Эффект наблюдателя (физика) - Observer effect (physics)

Для использования в других целях см. Эффект наблюдателя.

Часть серии на
Квантовая механика

В физика, то эффект наблюдателя нарушение наблюдаемой системы актом наблюдения.[1] [2] Часто это результат работы инструментов, которые по необходимости каким-то образом изменяют состояние того, что они измеряют. Типичный пример - проверка давления в автомобильной шине; это трудно сделать, не выпуская часть воздуха, что приведет к изменению давления. Точно так же невозможно увидеть какой-либо объект, если на него не попадает свет и не заставляет его отражать этот свет. Хотя эффекты наблюдения зачастую незначительны, объект все же претерпевает изменения. Этот эффект можно найти во многих областях физики, но обычно его можно свести к минимуму с помощью различных инструментов или методов наблюдения.

Особенно необычная версия эффекта наблюдателя возникает в квантовая механика, как лучше всего демонстрирует двухщелевой эксперимент. Физики обнаружили, что даже пассивное наблюдение квантовых явлений (путем изменения тестового прибора и пассивного «исключения» всех возможностей, кроме одной) действительно может изменить результат измерения. Особенно известный пример - эксперимент Вейцмана 1998 года.[3][требуется сторонний источник ] Несмотря на то, что «наблюдатель» в этом эксперименте был электронным детектором - возможно, из-за предположения, что слово «наблюдатель» подразумевает человека, его результаты привели к распространенному мнению, что сознательный разум может напрямую влиять на реальность.[4] Потребность в сознании «наблюдателя» не подтверждается научными исследованиями и была указана как заблуждение, коренящееся в плохом понимании квантовой волновой функции. ψ и квантовый процесс измерения,[5][6][7] очевидно, это генерация информации на самом базовом уровне, которая производит эффект.

Физика элементарных частиц

An электрон обнаруживается при взаимодействии с фотон; это взаимодействие неизбежно изменит скорость и импульс этого электрона. Возможны другие, менее прямые способы измерения, влияющие на электрон. Также необходимо четко различать измеренное значение величины и значение, полученное в процессе измерения. В частности, измерение количества движения не может повторяться в короткие промежутки времени. Формула (одномерная для простоты), связывающая вовлеченные величины, благодаря Нильс Бор (1928) дается

куда

ΔпИкс неопределенность измеренного значения количества движения,
Δт длительность измерения,
vИкс скорость частицы перед измерение
v '
Икс  скорость частицы после измерение
час сокращенный Постоянная Планка.

В измеренный импульс электрона тогда связан с vИкс, а его импульс после измерение связано с v′Икс. Это лучший сценарий.[8]

Электроника

В электроника, амперметры и вольтметры обычно подключаются последовательно или параллельно цепи, и поэтому своим присутствием влияют на ток или напряжение, которое они измеряют, путем представления дополнительных реальных или сложных нагрузка к цепи, тем самым изменяя функция передачи и поведение самой схемы. Даже более пассивное устройство, такое как токовые клещи, который измеряет ток провода, не вступая в физический контакт с проводом, влияет на ток через измеряемую цепь, поскольку индуктивность взаимная.

Термодинамика

В термодинамика, стандарт стеклянный ртутный термометр должен поглотить или отказаться от некоторых тепловая энергия записать температура, и, следовательно, изменяет температуру тела, которое он измеряет.

Квантовая механика

Теоретические основы концепции измерение в квантовой механике это спорный вопрос, глубоко связанный со многими интерпретации квантовой механики. Ключевой момент - это коллапс волновой функции, для которых несколько популярных интерпретаций утверждают, что измерение вызывает прерывистое изменение в собственное состояние оператора, связанного с измеренной величиной, изменение, которое необратимо во времени.

Более конкретно, суперпозиция принцип (ψ = Σапψп) квантовой физики диктует, что для волновой функции ψ, измерение приведет к состоянию квантовой системы одного из м возможные собственные значения жп , п = 1, 2, ..., м, оператора ∧F которые в пространстве собственных функций ψп , п = 1, 2, ..., м.

После измерения системы становится известно ее текущее состояние; и это не позволяет ему находиться в одном из других состояний ⁠ - очевидно, декогерированный от них без перспектив сильной квантовой интерференции в будущем.[9][10][11] Это означает, что тип измерения, выполняемого в системе, влияет на конечное состояние системы.

Связанная с этим экспериментально изученная ситуация квантовый эффект Зенона, в котором квантовое состояние распадалось бы, если бы его оставили в покое, но не распадается из-за непрерывного наблюдения. Динамика квантовой системы при непрерывном наблюдении описывается квантовой стохастический главное уравнение, известное как Уравнение белавкина.[12][13][14] Дальнейшие исследования показали, что даже наблюдение результатов после получения фотона приводит к коллапсу волновой функции и загрузке предыстории, как показано квантовый ластик с отложенным выбором.[15]

При обсуждении волновой функции ψ который описывает состояние системы в квантовой механике, следует остерегаться распространенного заблуждения, которое предполагает, что волновая функция ψ составляет то же самое, что и физический объект, который он описывает. Эта ошибочная концепция должна тогда требовать существования внешнего механизма, такого как измерительный инструмент, который лежит за пределами принципов, регулирующих временную эволюцию волновой функции. ψ, чтобы учесть так называемый «коллапс волновой функции» после выполнения измерения. Но волновая функция ψ является не физический объект как, например, атом, который имеет наблюдаемую массу, заряд и спин, а также внутренние степени свободы. Вместо, ψ является абстрактная математическая функция который содержит все статистический информация, которую наблюдатель может получить из измерений данной системы. В этом случае нет никакой загадки в том, что эта математическая форма волновой функции ψ должен резко измениться после выполнения измерения.

В контексте так называемой интерпретации квантовой механики скрытых измерений эффект наблюдателя можно понимать как инструментальный эффект который является результатом комбинации следующих двух аспектов: (а) агрессивность процесса измерения, внутренне включенная в его экспериментальный протокол (который, следовательно, не может быть устранен); (б) наличие случайного механизма (из-за флуктуаций экспериментального контекста), посредством которого конкретное взаимодействие измерения каждый раз актуализируется непредсказуемым (неконтролируемым) образом.[16][17][18][19]

Следствие Теорема Белла это измерение на одном из двух запутанный может показаться, что частицы оказывают нелокальное влияние на другую частицу. Дополнительные проблемы, связанные с декогеренция возникают также, когда наблюдатель моделируется как квантовая система.

Смотрите также: Квантовая декогеренция и Квантовый ластик с отложенным выбором

В принцип неопределенности часто путали с эффектом наблюдателя, очевидно, даже его создателем, Вернер Гейзенберг.[20] Принцип неопределенности в его стандартной форме описывает, как именно так мы можем измерять положение и импульс частицы одновременно - если мы увеличиваем точность измерения одной величины, мы вынуждены терять точность измерения другой.[21]Альтернативный вариант принципа неопределенности,[22] больше в духе эффекта наблюдателя,[23] полностью учитывает возмущение, которое наблюдатель оказывает в системе, и возникшую ошибку, хотя на практике чаще всего используется термин «принцип неопределенности».

Рекомендации

  1. ^ Дирак, П.А.М. (1967). Принципы квантовой механики 4-е издание. Издательство Оксфордского университета. п. 3.
  2. ^ http://faculty.uncfsu.edu/edent/Observation.pdf
  3. ^ Институт науки Вейцмана (27 февраля 1998 г.). «Продемонстрированная квантовая теория: наблюдение влияет на реальность». Science Daily.
  4. ^ Сквайрс, Юан Дж. (1994). "4". Тайна квантового мира. Группа Тейлор и Фрэнсис. ISBN  9781420050509.
  5. ^ "Конечно, введение наблюдателя не должно быть неправильно истолковано как подразумевающее, что некоторые субъективные особенности должны быть внесены в описание природы. Наблюдатель, скорее, выполняет только функцию регистрации решений, то есть процессов в пространстве и времени. , и не имеет значения, является ли наблюдатель аппаратом или человеком; но регистрация, т.е. переход от «возможного» к «действительному», здесь абсолютно необходима и не может быть исключена из интерпретации квантовой теории ». Вернер Гейзенберг, Физика и философия, п. 137
  6. ^ «Неужели волновая функция ждала своего скачка тысячи миллионов лет, пока не появится одноклеточное живое существо? Или ей пришлось подождать немного дольше, пока не появится высококвалифицированный измеритель - со степенью доктора философии?» -Джон Стюарт Белл, 1981, Квантовая механика для космологов. В C.J. Isham, R. Penrose and D.W. Sciama (ред.), Квантовая гравитация 2: второй оксфордский симпозиум. Оксфорд: Clarendon Press, стр. 611.
  7. ^ Согласно стандартной квантовой механике, совершенно безразлично, остаются ли экспериментаторы, чтобы наблюдать за своим экспериментом, или вместо этого покидают комнату и делегируют наблюдение неодушевленному устройству, которое усиливает микроскопические события до макроскопических измерений и записывает их во времени. необратимый процесс (Белл, Джон (2004). Разговорчивый и невыразимый в квантовой механике: сборник статей по квантовой философии. Издательство Кембриджского университета. п. 170. ISBN  9780521523387.). Измеренное состояние не влияет на состояния, исключенные измерением. В качестве Ричард Фейнман Скажем так: «Природа не знает, на что вы смотрите, и она ведет себя так же, как и собирается вести себя, независимо от того, удосужились ли вы удалить данные или нет». (Фейнман, Ричард (2015). Лекции Фейнмана по физике, Vol. III. Глава 3.2: Основные книги. ISBN  9780465040834.CS1 maint: location (связь)).
  8. ^ Ландау, Л.; Лифшиц, Э. (1977). Квантовая механика: нерелятивистская теория. Vol. 3. Перевод Sykes, J. B .; Белл, Дж. С. (3-е изд.). Pergamon Press. §7, §44. ISBN  978-0-08-020940-1.CS1 maint: ref = harv (связь)
  9. ^ Б. Д'Эспанья, П. Эберхард, У. Шоммерс, Ф. Селлери. Квантовая теория и картины реальности. Springer-Verlag, 1989 г., ISBN  3-540-50152-5
  10. ^ Шлосгауэр, Максимилиан (2005). «Декогеренция, проблема измерения и интерпретации квантовой механики». Ред. Мод. Phys. 76 (4): 1267–1305. arXiv:Quant-ph / 0312059. Bibcode:2004РвМП ... 76.1267С. Дои:10.1103 / RevModPhys.76.1267. S2CID  7295619. Получено 28 февраля 2013.
  11. ^ Джакоза, Франческо (2014). «Об унитарной эволюции и коллапсе в квантовой механике». Quanta. 3 (1): 156–170. arXiv:1406.2344. Дои:10.12743 / Quanta.v3i1.26. S2CID  55705326.
  12. ^ Белавкин В.П. (1989). «Новое волновое уравнение для непрерывного измерения без сноса». Письма о физике A. 140 (7–8): 355–358. arXiv:Quant-ph / 0512136. Bibcode:1989ФЛА..140..355Б. Дои:10.1016/0375-9601(89)90066-2. S2CID  6083856.
  13. ^ Ховард Дж. Кармайкл (1993). Подход открытых систем к квантовой оптике. Берлин Гейдельберг Нью-Йорк: Springer-Verlag.
  14. ^ Мишель Бауэр; Денис Бернар; Тристан Бенуа. Итерированные стохастические измерения (Технический отчет). arXiv:1210.0425. Bibcode:2012JPhA ... 45W4020B. Дои:10.1088/1751-8113/45/49/494020.
  15. ^ Ким, Юн-Хо; Р. Ю.; Кулик С.П.; Y.H. Ши; Марлан Скалли (2000). «Отложенный» выбор «Квантовый ластик». Письма с физическими проверками. 84 (1): 1–5. arXiv:Quant-ph / 9903047. Bibcode:2000ПхРвЛ..84 .... 1К. Дои:10.1103 / PhysRevLett.84.1. PMID  11015820. S2CID  5099293.
  16. ^ Сассоли де Бьянки, М. (2013). Эффект наблюдателя. Основы науки 18, стр. 213–243, arXiv: 1109.3536.
  17. ^ Сассоли де Бьянки, М. (2015). Бог может не играть в кости, но люди-наблюдатели, безусловно, играют. Основы науки 20. С. 77–105, arXiv: 1208.0674.
  18. ^ Аертс, Д. и Сассоли де Бьянки, М. (2014). Расширенное блоховское представление квантовой механики и решение проблемы измерения с помощью скрытых измерений. Анналы физики 351, стр. 975–1025, arXiv: 1404.2429.
  19. ^ «Эффект наблюдателя». Энциклопедия образовательных исследований, измерений и оценки SAGE. 2018. Дои:10.4135 / 9781506326139.n484. ISBN  9781506326153.
  20. ^ Фурута, Ая. "Одно несомненно: принцип неопределенности Гейзенберга не мертв". Scientific American. Получено 23 сентября 2018.
  21. ^ Гейзенберг, В. (1930), Physikalische Prinzipien der Quantentheorie, Лейпциг: перевод на английский язык Hirzel Физические принципы квантовой теории. Чикаго: University of Chicago Press, 1930. переиздано Dover 1949
  22. ^ Одзава, Масанао (2003), «Универсальная переформулировка принципа неопределенности Гейзенберга в отношении шума и помех при измерениях», Физический обзор A, 67 (4): 042105, arXiv:Quant-ph / 0207121, Bibcode:2003PhRvA..67d2105O, Дои:10.1103 / PhysRevA.67.042105, S2CID  42012188
  23. ^ Белавкин В.П. (1992). «Квантовые континуальные измерения и апостериорный коллапс на CCR». Коммуникации по математической физике. 146 (3): 611–635. arXiv:math-ph / 0512070. Bibcode:1992CMaPh.146..611B. Дои:10.1007 / BF02097018. S2CID  17016809.