Может ли отсутствие информации дать знание о том, в каком направлении?

Это кажется невероятно простым вопросом, но я не смог найти ответ на PSE; если это дубликат, пожалуйста, укажите мне правильное направление.

Относительно простой двухщелевой установки Юнга:

Возле одной из щелей помещается датчик некоторого типа, так что, если электрон пройдет через эту щель, датчик зарегистрирует прохождение, и, таким образом, любая возможность увидеть интерференционную картину после многих прогонов будет уничтожена. В другой щели такого датчика нет.

Затем электроны выбрасываются по одному. После того, как каждый электрон обнаружен на пластине обнаружения нижнего диапазона, делается отметка, сработал ли датчик, расположенный у щели, или нет. Таким образом, могут быть созданы две совокупности обнаружений: Метки на пластине обнаружения нижнего диапазона, которые были связаны со срабатыванием щелевого датчика. А , и метки на пластине обнаружения, которые не связаны со срабатыванием щелевого датчика Б .

Теперь, если я понаблюдаю за узором отметок, созданных населением А , я ожидаю увидеть никаких признаков помех, так как у меня есть очень четкая информация о пути благодаря моему датчику.

Мой вопрос таков: если я решу наблюдать за характером отметок, созданных населением Б только, буду ли я наблюдать интерференционную картину или нет?

Кажется, мои ожидания могут идти в обоих направлениях:

  1. Я могу утверждать, что я действительно должен наблюдать интерференционную картину, поскольку эти электроны вообще не взаимодействовали с каким-либо другим измерительным устройством между источником электронов и детекторной пластиной, между которыми лежат мои двойные щели.

  2. Я могу утверждать, что сам факт того, что мой датчик на одной щели не сработал априори, дает мне информацию о том, в каком направлении , в том смысле, что теперь я делаю вывод, что мой электрон должен был пройти через другую щель благодаря отсутствию информации о том, каким путем через мою сенсорную щель.

Какое из этих предположений согласуется с реальностью, по-видимому, имеет огромные разветвления: первое подразумевает, что измерение является действительно физическим взаимодействием любого рода, тогда как второе подразумевает, что знание является измерением, даже если это знание получено без физического взаимодействия с системой. если мой детектор не сработал, я не понимаю, как можно утверждать, что он взаимодействовал, поэтому, возможно, более точным утверждением было бы то, что должен существовать другой вид взаимодействия , который может поддерживать неэпистемические взгляды на волновую функцию).

Другими словами, более кратко: одно дело понимать, что физическое взаимодействие разрушает суперпозицию. Другое дело понять, что отсутствие взаимодействия с измерительным устройством (обычно направленное на сохранение суперпозиции) также может разрушить его, если оно выдает информацию о том, в каком направлении.

Учитывая это, я надеюсь, что ответ на мой вопрос будет №1, но ожидаю, что это будет №2.

Вы получаете интерференцию только в том случае, если фотон может пройти через любую щель на одном и том же основании, не оставив следов. Это не тот случай, поэтому № 2.
Кстати, ваш заголовок отличается от вашего вопроса. Вы спрашиваете: «Может ли отсутствие информации дать знание о том, в каком направлении?». Нет недостатка в информации. Отсутствие наблюдения за фотоном в A (но его наблюдение на экране) дает стопроцентную информацию о том, что он прошел через щель B.
За каждым краем появляются полосы. Таким образом, полосы за щелью или за двойной щелью представляют собой сумму двух соответственно четырех краев. Так что действительно вы увидите распределение интенсивности за щелью, даже если вы установите детектор за одной из щелей. Выкройка, конечно, будет отличаться от выкройки из двойной щели.
См. изображение (и) здесь commons.m.wikimedia.org/wiki/… о влиянии электрического потенциала на распределение интенсивности электронов.
Я спрашивал здесь physics.stackexchange.com/questions/158105/… о возможном взаимодействии между частицами и поверхностными электронами ребер.
Фотоны никуда не уходят. Хотя заманчиво делать выводы о том, что сделал бы классический объект, фотоны не являются классическими объектами. @NorbertSchuch: Пожалуйста, не предлагайте ОП, что можно вывести классическую информацию о квантовых объектах из отсутствия какой-либо информации. QM так не работает.
@CuriousOne Я согласен с мнением, что у фотонов нет траекторий, и это, очевидно, является ключевым здесь. (Хотя совершенно стандартная терминология «информация о том, каким образом» противоречит той же жалобе.) Однако вы, похоже, запутались в непрерывном измерении . Отсутствие щелчка детектора является информацией и приводит к уменьшению/обновлению состояния соответствующим образом. Это может помочь подумать об экспериментах по подсчету фотонов. Каждую секунду, когда детектор не щелкает, вы получаете информацию: становится все более вероятным, что поле вакуумное.
@MarkMitchison: отсутствие сигнала детектора — это отсутствие сигнала детектора. Можно вывести (как в один) путь только в том случае, если система является детерминированной классической. Система не классическая. Действительно, Фейнман дал нам классическую аналогию того, что должна делать такая частица, чтобы вести себя так, как ведут себя фотоны: она должна просканировать все возможные пути и вычислить комплексную экспоненту классического действия. Это не то, что делает этот «выведенный из недостающей информации» фотон. Аргумент, что можно думать об этом классически, полностью опровергается интегралами по траекториям.
@CuriousOne Полный отказ от путей - единственная интерпретация, которая не подразумевает ненужной странности, такой как онтическая реальность п с я взаимодействует с детектором, как предполагает Марк. Также кажется бессмысленным говорить об электроне, «проходящем через обе щели», как если бы он классически находился в двух позициях. Однако я признаю, что у меня возникли проблемы с пониманием того, как, если пути действительно не существует, как сильные, так и слабые измерения последовательно сообщат об электроне в одной щели. Отсутствие щелчка как-то настораживает п с я кажется проблематичным даже для неклассического объекта
@CuriousOne Другими словами: волновая функция системы охватывает оба состояния щели и может быть разрушена взаимодействием, которое возмущает эту систему. Забудьте о физике, управляющем установкой. Электрон покидает источник и регистрируется на детекторной пластине без щелчка, производимого одним датчиком на одной щели. Другая щель, разумеется, вообще не имеет датчика. Чем эта система отличается от двух щелей вообще без детекторов? Никакого физического возмущения системы не происходит ни в одной из установок между излучением и поглощением на нижней пластине.
@CuriousOne Я отказываюсь верить, что Вселенная действительно заботится о том, присутствует ли сознательный наблюдатель (на который, похоже, опираются некоторые ответы), поэтому я пытаюсь механически понять, почему эти настройки дадут разные результаты.
@JamesPattarini: То, что только один электрон может существовать в конечном состоянии, когда один электрон существовал в начальном состоянии, является просто свойством сохранения заряда квантованного электромагнитного поля в пределе низкого импульса. Здесь нет никакой магии. Увеличьте энергию до более чем 1 МэВ, и внезапно в вашем эксперименте с двумя щелями появятся позитроны. Увеличьте его до пары сотен ГэВ, и время от времени в ваших детекторах будет обнаруживаться бозон Хиггса. Шредингера ψ это детсадовская версия реальности. Сегодня у нас есть ускорители, и на их фоне все это выглядит довольно тривиальной физикой.
@JamesPattarini: Я, конечно же, не просил вас верить в какого-то сознательного наблюдателя, но квантово-механическое измерение имеет особенности, которых нет у свободного распространения. Понятно, что мы недостаточно преподаем их на занятиях по QM I. Меня тоже этому не учили, но если подумать, то это довольно тривиально: измерение должно оставить долговременную запись, что возможно только в том случае, если в окружающую среду внесены необратимые изменения. Как только это правильно выражено математически, магия квантовых измерений исчезает.
@CuriousOne Хорошо, думаю, что я на 90% пройден, но останавливаюсь на этом: если измерение должно оставлять длительную запись, чтобы считаться измерением, как в этой настройке отсутствие обнаружения удовлетворяет этому требованию?
Физика измерения возникает не тогда, когда вы делаете выбор, а когда (на классической картинке, чтобы помочь вам подумать об этом) электрон «ударяется» о металлическую пластину в измерительном устройстве. При этом производится необратимое измерение, остальное — просто философские догадки. Правильным способом выразить это было бы вычисление многоэлектронной волновой функции пластинчатых электронов плюс свободных электронов. Это, конечно, полный перебор, но это даст вам правильную физику. На самом деле вы можете научиться интуитивно чувствовать эти вещи, и тогда вы сможете обойтись расчетами отдельных частиц.
@CuriousOne Это не отвечает на комментарий ОП, в частности, о том, почему, когда не наблюдается удара электрона о металлическую пластину в измерительном устройстве, взаимодействие между полем и детектором все еще можно рассматривать как измерение. (Это не следует воспринимать как уничижительный комментарий, мне искренне интересно понять вашу точку зрения.)
@MarkMitchison: Когда мы не наблюдаем, мы не знаем. Отличается ли это от классического мира? Да, это другое, потому что классический мир всегда сводится к одному возможному результату, а квантовый мир — нет. Более проблематичным является то, что будущее множество результатов зависит от будущего измерения, так что это даже не известное неизвестное, чтобы пойти с печально известным американским политиком. Все попытки свести сложность этой ситуации к каким-то логическим рассуждениям о классических путях потерпели неудачу... так почему бы просто не отказаться от этой идеи полностью?
@CuriousOne Моим вступительным заявлением в этом разговоре было то, что у фотонов нет траекторий. Я не знаю, с чего вы взяли, что я говорю о путях или любом другом классическом свойстве, это не так. Я говорю о том, как правильно описывать квантовые измерения.
(продолжение) Это экспериментальный факт, что каждый раз, когда детектор не щелкает, наблюдатель, который хочет правильно предсказать будущие результаты, должен обновить свое описание квантового состояния. Именно в этом смысле я утверждаю, что отсутствие щелчка соответствует информации. Ваше утверждение об обратном не только неверно, но и, вероятно, сбивает с толку ОП. Но я немного устал повторяться, поэтому на этом остановлюсь.
@MarkMitchison: я отвечал на «Отсутствие щелчка детектора — это информация». Вы не знаете, есть ли в вашем эксперименте в данный момент электрон вообще или этот электрон прибудет позже. Только когда вы регистрируете электрон, вы знаете, что электрон был и когда он был обнаружен. Что наиболее важно, один электрон ничего не говорит вам об экспериментальном результате, которым может быть частота, являющаяся оценкой ожидаемого значения. QM предсказывает ожидаемые значения. Отсутствие клика не является оценкой ожидаемой ценности.
@Curious Вы сказали выше: «Когда мы не наблюдаем, мы не знаем» - так как же присутствие неактивированного датчика может разрушить интерференционную картину? Извините за тупость, но ничто из того, что было сказано, не отвечает на этот вопрос. Если волновая функция — это нечто физическое, взаимодействующее с датчиком, даже если этот датчик не может зарегистрировать присутствие электрона, то это кажется философским скачком, не имеющим ничего общего с КМ, которой меня учили, и я не думаю, что это то, что вы говорите.
Природа не знает, что такое датчик или что вы делаете измерение. Вы просто размещаете какую-то материю в определенной конфигурации, и это приводит к определенным физическим явлениям. Вы бы получили точно такой же результат, если бы вместо сенсора в двойной оптической щели был лист черной бумаги. Волновая функция не является физической. Волновая функция — это человеческое изобретение для описания квантового поля. Поле физическое, но оно пронизывает всю вселенную, какая часть его является вашим экспериментом в вашем сознании и в бумаге вашего теоретического описания. Природе все равно.
Я говорю о том, что люди должны перестать воображать в QM вещи, которых просто нет, например пути и информацию из ничего. Допустим, Салли входит в комнату, и никто не видит, как она выходит, даже если они наблюдают за дверью... из этого мы можем сделать вывод, что Салли все еще находится в комнате. Почему? Потому что Салли и комната — классические объекты. Если электрон находится в потенциальной яме, и вы наблюдаете за одной стороной ямы, но не наблюдаете за другими, вы ничего не знаете, потому что электрон мог вырваться на одну из других сторон путем туннелирования. QM просто не то же самое, что CM.
@CuriousOne Это имеет для меня смысл, и именно так я пытаюсь думать об этой настройке. Мне кажется, что детектор не щелкает = детектора там нет , и кажется, что вы говорите, что это не так. Как вы говорите, датчик может быть просто листом бумаги в одной из щелей, но в этом случае я думаю, что более точным будет сказать, что в то время как детектор с «щелканием» может быть просто листом бумаги, Детектор должен быть неотличим от другого инертного вещества, из которого состоит щель. Это то, что я изо всех сил пытаюсь понять, если они действительно дают разные результаты.
@Curious Делая еще один шаг, ваш последний комментарий, кажется, прямо подразумевает, что, поскольку отсутствие щелчка на самом деле не дает вам определенной информации о пути через несенсорную щель (потому что это система QM, и электрон мог бы в на самом деле быть где угодно) априори кажется, что я должен иметь возможность наблюдать интерференционную картину без каких-либо проблем. Почему это предположение неверно?
Единственное, что влияет на результаты, — это происходящие физические процессы, а не то, что вы делаете с ними в своем умственном процессе. Поглотитель делает с системой то же самое, что и поглощающий детектор, независимо от того, получаете вы информацию или нет. В том, как люди говорят о квантовых измерениях, слишком много квантовой мистики. Как только «наблюдатель» входит в комнату, физика уходит. Хорошо, в тысячу и первый раз: в квантовой механике нет путей, отличных от тех, которые определены в интегралах по путям. Ради себя почитайте об интегралах по путям.
Комментарии не для расширенного обсуждения; этот разговор был перемещен в чат .

Ответы (3)

Путаница ОП, кажется, связана с неверным предположением, что

если мой детектор не срабатывает, я не понимаю, как можно утверждать, что он взаимодействует [с электроном]

То, что детектор иногда не щелкает, не означает, что вообще нет взаимодействия.

Хороший способ думать об этом - с точки зрения непрерывного измерения. Это и это хорошие (хотя и довольно сложные) ссылки для дальнейшего чтения по этой теме.

Вы знаете, что выше диапазона детектора амплитуда вероятности электрона (или, если вы настаиваете, поле Дирака) делокализована в пространстве. В частности, существует некоторая амплитуда для обнаружения электрона в положении детектора. Так что на самом деле детектор всегда взаимодействует с электроном (непрерывно измеряя его). Однако это взаимодействие слабое, потому что детектор не покрывает все пространство. Следовательно, взаимодействие электрона с детектором недостаточно сильно, чтобы заставить детектор "щелкнуть" (т.е. запустить его) со 100% вероятностью при одном прогоне эксперимента.

Точнее, в конце эксперимента детектор и электрон (или, если настаивать, поле Дирака) находятся в запутанном состоянии (грубо говоря)

| ψ ⟩ "=" | А ⟩ е | с л я с к ⟩ г + | Б ⟩ е | н о   с л я с к ⟩ г ,
где е , г обозначать состояния е лектрон (или, если вы настаиваете, поле Дирака) и г этектор. Вы уже видите, что есть взаимодействие, потому что присутствие электрона меняет состояние детектора (который был инициализирован в чистом состоянии | н о   с л я с к ⟩ ). Вы сталкиваетесь с концептуальными трудностями только в том случае, если считаете, что состояние детектора и электрона можно описать независимо друг от друга: в КМ амплитуды вероятности относятся к состоянию системы в целом. Если вы не наблюдаете, как детектор щелкает в данной серии эксперимента, состояние электрона правильно описывается формулой | Б ⟩ е . Однако для того, чтобы увидеть интерференцию, электрон (или, если вы настаиваете, поле Дирака) должен вместо этого находиться в состоянии | А ⟩ е + | Б ⟩ е . Поэтому помех нет.

в то время как вторая половина вашего ответа имеет смысл, первая половина подразумевает, что электрон физически делокализован и все же существует, как в волнах материи де Бройля - такое объяснение может быть интуитивно приятным, но если оно верно, оно будет неотличимо от бомовской механики и пилота. волны, которые усложняют КМ, не добавляя объяснительной силы. Я также не понимаю, как электрон волны материи, который каким-то образом не срабатывает на детекторе, все еще может быть возмущен присутствием упомянутого детектора, поскольку волновая функция описывает обе щели.
У электрона нет состояния. Электрон — это состояние квантового поля. Первое квантование — верный способ запутать детей в том, что происходит на самом деле. Честно говоря, мы должны прекратить учить этому. Помимо одноразового расчета атома водорода, он не имеет почти никаких полезных свойств, которыми нужно заниматься.
@JamesPattarini Я не говорю о волнах материи, которые нигде не упоминаются в ответе. Вопросы об онтико-эпистемических «интерпретациях» не имеют к этой проблеме никакого отношения. Волновая функция — это инструмент, который физики используют для предсказания вещей, и этот ответ как раз об этом. Отсутствие щелчка детектора дает вам информацию, потому что вы понимаете, что такое детектор: это система, постоянно взаимодействующая с квантовым полем.
@CuriousOne Я должен признать, что вы правы в том, что ОП, похоже, сбит с толку первой настройкой квантования здесь. А "никаких полезных свойств"? Ты обманываешь себя, приятель. Не секрет, что вы презираете все, что не является физикой высоких энергий, но многие из нас любят изучать другие области. Думать о проблемах с горсткой связанных состояний (которые включают в себя целую кучу интересных вещей) в терминах квантовых полей — пустая трата усилий. (Особенно потому, что КТП в любом случае сведется к одночастичной КМ в соответствующих пределах.)
@MarkMitchison: Физика высоких энергий дает вам правильную интуитивную картину квантовой механики, так почему бы не использовать ее? Он полностью непротиворечив и свободен от философии, как и требуется научному методу. Проблема с размышлениями обо всем этом в упрощенных картинках заключается в том, что в конечном итоге вы принимаете недостатки упрощенных картинок за реальную физику. Это все, что здесь происходит.
@CuriousOne Пожалуйста, не будьте такими наивными, в QFT столько же или мало философии, сколько и в первом квантовании. КТП — это всего лишь частный случай КМ с переменными динамического поля. В КМ всегда есть волновая функция (al), чей онтико-эпистемический статус приводит к всевозможным недоразумениям со стороны склонных к этому людей. Я попытался ответить с точки зрения «какой информации», которая является предпосылкой вопроса. И поэтому нужно понимать, что детектор взаимодействует с полем и, следовательно, его состояние дает информацию, даже если это состояние «нет щелчка».
@JamesPattarini Я обновил ответ некоторыми ссылками, если вы хотите узнать больше о том, как правильно описывать непрерывные измерения в квантовой механике.
@ Отметьте мою благодарность за ссылки - я просто изо всех сил пытаюсь интерпретировать, как нефизическая волновая функция может давать физические результаты в этой настройке. Отсутствие щелчка в щелях, как кажется, должно = сумма по многим прогонам, которая содержит нулевую информацию о пути и нулевое взаимодействие полей (следовательно, отсутствие щелчка) и, таким образом, нарастание интерференционной картины. Если это не так, то я до сих пор не понимаю, почему.
@JamesPattarini Я не уверен, что понял ваш комментарий. Что вы подразумеваете под «суммой по многим прогонам»? Вы имеете в виду интеграл по траекториям Фейнмана? Вы должны понимать, что интеграл по путям не является суммой по множеству различных запусков эксперимента. Это способ расчета амплитуд вероятности путем суммирования всех возможных траекторий, по которым движется электрон в каждом отдельном прогоне эксперимента.
Проблема в том, что когда вы включаете детектор, вы также должны суммировать все возможные траектории (т.е. щелчки или отсутствие щелчков) детектора. Вы не можете просто игнорировать детектор в интеграле пути. Это связано с тем, что эволюция детектора связана с эволюцией электрона, или, другими словами, есть дополнительный вклад в энергию, зависящий от состояния двух подсистем: взаимодействие. Если вы рассматриваете экспериментальный запуск, в котором детектор не щелкает, вы фактически остаетесь с суммой путей, проходящих только через щель B, следовательно, никаких помех.
@ Марк Думаю, я понял, спасибо за настойчивость с вашими комментариями. Я не уверен, почему приведенный выше ответ Ашера предполагает, что интерференционная картина была бы видна, если бы просматривалось только подмножество NoClick, и просто хочу убедиться, что предложенный мной мысленный эксперимент действительно соответствует тому, что было сделано в реальности - если вы знаете о буду очень признателен за любую литературу по подобным установкам, которую вы могли бы мне подсказать.
Привет @JamesPattarini, эксперимент работает так, как вы ожидаете: нет интерференционной картины, когда в одну щель помещается детектор.

Проблема в том, что вы рассматриваете квантовые объекты как классические волны и классические частицы одновременно. Точнее, вы говорите о том, что они проходят через одну или другую щель и чувствуют, через какую щель проходит электрон. Но для того, чтобы возникла интерференционная картина, электроны должны пройти через обе щели одновременно. Мы можем ожидать один из двух результатов в вашем гипотетическом сценарии:

  1. Электроны проходят через одну щель за раз. Возможно, вы сможете ненавязчиво обнаружить их в одной щели, но даже без детектора вы получите две перекрывающиеся однощелевые дифракционные картины, поскольку мы используем только одну щель за раз.

  2. Электроны проходят через обе щели, и мы получаем интерференционную картину, но, следовательно, ваш датчик каждый раз обнаруживает электрон в своей щели.

Ни в том, ни в другом случае у вас не может быть ни информации о том, какой путь, ни интерференционной картины, потому что либо электрон движется обоими путями, либо он не интерферирует.

В этом ответе электроны рассматриваются как классические объекты, которые могут перемещаться по двум направлениям и буквально «идти по обоим путям», но никогда не делают этого под наблюдением. Квантовые объекты не ведут себя таким образом, и я ищу объяснение тому, как можно сказать, что волновая функция охватывает обе щели, и все же отсутствие обнаружения в одной (что обязательно означает отсутствие физического взаимодействия с системой) может разрушить вмешательство. Высказывание «мы знаем, по какому пути он пошел» зависит от наблюдателя — уберите наблюдателя из него, и я пытаюсь механически понять, почему помеха будет уничтожена.
Без взаимодействия в одной щели интерференционная картина не разрушается, и я не уверен, почему вы так считаете. Единственный способ для вашего датчика быть на 100 % уверенным в том, что электрон прошел через его щель, – это взаимодействие с электроном 100 % времени, т.е. если это шторка, полностью закрывающая щель, и тогда вы просто проведите эксперимент с одной щелью для начала, чтобы не было помех (как и ожидалось). Если ваш датчик только иногда обнаруживает электрон, то электроны могут проходить без обнаружения, что означает, что у вас нет никакой информации о том, в каком направлении.
Я также оспариваю «…может билоцировать и буквально «следовать обоими путями», но никогда не делает этого под наблюдением», поскольку именно в этом и состоит интерференционная картина: косвенное наблюдение того, что частицы движутся обоими путями. Вы не можете «обнаружить» без «взаимодействия», поэтому невозможно попытаться собрать информацию о том, в каком направлении, не разрушая интерференционную картину; ответ на вопрос «в какую сторону» всегда либо «мы не знаем», либо «в детектор».
другие ответы оба непреклонны в том, что одного наличия датчика достаточно, чтобы уничтожить помехи даже без щелчка, поэтому, пожалуйста, помогите мне понять, где разрыв
@CuriousOne освещает те же вопросы, что и я, в комментариях к вопросу, и довольно красноречиво, поэтому я оставлю ему подробное объяснение. Со своей стороны, вот квинтэссенция моей точки зрения: либо две щели, либо одна щель; если у вас есть «две щели», но одна из них заблокирована, у вас есть только одна щель; и неважно, вторая "щель" перекрыта "датчиком" или кирпичной стеной.

Во-первых, нам нужно определить интерференционную картину .
Это картина , образованная основной частотой волновых свойств электрона, проходящего одновременно через две щели с «подходящей» шириной и расстоянием между ними.

Когда «детектор» помещается на одну щель (А), он забирает часть энергии и пропускает только высшую гармонику (с меньшей энергией). Эта комбинация приводит к тому, что картина не только изменяется, но и «исчезает», если энергия высшей гармоники слишком мала, чтобы воздействовать на волну, проходящую через другую щель (В).

Должно быть ясно, что размещение детектора на одной щели разрушает (изменяет) картину , и это не зависит от знания, которое можно получить (или не получить) от детектора.

Может ли отсутствие информации дать знание о том, в каком направлении?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v