" Φ н ( Икс ) ψ ( у )
для ψ ( у ) волновая функция системы, которую мы хотим измерить (я всегда буду называть это «системой» и ссылаться на «систему в целом», когда я хочу включить в нее измерительный прибор, ссылаясь на измерительный прибор отдельно, когда я Поговори об этом).

После измерения, которое включает взаимодействие между прибором и системой, которую мы измеряем, полная волновая функция Ψ ( Икс , у ) в целом полный беспорядок, однако, поскольку системы больше не взаимодействуют, аппарат снова становится независимым, и поэтому мы можем разложить Фурье полную волновую функцию в терминах Φ н основе через

Ψ ( Икс , у ) "=" н А н ( у ) Φ н ( Икс ) .

Теперь мы снова ссылаемся на классическую природу классического измерительного аппарата, чтобы сказать следующее. Если мы с уверенностью измерили одно собственное значение из дискретного спектра классической измерительной аппаратуры, то классическая аппаратура после измерения на самом деле имеет определенную волновую функцию, это опять-таки единственная собственная функция из спектра возможных собственных функций, так что на самом деле это сумма «схлопывается» до одного члена

Ψ ( Икс , у ) "=" А м ( у ) Φ м ( Икс ) .
Важно отметить, что из-за классической природы измерительной аппаратуры и того факта, что мы знаем значение измерения по дискретному спектру с уверенностью, исходная сумма, которая «схлопнулась», на самом деле никогда не существовала, это была просто удобный инструмент для понимания происходящего. Очевидно, что если процесс измерения был таким, что мы можем быть уверены только в том, что это было одно из множества возможных измерений, сумма схлопывается до этого множества.

Что нас действительно волнует, так это случай, когда мы знаем точное собственное значение классического измерительного прибора после измерения, но важно помнить о случае, когда мы не знаем точное значение в дальнейшем (я упомяну об этом ниже). явно, когда возникает этот случай).

Из этого немедленно следует, поскольку системы снова независимы после измерения, что А м ( у ) пропорциональна волновой функции системы, которую мы измеряли после измерения. Он пропорционален только потому, что А м ( у ) необходимо учитывать не только состояние системы после измерения, но и вероятность того, что мы найдем м ое чтение классического аппарата. Ниже мы увидим это в явном виде.

Поэтому мы можем установить его равным кратному истинной нормированной волновой функции системы, ф м ( у ) , после измерения

А м ( у ) "=" а м ф м ( у ) .
Очевидным неявным предположением здесь является то, что А м ( у ) не зависит от начальной волновой функции ф ( у ) . Другими словами, А м ( у ) (и, как следствие, ф м ( у ) ,) полностью определяется одним только процессом измерения, при условии, что процесс измерения может полностью описать состояние системы, как я сказал в начале этого поста (иначе начальные условия явно могли бы повлиять на вещи).

Однако линейный характер уравнений квантовой механики подразумевает, что до измерения должна существовать линейная связь между волновой функцией. ψ ( у ) , а волновая функция после измерения А м ( у ) . Другими словами, ψ ( у ) должен превратиться в А м ( у ) под некоторым оператором эволюции, который мы можем записать как

А м ( у ) "=" К м ( у , у ) ψ ( у ) д у .
С А м ( у ) полностью определяется процессом измерения, то есть К м ( у , у ) полностью определяется процессом измерения.

Теперь у нас есть две разные интерпретации А м ( у ) , интерпретация «коллапс» и интерпретация «эволюция», т.е.

А м ( у ) "=" а м ф м ( у ) "=" К м ( у , у ) ψ ( у ) д у .
Они должны явно быть одним и тем же, чтобы мы могли установить
К м ( у , у ) "=" ф м ( у ) ψ м * ( у )
подразумевая, что
а м "=" ψ м * ( у ) ψ ( у ) д у .
На данном этапе (игнорируя очевидный вывод, который предполагает обозначение) все, что мы можем сказать об этих ψ м * ( у ) заключается в том, что они зависят от процесса измерения.

Но все это просто говорит о том, что абстрактная волновая функция всей системы после измерения, учитывающая ситуации, когда мы не могли измерить собственное значение классического измерительного прибора даже с какой-либо уверенностью (т. е. крайняя версия частного случая, о котором я предупреждал выше), есть

Ψ ( Икс , у ) "=" н а н ф н ( у ) Φ н ( Икс )
где ф н ( у ) являются нормализованными функциями (которые представляют всю систему, которую мы измерили после измерения, обратите внимание, что вопреки интуиции они на самом деле не являются «собственными функциями» чего-либо), Φ н ( Икс ) нормированные собственные функции измерительного прибора, так что а н - это обычные коэффициенты, представляющие вероятности и удовлетворяющие
н | а н | 2 "=" 1.

Тот факт, что это последнее соотношение должно выполняться, в сочетании с тем фактом, что а н определяется а н "=" ψ н * ( у ) ψ ( у ) д у , означает, что ψ ( у ) должны расширяться в полной основе ψ н ( у ) , но ψ н ( у ) были определены в процессе измерения. Другими словами, волновая функция после измерения должна разлагаться по базису собственных функций оператора, характеризующего процесс измерения.

Но опять же, ссылаясь на классический характер измерительной аппаратуры для (по крайней мере, теоретически) точно известного измерения по дискретному спектру, сумма Ψ ( Икс , у ) "=" н а н ф н ( у ) Φ н ( Икс ) таким образом, «схлопывается» до Ψ ( Икс , у ) "=" а м ф м ( у ) Φ м ( Икс ) (т.е. она всегда была такой формы для специфического взаимодействия между классическим прибором и системой, когда мы знаем точное собственное значение измерительного прибора после измерения), то есть измерительный прибор давал м 'th собственное значение, связанное с Φ м ( Икс ) , но с тех пор а м "=" ψ м * ( у ) ψ ( у ) д у это говорит нам о том, что волновая функция ψ ( у ) на самом деле было «измерено», чтобы быть в состоянии ψ м ( у ) когда мы делали измерения. Другими словами, это лучшее , что мы можем сказать о состоянии квантовой системы, когда мы проводим измерение, то есть мы заставляем измерительный прибор взаимодействовать с системой. Все, что мы можем сделать для квантовой системы, это то, что в процессе взаимодействия ψ м ( у ) волновая функция «стирается» с измерительного прибора при эволюции всей системы во времени в том смысле, что квазиклассическая волновая функция эволюционирует (через взаимодействие с системой) из одного «стационарного состояния» в другое в процессе взаимодействия . Это не «прыжки», полностью игнорируется тот факт, что измерительный прибор взаимодействует во время измерения и поэтому, очевидно, может линейно развиваться (а не прерывисто прыгать) в новое состояние.

В принципе, мы полностью ограждены от того, чтобы говорить что-либо еще о том, что система «действительно» делала, все, что мы можем сделать, это сделать вывод из окончательного измерения прибора, что система делала, исходя из того, как она заставила волновую функцию измерительного прибора измениться. зарегистрируйте измеренное собственное значение. Кроме того, волновая функция после этого процесса измерения также дается этим обсуждением, это эта новая волновая функция. ф н ( у ) , что в общем случае совершенно отличается от исходной волновой функции ψ ( у ) . Все закодировано в приведенном выше обсуждении.

Таким образом, вы видите, что идея «коллапса волновой функции» бессмысленна, если подразумевать что-то иное, кроме тривиального коллапса разложения Фурье, обсуждавшегося выше. Это полностью противоречило бы линейности уравнений квантовой механики, если бы имел место какой-то резкий «коллапс» волновой функции. Вышеупомянутый процесс полностью объясняет это должным образом. Начальная волновая функция системы ψ ( у ) , просто превратился в А м ( у ) "=" а м ф м ( у ) через оператор линейной эволюции А м ( у ) "=" К ( у , у ) ψ ( у ) д у где ф м ( у ) - нормированная волновая функция системы после измерения, а а м кодирует тот (экспериментальный) факт, что мы измерили некое значение из-за того, что система каким-то образом «притирается» к измерительному прибору во время взаимодействия. По сути, это лучшее, что мы можем сказать о состоянии квантовой системы в рамках квантовой механики. Таким образом, было бы полностью противоречащим линейности квантовой механики думать, что волновая функция системы на самом деле «прыгает», и это всегда утверждается совершенно неоправданным маханием руками, в отличие от приведенного выше обсуждения, где все встало на свои места.

На самом деле нетривиальная вещь, которая здесь происходит и которую на самом деле выражают опасения по поводу «квантовых скачков», заключается в том, что мы вообще можем измерить что угодно. Это внутренне обусловлено тем фактом, что квантовая механика может быть определена только в первую очередь, если предположить существование классической механики, к которой она должна быть сведена в «классическом пределе». Это настоящая «резкая» вещь в этом. Это предположение о существовании классической механики означает, что мы должны иметь такой измерительный процесс, при котором полная волновая функция (разложенная по базису собственных состояний измерительного прибора) всегда (когда мы измеряем точное собственное значение измерительного прибора) «схлопывается». к одному термину, но «коллапс» на самом деле не происходит, что на самом деле происходит, это «классическая механика»

Волновая функция просто эволюционирует от одной волновой функции к другой волновой функции посредством линейности и из-за взаимодействия между (классическим) прибором и системой (мы измеряем), что что-то «стирается» с измерительного прибора во время этого просто экспериментальный факт, который теория пытается зафиксировать.

Таким образом, при всем этом не происходит «коллапса» полной волновой функции. Это всего лишь математический инструмент , позволяющий нам сказать, что общая волновая функция «скачет» от полной суммы Фурье к одному отдельному члену в сумме, если вначале мы сохраняем общие положения. Если эта сумма не «коллапсирует», то мы никогда не сможем ничего измерить или даже сказать, что система вообще имеет волновую функцию, да и как вообще можно говорить об измерении. Другими словами, ничто не имеет смысла без «классического предела».

Однако, если вы предполагаете, что классическая механика существует, то никакого «скачка» никогда не бывает, абстрактное «разложение Фурье», которое мы предложили, на самом деле все время содержало только один член. Опять же, дело в том, что без классической механики нельзя сказать, что эта сумма Фурье на самом деле просто «один член», поэтому мы полностью застряли и просто не имеем теории .

Дело не только в том, что начальная волновая функция Ψ ( у ) переход к новой волновой функции ф м ( у ) является лишь следствием того факта, что классический измерительный прибор взаимодействует с квантовой системой, т. е. взаимодействие заставляет ее эволюционировать в новую волновую функцию, совершенно необходимо отметить, что именно только из-за классического характера измерительного прибора это означает, что мы можем даже осознавать тот факт, что система эволюционировала от одной волновой функции к новой волновой функции.

Другими словами, без существования классической механики абсолютно не существует теории квантовой механики. Без «перетирания» квантовой системы классическим аппаратом посредством взаимодействия у нас просто ничего нет. Любое обсуждение «коллапса», в котором он упоминается в какой-то манере махать рукой, является либо просто непониманием приведенного выше описания процесса измерения, либо «альтернативной интерпретацией» квантовой механики, которая, как вы можете поспорить, даже внутренне логически непротиворечива. (по сравнению с Копенгагеном).

Существует (невероятное) утверждение, что «декогеренция» позволяет нам понять, как «классический мир» возникает из квантовой механики, например, посредством диагональных элементов в матрице плотности. По крайней мере, исходя из приведенного выше обсуждения, это, скорее всего, совершенно круговой и бессмысленный с вышеуказанной точки зрения. Следует верить, что «альтернативная» перспектива (например, упомянутая в [3]) копенгагенской интерпретации, приведенной выше (из ссылки [1] ниже), столь же логически внутренне непротиворечива, как эта, и в то же время каким-то образом определяет квантовую механику без классической механики и должным образом учитывать процесс измерения без противоречия. Надеюсь, из этого обсуждения ясно, почему люди иногда говорят, что «копенгагенской интерпретации» нет альтернативы.

Побочный комментарий состоит в том, чтобы отметить, насколько жизненно важно, что собственные функции непрерывного спектра в квантовой механике на самом деле являются «волновыми функциями» (представление, которое на самом деле обычно отрицается даже на этом сайте, см. мой ответ здесь о том, насколько серьезны некоторые из недостатков с этой точки зрения, помимо критического недостатка во всей теории, который может возникнуть из-за процесса измерения в соответствии с этим постом). В самом деле, перечитывая приведенное выше обсуждение для этого случая, если это не так, мы никогда не сможем даже узнать, какова волновая функция системы после измерения, измерительный прибор никогда не сможет даже получить определенное значение, поэтому мы никогда не сможем даже зафиксировать волновая функция системы после измерения.

Использованная литература:

  1. Ландау и Лифшиц, «Квантовая механика», 3-е изд., разделы 1, 2, 6, 7.
  2. Цинкернагель, « Нильс Бор о волновой функции и классическом/квантовом делении ».
  3. Вайнберг, "Квантовая механика", 1-е изд., гл. 3.7.
  4. Белл, « Против измерения », 1990 г., Phys. Мир 3 (8) 33.
Прочитав этот ответ 3 раза, я все еще не уверен, в чем смысл, поэтому проголосовал против. У меня сложилось впечатление, что вы просто избегаете конфликта между эволюцией унитарного времени и процессом/проекцией измерения, вводя аксиоматическое «классическое устройство измерения». Но это ничего не решает, а просто смещает проблему к четкому определению того, что это значит, вызывая вопрос, где начинается граница между измерительным прибором и квантовой системой и почему они оба не находятся в равном положении. Краткое изложение ваших пунктов улучшит ответ.
@HansWurst Я попытался обобщить то, что я утверждаю / делаю в первых четырех небольших абзацах, но я добавил кое-что, чтобы попытаться сделать это более понятным, спасибо. Все, что я пытался сделать в своем ответе, это дать читателю понять, что мультяшная картина «проекции/коллапса» в основном отсутствует/тривиальна в авторитетном обсуждении [1], в этом смысле я преуспел, так что да, это «сдвигает проблема» на что-то другое, что, если читатель поймет, является для меня успехом. Я рекомендую тщательно проверить [1], чтобы увидеть, как все остальное оправдано, моя цель здесь не состояла в том, чтобы также оправдать все это.
Да, ваш ответ трудно читать, возможно, потому, что некоторые обозначения неясны. В любом случае, я хочу отметить, что L&L немного «устарел» для такого рода вещей и что с тех пор было проделано много работы. Возможно, труды Ашера Переса более «современны», в частности, о принципиально необратимом характере измерений. У меня обязательно возникнут дополнительные вопросы позже, и я, возможно, попытаюсь связаться с вами в чате, а не распространять этот комментарий в дискуссию.

Эволюция во времени волновой функции во время измерения (так называемый коллапс волновой функции) является прерывистой .

Между тем все временные эволюции волновой функции при взаимодействиях, согласно уравнению Шредингера, непрерывны .

Таким образом, в QM есть два вида эволюции во времени, и измерение — это отличие от взаимодействия, которое вы описали.

Проблема измерения состоит в том, что если | квантовая система в некотором состоянии превращается в | вы видите какое-то чтение на инструменте , и | квантовая система в другом состоянии превращается в | вы видите какое-то другое чтение на инструменте , затем

Ψ "=" α | квантовая система в некотором состоянии + β | квантовая система в другом состоянии ( α , β 0 )

должны по линейности эволюционировать в

Ψ "=" α | вы видите какое-то чтение на инструменте + β | вы видите какое-то другое чтение на инструменте

который описывает вселенную, содержащую две ваши копии, которые видели разные результаты измерений. Потому что можно подготовить системы в состояниях вида Ψ , можно создавать состояния вида Ψ . Людям не нравится такой вывод, но он неизбежен, если вы не введете в теорию какую-то нелинейность. «Коллапс волновой функции» — это собирательный термин для всех предложений, которые вводят нелинейность с целью избавиться от всех, кроме одной, ваших предсказанных копий.

Я не согласен с ответом Андреа, в котором говорится

У вас есть (очень, очень широко) два решения. Либо вы решите, что существуют специальные физические системы, называемые «измерительными приборами», которые подчиняются другим законам эволюции, чем остальные квантовые системы. Или вы говорите: «Все может идти в суперпозиции».

потому что я считаю, что формулировка первого варианта несправедлива, чтобы свернуть предложения. Измерительные устройства (и люди) содержат очень большое количество частиц, и со всеми экспериментальными данными согласуется тот факт, что эта большая величина является их единственным существенным отличием от квантовых систем, которые не коллапсируют. Одна простая (хотя и не очень мотивированная) форма коллапса состоит в том, чтобы просто представить, что отдельные частицы очень редко случайным образом локализованы в своем положении. Этого достаточно, чтобы измерительные устройства разрушились почти мгновенно, а квантовые системы, которые мы исследуем, рушатся слишком редко, чтобы их можно было обнаружить, просто из-за огромной разницы в количестве частиц. Идея Роджера Пенроуза о том, что коллапс происходит, когда существует «стоимость одного гравитона».

Декогеренция решает несколько иную проблему, а именно, почему вы видите на приборе только «какое-то показание» или «какое-то другое показание», и никогда не видите α | немного чтения + β | какое-то другое чтение . Даже если есть несколько ваших копий, каждая копия видит только одно из двух дискретных показаний, и не сразу понятно, почему.

Многие другие ответы, особенно ответ, получивший наибольшее количество голосов @Andrea, превосходны и отвечают на вопрос ОП. Однако, поскольку это мой криптонит, я не могу не добавить свой ответ. ;-) Чтобы добавить что-то ценное к существующим ответам, я попытаюсь поднять еще один вопрос, который не был поднят другими, и немного подробнее остановиться на этом вопросе. 2 в @Andreaсвоем ответе, а именно, я приведу простое доказательство того, почему в квантовой механике не может существовать «взаимодействие, которое переводит волновую функцию в собственное состояние измеряемой переменной».


Итак, есть два отдельных вопроса:

  • Является ли взаимодействие типа, описанного OP, а именно, «взаимодействие, которое превращает волновую функцию в собственное состояние измеряемой переменной», даже желательно в качестве описания того, что такое измерение?
  • Соответствует ли взаимодействие типа, описанного OP, а именно «взаимодействие, которое переводит волновую функцию в собственное состояние измеряемой переменной», принципам квантовой механики?

Ниже я покажу, почему ответ на оба этих вопроса — твердое НЕТ.


Сбой теста Sniff

Давайте просто предположим на данный момент, что тип взаимодействия, который описывает ОП, возможен (даже если это не так, как я скоро приду). Итак, если мы начнем с состояния | ψ системы и измерить наблюдаемую О тогда, если процесс измерения - это просто некоторый процесс, который приводит систему в собственное состояние наблюдаемой, скажем, | о я то сколько бы типов я не готовил состояние | ψ , этот процесс измерения всегда должен давать мне результат | о я . Это должно быть так, потому что все процессы в квантовой механике детерминированы, за исключением процесса редукции волновых пакетов, который ОП отказывается постулировать. Однако это противоречит нашему опыту, что даже если я подготовлю систему в идентичном состоянии | ψ , результаты измерения наблюдаемой О различны в разных испытаниях, т. е. они не детерминированы, а скорее вероятностны (пока | ψ не было собственным состоянием О для начала, конечно). Таким образом, это показывает, что процесс, который ОП предлагает в качестве процесса измерения, вообще не ведет себя как экспериментально наблюдаемый процесс измерения.


Теорема о невозможности, если хотите

Итак, мы установили, что тип взаимодействия, описанный ОП, не может описать процесс измерения, потому что у него нет надежды воспроизвести экспериментально наблюдаемое поведение процесса измерения. Однако мы по-прежнему считаем, что такого рода взаимодействие просто не согласуется с двумя наиболее важными свойствами квантовой механики, а именно с линейностью и унитарностью.

Скажем, мы начинаем с состояния | ψ и взаимодействие приводит его в состояние | о я , собственное состояние некоторой наблюдаемой О . Точно так же предположим, что если мы начнем с состояния | ф и взаимодействие приводит его в состояние | о Дж , собственное состояние некоторой наблюдаемой О . Таким образом, для сохранения линейности должно быть так, что если мы начнем с состояния 1 2 ( | ψ + | ф ) то этот процесс взаимодействия должен развить его до 1 2 ( | о я + | о Дж ) . Теперь предполагается, что взаимодействие всегда приводит начальное состояние к собственному состоянию оператора О . Это может иметь место только в том случае, если о я и о Дж принадлежат одному и тому же собственному подпространству наблюдаемого О . Или, вообще говоря, предлагаемое взаимодействие переводит любое начальное состояние в одно и то же собственное подпространство указанной наблюдаемой. Однако это нарушает унитарность, если указанный оператор не является тождеством, которое не является нетривиальной наблюдаемой.

Может downvoter объяснить? (Извините, если этот комментарий противоречит правилам, и модератор удалил предыдущую версию этого комментария, я не уверен, что это так, или моя предыдущая попытка опубликовать этот комментарий не удалась из-за нестабильного подключения к Интернету.)

Коллапс загадочен, потому что измерение не обязательно должно быть интерактивным. Пока измерение выполнено, т. е. во Вселенной есть информация об измерении, волновая функция коллапсирует. Это неоднократно демонстрировалось в таких экспериментах, как эксперименты с двумя щелями, когда измерительное устройство помещалось после щели. И даже тогда наблюдалось поведение частиц, как будто электроны знали, что их будут измерять заранее и заранее.

Самое удовлетворительное объяснение этого коллапса для меня следующее:

  1. Волновая функция схлопывается в одной вселенной и не коллапсирует в другой. Это означает, что вселенная, содержащая информацию об измерении, видит поведение, подобное частице, а вселенная, не имеющая этой информации, видит поведение, подобное волне.

  2. Информация доступна электронам в любое время. Они знают, будут ли измеряться в будущем или нет. Это очевидно, учитывая тот факт, что в точке с время в основном останавливается, и нет значения прошлому и будущему.

Волновая функция на самом деле не вещь. Это просто распределение вероятностей того, где может находиться электрон. Когда наблюдение сделано, вы теперь знаете, где находится электрон, поэтому вам не нужна волновая функция, чтобы знать, где он может быть. Вот почему мы говорим о коллапсе волновой функции. Волновая функция не является физической вещью. Просто математические расчеты.

Взгляд из квантового мира
Коллапс волновой функции не обязателен, если "верить" в квантовую механику - измерение можно описать как взаимодействие с макроскопическим, но квантовым объектом, в терминах эволюции волновой функции или матрицы плотности.

Взгляд из классического мира
Если мы не знаем законов, которым подчиняются микроскопические (или иначе квантовые объекты), мы можем попытаться изучить эти законы... но мы вынуждены использовать классическое оборудование и классическую механику для измерения и анализа результатов. . Тогда коллапс становится процессом, в котором явление квантовой механики вызывает классическое изменение в нашем измерительном аппарате . Вот почему он играл такую ​​важную роль в первоначальных формулировках МК... но, поскольку сегодня люди принимают МК как должное, концепция коллапса кажется избыточной.

Классический предел
Наконец, чтобы объединить две точки зрения, можно рассматривать коллапс как классический предел — точно так же, как мы говорим о нерелятивистской механике или термодинамическом пределе — ни одна из них не является строго правильной, но в повседневной жизни они работают с достаточно хорошая точность.

Но я не понимаю, как волновая функция может подвергаться неунитарному преобразованию. Дело не только в том, какое значение измеряет наш измерительный прибор. Даже волновая функция частицы претерпевает неунитарное преобразование, запрещенное уравнением Шредингера.
@EggMan Уравнение Шредингера справедливо в квантовом мире, а не в классическом. Я думаю, что непонимание здесь связано с тем, что является квантовым , что является классическим и как они связаны.
Вы говорите: «Коллапс вызывает классические изменения в нашем измерительном аппарате». Я понимаю, что это означает, что «коллапс заставляет измерительный прибор показывать определенное значение для измерения». Но измерение также вызывает изменение квантового объекта, изменяя его волновую функцию неединично. Это изменение запрещено уравнением Шредингера.
@EggMan На чисто логическом уровне нельзя применять уравнение Шредингера к взаимодействию с классическим объектом - эта ситуация подчиняется другим законам / правилам, таким как коллапс. Тогда, если смотреть с чисто квантовой точки зрения, неунитарность может проявиться только в классическом пределе. Подобные фазовые переходы проявляются только в термодинамическом пределе — для конечной системы статистическая сумма всегда аналитическая.
@EggMan Я задал вопрос, чтобы уточнить конкретно этот момент ( physics.stackexchange.com/q/667074/247642 ) ... но я не надеюсь, что кто-то придет с разумным количеством математики. Вы можете попробовать прочитать что-нибудь о подходе Caldeira-Legget — у них есть обзор в RMP.
@EggMan Возможно, мое последнее замечание в следующем ответе отвечает на ваш вопрос: physics.stackexchange.com/a/667452/247642

Я собираюсь попробовать здесь другой ответ, так как мне не ясно, в чем проблема ОП, и это может быть она.

Представьте себе плоскую волновую функцию однородного фотонного поля, падающего на кусок старой фотопленки в течение ограниченного времени. Пленка содержит множество отдельных кристаллов галогенида серебра, которые при взаимодействии с фотоном становятся черными. Теперь эволюция волновой функции для этой системы такова, что все кристаллы галогенида серебра после кратковременного воздействия должны находиться в состоянии суперпозиции, скажем, 0,01% черного цвета и 99,99% оставшегося белого цвета.

Однако, когда я рассматриваю пленку через некоторое время, я вижу одно черное пятно в определенном месте, а все остальное белое. Я определенно не вижу всех кристаллов в суперпозиции КМ. Итак, почему это? Заставляет ли мой взгляд на пленку каким-то образом каждый кристалл выйти из своей суперпозиции и принять один из своих векторов? Мои глаза и мозг на самом деле не «взаимодействуют» с фильмом, не так ли?

В этом загадка...

Да, ваши глаза взаимодействуют с пленкой через фотоны, отражающиеся от пленки. И да, принимая QM всерьез, вы должны сделать вывод, что вы сами находитесь в суперпозиции после просмотра фильма. «Загадочная» часть заключается только в том факте, что людям не нравится думать, что они находятся в суперпозиции, запутавшись в точках на куске пленки. Я бы рассматривал коллапс всей волновой функции как кратчайший путь, чтобы заставить себя поверить в то, что мы можем создавать чистые квантовые состояния.
@cmaster-reinstatemonica Ваши глаза и мозг взаимодействовали с пленкой задолго до того, как вы на самом деле посмотрели ее, посредством теплового излучения и других взаимодействий между пленкой и фоном, а также между фоном и вами. Вот что такое декогеренция.