Wie isoliert muss ein System sein, damit seine Wellenfunktion als nicht kollabiert gilt?

''Wie isoliert muss ein System sein, damit seine Wellenfunktion als nicht kollabiert gilt?''

Experimentell muss ein System, dessen Zusammenbruch beobachtbar ist, so klein sein, dass man es in einem wohldefinierten reinen Zustand präparieren kann. Wenn dies nicht der Fall ist, kann man nur darüber spekulieren, was passiert ist, und der Fantasie viel Raum lassen.

Das heißt, selbst wenn der Träger des Systems ziemlich groß ist, modelliert die Wellenfunktion kollabiert nur extrem wenige Freiheitsgrade, und das betrachtete reale System ist das mit diesen wenigen Freiheitsgraden, nicht das größere.

Beispielsweise behandelt arXiv:1103.4081 die Überlagerung und den Kollaps makroskopischer Objekte. Aber in einer Überlagerung präpariert ist nur ein einziger Freiheitsgrad, der Abstand; alle anderen Freiheitsgrade sind entweder unkontrolliert (und daher vermutlich in einem gemischten Zustand) oder durch extreme Abkühlung eliminiert. Somit ist das gemessene System tatsächlich ein einzelner Quantenoszillator.

Nun wird ein typischer Quantenoszillator schnell entkoppelt, wenn er nicht isoliert wird, und ein Quantenoszillator einer gewissen Größe ist schwer zu isolieren. Die experimentelle Kunst besteht darin, eine Überlagerung zweier Distanzen aufrechtzuerhalten, indem dieser besondere Freiheitsgrad von der Umgebung isoliert wird. Diese Isolation muss nahezu perfekt sein, da sonst sehr schnell Dekohärenzeffekte einsetzen, die für den Kollaps verantwortlich sind. (Es wird kein spezieller Beobachter benötigt. Die Umgebung übernimmt die Beobachtung von selbst.)

''warum die meisten Physiker [...] den objektiven Kollaps ablehnen.''

Der Hauptgrund ist, dass sie die Einfachheit der traditionellen quantenmechanischen Grundlagen beibehalten wollen, die auf der Annahme basieren, dass die Dynamik von Quantenzuständen genau linear ist, was für alle Anwendungen ausreichend zu sein scheint. Objektive Kollapstheorien würden eine winzige nichtlineare Modifikation der Grundgesetze erfordern und die (bisher) unüberprüfbare Philosophie der Einfachheit verderben.

Beachten Sie, dass "kein objektiver Kollaps" nicht bedeutet, dass der Kollaps nicht beobachtbar ist (er wird routinemäßig beobachtet), sondern nur, dass der Kollaps nicht auf Dekohärenz zurückzuführen ist (die Annäherung, in der der Kollaps im Sinne allgemeiner Annahmen ableitbar ist). Annahmen aus der statistischen Mechanik - schon in der klassischen Physik notwendig) sondern zu objektiven Abweichungen von der Schrödinger-Gleichung. Letzteres hat keine beobachtbare Grundlage und wird daher von den meisten Physikern abgelehnt.

In dem Moment, in dem Sie die Kiste in die Lage versetzen, die Umgebung zu verändern, hört sie auf, nur eine Kiste zu sein; und wird zum Messgerät.

Wie dies geschieht, lässt sich leicht visualisieren. Nehmen wir ein ideales Geiger-Gegen-Atom-Setup in einer ähnlichen Box. Es ist außen mit einem Display verdrahtet. Nun wird aus offensichtlichen Gründen die Atomwellenfunktion sofort kollabieren. Es wird sich nicht langsam entwickeln. Denn Sie können die Anlage über das Display beobachten. Wir können nicht argumentieren, dass die Wellenfunktion des Geigerzählers selbst beeinflusst wird.

Eine deutlichere Art, Ihr Problem zu formulieren, besteht darin, den Zähler an einem Hammer zu befestigen. Kommt es innerhalb der ersten xyz Sekunden zu einem Zerfall, schlägt der Hammer auf den Deckel der Kiste; öffnen. Wenn Sie draußen sind und sich die Box nicht in xyz Sekunden öffnet, wissen Sie, dass es keine Zerfälle gab, und haben die Wellenfunktion zusammengebrochen, OHNE die Box zu öffnen. Hier wurde der Zähler nicht durch Beeinflussung der Umgebung zum Messgerät; es tat dies durch seine Fähigkeit, die Umgebung zu beeinflussen.

Ihre Box ist wieder ein Messgerät, mit der Fähigkeit, die Umgebung zu beeinflussen. Dasselbe passiert, es kollabiert sofort die Wellenfunktion.

Nun zu Ihrer ursprünglichen Frage: Alles, was die Umgebung auf der Grundlage der gemessenen Eigenschaft messbar beeinflussen kann, gilt als Messgerät für diese Eigenschaft in der Umgebung.

Hier wird alles verrückt: Ich habe die Wieselwörter ausdrücklich „auf messbare Weise“ beibehalten, da QM-Beobachtungen ein unscharfes und kontroverses Thema sind. Möglicherweise können nur bewusste Wesen eine Beobachtung machen. Vielleicht können nur Wesen, die die Implikationen ihrer Messung kennen, die Wellenfunktion kollabieren (also wird eine zufällige Person, die die Hebelverschiebung sieht, aber nicht weiß, was die Verschiebung bedeutet, sie nicht kollabieren). Im letzteren Fall verursachen Dinge wie "vernachlässigbare Effekte" ebenfalls ein Problem, da der Experimentator sie nicht bewusst registrieren und von "Rauschen" trennen kann, obwohl er es vielleicht spürt.. Zum Beispiel kann Ihr Geigerzähler a aussenden Photon abhängig von den Ergebnissen. Ein Experimentator kann das Photon mit seinen Augen sehen (unser Sehen ist ein Photonenphänomen), aber nicht registrieren.

Ab da wird es philosophischer. Aus diesem Grund haben Physiker meiner Meinung nach die Klappe gehalten und gerechnet, wie @JohnRennie erwähnte.

Nun, dies hängt vom System in der Box ab und davon, wie lange es im Überlagerungszustand bleiben soll.

Beispielsweise schafft D-Wave Systems die folgenden Bedingungen für ihren Quantencomputer:

• Elektromagnete schirmen das Magnetfeld der Erde ab, um ein Magnetfeld von 1 Nanotesla über den Prozessor zu bekommen, was 50000-mal weniger ist als das Magnetfeld der Erde.

• Ein 200 Quadratfuß großer Kühlschrank, der 7,5 kW Strom verbraucht, erzeugt eine Temperatur von 20 Millikelvin für das Prozessorgehäuse und die Platine.

• 30 MHz Filterung auf allen elektrischen Leitungen

Quelle

Die Schrödinger-Katze ist ein Gedankenexperiment , das so modelliert ist, dass es genauso unrealistisch ist wie die allgemeinen Annahmen, die Sie in physikalischen Fragen sehen, wie die Annahme eines perfekten Vakuums . Sie können kein perfektes Vakuum erhalten , da Sie keine Katze dazu bringen können, sich ihren Weg durch eine Giftflasche zu bahnen und tot und lebendig zu werden, ohne dass in der Mitte eine Dekohärenz auftritt. Die Katze von Schrödinger ist nur eine unrealistische Katze des Zen-Meisters der Quantum Collapsing Counterfeit (ZMQC³), da Ihre Box eine ZMQC²B ist.

Wie wäre es, wenn Sie sich andere Experimente ansehen, die die Frage nach dem Messproblem klarer zeigen? Wie das Doppelspaltexperiment, das zeigt, an welcher Stelle mittels eines Beobachters (der sich implizit auf das Ding bezieht, alles, was eine Messung realisiert, das interagiert, nicht nur bewusste Beobachter) das Beobachtete (das gemessene Ding) herauskommt seine Wellenfunktion als quantisiertes Teilchen, und an diesem Punkt nicht. Der angegebene Link weist auch auf Fortschritte bei nicht-perturbativen Detektoren hin (was ich zugeben muss, ist mir neu, widerspricht aber, wie gesagt, nicht der Wellen-/Teilchen-Dualität und bezieht sich auch auf die objektiven Kollapstheorien).

Klar scheint, dass es im Falle von Messungen/Wechselwirkungen (" Beobachtungen ") zu Quantenkollaps ("spontane Lokalisierung" wie im Wikipedia-Artikel zum objektiven Kollaps) kommt und somit komplexe Systeme frei von diesen Messungen, d.h. „Inselsysteme“, sind meist unrealistisch.

Es gibt eine gute Diskussion zu diesem Thema in diesem Physikforum über Heisenberg-Ansichten, die auch objektiver erscheint als die Kopenhagener Interpretation: www.physicsforums.com/showthread.php?t=492354

Zitat von Heisenberg zu "Physik und Philosophie":

„Es gilt für den körperlichen, nicht für den psychischen Beobachtungsakt, und wir können sagen, dass der Übergang vom ‚Möglichen‘ zum ‚Wirklichen‘ stattfindet, sobald die Wechselwirkung des Objekts mit dem Messgerät und damit mit dem Rest der Welt, ins Spiel gekommen ist, sie ist nicht mit dem Akt der Registrierung des Ergebnisses durch den Geist des Beobachters verbunden, die diskontinuierliche Änderung der Wahrscheinlichkeitsfunktion findet jedoch mit dem Akt der Registrierung statt, weil sie es ist die diskontinuierliche Veränderung unseres Wissens im Augenblick der Registrierung, die ihr Bild in der diskontinuierlichen Veränderung der Wahrscheinlichkeitsfunktion hat."

Die Quantenmechanik ist von Natur aus linear, dies hat Auswirkungen auf Überlagerungszustände, hauptsächlich können mehrere Überlagerungen eines physikalischen Systems nicht miteinander interagieren .

Nun, die Beobachtung bricht dies eindeutig, gerade weil es um verschiedene physikalische Systeme geht, die miteinander interagieren. In dem speziellen Fall, in dem eines der Systeme die Umgebung ist, sollte es offensichtlich sein, dass Sie nicht immer noch mehrere Überlagerungen haben können, die nicht miteinander interagieren, während die Umgebung mit beiden interagiert (oder genauer gesagt, ein physikalisches System kommt vom und zum Wärmebad). Der Grund dafür sollte klar sein: Wenn sie beide in Überlagerung blieben, könnten sie durch die Umgebung miteinander interagieren und somit die Linearität der Quantenmechanik brechen.

Aus diesem Grund denke ich, dass die Messung von Natur aus ein nichtlinearer Prozess ist, weil sie das Linearitätsregime der Quantenmechanik durchbricht.

Wie ist das möglich? Nun, hauptsächlich, weil klassische physikalische Systeme nichtlinear sind und die Quantenmechanik entsprechend im klassischen Grenzfall nichtlinear sein sollte. Beispielsweise verhält sich ein physisches Objekt (wie ein Geigerzähler) nach einem extrem nichtlinear$\alpha$oder$\beta$Partikel trifft oder trifft nicht. Im Fall des Auftreffens treten Messbewegungen und elektrische Ströme auf, die nicht einfach durch etwas so Triviales wie eine lineare Überlagerung modelliert werden können.

Genauer gesagt ist ein physikalischer Beobachter (wiederum wie der Geigerzähler) konstruktionsbedingt darauf ausgerichtet, sich über eine Reihe von Eigenwerten in einer sehr spezifischen Eigenbasis nicht linear zu verhalten, während er sich in anderen Nicht-Conmuting ungefähr linear (dh nicht diskriminierend) verhält Eigenbasis. Sie können einen Beobachter nicht so entwerfen, dass er sich in zwei nicht-konmutierenden Eigenbasis gleichzeitig nichtlinear verhält. Dies ist im Wesentlichen das Unsicherheitsprinzip