Lassen Sie mich zunächst feststellen, dass ich viel weniger Erfahrung mit Physik habe als die meisten Leute hier. Quantenmechanik war so weit, wie ich gekommen bin, und das war vor ungefähr 9 Jahren, ohne Nutzen in der Zwischenzeit.
Viele Leute scheinen zu glauben, dass wir das Universum verändern, wenn wir das Universum beobachten. Das ist das Standard-Woo-Handwinken, das von Leuten produziert wird, die die Physik nicht verstehen – danke Fritjof Capra.
Wenn ich im Internet über Quantenphysik lese, finde ich, dass diese Idee viel zu oft propagiert wird. Oft genug, dass ich in Frage stelle, ob mein Verständnis richtig ist.
Meine Fragen:
Bedeutet die Beobachtung eines Teilchens immer, es mit etwas zu treffen, um die Wellenfunktion zu kollabieren?
Gibt es eine andere Art der Beobachtung?
Was meinen Physiker, wenn sie „beobachten“ sagen?
Verwandt, kommt aber nicht auf die Frage, was Beobachtung ist: Was ist der Unterschied zwischen einer Messung und irgendeiner anderen Wechselwirkung in der Quantenmechanik?
Unter der Annahme, dass das ankommende "erste" Teilchen in einem reinen Zustand hergestellt wird, scheint eine Wechselwirkung mit einem anderen Teilchen notwendig zu sein. Eine solche Wechselwirkung könnte jedoch einfach die spontane Emission eines Photons oder eines anderen Teilchens durch das ursprünglich einfallende Teilchen sein.
Am wichtigsten ist, dass eine solche Wechselwirkung selbst nicht ausreicht. Damit ein Messereignis eintritt (Wellenfunktionskollaps im Von-Neumann-Formalismus), müssen wir auch einige der Informationen des wechselwirkenden Teilchens „physikalisch aus den Augen verlieren“, nachdem die Wechselwirkung stattgefunden hat, sodass wir die verschränkte Zustandsbeschreibung ersetzen müssen des zweiten Teilchens nach der Wechselwirkung mit einer probabilistischen Mischung solcher Zustände, was eine Beschreibung des ersten Teilchens nach der Wechselwirkung in Form einer reellwertigen Wahrscheinlichkeitsdichtematrix erzwingt und nicht als die komplexwertige reine Zustandsamplitude, mit der wir begonnen haben. Dieser Beschreibungswechsel beinhaltet automatisch eine Entropiezunahme, die auch physikalisch auftritt.
Sofern das zweite, wechselwirkende Teilchen nicht entweder dem Gerät entkommt oder mit einem dritten Teilchen wechselwirkt, das so entweicht, dh "mit der Umgebung wechselwirkt", hat noch keine Messung stattgefunden, die gesamte Wechselwirkung ist im Prinzip reversibel, und die komplexe Amplitudenbeschreibung bleibt angemessen . Die Messung erfordert einen "Verlust" (durch Dekohärenz) der Verschränkungsinformationen durch weitere Verschränkung mit der Umgebung und Dissipation.
Das austretende dritte Teilchen ist oft ein emittiertes Photon oder Phonon. Siehe die Referenz in der verknüpften Antwort. Was ist der Unterschied zwischen einer Messung und jeder anderen Wechselwirkung in der Quantenmechanik? , insbesondere der Artikel von London und Bauer aus dem Jahr 1939 (aber vermeiden Sie ihre Metaphysik) für Einzelheiten. In jüngerer Zeit siehe dieses Buch über die Quantenmesstheorie , insbesondere Seite 102, die sich auf die Ansicht von Zeh bezieht.
Sie haben vielleicht bemerkt, dass diese Beschreibung einige Unklarheiten enthält. Dies wurde von Zurek sehr detailliert analysiert und gelöst, aber es wird ein wenig knifflig. Siehe zB http://arxiv.org/abs/1001.3419 und darin enthaltene Referenzen.
"Collapse the wave" ist ein belasteter Begriff, dem nicht alle Physiker zustimmen würden. Es gibt sehr viele "No-Collaps"-Interpretationen, bei denen es keine besondere Rolle für Messungen gibt, die die Wellenfunktion direkt verändern. Es gibt auch kollabierende Interpretationen, bei denen der Kollaps mehr oder weniger spontan erfolgt, wie in Roger Penroses Theorie, wonach Gravitationseffekte jede Überlagerung oberhalb einer bestimmten Massenschwelle unglaublich schnell zum Kollabieren bringen.
In der Praxis ist es schwer, sich eine Messtechnik vorzustellen, die nicht so beschrieben werden könnte, dass man ein Teilchen mit einem anderen trifft. Die meisten quantenoptischen Experimente beruhen auf der Streuung von Licht an einem Atom, um den Zustand des Atoms zu erkennen, viele Experimente mit geladenen Teilchen beinhalten das Einlaufen der Teilchen in eine Oberfläche oder einen Draht, um sie zu erkennen, und so weiter. Ich denke, dass das Festkörper-Qubit-Experiment von Leuten wie Rob Schoelkopf in Yale wahrscheinlich als Ausnahme gelten würde, weil ich glaube, dass sie einen SQUID verwenden, um den Zustand ihrer künstlichen Atome über Magnetfelder zu detektieren. Wenn Sie jedoch wirklich wählerisch werden möchten, können Sie dies wahrscheinlich auch als Partikelinteraktion in gewissem QED-Sinne betrachten.
Aber auch dort lässt der Akt des Messens das ursprüngliche System nicht unverändert. Während es keine allgemeine Übereinstimmung mit der spezifischen Formulierung "Beobachtung verändert das Universum" geben würde, ist die Idee, dass sich Quantensysteme nach einer Messung anders verhalten, von zentraler Bedeutung für die Theorie und kann nicht vermieden werden.
Die Sache ist die, dass es eine Vielzahl unterschiedlicher Meinungen gibt, die, da sie nicht durch Experimente unterschieden werden können, herumliegen und von verschiedenen Menschen verwendet werden, um Experimente zu interpretieren.
Die herkömmliche Ansicht der Quantenmechanik, obwohl sie im Laufe der Zeit erodiert ist, ist, dass eine scharfe Unterscheidung zwischen der klassischen und der Quantenmechanik getroffen werden muss. Der Apparat muss klassisch beschrieben werden, während das Quant die Messergebnisse des Experiments beschreibt. Von Neumann hat dann versucht zu zeigen, dass die Unterscheidung nicht scharf sein muss und dass man den Apparat in die Quantenbeschreibung mit einbeziehen kann, dieser dann aber selbst von einem anderen klassisch zu beschreibenden Apparat beobachtet werden muss. Wigner argumentierte, dass diese Regression der Quanten-/Klassik-Kluft in den Verstand getragen werden kann, weshalb es eine Menge Werbung für diese Ideen gibt, weil sie die Bedeutung des menschlichen Verstandes gegenüber allem anderen auf der Welt zu rechtfertigen scheinen.
Andere Ansätze haben argumentiert, dass es zumindest keine Unterscheidung zwischen Klassik und Quanten gibt. Die eine ist die Viele-Welten-Interpretation, die besagt, dass eine Überlagerung von Zuständen tatsächlich realisierte Zustände darstellt, aber in unterschiedlichen Universen. Eine andere ist die Bohmsche oder Pilotwelleninterpretation, die besagt, dass die Wellengleichung eine Welle beschreibt, die Teilchen führt. Die Schrödinger-Gleichung wird dann um eine zusätzliche Gleichung ergänzt, um zu zeigen, wie diese Führung erfolgt. In beiden Theorien besteht keine Notwendigkeit, über Messung zu sprechen, zumindest nicht in einem tieferen Sinne als in der klassischen Physik.
Hier ist eine nicht erschöpfende Liste von Interpretationen der Quantenmechanik
Im Kontext der Kopenhagener Interpretation und des von Neumann/Wigner-Paradigmas wäre die Antwort auf die Titelfrage also ja, es gibt einen Unterschied zwischen Messung und dem Schlagen mit einem anderen Teilchen. Im Kontext der Bohmschen oder MWI-Interpretationen wäre die Antwort nein.
Woher weißt du das Ergebnis eines Experiments? Sie "beobachten" es.
Wie macht man das eigentlich? Nun, mit deinen Augen.
Wie funktioniert das? Photonen, die von einer Oberfläche emittiert oder reflektiert werden, treffen auf spezielle Moleküle in Ihren Augen. Dies führt zu einem Signal, das in den Rest Ihres Gehirns übertragen wird.
Die eigentliche Beobachtung geschieht also schließlich durch den Austausch von Photonen. Jetzt wollen Sie wirklich kleine Partikel beobachten. Teilchen, die so klein sind, dass die Wechselwirkung mit einem Photon sie tatsächlich verändert.
Was die Frage aufwirft, ob man so etwas wie ein Elektron untersuchen kann, ohne es mit einem Photon oder irgendetwas zu treffen, das seinen Zustand ändern könnte. Das ist wirklich schwer. In den meisten Fällen beeinflusst also die Beobachtung etwas.
Es gibt ein paar Tricks, wie das Beobachten von etwas, das selbst von dem Teilchen beeinflusst wird, das Sie messen möchten (sagen wir, das elektrische Feld eines sich bewegenden Elektrons könnte ein anderes Molekül beeinflussen und Sie könnten Ihre Messung an dem Molekül durchführen).
Aber am Ende basieren alle diese Prozesse auf Resonanz. Wenn Sie etwas messen wollen, müssen Sie eine Art Resonanz erzeugen, und das bedeutet immer eine wechselseitige Interaktion auf einer bestimmten Ebene.
Diese Frage erinnert mich an den Zen-Koan:
Wie klingt eine Hand?
Laut dieser Seite (die auch auf das Koan näher eingeht), wenn:
Während du gehst, stehst, sitzt und dich zurücklehnst, gehst du direkt und ohne Unterbrechung beim Studium dieses Koan vor, wirst du plötzlich die karmische Wurzel von Geburt und Tod ausreißen und die Höhle der Unwissenheit niederreißen.
... und/oder Quantenmechanik verstehen :-) Ok ... vielleicht nicht ganz gut genug für ein Studium, aber du verstehst, was ich meine ;)
Alle Teilchen sind die Summen oder Produkte anderer Teilchenwechselwirkungen, jedoch sind Kollisionen mit höherer Energie erforderlich, damit die Schwelle der Beobachtungen gemacht werden kann.