Когда наблюдатель отвернулся

Здравый смысл» и квантоваямеханика

В действительности все¨ не так, как на самом деле.

СтаниславЕжиЛец,«Неприче¨санныемысли»

Многое из того, что кажется школьнику обязательными свойствами любой физической теории, неприменимо в квантовой физике. Вот несколь- ко таких общих положений, которые великолепно работали столетиями,ка-

зались настолько естественными для любой научной теории, что даже не оговаривались явно, но перестали работать в квантовойфизике:

•

Точечнаячастицанаходитсявнекоторойединственнойточкепростран- ства в любой момент времени, иначе это не точечнаячастица.

•

Если провести над системой измерение, то мы станем лучше знать ее¨ состояние, если мерить достаточно аккуратно.

•

Измерениевсегдаможнопровестискольугодноаккуратно,покрайней мере в принципеможно.

•

Наука объективна в том смысле, что при изучении любого объекта мы можем исключить из рассмотрения субъекта, который этот объект изучает иизмеряет.

•

Еслиизмерениеговоритнам«ДА»(системаопределе¨ннообладает некоторым свойством), то такое же измерение над другой такой же системой в таком же состоянии тоже обязательно даст «ДА» (детер- минизм).

•

Для того, чтобы состояние системы изменилось, надо, чтобы что-то провзаимодействовало именно с этой системой.

•

Состояния всех подсистем однозначно определяют состояние системы в целом.

Все эти утверждения не работают в квантовой механике!!!

«Не работают» не значит, что это «вообще» неверные утверждения. В своей области применимости (в классической физике) они работают ве- ликолепно,ноневквантовоймеханике.Этиутвержденияоказалисьнефун- даментальными свойствами природы или проявлениями «здравого смыс- ла», а феноменологическими обобщениями с очень широкой, но ограни- ченной областьюприменимости.

Эти сложности связаны со структурой квантовой теории, в которой, как и в других неклассических теориях, анализ процесса измерения игра- ет принципиальную роль и позволяет/заставляет отказаться от некоторых привычных, но принципиально ненаблюдаемыхпонятий.

Квантовая механика — теорияпревращений

Большинство перечисленных выше сбоев классической физической интуиции связаны с тем, что процесс изменения состояния квантовой системы невозможно детально проследить. Впервые физики столкнулись

2.2.

КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА —ТЕОРИЯПРЕВРАЩЕНИЙ 29

с этим при попытках описания постулированных Бором (1913) квантовых скачков, при которых состояние атома изменяется скачком с испусканием или поглощением фотона.

Прорыв был достигнут, когда Гайзенберг (1925) отказался от рассмот- рениядеталейпроцессаивве¨лматрицы,связывающиемеждусобойначаль- ные и конечные состояния системы, которые превращаются друг в друга по некоторымправилам.

Одна из основных идей квантовой механики состоит в том, что

Квантовая механика — теория превращений

Приче¨мпроследитьпроцесспревращениянельзя.Мыужесталкива- лись с превращениями в предыдущей главе, при обзоре физики элементар- ныхчастиц.

Перечислим некоторые важные случаи превращений:

• Любой процесс — превращение начального состояния вконечное.

• Движение=изменение=превращение.

•

«Распад» элементарной частицы, или радиоактивного ядра — это пре- вращение.Исходнаячастицаможетнесодержатьвнутричего-либопо- хожего на продукты «распада», в которые она превращается в некото- рыймоментвремени(моментточнонеопределе¨нный,неопределимый и вообще «размазанный» повремени).

•

Фундаментальные превращения — это элементарные превращения, на которые могут быть разложены все другие, более сложные превраще- ния.

•

Стандартные «4 фундаментальных взаимодействия» — это те фунда- ментальные превращения, которые меняют число частиц, есть и дру- гие фундаментальные превращения, которые число частиц не меняют (пример см. следующий пункт).

•

Осцилляции нейтрино (аналогично осцилляции кварков) — процесс

взаимопревращений разных сортов нейтрино друг в друга.

•

Важное фундаментальное превращение — превращение элементарной частицы в себя с изменением координат или без изменения импульса (незабываем,чтокоординатаиимпульсодновременнонеопределены).

•

Если процесс (превращение) может происходить разными способами (например, процесс может быть разными способами разложен на фун- даментальныевзаимодействия),имынеможемэтиспособыразличить

между собой, то реализуются все способы одновременно, т. е. все спо- собы дают вклад в процесс.

•

Если с системой ничего не произошло, то она все¨ равно превратилась из начального состояния обратно в начальное. В процессе этого пре- вращения она могла подвергнуться каким-то нетривиальным превра- щениям, возможно одновременно разным превращениям (см.предыду- щийпункт).

Две ипостаси квантовойтеории

Квантовая механика — вероятностная теория. Однако это вернотолько наполовину. На самом деле квантовая механика состоит из двух частей со своими областями применимости (но обе части описываютпревращения):

•

полностью детерминистическая теория замкнутой квантовой систе- мы—теориятого,чтониктонеможетвидеть,—того,чтопроисходит, когда замкнутая система ни с кем не взаимодействует, — унитарная эволюция(описываетсяуравнениемШре¨дингера);

•

вероятностная теория измерений, описывающая результат измерения (т. е. взаимодействия системы с измерительным прибором), но не опи- сывающая сам процесс измерения, может быть, в свою очередь, разби- та на две части:

– вычисление вероятностей различных исходов измерения (правило Борна),

– вычисление состояния системы послеизмерения:

∗

если результат измерения известен (селективное измерение), если результат измерения неизвестен (неселективное измере- ние).

Когда наблюдатель отвернулся . ..

Адальшеиде¨ткоридор.Еслираспахнутьдверьвнашейгостиной пошире, можно увидеть кусочеккоридора в том доме, он совсем такой же, как у нас. Но, кто знает, вдруг там, где его не видно, он совсем другой?

Льюис Кэрролл, «Алиса вЗазеркалье»

УравнениеШре¨дингеранесодержитничеговероятностного.Онопол- ностьюописывает,какменяетсясовременемволноваяфункция,аволновая

2.3. ДВЕ ИПОСТАСИКВАНТОВОЙТЕОРИИ 31

функция полностью описывает состояние системы. Более полное описа- ние невозможно, поэтому волновую функцию часто называют просто сос- тояние (или чистое состояние, см. ниже сноску 2). Кто-то может возра- зить, что как раз волновая функция описывает вероятности, но уравнение Шре¨дингераобэтом«незнает»,вэтомразделетеорииничтонепобуж- дает нас к использованию вероятностей, вероятности появятся, когда мы займе¨мсятеориейизмерений.

Волновая функция — максимально полное опи- саниесистемывквантовоймеханике.Приче¨мурав- нениеШре¨дингерапозволяетповолновойфункции, заданной в один момент времени, предсказывать ее¨ поведениекаквпере¨д,такиназадповремени,ес- ли система не подвергалась внешним возмущени- ям/измерениям (в данном случае это практически од- но и тоже).

Пока квантовая система эволюционирует сама по себе, квантовая механика даже более детерми- нистична, чем классическая, поскольку уравнение

Шре¨дингераустойчивопоначальнымданным:если вначальныймоментвремениволноваяфункциязада- на с некоторой ошибкой, то величина этой ошибки1 не меняется со временем. Только для этого система должна быть замкнутой, т. е. наблюдателю мало «от- вернуться», ему надо еще¨ и «выключить свет», изо- лировав систему отокружения.

Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 576; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!