Wie ist es möglich, dass Quantenphänomene (zB Superposition) möglich sind, wenn alle Quantenteilchen ständig beobachtet werden?

Sind die Teilchen, aus denen dieser Quantenzustand besteht, nicht miteinander in Wechselwirkung tretend? Warum führt das nicht zum Zusammenbruch des Staates?

Wir haben ein mathematisches Modell für die Beobachtungen, die wir von jedem System in der Mikrowelt machen können. Dieses Modell ist die Quantenmechanik und ihre Vorhersagen wurden immer wieder experimentell bestätigt.

Observables sind Größen, die wir über die Teilchen und Felder in der Mikrowelt messen können. Ein Hauptpostulat ist, dass jeder Observable ein quantenmechanischer Operator zugeordnet ist. Diese Operatoren gehen in die quantenmechanischen Gleichungen ein, deren Lösungen unter gegebenen Randbedingungen ein System in der Mikrowelt beschreiben.

Es ist wahr, dass ein Quantensystem ständig in sich selbst interagiert, wie es das Quantenmodell beschreibt, und es kann kontinuierliche Wechselwirkungen mit den Grenzen geben, aber Interaktion ist kein Synonym für eine Messung . Die kontinuierlichen Wechselwirkungen sind außerhalb der Massenhülle, virtuell und innerhalb der Grenzen der quantenmechanischen Lösungen spezifischer Energieniveaus und erlaubter Zustände und der Erhaltung von Quantenzahlen. Sie sind keine Maße.

Interagieren nicht alle Teilchen im Universum mit Higgs-Feldern und Gravitonen usw.? Warum kollabiert dadurch nicht jeder Quantenzustand?

Kollaps ist eine ausgefallene Terminologie für Messung . Niemand misst den kontinuierlichen virtuellen Austausch des Higg-Feldes, der den Elementarteilchen Masse verleiht, auch nicht die Gravitonen. Tatsächlich sind Gravitonen hypothetische Teilchen, weil wir noch nie eines gemessen haben, so wie wir Photonen gemessen haben. Auch misst niemand die virtuellen Photonen, die die Elektronen auf ihrem Energieniveau um den Kern herum halten.

Das grundlegende Missverständnis besteht darin, „Interaktion“ mit Messung zu identifizieren. Eine Messung bedeutet zwangsläufig eine Wechselwirkung. Eine Interaktion ist viel mehr als eine Messung.

Ihre Frage enthält eine falsche Aussage:

Wenn ich mich nicht irre, meinen wir mit „beobachtet“ die Wechselwirkung mit irgendeinem anderen Teilchen

Du liegst falsch.

In verschiedenen Interpretationen der Quantenmechanik ist die Definition von "Messung" unterschiedlich. Aber ich denke, es würde reichen, wenn ich nur fünf nenne, von denen Sie selbst wählen können.

• In Kopenhagen/von Neuman-Interpretationen wird der Kollaps der Wellenfunktion durch den Beobachter ausgelöst. Diese Person hat die besondere Eigenschaft, zu der kein anderes Objekt im Universum fähig ist. In der Kopenhagener Interpretation kann der Kollaps durch jedes System ausgelöst werden, das mit dem Beobachter verbunden ist, einschließlich der Messapparatur und des externen Mediums (wenn der Beobachter nicht davon isoliert ist). Alle Dinge können durch den sogenannten „Heisenberg-Schnitt“ beliebig in das beobachtete System und das Messsystem aufgeteilt werden, wobei die einzige Voraussetzung ist, dass das Messsystem den Beobachter einschließt.

• Die von Neuman-Interpretation ist der Grenzfall der Kopenhagener Interpretation, bei der der Heisenberg-Schnitt so nah wie möglich am Betrachter platziert wird. Als solche werden sogar die Teile seines Gehirns immer noch als Teil des beobachteten Systems angesehen. In der von Neuman-Interpretation tritt der Zusammenbruch der Wellenfunktion auf, wenn der Beobachter ein vom Messwert abhängiges Qualia (Gefühl) spürt.

• Bei der Bohm-Interpretation tritt der Zusammenbruch der Wellenfunktion auf, wenn der Beobachter eine Störung in das gemessene System einbringt, die bei der Durchführung der Messung unvermeidlich ist. Der Unterschied zwischen der Messung und jeder anderen Wechselwirkung besteht darin, dass die durch die Messung eingeführte Störung vorher unbekannt ist. Dies liegt daran, dass die Anfangsbedingungen eines Systems, das den Beobachter enthält, unbekannt sind. Mit anderen Worten, der Beobachter enthält immer Informationen, die unbekannt sind und aufgrund von Selbstreferenzproblemen auf keinen Fall bestimmt werden können. Thomas Breuer nannte dieses Phänomen „subjektive Dekohärenz“. Die Philosophen glauben, dass diese Unberechenbarkeit des Systems, das den Beobachter für sich enthält, den freien Willen definiert.

• Bei der relationalen Interpretation tritt der Zusammenbruch auf, wenn die Wechselwirkung die ultimative Messung beeinflusst, die vom ultimativen Beobachter an der universellen Wellenfunktion in unendlicher Zukunft durchgeführt wird. Damit der Kollaps eintritt, sollte das Ergebnis der Interaktion also irgendwie das externe Medium, die Sterne usw. beeinflussen, entweder jetzt oder in der Zukunft, anstatt wieder zusammengefügt und verloren zu werden.

• In der Viele-Welten-Interpretation kommt es nie zum Kollaps der Wellenfunktion. Stattdessen ist das, was der Beobachter als Kollaps wahrnimmt, nur das Ereignis der Verstrickung des Beobachters mit dem beobachteten System.

Lassen Sie uns zunächst einige Dinge über die grundlegenden Postulate der Quantenmechanik klären.

Eines der Postulate ist, dass alle messbaren Größen in einem Quantensystem mathematisch durch sogenannte Observables repräsentiert werden. Eine Observable ist also ein mathematisches Objekt, genauer gesagt ein reeller linearer Operator, dessen „Eigenzustände“ eine vollständige Menge bilden. Dies bedeutet im Wesentlichen, dass jeder Quantenzustand als Linearkombination dieser Eigenzustände der Observablen ausgedrückt werden kann.

Ein einfaches Beispiel für eine Observable ist der Spin-Operator. Wenn wir das Postulat auf diesen Fall anwenden, bedeutet dies einfach, dass jeder Spinzustand als Kombination der Eigenzustände des Spinoperators ausgedrückt werden kann. Wenn wir beispielsweise über den Spin eines Elektrons sprechen, sind die Eigenzustände „Spin up“ und „Spin down“ (naiverweise könnte man an ein Elektron denken, das sich gegen den Uhrzeigersinn bzw. im Uhrzeigersinn dreht). Daher kann jeder Spin-Zustand als lineare Kombination dieser Spin-up- und Spin-down-Zustände angesehen werden.

Wenn wir nun den Spin eines bestimmten Elektrons messen, finden wir heraus, welchen Spin das Elektron in diesem Moment hat. Ein weiteres Postulat besagt, dass das einzig mögliche Ergebnis einer solchen Messung ein Eigenzustand ist. Die einzig möglichen Ergebnisse der Messung des Spins eines Elektrons sind also entweder Spin up oder Spin down. Nach dieser Messung wissen wir also, dass das Elektron einen dieser Spins hat, sein vorheriger Spinzustand ist auf einen dieser Zustände „kollabiert“.

Nun gibt es andere Postulate, die uns explizit sagen, wie sich der Zustand eines Quantensystems mit der Zeit entwickelt. Wenn wir also eine Weile warten, nachdem wir den Spinzustand des Elektrons gemessen haben, könnte sich sein Spinzustand geändert haben, wenn es zum Beispiel mit einem anderen Teilchen wechselwirkt. Mit den Gesetzen der Quantenmechanik können wir so die Wahrscheinlichkeiten berechnen, zu einem späteren Zeitpunkt Spin-Up oder Spin-Down zu messen.

Die Quantenmechanik sagt also wirklich nichts darüber aus, dass Quantenzustände ständig beobachtet werden, oder überhaupt über Beobachtung abgesehen von der Messung. Es befasst sich nur mit Messungen von Zuständen und der zeitlichen Entwicklung von Zuständen.

Um Ihre spezielle Frage in Bezug auf die Quantenmechanik zu erklären, sagen Sie, dass wir ein komplexes Quantensystem haben, das aus vielen Teilen (Teilchen, Feldern usw.) besteht. Wir können einige Eigenschaften dieses Systems zu Beginn messen, was uns einen bestimmten Anfangszustand des Systems liefert. Diese verschiedenen Teile des Systems könnten dann miteinander interagieren und sich durch die Gesetze der Quantenmechanik in einen neuen Zustand entwickeln (dh durch die Schrödinger-Gleichung oder Dirac-Gleichung oder durch die Gleichungen einer Quantenfeldtheorie usw.). Danach können wir neue Messungen durchführen und wir können im Prinzip die Wahrscheinlichkeiten der verschiedenen möglichen Ergebnisse jeder dieser Messungen genau berechnen. Wenn wir diese neuen Messungen durchführen, hören die Wahrscheinlichkeiten jedoch auf, Wahrscheinlichkeiten zu sein, und wir erhalten einen neuen eindeutigen Zustand, den vorherigen '

Ich habe Ihre beiden spezifischen Fragen vielleicht nicht beantwortet, aber ich habe hoffentlich einige Dinge über die Quantenmechanik geklärt, sodass Sie jetzt den inhärenten Fehler in diesen Fragen erkennen können.

Ich möchte nur etwas zur richtigen @annav-Antwort hinzufügen, mit einem praktischen Beispiel in der grundlegenden Quantenfeldtheorie. Stellen Sie sich einen Teilchenprozess mit vor$2$Anfangsteilchen und$2$Endteilchen haben Sie einen Anfangszustand (z. B. bei t =$-\infty$), welches ist$|i\rangle =|1\rangle |2\rangle$, wo$|1\rangle$und$|2\rangle$sind die Zustände (bei t=$-\infty$) der Ausgangsteilchen. Dieser Ausgangszustand$|i\rangle$hat eine einheitliche Entwicklung.

Praktisch ist der nicht triviale Teil dieser Evolution auf den Austausch von "virtuellen Teilchen" zurückzuführen (man kann sich zum Beispiel vorstellen, dass zwei anfängliche Elektronen ein "virtuelles Photon" austauschen, oder ein anfängliches linkshändiges Elektron und ein anfänglich rechtshändiges Elektron ausgetauscht werden ein "virtuelles Higgs")

Nun der Ausgangszustand$|i\rangle$entwickelt sich, so bei$t = +\infty$, konnte der Endzustand geschrieben werden$|f\rangle = \sum\limits_{k,l} A_{1,2;k,l}|k\rangle |l\rangle$, wo$|k\rangle$und$|l\rangle$einen möglichen Zustand für die endgültigen Teilchen darstellen.

Bis jetzt sehen Sie, dass es aufgrund der Interaktion eine (einheitliche) Evolution gibt, aber es gibt keinen "Zusammenbruch".$A_{1,2;k,l}$, im obigen Ausdruck, ist einfach die Wahrscheinlichkeitsamplitude, um die letzten Teilchen in einem Zustand zu finden$|k\rangle |l\rangle$, wobei die anfänglichen Teilchen in einem Zustand angenommen werden$|1\rangle |2\rangle$.

Wenn Sie jedoch eine Messung (bei t=$+\infty$), werden Sie einen "Zusammenbruch" haben und einen endgültigen Zustand finden$|k\rangle |l\rangle$mit der Wahrscheinlichkeit$|A_{1,2;k,l}|^2$

Ein weiterer interessanter Punkt ist, dass, wenn man hier einfache Quantenmechanik betrachtet, Wechselwirkungen zwischen einem Teilchen und einem Messgerät durch Verschränkung auftreten können. Betrachten wir als Beispiel das 2-Spalt-Experiment mit Photonen. Ohne Messapparatur ist der Gesamtzustand$|\psi\rangle = |\psi_L\rangle + |\psi_R \rangle$, wo$L$und$R$stellen die beiden Schlitze dar. Wenn Sie ein Messgerät mitbringen, das potenziell erkennen kann, welcher Schlitz für das Photon verwendet wurde, aber ohne die Messung explizit durchzuführen, ist der neue Zustand ;

$|\psi'\rangle = |\psi_L\rangle |M_L \rangle + |\psi_R \rangle |M_R \rangle$, wo$|M_R\rangle$und$|M_L\rangle$sind quasi-orthogonale Zustände der Messapparatur ($\langle M_R|M_L\rangle = 0$). Dies ist ein Zustand vor der Messung, wir sehen, dass es eine Verschränkung zwischen den Zuständen des Teilchens und den Zuständen des Messgeräts gibt. Da die Zustände der Vorrichtung orthogonal sind, zerstört dies das Interferenzmuster. Jetzt können Sie wirklich eine Messung durchführen, in diesem Fall erkennen Sie explizit, welchen Spalt das Photon benutzt hat. Danach wäre der Endzustand$|\psi''\rangle = |\psi_L\rangle |M_L \rangle$, wenn die$L$Schlitzpfad erkannt. Korrektere Modelle würden tatsächlich verschränkte (Vormessungs-)Zustände zwischen dem Teilchen, der Messapparatur und der Umgebung beinhalten$\sum\limits_i |\psi_i\rangle |M_i \rangle |E_i \rangle$.