Måleproblem - Measurement problem
| Del av en artikkelserie om |
| Kvantemekanikk |
|---|
I kvantemekanikk , den måle problemet vurderer hvor, eller om, bølgefunksjon kollaps inntreffer. Manglende evne til å observere et slikt kollaps direkte har gitt opphav til forskjellige tolkninger av kvantemekanikk og stiller et sentralt sett med spørsmål som hver tolkning må svare på.
Den bølgefunksjon i kvantemekanikk utvikler seg deter ifølge Schrödingerligningen som en lineær overlagring av forskjellige tilstander. Faktiske målinger finner imidlertid alltid det fysiske systemet i en bestemt tilstand. Enhver fremtidig utvikling av bølgefunksjonen er basert på tilstanden systemet ble oppdaget å være i da målingen ble gjort, noe som betyr at målingen "gjorde noe" med systemet som ikke åpenbart er en konsekvens av Schrödinger -utviklingen . Måleproblemet beskriver hva det "noe" er, hvordan en superposisjon av mange mulige verdier blir en enkelt målt verdi.
For å uttrykke saker annerledes (omskrive Steven Weinberg ), bestemmer Schrödinger -bølgelegningen bølgefunksjonen når som helst senere. Hvis observatører og deres måleinstrumenter selv beskrives av en deterministisk bølgefunksjon, hvorfor kan vi ikke forutsi presise resultater for målinger, men bare sannsynligheter? Som et generelt spørsmål: Hvordan kan man etablere en samsvar mellom kvantevirkelighet og klassisk virkelighet?
Schrödingers katt
Et tankeeksperiment som ofte brukes for å illustrere måleproblemet er "paradokset" til Schrödingers katt . En mekanisme er arrangert for å drepe en katt hvis en kvantehendelse, for eksempel forfall av et radioaktivt atom, oppstår. Dermed er skjebnen til et stort objekt, katten, viklet inn i skjebnen til et kvanteobjekt, atomet. Før observasjon, ifølge Schrödinger -ligningen og mange partikkeleksperimenter, er atomet i en kvantesuperposisjon , en lineær kombinasjon av forfallne og uskadede tilstander, som utvikler seg med tiden. Derfor bør katten også være i en superposisjon, en lineær kombinasjon av tilstander som kan karakteriseres som en "levende katt" og tilstander som kan karakteriseres som en "død katt". Hver av disse mulighetene er knyttet til en spesifikk ikke -null sannsynlighetsamplitude . En enkel, spesiell observasjon av katten finner imidlertid ikke en superposisjon: den finner alltid enten en levende katt eller en død katt. Etter målingen er katten definitivt levende eller død. Spørsmålet er: Hvordan konverteres sannsynlighetene til et faktisk, veldefinert klassisk utfall?
Tolkninger
Synspunktene grupperes ofte som København -tolkningen, og er den eldste og samlet sett sannsynligvis den mest holdte holdningen til kvantemekanikk. N. David Mermin skapte uttrykket "Hold kjeft og beregne!" for å oppsummere synspunkter av typen København, et ordtak som ofte ble feil tilskrevet Richard Feynman, og som Mermin senere fant utilstrekkelig nyansert.
Generelt setter synspunkter i den københavnske tradisjonen noe i observasjonshandlingen som resulterer i at bølgefunksjonen kollapser . Dette konseptet, selv om det ofte tilskrives Niels Bohr , skyldtes Werner Heisenberg , hvis senere skrifter skjulte mange uenigheter han og Bohr hadde hatt under samarbeidet, og som de to aldri løste. I disse tankeskolene kan bølgefunksjoner betraktes som statistisk informasjon om et kvantesystem, og bølgefunksjonskollaps er oppdateringen av denne informasjonen som svar på nye data. Nøyaktig hvordan man skal forstå denne prosessen er fortsatt et tvistemne.
Bohr tilbød en tolkning som er uavhengig av en subjektiv observatør, eller måling eller kollaps; i stedet forårsaker en "irreversibel" eller effektivt irreversibel prosess forfall av kvantesammenheng som gir den klassiske oppførselen til "observasjon" eller "måling".
Hugh Everett 's mange-verdener tolkning forsøk på å løse problemet ved å foreslå at det bare er en bølge funksjon, superposisjon av hele universet, og det kollapser-så aldri det er ingen måling problem. I stedet er målehandlingen ganske enkelt en interaksjon mellom kvanteenheter, f.eks. Observatør, måleinstrument, elektron/positron etc., som floker seg inn i en større enhet, for eksempel levende katt/glad forsker . Everett forsøkte også å demonstrere hvordan den sannsynlige naturen til kvantemekanikk ville se ut i målinger, et verk som senere ble utvidet av Bryce DeWitt . Tilhengerne av Everettian -programmet har imidlertid ennå ikke nådd enighet om den riktige måten å rettferdiggjøre bruken av Born -regelen for å beregne sannsynligheter.
De Broglie – Bohm -teorien prøver å løse måleproblemet veldig annerledes: informasjonen som beskriver systemet inneholder ikke bare bølgefunksjonen, men også tilleggsdata (en bane) som gir posisjonen til partikkelen (e). Bølgefunksjonens rolle er å generere hastighetsfeltet for partiklene. Disse hastighetene er slik at sannsynlighetsfordelingen for partikkelen forblir i samsvar med spådommene til den ortodokse kvantemekanikken. I følge de Broglie - Bohm -teorien skiller interaksjon med miljøet under en måleprosedyre bølgepakkene i konfigurasjonsrommet, det er der tilsynelatende bølgefunksjonskollaps kommer fra, selv om det ikke er noen faktisk kollaps.
En fjerde tilnærming er gitt av objektive kollaps-modeller . I slike modeller er Schrödinger -ligningen modifisert og får ikke -lineære termer. Disse ikke -lineære modifikasjonene er av stokastisk natur og fører til en oppførsel som for mikroskopiske kvanteobjekter, f.eks. Elektroner eller atomer, er umådelig nær den som er gitt av den vanlige Schrödinger -ligningen. For makroskopiske objekter blir imidlertid den ikke -lineære modifikasjonen viktig og induserer kollapsen av bølgefunksjonen. Objektive kollaps-modeller er effektive teorier . Den stokastiske modifikasjonen antas å stamme fra et eksternt ikke-kvantefelt, men arten av dette feltet er ukjent. En mulig kandidat er gravitasjonsinteraksjonen som i modellene til Diósi og Penrose . Hovedforskjellen mellom objektive kollaps-modeller sammenlignet med de andre tilnærmingene er at de lager falsifiserbare spådommer som skiller seg fra standard kvantemekanikk. Eksperimenter nærmer seg allerede parameterregimet der disse spådommene kan testes. Den Ghirardi-Rimini-Weber (GRW) teori foreslår at bølgefunksjon sammenbruddet skjer spontant som et ledd av dynamikken. Partikler har en ikke-null sannsynlighet for å gjennomgå et "treff", eller spontan kollaps av bølgefunksjonen, i størrelsesorden en gang hvert hundre millioner år. Selv om kollaps er ekstremt sjelden, betyr det store antallet partikler i et målesystem at sannsynligheten for et kollaps som oppstår et sted i systemet er stor. Siden hele målesystemet er viklet inn (ved kvanteforvikling), starter kollapsen av en enkelt partikkel kollapsen av hele måleinstrumentet. Fordi GRW -teorien gjør forskjellige spådommer fra ortodoks kvantemekanikk under noen forhold, er det ikke en tolkning av kvantemekanikk i streng forstand.
Dekoherensens rolle
Erich Joos og Heinz-Dieter Zeh hevder at fenomenet kvantedekoherens , som ble satt på fast grunn på 1980-tallet, løser problemet. Tanken er at miljøet forårsaker det klassiske utseendet på makroskopiske objekter. Zeh hevder videre at dekoherens gjør det mulig å identifisere den uklare grensen mellom kvantemikroverdenen og verden der den klassiske intuisjonen er gjeldende. Quantum decoherence blir en viktig del av noen moderne oppdateringer av tolkningen i København basert på konsekvente historier . Quantum decoherence beskriver ikke den faktiske kollapsen av bølgefunksjonen, men det forklarer konverteringen av kvantesannsynlighetene (som viser interferenseffekter ) til de vanlige klassiske sannsynlighetene. Se for eksempel Zurek, Zeh og Schlosshauer.
Den nåværende situasjonen blir sakte klarere, beskrevet i en artikkel fra 2006 av Schlosshauer som følger:
Det har tidligere blitt fremmet flere forslag som ikke er relatert til sammenheng, for å belyse betydningen av sannsynligheter og komme til Born-regelen ... Det er rimelig å si at det ikke ser ut til at det er kommet noen avgjørende konklusjon om suksessen til disse avledningene. ...
Som det er kjent, [mange artikler av Bohr insisterer på] den grunnleggende rollen til klassiske konsepter. De eksperimentelle bevisene for superposisjoner av makroskopisk forskjellige stater på stadig større lengde skalaer motvirker en slik diktum. Superposisjoner ser ut til å være nye og individuelt eksisterende stater, ofte uten klassiske kolleger. Bare de fysiske interaksjonene mellom systemene bestemmer deretter en bestemt spaltning i klassiske tilstander ut fra hvert enkelt system. Dermed skal klassiske begreper forstås som lokalt fremvoksende i relativ tilstandsforstand og bør ikke lenger kreve en grunnleggende rolle i den fysiske teorien.
Se også
For en mer teknisk behandling av matematikken som er involvert i emnet, se Måling i kvantemekanikk .