Добавь сайт в закладки нажми CTRL+D
Уж сколько раз обсуждали так называемое «наблюдение» или «измерение». Очень сложно принять, что похожие взаимодействия могут оказывать хоть какой-то эффект, особенно если масштабы настолько глобальные. Ведь если избавиться от рационализма, то можно даже в какой-то степени полагать, что реальность без наблюдателя просто не существует.
Но давайте всё-таки вернемся к столь странному эффекту и попробуем найти в этом что-то рациональное. Что на самом деле происходит при этом коллапсе?
Измерение как таковое противоречит детерминистским принципам, которыми руководствовалась физика вплоть до начала XX века. Спор сформировался на базе того, что якобы физические системы могли «осознавать», что их измеряют. Но это излишне преувеличенное представление о проблеме.
На самом деле физические системы не «осознают», что за ними наблюдают, и, конечно же, не меняют своего поведения в зависимости от того, наблюдаем мы за ними или нет.
Первым экспериментом, показавшим, что может происходить что-то странное, был эксперимент Штерна-Герлаха.
Аппарат Штерна-Герлаха — это устройство, которое использует неоднородное магнитное поле для разделения пучков заряженных частиц с противоположной ориентацией магнитного импульса. Эксперимент обнаружил, что пучок не разделяется на непрерывный спектр, а формирует два отдельных пучка, подразумевая, что магнитный импульс квантуется в свойство, которое мы называем спином.
Каким бы революционным ни казалось это открытие, дискретность спина — это не самое странное открытие эксперимента Штерна-Герлаха. При размещении двух таких аппаратов последовательно так, чтобы их магнитные поля были ортогональны друг другу, мы можем измерить спиновые состояния частиц в ортогональных направлениях — частицы имеют разный магнитный импульс в направлениях x, y и z. Исследователи обнаружили, что порядок, в котором были размещены аппараты, влиял на окончательные измерения.
Это означало, что, несмотря на то, что измерения были, по-видимому, независимыми, сам факт наблюдения за системой с помощью первого прибора каким-то образом изменил общее состояние и, следовательно, повлиял на измерения, зарегистрированные вторым прибором.
Математически формализм Дирака квантовой механики объясняет это явление через некоммутативность наблюдаемых. В чисто алгебраическом смысле мы говорим, что когда две матрицы коммутируют, они имеют общий набор собственных векторов. Вообще говоря, разные наблюдаемые не имеют одинаковых собственных векторов или собственных состояний, поэтому они не будут коммутировать, и поэтому порядок, в котором они измеряются, будет иметь значение.
Однако это объяснение совсем не удовлетворительно. Это всего лишь результат формализма Дирака, математической конструкции. Чтобы по-настоящему понять, как работает некоммутативность и почему волновая функция не коллапсирует, как предполагали ранние квантовые физики, мы должны понять утверждение:
Измерение наблюдаемого состоит в проецировании вектора состояния на собственный базис этой наблюдаемой системы.
Здесь мы ввели важное понятие проекции. Визуально мы можем интуитивно понять, почему проекции могут быть ключом к пониманию этой квантовой головоломки.
Взгляните на рисунок ниже, на котором показана тень, отбрасываемая прямоугольной призмой после прохождения двух вращений. Хотя сами вращения одинаковы, они выполняются в двух разных порядках.
Как вы можете видеть, конечное состояние (конечная теневая проекция) отличается для случая вверху от случая внизу. Это пример того, как использование проекций в качестве метода измерения геометрических свойств призмы зависит от некоммутативности применяемых операторов вращения.
Когда трехмерный объект проецируется на двумерную плоскость, мы можем наблюдать соответствующие симметрии, но другая информация неизбежно теряется. Если мы впоследствии попытаемся найти эту информацию с помощью второго наблюдения, наши измерения будут неверными. Снижение размерности с помощью проекции выявляет некоторые симметрии, но скрывает другую информацию.
Аналогично, когда мы используем проекцию вектора состояния на собственный базис наблюдаемой в квантовой механике, мы не меняем состояние самой системы, но мы определенно меняем тень (если это так можно назвать), которую отбрасывает система, тем самым влияя на последующие измерения.
Измерение спина с помощью аппарата Штерна-Герлаха по сути ориентирует систему необратимым образом, и будущие измерения спина будут смещены, несмотря на то, что мы фактически не изменили спин частиц, поскольку сам акт наблюдения не вмешивается в физику системы.
Обратите внимание, что использованный пример с тенью не является аналогией. Вместо этого он представляет собой представление фактической математической основы формализма Дирака, то есть проекции системы, состоящей из линейной комбинации собственных векторов, на базис собственных векторов как метода извлечения симметрий системы.
Получается, что никакого коллапса просто не существует. Весь этот процесс имеет некоторую логику. Но, скажем так, многомерность проблемы просто зашкаливает и представить себе процесс крайне сложно.
Впрочем, не так давно я рассказывал про конеткстуальный реализм.
Этот подход во многом коррелирует с рассматриваемой логикой проблемы.