Banginės funkcijos kolapsas: apibrėžimas ir reikšmė kvantinėje mechanikoje
Sužinokite, kas yra banginės funkcijos kolapsas, jo vaidmuo Kopenhagos interpretacijoje, eksperimentinė reikšmė ir Schrödingerio katės paradoksas.
Kai mokslinis eksperimentas atliekamas tinkamai, gaunami išmatuojami rezultatai. Kiekvieną akimirką sistema (eksperimentas) bus vienoje iš kelių galimų būsenų. Pabaigoje eksperimentas bus galutinėje būsenoje. Kiekvienu momentu galima išmatuoti sistemos būseną.
Panašiai veikia ir kvantinės mechanikos eksperimentai, tačiau yra svarbus skirtumas nuo klasikinės mechanikos yra — kvantinė sistema vienu metu gali būti ne vienoje konkrečioje būsenoje, o uždedamos viena ant kitos (persidengiančios) būsenos sudaro superpoziciją, kuri apibūdina, kurioje būsenoje yra eksperimentas. Šios kvantinės būsenos dažnai vadinamos savybėmis.
Kas yra banginės funkcijos kolapsas?
Banginės funkcijos kolapsas — tai sąvoka, apibrėžianti, kas nutinka kvantinei sistemai, kai atliekamas matavimas. Prieš matavimą sistema gali būti superpozicijoje: kelios galimos būsenos „sudėtos“ kartu. Atliekant matavimą, stebima didesnė dalis šios superpozicijos atitinkamai su tam tikra tikimybe, duodama vieną konkrečią rezultatą — vienos iš savųjų būsenų savoji vertė. Tai reiškia, kad matavimas sumažina (sutrumpina) kelias galimas būsenas iki vienos — tai ir vadinama banginės funkcijos kolapsavimu. Po matavimo sistema lieka toje būsenoje, kuri buvo išmatuota.
Kaip tai veikia praktikoje?
- Probabilistinis pobūdis: kolapsas nėra deterministinis — jis vyksta pagal taisykles, kurias nustato Borno taisyklė, t. y. kiekvienos galimos rezultatų būsenos išsidėstymas nulemia jo tikimybę.
- Instantaniškumas (pagal tradicinę interpretaciją): pagal Kopenhagos interpretaciją kolapsas įvyksta „akimirksniu“ matavimo momento metu.
- Po matavimo: sistema nebėra superpozicija tų pačių matomų verčių atžvilgiu — ji „nusileidžia“ į vieną iš savųjų būsenų.
Formalus aprašas
Formaliai, kvantinės sistemos būsena aprašoma bangine funkcija (arba vektoriu Hilberto erdvėje). Tuo metu, kai nėra matavimo, sistema vystosi vienodeviškai pagal Šrėdingerio lygtį — tai yra nuolatinis, vienetinis (reversibilus) evoliucijos procesas. Matavimo metu tradicinėje formuluotėje taikomas ne vienetinis veikimas: banginė funkcija projektuojama į matuoto operatoriaus eigensritį, o rezultatas pasirinktas pagal tikimybes, nurodytas Borno taisykle.
Interpretacijos ir problemos
Kolapsas yra viena iš dviejų procesų, kuriais kvantinės sistemos vystosi laike. Kitas procesas — minėtas vienetinis vystymasis per Šrėdingerio lygtį. Tačiau būtent kolapso pobūdis kelia filosofinius ir fizikos klausimus, kurie iki šiol dalinai sprendžiami skirtingomis interpretacijomis:
- Kopenhagos interpretacija: kolapsas yra realus ir susijęs su matavimo aktu; tai tradicinis požiūris, dažnai vartojamas praktikoje.
- Many-Worlds (daugelio pasaulių): kolapso nėra — visi galimi rezultatai įvyksta skirtinguose „šakotuose“ pasauliuose, todėl nėra jokių momentinių redukcijų.
- Dekoherecijos požiūris: aplinkos sujungimas su sistema paaiškina, kodėl superpozicijos „atrodo“ kolapsavusios; tai paaiškina prarastą koherenciją, bet kai kurie teigia, kad tai neatstoja tikrojo kolapso mechanizmo.
- Objektyvios kolapso teorijos (pvz., GRW): siūlo, kad kolapsas yra fizinis, atsitiktinis procesas, nepriklausomas nuo stebėtojo, kuris pasireiškia tam tikrais skalės ar laiko masteliais.
Istorinis kontekstas ir pavyzdžiai
Vienas pirmųjų šią situaciją paaiškino Werneris Heisenbergas 1927 m. paskelbtame straipsnyje. Šis rezultatas vertinamas prieštaringai, nes jis palieka atvirų klausimų apie tai, kas tiksliai turi įvykti matavimo akte ir kaip susijungia kvantinė bei klasikė aprašymas. Erwinas Schrödingeris prieš šiuos neaiškumus sukūrė žinomą mintinį eksperimentą "Schrödingerio katė", kuriu kritikuojama idėja, kad makroskopinis objektas gali būti vienu metu dviejų priešingų būsenų tol, kol kažkas „pažiūri“.
Praktinė reikšmė
Banginės funkcijos kolapsas yra svarbi sąvoka, nes jis susieja teorinį kvantinės mechanikos aprašą su matuojamais rezultatais. Kvantinės technologijos — kvantiniai kompiuteriai, kvantiniai jutikliai ar kvantinė kriptografija — remiasi tuo, kaip matavimai veikia kvantines sistemas, o tai savyje turi tiek naudingų, tiek konceptualių pasekmių (pvz., trikčių valdymas, kvantinis trikampių praradimas, dekoherencija).
Santrauka
Trumpai tariant, banginės funkcijos kolapsas reiškia perėjimą nuo kvantinės superpozicijos prie vienos matuojamos būsenos matavimo metu. Tai paaiškina, kodėl stebime vieną konkretų rezultatą, nors kvantinė teorija prieš matavimą numato daug galimybių. Tačiau kolapso prigimtis išlieka viena iš kertinių kvantinės teorijos interpretacinių problemų, ir įvairios teorijos bei eksperimentai tebėra skirti šiam klausimui išspręsti.
Klausimai ir atsakymai
K: Koks yra išmatuojamas tinkamai atlikto mokslinio eksperimento rezultatas?
Atsakymas: Tinkamai atlikto mokslinio eksperimento išmatuojamas rezultatas yra sistemos būklė kiekvienu laiko momentu.
K: Kuo kvantinė mechanika skiriasi nuo klasikinės mechanikos?
A: Kvantinėje mechanikoje, norint apibūdinti eksperimento būseną, kelios būsenos yra suponuojamos (persidengiančios), o klasikinėje mechanikoje bet kuriuo laiko momentu galima išmatuoti tik vieną būseną.
K: Kas atsitinka, kai atliekamas matavimas?
Atsakymas: Atlikus matavimą bus gautas vienas rezultatas, kuris yra vienos iš būsenų savoji vertė. Tai reiškia, kad atliekant matavimą kelios galimos būsenos bus sumažintos iki vienos būsenos jas sudedant, o po matavimo sistema bus šioje vienintelėje būsenoje, kuri buvo išmatuota.
Klausimas: Koks procesas sumažina kelias galimas būsenas iki vienos vienintelės būsenos?
A: Procesas, kurio metu kelios galimos būsenos sumažinamos iki vienos vienintelės būsenos, vadinamas banginės funkcijos kolapsu.
Klausimas: Kokie yra du procesai, kuriais kvantinės sistemos laikui bėgant vystosi?
Atsakymas: Du procesai, kuriais kvantinės sistemos evoliucionuoja laikui bėgant, yra nenutrūkstama evoliucija per Šrėdingerio lygtį ir banginės funkcijos kolapsas.
K: Kas pirmasis paaiškino šią situaciją, susijusią su kvantinėmis sistemomis?
A: Werneris Heisenbergas vienas pirmųjų paaiškino šią kvantinių sistemų situaciją ir 1927 m. paskelbė savo išvadas.
Klausimas: Kaip Erwinas Schrödingeris įrodė šį ginčą dėl banginės funkcijos suirimo?
A: Erwinas Schrödingeris savo mintinį eksperimentą, pavadintą Schrödingerio katė, panaudojo norėdamas parodyti šį su banginės funkcijos žlugimu susijusį prieštaravimą.
Ieškoti