Keď sa presnosť merania blíži k hranici neistoty stanovenej kvantovou mechanikou, výsledky sa stávajú závislými od dynamiky interakcie medzi meracím zariadením a systémom. Toto zistenie môže vysvetliť, prečo kvantové experimenty často prinášajú protichodné výsledky a môžu byť v rozpore so základnými predpokladmi o fyzickej realite.

Analyzujte výskum a výsledky

Dvaja kvantoví fyzici z Hirošimskej univerzity nedávno analyzovali dynamiku interakcie meradla, v ktorej je hodnota fyzikálnej vlastnosti určená kvantovou zmenou stavu meradla. Toto je zložitý problém, pretože kvantová teória neurčuje hodnotu fyzikálnej vlastnosti, pokiaľ sa systém nenachádza v takzvanom „vlastnom stave“ tejto fyzikálnej vlastnosti, čo je veľmi malá množina špeciálnych kvantových stavov, pre ktoré je fyzikálna vlastnosť má nehnuteľnosť. Pevná hodnota.

Výskumníci vyriešili tento základný problém kombináciou informácií o minulosti systému s informáciami o jeho budúcnosti pri popise dynamiky systému počas interakcie merania, čo ukazuje, že pozorovateľné hodnoty fyzického systému závisia od dynamiky merania. Interakcia, ktorou sa to pozoruje.

Podľa kvantovej teórie sú výsledky meraní formované zmenami vo vzťahu medzi minulosťou a budúcnosťou systému spôsobenými interakciou merania. Obrazový kredit: Tomonori Matsushita a Holger F. Hoffmann, Hirošimská univerzita

Tím nedávno zverejnil výsledky svojej štúdie v časopise Fyzický prehľadový výskum.

„Existuje veľa nezhôd o interpretácii kvantovej mechaniky, pretože rôzne experimentálne výsledky nemožno zosúladiť s rovnakou fyzikálnou realitou,“ povedal Holger Hoffmann, profesor na Graduate School of Advanced Science and Engineering na Hirošimskej univerzite v Hirošime v Japonsku.

„V tomto článku študujeme, ako kvantové superpozície v dynamike interakcie merania formujú pozorovanú realitu systému videnú v odozve merača. Toto je veľký krok k vysvetleniu významu ‚superpozície‘ v kvantovej mechanike,“ povedal Hofmann. .

Superpozícia a fyzická realita

V kvantovej mechanike superpozícia opisuje situáciu, v ktorej sa zdá, že dve možné reality koexistujú, aj keď sa dajú jasne rozlíšiť, keď sa vykoná príslušné meranie. Analýza tímovej štúdie naznačuje, že superpozície opisujú rôzne typy reality, keď sa vykonávajú rôzne merania. Realita objektu závisí od interakcií objektu s okolitým prostredím.

„Naše výsledky ukazujú, že fyzickú realitu objektu nemožno oddeliť od kontextu všetkých jeho interakcií s prostredím, minulosťou, prítomnosťou a budúcnosťou, čo poskytuje silný dôkaz proti rozšírenému presvedčeniu, že náš svet možno zredukovať na obyčajnú skladbu objektov. .“ „Fyzické stavebné bloky,“ povedal Hoffman.

Podľa kvantovej teórie posun meradla reprezentujúci hodnotu fyzikálnych vlastností pozorovaných pri meraní závisí od dynamiky systému vyplývajúcej zo spätných akčných fluktuácií, ktorými meradlo narúša stav systému. Kvantové superpozície medzi rôznymi možnými systémovými dynamikami formujú odozvu meracieho zariadenia a priraďujú jej špecifické hodnoty.

Autori ďalej vysvetlili, že kolísanie dynamiky systému závisí od sily interakcie meradla. V limite slabých interakcií sú fluktuácie dynamiky systému zanedbateľné a protiposun možno určiť z Hamiltonovej-Jacobiho rovnice, klasickej diferenciálnej rovnice, ktorá vyjadruje vzťah medzi fyzikálnou vlastnosťou a jej pridruženou dynamikou.

Keď je interakcia merania silnejšia, pozorujú sa komplexné kvantové interferenčné efekty medzi rôznymi systémovými dynamikami. Plne vyriešené merania vyžadujú úplne náhodné rozloženie dynamiky systému. To zodpovedá superpozícii všetkých možných systémových dynamik, kde kvantové interferenčné efekty určujú iba tie zložky kvantového procesu, ktoré zodpovedajú vlastným hodnotám fyzikálnych vlastností.

Vlastné hodnoty sú hodnoty, ktoré školská kvantová mechanika priraďuje k výsledkom merania – presné Fotón Čísla, otáčanie nahor alebo nadol atď. Ako ukazujú nové výsledky, tieto hodnoty sú výsledkom úplne náhodného rozloženia dynamiky. Ak dynamika systému nie je úplne náhodná, je potrebné vziať do úvahy rôzne hodnoty.

Dôsledky pre pochopenie kvantových meraní

Je zaujímavé, že toto pozorovanie poskytuje nový pohľad na použitie výsledkov meraní na opis reality. Bežne sa predpokladá, že hodnoty lokálnych častíc alebo celočíselných spinov sú prvky reality nezávislé od merania, ale tieto výsledky výskumu naznačujú, že tieto hodnoty sú generované iba kvantovými interferenciami pri dostatočne silných meraniach. Naše chápanie významu empirických údajov môže vyžadovať zásadnú revíziu.

Hoffman a jeho tím sa tešia na ďalšie objasnenie protichodných výsledkov pozorovaných v mnohých kvantových experimentoch. „Fakty závislé od kontextu môžu vysvetliť širokú škálu zdanlivo protichodných kvantových efektov. Teraz pracujeme na lepších vysvetleniach týchto javov. V konečnom dôsledku je cieľom vyvinúť intuitívnejšie pochopenie základných konceptov kvantovej mechaniky, ktoré zabráni nedorozumeniam spôsobeným „Naivná viera v realitu mikroskopických objektov.“

Odkaz: „Závislosť výsledkov meraní na dynamike koherentných kvantových interakcií medzi systémom a stupnicou“ od Tomonori Matsushita a Holgera F. Hoffmanna, 31. júla 2023, Fyzický prehľadový výskum.
DOI: 10.1103/PhysRevResearch.5.033064

Štúdiu financovala Japonská vedecká a technologická agentúra.