В квантовой механике существуют определенные проблемы, которые выражены в форме парадоксов, и возникают при описании процесса измерений для квантовой системы. Возникновение этих проблем относится к моменту появления квантовой механики, но они не теряют своей актуальности и в настоящее время.
Проблема измерения в квантовой механике
Проблема измерения сохраняет свою актуальность в отношении любой физической теории. В квантовой механике она объясняется резкими отличиями классического понимания феномена измерения и квантово-механического.
В классической механике измерение воспринимается в виде фиксированных значений некоторых из параметров, существующих до процесса измерения. Сам процесс измерения при этом понимается независимо от принципов квантовой теории.
Квантовая механика, главным образом, учитывает особенности квантово-механической динамики:
$A\psi=a\psi$
Где $A$ и $a$ это области нахождения частицы, а $\psi – ее состояние.\psi – ее состояние.
В квантовой механике предполагается, что измерение системы квантов будут регистрировать собственные значения операторов. При этом ситуацию сильно усложняет прямой учет принципа суперпозиции (при рассмотрении волновой функции):
$\psi = c-1 \psi_1+C_2 \psi_2+…C_n \psi_n$
В этом случае регистрируются альтернативные результаты измерений с вероятностями $p_i$:
$p_i=|c_i|^2$
Проблема понимания коллапса волновой функции
Еще одна проблемная ситуация заключается в вопросе о коллапсе волновой функции. Одним из первых при обращении к математическому описанию процесса измерений, Д. фон Нейман выделил следующие процессы:
- в отношении чистых состояний (описан уравнением Шредингера);
- которые характеризуются переходом от чистого состояния к смешанному (связаны с выбором, осуществляемым самим экспериментатором). Отдельное измерение не может при этом касаться одновременно всех волновых функций квантовой системы.
В соответствии с этим, необходимо признать факт прерывания суперпозиции состояний, редуцируемой к одному из них. В этом, собственно, и заключается коллапс волновой функции. При этом он понимается по-разному. В одних случаях он будет считаться всего лишь математическим приемом, который не описывает реальные процессы.
В иных случаях коллапс подвергается онтологической интерпретации. При этом выдвигаются предположения о превращении нелокального процесса в локальный. Скорость такого процесса будет превышать скорость света в вакууме, что само по себе парадоксально. В качестве примера можно рассмотреть процесс рассеяния частиц. При попадании на экран они начнут фиксироваться как локальные проявления. Согласно предположениям ученых, реальный волновой процесс будет мгновенно стягиваться в точечную область.
Концептуальная проблема сознания в квантовой механике
Возникновение концептуальных проблем в квантовой механике объясняется отличием в понимании самой реальности механики квантов от классической. Это впервые выразили в формате парадоксов такие ученые, как Эйнштейн, Розен и Подольский.
С иной точки зрения то же самое выражается иначе: концептуальные проблемы квантовой механики не могут решаться без применения такого понятия, как «сознание наблюдателя». Именно в этом и будет заключаться проблема разрешения квантовых парадоксов, поскольку в физике законы формулируются, в первую очередь, как объективные и не зависимые от сознания.
Пусть состояние трех систем до измерения описывает вектор $\psi_0=\psi_1 \psi_0X_0$. Тогда после проведения измерений это состояние определит формула:
$\psi_1=\psi_1 \phi_1X_1$
Согласно интерпретации этого вектора, прибор будет демонстрировать первый результат измерения. Наблюдатель при этом находится в состоянии наблюдения первого результата измерения, который демонстрирует прибор.
Так же легко можно предвидеть ситуацию в случае пребывания измеряемой системы во втором состоянии. В этом случае все три системы до измерения описывает вектор $\psi_0=\psi_2 \psi_0X_0$. При этом после измерения они будут описываться вектором: $\psi_2=\psi_2 \phi_2X_2$
Если до измерения наблюдалась суперпозиция двух состояний системы, которая измеряется, тогда все три системы находились в таком состоянии:
$\psi_0=(с_1\psi_1+с_2\psi_2) \phi_0X_0$
После измерения мы наблюдаем изменение состояния, которое будет представлять вектор:
$\psi=c-1\psi_1 \phi_1X_1+с_2 \psi_2 \phi_2X_2$
Теперь можно говорить о существовании корреляции между тремя системами. При этом важно, чтобы обе компоненты суперпозиции не исчезли. Такая форма вектора представляет следствие линейности квантовой механики. При этом мы прибор и наблюдатель описываются как квантовые системы.
Таким образом, согласно версии квантовой механики, суперпозиция, наблюдаемая в начале процесса, впоследствии не исчезнет. Обе компоненты суперпозиции продолжат свое существование и после взаимодействия. Данный факт считается в физике причиной всех концептуальных сложностей, возникающих в квантовой механике. Наше сознание легко бы смирилось с картиной редукции (исчезновением всех, кроме одной, компонент суперпозиции) но квантовая механика запрещает редукцию (в силу ее линейности). Таким образом, возникает противоречие.
Выход был найден в 1957 г. Х. Эвереттом, предложившим собственную интерпретацию квантовой механики (многомировая интерпретация). Сознание наблюдателя, согласно этой интерпретации, разделяет альтернативы, то есть, в нем существуют все альтернативы (компоненты суперпозиции), но оно их воспринимает раздельно. Другими словами, при видении любой из них, оно не будет видеть остальные.
