Наблюдатель - измерение, взаимодействие...

ZavSet · Сообщение **ZavSet** » 31 авг 2012, 11:24

Здравствуйте.

Хотел спросить у форумчан как правильно интерпретировать понятие "наблюдателя" в квантовом мире?

Мой ход мысли и вопросы в конце. Прошу помочь разобраться.
Кому лень читать - перейдите в конце к вопросам. Альтернативного ничего нет, по этому в физику пишу.

В макромире:

Есть наблюдатель - вы, например.
Есть некий метроном, который не то чтобы совершает колебания какие-то, а упрощенно просто дает отсчеты каждую секунду.
Есть "основной эксперимент" (который нужно провести за 10 секунд). Например, испускание электронов на пластину через две щели экрана - классика жанра.

Вы начинаете эксперимент по ближайшему отсчету метронома. Отсчитываете 10 отсчетов метронома и заканчиваете эксперимент.
Считается, что эксперимент длился 10 секунд, т.к. один отсчет метронома взят за одну секунду.
Всё вполне очевидно и тут нет никаких вопросов.

В квантовом мире:

Вопросы возникают когда всю эту идиллию я начинаю рассматривать с точки зрения квантового мира.

Я бы сказал, что описанную ситуацию необходимо "нарезать" на несколько "экспериментов" относительно наблюдателя:

1) Наблюдатель начинает эксперимент по ожиданию начала отсчета. Первый наблюдаемый им отсчет метронома который он зафиксировал - некое начало координат времени.
2) Наблюдатель начинает эксперимент по наблюдению следующего (второго) отсчета.
3) Наблюдатель начинает основной эксперимент. (Включил чего-то, например, электронную пушку)
4) Наблюдатель получает информацию о втором отсчете ("наблюдает его").
...
...несколько отсчетов времени...
...
12) Наблюдатель начинает эксперимент по наблюдению следующего (10-го) отсчета.
13) Наблюдатель получает информацию о 10-м отсчете.
14) Наблюдатель заканчивает основной эксперимент.

Интересный же момент - это то, что в "основном эксперименте" наблюдатель (в данном конкретном случае - человек) появляется/"изменяет что-то" лишь после появления первого отсчета и после появления 10-го отсчета. Я нарочно не стал писать "в начале" и "в конце" эксперимента - так оно нагляднее.

Логично сказать, что в течении всего эксперимента, так сказать "в теле эксперимента", наблюдателя (в виде нас с вами не существовало все 10 секунд. Наблюдатель фактически проводил все это время (каламбур некоторый) за другим экспериментом - отсчитывал промежутки времени.

Обратимся к двухщелевому эксперименту.

Исходя из сказанного, понятие "наблюдателя" в данном случае (в квантовом мире, эксперименте по испусканию электронов на пластину через две щели) как человека неприменимо. Наблюдатель-человек занимался другими делами. В самом основном эксперименте он никак не взаимодействовал ни с чем. Вроде как это очевидно.

Раскроем понятие времени. Если в основном эксперименте электронная пушка будет испускать по одному электрону в секунду, то после появления 10-го отсчета "в системе времени наблюдателя", на пластине будут 10 точек (по простому говоря, не будем усложнять). Т.е. можно сказать что и для наблюдателя и в самом эксперименте прошло 10 секунд. С временем вроде тоже все гладко.

Если в основном эксперименте имеем две щели и пластину и условия возникновения эффекта интерференции - получим картину интерференции электронов на пластине (из 10-ти конечно сложно воссоздать картину, но не будем усложнять) пролетающих через эту систему. Как только мы, например, на одной щели ставим детектор пролета электрона (пытаемся узнать через какую щель сколько электронов пролетело) - картина интерференции нарушается и мы видим картину двух пятен (по простому говоря. см. двухщелевой эксперимент, опыт Юнга етц), интерференционной картины не будет.

Результаты экспериментов с детектором и без - различные. Детектор воздействует на пролетающий электрон. Не так ли?

Вопросы:

(Нулевой вопрос: почему кругом носятся с этими "наблюдателями"? Ну "взаимодействие", ну "воздействие", но причем тут "наблюдатель"? "Многомировая интерпретация" туда же

1) В чем заключается воздействие детектора на электрон? Ведь на вероятности пролетания электроном через одну или вторую щели это не оказывает влияния. Суперпозиция электрона (как я понимаю - взаимоисключающие пролеты в одну или в другую щель) сохраняется. А на картину распределения по пластине оказывает влияние.

2) В какой момент происходит редукция/коллапс волновой функции электрона, который "пролетает щели", пролетает мимо детектора, и наконец "ударяется" о пластину?

Вспомнилась камера Вильсона. "Заряженная частица, проходя сквозь камеру, оставляет на своем пути цепочку ионов. Пар конденсируется на ионах, делая видимым след частицы.". При пролете заряженные частицы взаимодействуют с частицами пара на всем протяжении полета. Словно брошенный мяч - мы видим его траекторию. Частицы пара - куча "наблюдателей"? Когда происходит колапс волновой функции частицы, если так можно выразится?

3) "Измерение", "взаимодействие" и/или "воздействие" определяет "роль наблюдателя" в квантовом мире/эксперименте?

"Редукция или коллапс волновой функции — мгновенное изменение описания квантового состояния (волновой функции) объекта, происходящее при измерении" (с) фон Нейман.
"Измерение в квантовой механике — концепция, описывающая возможность получения информации о состоянии системы путём проведения физического эксперимента" (с) туман Википедии.

Очень интересно про "измерение". Измерение суть взаимодействие. Детектор можно назвать наблюдателем? Частицы пара "дают измерение"?

4) А щель никак не воздействует на электрон? Они не взаимодействуют (щели и электрон)?

Буду рад любым пояснениям. Спасибо.

fir-tree · Сообщение **fir-tree** » 31 авг 2012, 12:54

Считайте, что в квантовом мире понятия "наблюдатель" совсем нет. Есть только "измерительный прибор", "детектор" или "классическая система". Квантовая физика не рассматривает наблюдателей, как это делаете вы. Соответственно, ваши рассуждения - не квантовая физика.

ZavSet писал(а):Source of the post Вопросы:

(Нулевой вопрос: почему кругом носятся с этими "наблюдателями"? Ну "взаимодействие", ну "воздействие", но причем тут "наблюдатель"? "Многомировая интерпретация" туда же

От безграмотности. И разрекламированности "наблюдателя" в бульварной литературе. Слово "наблюдатель" используется в теории относительности, да и там, по сути, означает лабораторию с приборами, фотоаппаратами и т. п.

ZavSet писал(а):Source of the post 1) В чем заключается воздействие детектора на электрон? Ведь на вероятности пролетания электроном через одну или вторую щели это не оказывает влияния. Суперпозиция электрона (как я понимаю - взаимоисключающие пролеты в одну или в другую щель) сохраняется. А на картину распределения по пластине оказывает влияние.

Если до воздействия электрон находился в состоянии $\alpha|a\rangle+\beta|b\rangle$ , то после воздействия он находится только в одном из двух состояний $|a\rangle$ или $|b\rangle$ , с вероятностями, соответственно, $|\alpha|^2=\alpha^*\alpha$ и $|\beta|^2=\beta^*\beta$ . Здесь $|a\rangle,|b\rangle$ - базис собственных состояний измерительного прибора. Суперпозиция состояния разрушается.

Для электрона, пролетающего сквозь щель, речь идёт о двух базисах. Первый базис, $$i$$

, из двух состояний: первая щель или вторая щель. И второй базис, $$f$$

, из $\mathbb{R}$ состояний: в какой точке на экране электрон отметится. То есть, состояние, выраженное в первом базисе, потом перераскладывается во втором базисе (ещё и с учётом движения в пространстве, но это лишние подробности): $\sum\limits_{k}\alpha_k|i_k\rangle=\bigl(\sum\limits_{m,n}|f_n\rangle\langle f_n|i_m\rangle\langle i_m|\bigr)\bigl(\sum\limits_{k}\alpha_k|i_k\rangle\bigr)=\sum\limits_{n}\beta_n|f_n\rangle$ Слово "суперпозиция" относится к любому небазисному состоянию, а поскольку тут базисов два, надо уточнять. В процессе измерения, когда электрон обнаруживает себя в какой-то точке экрана, разрушается суперпозиция именно по базису собственных состояний экрана.

ZavSet писал(а):Source of the post 2) В какой момент происходит редукция/коллапс волновой функции электрона, который "пролетает щели", пролетает мимо детектора, и наконец "ударяется" о пластину?

В момент взаимодействия с детектором. Если в роли детектора выступает пластина - то в момент взаимодействя с пластиной.

ZavSet писал(а):Source of the post Вспомнилась камера Вильсона. "Заряженная частица, проходя сквозь камеру, оставляет на своем пути цепочку ионов. Пар конденсируется на ионах, делая видимым след частицы.". При пролете заряженные частицы взаимодействуют с частицами пара на всем протяжении полета. Словно брошенный мяч - мы видим его траекторию. Частицы пара - куча "наблюдателей"? Когда происходит колапс волновой функции частицы, если так можно выразится?

Частицы пара - куча детекторов. Точнее даже, ионы. Коллапс происходит многократно на каждом акте ионизации.

ZavSet писал(а):Source of the post 3) "Измерение", "взаимодействие" и/или "воздействие" определяет "роль наблюдателя" в квантовом мире/эксперименте?

Нету никакого наблюдателя, и его роли, соответственно. Есть просто классический прибор.

ZavSet писал(а):Source of the post 4) А щель никак не воздействует на электрон? Они не взаимодействуют (щели и электрон)?

На самом деле, воздействует. Она отсекает все электроны, которые промахиваются мимо щели. Но проще рассматривать электрон уже после щели, если он в неё уже точно попал. Тогда - не взаимодействует.

ZavSet · Сообщение **ZavSet** » 04 сен 2012, 12:53

fir-tree писал(а):Source of the post
...От безграмотности. И разрекламированности "наблюдателя" в бульварной литературе. Слово "наблюдатель" используется в теории относительности, да и там, по сути, означает лабораторию с приборами, фотоаппаратами и т. п...
...

Благодарю за развернутый ответ по всему сообщению. Всё как то стало вдруг ясно.

//Частицы пара - куча детекторов.//

Да, я так себе это и представлял.

А кто нибудь может подсказать, как объясняется явление интерференции целых молекул?
Например тут можно почитать или вот тут новее.

Из последнего: "...Молекулы, специально созданные для эксперимента, заметно превосходят С60 по величине. Самая крупная из них составлена из 430 атомов и вырастает до 60 Е, а масса самой тяжёлой, также включающей в себя 430 атомов, равняется 6 910 а. е. м.
...Молекулы поступали в камеру из обычного термического источника за счёт сублимации вещества. При использовании всех шести видов соединений, обозначенных на рисунке выше, в опыте регистрировались признаки квантовой интерференции..."

Так и до интерференции гороха дело может дойти... если постараться. Нет? :whistle:

fir-tree · Сообщение **fir-tree** » 04 сен 2012, 16:24

ZavSet писал(а):Source of the post Так и до интерференции гороха дело может дойти... если постараться. Нет?

Надеемся, что дойдёт

Тут идея вот какая. Молекулы, чтобы их когерентное состояние не было разрушено, должны ни с чем не взаимодействовать. То есть, не стукаться о молекулы воздуха, о молекулы пинцета, об фотоны окружающего теплового излучения комнатной температуры (или если установка криогенная, то сколько там кельвинов выше нуля).

Когда мы нарастим размеры до гороха, это условие где-то рано или поздно будет нарушено. Или придётся температуру $10^{-23}$ К обеспечивать - что понимаете, насколько нереально.

ZavSet · Сообщение **ZavSet** » 05 сен 2012, 06:03

Ну, вот кстати, если уж речь идет об интерференции. К вопросу о двухщелевом эксперименте.

Если без когерентности невозможно наблюдать такое явление, как интерференция, и как я полагаю, процесс интерференции - это процесс с участием как минимум двух когерентных волн, то при двухщелевом эксперименте "с единичными электронами" (когда период испускания на порядки больше времени пролета...) что является этими когерентными волнами?

Ведь по сути, при описании эксперимента, постулируется, что две щели являются источниками (вторичными?) когерентных волн. Почему собственно и используется не одна, а две щели.

"В физике когерентностью называется скоррелированность (согласованность) нескольких колебательных или волновых процессов во времени, проявляющаяся при их сложении."

Следовательно, при "прохождении электрона двух щелей" что-то должно проходить в одну и вторую щель одновременно в любом случае - это условие создания когерентности и интерференции в принципе.

То, что при детектировании электрона около одной из щели мы на него оказываем ~~неизгладимое впечатление~~ влияние, которое нарушает может тем самым когеренцию - это видимо так.

Никто не подскажет, какие теории выдвинуты для описания того, что например, электрон распространяется как волна, а на детекторе "проявляется" в виде локальной точки? Что показывает, теоретически или экспериментально, что электрон локализуется "в точку"? (кроме фотопластины что-то не соображу)

Поясню немного. Представим распространение звуковой волны через две щели. :acute: Очевидно, что если расположить за щелями ряд "слушателей", то проанализировав громкость у каждого мы наверно сможем и интерференционные максимумы/минимумы определить.

Только вот сделать так, чтобы в один момент только один слушатель (один детектор/"наблюдатель" из целого ряда) смог услышать звуковую волну не выйдет. Не так ли?

ZavSet · Сообщение **ZavSet** » 05 сен 2012, 06:14

fir-tree писал(а):Source of the post
Молекулы, чтобы их когерентное состояние не было разрушено, должны ни с чем не взаимодействовать. То есть, не стукаться о молекулы воздуха, о молекулы пинцета, об фотоны окружающего теплового излучения комнатной температуры (или если установка криогенная, то сколько там кельвинов выше нуля).

Когда мы нарастим размеры до гороха, это условие где-то рано или поздно будет нарушено. Или придётся температуру $10^{-23}$ К обеспечивать - что понимаете, насколько нереально.

Интересно, а условие когерентности летящих горошин как определить? :lool: Электроны по одному уже пускали... дело за горошинами.

"...частице с массой в 1 г, движущейся со скоростью 1 м/с, соответствует волна де Бройля $\lambda\approx6.22*10^{-31}$ м, что лежит за пределами доступной наблюдению области. Поэтому волновые свойства несущественны в механике макроскопических тел."

Вот почему не выйдет, скорее всего.

zykov · Сообщение **zykov** » 05 сен 2012, 06:21

ZavSet писал(а):Source of the post
...что является этими когерентными волнами?

Пси-функция.
Пси-функция описывает квантовое состояние системы.

grigoriy · Сообщение **grigoriy** » 05 сен 2012, 06:50

ZavSet · Сообщение **ZavSet** » 05 сен 2012, 06:58

zykov писал(а):Source of the post
ZavSet писал(а):Source of the post
...что является этими когерентными волнами?

Пси-функция.
Пси-функция описывает квантовое состояние системы.

Это всё замечательно, но это описание, а я пытаюсь представить интерференцию, которая обязана существовать, при определенных условиях, только с двумя и более волнами. Вот ведь в чем вопрос.

У единичного электрона подлетающего к двум щелям одна пси-функция или по другому одна волновая функция. Когеренция и интерференция тут как возникает?

"Интерференция волн — взаимное усиление или ослабление амплитуды двух или нескольких когерентных волн, одновременно распространяющихся в пространстве."

"Интерференция света — перераспределение интенсивности света в результате наложения(суперпозиции) нескольких световых волн. Это явление сопровождается чередующимися в пространстве максимумами и минимумами интенсивности. Её распределение называется интерференционной картиной."

"Физический смысл волновой функции заключается в том, что согласно копенгагенской интерпретации квантовой механики плотность вероятности нахождения частицы в данной точке пространства в данный момент времени считается равной квадрату абсолютного значения волновой функции этого состояния в координатном представлении."

Что я упускаю? :rolleyes:

zykov · Сообщение **zykov** » 05 сен 2012, 09:59

ZavSet писал(а):Source of the post
У единичного электрона подлетающего к двум щелям одна пси-функция или по другому одна волновая функция. Когеренция и интерференция тут как возникает?

А в чем проблема?
Квантовое состояние этого электрона описывается этой функцией. Эволюция этой функции подчиняется уравнению Шрёдингера. Решение уравнения даёт интерференцию в данной конфигурации (уравнение линейное).

yourdomain.com