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?
Коллапс становится «таинственным», как только вы понимаете, что:
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.
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.
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
Другими словами, классический характер измерительного прибора означает, что мы можем быть абсолютно уверены, что измерительный прибор находится в заданном состоянии. и поэтому имеет волновую функцию в стационарном состоянии
До измерения системы аппарат и система являются независимыми подсистемами всей системы, поэтому полная волновая функция является произведением их волновых функций.
После измерения, которое включает взаимодействие между прибором и системой, которую мы измеряем, полная волновая функция 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 основе через
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
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 пропорциональна волновой функции системы, которую мы измеряли после измерения. Он пропорционален только потому, что необходимо учитывать не только состояние системы после измерения, но и вероятность того, что мы найдем ое чтение классического аппарата. Ниже мы увидим это в явном виде.
Поэтому мы можем установить его равным кратному истинной нормированной волновой функции системы, , после измерения
Однако линейный характер уравнений квантовой механики подразумевает, что до измерения должна существовать линейная связь между волновой функцией. , а волновая функция после измерения . Другими словами, должен превратиться в под некоторым оператором эволюции, который мы можем записать как
Теперь у нас есть две разные интерпретации , интерпретация «коллапс» и интерпретация «эволюция», т.е.
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
Тот факт, что это последнее соотношение должно выполняться, в сочетании с тем фактом, что определяется , означает, что должны расширяться в полной основе , но 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 таким образом, «схлопывается» до (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 'th собственное значение, связанное с , но с тех пор это говорит нам о том, что волновая функция на самом деле было «измерено», чтобы быть в состоянии 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 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. , что в общем случае совершенно отличается от исходной волновой функции . 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 , просто превратился в через оператор линейной эволюции где - нормированная волновая функция системы после измерения, а 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 переход к новой волновой функции 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:
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 превращается в , и превращается в , затем
должны по линейности эволюционировать в
который описывает вселенную, содержащую две ваши копии, которые видели разные результаты измерений. Потому что можно подготовить системы в состояниях вида , можно создавать состояния вида . 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 . 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.
в @Andrea
своем 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:
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 системы и измерить наблюдаемую тогда, если процесс измерения - это просто некоторый процесс, который приводит систему в собственное состояние наблюдаемой, скажем, то сколько бы типов я не готовил состояние , этот процесс измерения всегда должен давать мне результат . 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 , результаты измерения наблюдаемой различны в разных испытаниях, т. е. они не детерминированы, а скорее вероятностны (пока не было собственным состоянием 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 и взаимодействие приводит его в состояние , собственное состояние некоторой наблюдаемой . Точно так же предположим, что если мы начнем с состояния и взаимодействие приводит его в состояние , собственное состояние некоторой наблюдаемой . Таким образом, для сохранения линейности должно быть так, что если мы начнем с состояния то этот процесс взаимодействия должен развить его до . Теперь предполагается, что взаимодействие всегда приводит начальное состояние к собственному состоянию оператора . Это может иметь место только в том случае, если и принадлежат одному и тому же собственному подпространству наблюдаемого . 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.
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:
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.
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.
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...
Вихтедека
Анна В
Андреа
Тобиас Фюнке
Хартмут Браун
Анна В
Яичный человек
Хартмут Браун
Ягербер48
Андреа
Анна В
Андреа
Анна В