Учените преосмислят природата на реалността

Квантовите физици от университета в Хирошима разкриха, че резултатите от квантовите измервания са фундаментално свързани с динамиката на взаимодействието между измервателното устройство и системата, предизвиквайки традиционните възгледи за статичните физически свойства и предполагайки, че реалността се оформя от контекста на тези взаимодействия. Техните открития предполагат необходимост от преосмисляне на интерпретацията на квантовите експериментални данни.

Когато точността на измерването се доближи до границата на несигурност, определена от квантовата механика, резултатите стават зависими от динамиката на взаимодействието между измервателното устройство и системата. Това откритие може да обясни защо квантовите експерименти често дават противоречиви резултати и могат да противоречат на основните предположения за физическата реалност.

Анализирайте изследванията и резултатите

Двама квантови физици от университета в Хирошима наскоро анализираха динамиката на взаимодействието на измервателното устройство, при което стойността на дадено физическо свойство се определя от квантова промяна в състоянието на измервателното устройство. Това е труден проблем, тъй като квантовата теория не определя стойността на физическо свойство, освен ако системата не е в това, което се нарича „собствено състояние“ на това физическо свойство, което е много малък набор от специални квантови състояния, за които физическото свойство притежава имота. Фиксирана стойност.

Изследователите са решили този основен проблем чрез комбиниране на информация за миналото на системата с информация за нейното бъдеще при описване на динамиката на системата по време на взаимодействие при измерване, показвайки, че наблюдаемите стойности на физическа система зависят от динамиката на измерването. Взаимодействието, чрез което се наблюдава това.

Според квантовата теория резултатите от измерването се оформят от промени във връзката между миналото и бъдещето на системата, причинени от взаимодействието на измерването. Кредит на изображението: Томонори Мацушита и Холгер Ф. Хофман, Университет Хирошима

Екипът наскоро публикува резултатите от своето проучване в списанието Изследване за физически преглед.

„Има много разногласия относно тълкуването на квантовата механика, тъй като различните експериментални резултати не могат да бъдат съгласувани с една и съща физическа реалност“, каза Холгер Хофман, професор във Висшето училище за напреднали науки и инженерство в университета Хирошима в Хирошима, Япония.

„В тази статия ние изучаваме как квантовите суперпозиции в динамиката на взаимодействието на измерване оформят наблюдаваната реалност на система, наблюдавана в отговора на измервателния уред. Това е голяма стъпка към обяснението на значението на“ суперпозиция „в квантовата механика“, каза Хофман .

Суперпозиция и физическа реалност

В квантовата механика суперпозицията описва ситуация, в която изглежда, че две възможни реалности съществуват едновременно, въпреки че могат да бъдат ясно разграничени, когато се направи подходящото измерване. Анализът на изследването на екипа предполага, че суперпозициите описват различни типове реалност, когато се правят различни измервания. Реалността на един обект зависи от взаимодействията на обекта със заобикалящата го среда.

„Нашите резултати показват, че физическата реалност на даден обект не може да бъде отделена от контекста на всички негови взаимодействия с околната среда, минало, настояще и бъдеще, предоставяйки убедителни доказателства срещу широко разпространеното убеждение, че нашият свят може да бъде сведен до обикновена композиция от обекти .” „Физически градивни елементи“, каза Хофман.

Според квантовата теория изместването на измервателния уред, представляващо стойността на физическото свойство, наблюдавано при измерването, зависи от динамиката на системата, произтичаща от флуктуациите на обратно действие, чрез които измервателният уред нарушава състоянието на системата. Квантовите суперпозиции между различните възможни динамики на системата оформят реакцията на измервателното устройство и му присвояват специфични стойности.

Освен това авторите обясняват, че колебанията в динамиката на системата зависят от силата на взаимодействието на измервателния уред. В границите на слабите взаимодействия флуктуациите на динамиката на системата са незначителни и отместването на брояча може да се определи от уравнението на Хамилтън-Якоби, класическо диференциално уравнение, което изразява връзката между физическо свойство и свързаната с него динамика.

Когато взаимодействието на измерване е по-силно, се наблюдават сложни ефекти на квантова интерференция между различни динамики на системата. Напълно разрешените измервания изискват напълно произволно разпределение на динамиката на системата. Това съответства на суперпозицията на всички възможни динамики на системата, където ефектите на квантовата интерференция определят само онези компоненти на квантовия процес, които съответстват на собствените стойности на физическото свойство.

Собствените стойности са стойностите, присвоени от училищната квантова механика на резултатите от измерването – точни Фотон Числа, завъртане нагоре или надолу и т.н. Както показват новите резултати, тези стойности са резултат от напълно случайно разпределение на динамиката. Трябва да се вземат предвид различни стойности, когато динамиката на системата не е напълно случайна по аналогия.

Последици за разбирането на квантовите измервания

Интересното е, че това наблюдение предоставя нова перспектива за използване на резултатите от измерванията за описание на реалността. Обикновено се приема, че локалните частици или целочислените спинови стойности са независими от измерването елементи на реалността, но тези резултати от изследване показват, че тези стойности се генерират само от квантови смущения при достатъчно силни измервания. Нашето разбиране за значението на емпиричните данни може да се нуждае от фундаментална ревизия.

Хофман и неговият екип очакват с нетърпение допълнително изясняване на противоречивите резултати, наблюдавани в много квантови експерименти. „Зависещите от контекста факти могат да обяснят широк спектър от привидно противоречиви квантови ефекти. Сега работим върху по-добри обяснения за тези явления. В крайна сметка целта е да развием по-интуитивно разбиране на основните концепции на квантовата механика, което избягва недоразуменията, причинени от „Наивна вяра в реалността на микроскопичните обекти“.

Справка: „Зависимост на резултатите от измерването от динамиката на кохерентните квантови взаимодействия между системата и скалата“ от Томонори Мацушита и Холгер Ф. Хофман, 31 юли 2023 г., Изследване за физически преглед.
DOI: 10.1103/PhysRevResearch.5.033064

Проучването е финансирано от Японската агенция за наука и технологии.