Необходимость концепции слабых измерений (парадоксы квантовой механики)

	Базовый уровень статей Выделить только проверенную информацию
	Создать черновик

Введение

Авторская работа Автор: Touol Работа не имеет рецензии.

Этот раздел содержит гипотетические предположения, которые на данный момент не имеют подтверждения или не признаны научным сообществом.

Квантовая физика известна своими парадоксами. В частности известен Парадокс Эйнштейна — Подольского — Розена и парадокс кота Шредингера. Эти парадоксы могут быть разрешены в теории более общей, чем современная квантовая физика. Парадокс кота(кошки) Шредингера можно разрешить объяснив как «смерть кота» в результате квантового события является событием классическим. В обсуждении парадокса ЭПР на ВиКи был задан вопрос продвинувший нас (пока меня) в создании такой теории. Привожу вопрос и ответ на него.

Нелокальность. Опять цитата. Источник тот же (вместо x и p — проекции спинов частиц A и B в синглетном состоянии): Во время измерения частицы не взаимодействуют, поэтому не может иметь места никакое реальное изменение состояния частицы B из-за того, что произведено измерение над частицей A. <…> следовательно, спин частицы B есть элемент физической реальности. С точки зрения кв.механики исходная посылка неверна. Хотя частицы и не взаимодействуют, их система описывается единой волновой функцией и любое измерение это состояние изменит. Это странно с позиции классической, но логического противоречия в себе не содержит.

Второй вопрос как это согласуется с принципами теории относительности? С точки зрения кв.механики редукция волновой функции происходит «мгновенно».

Второй вопрос как это согласуется с принципами теории относительности? С точки зрения кв.механики редукция волновой функции происходит «мгновенно»

Очень интересное замечание. Редукция волновой функции не может происходить «мгновенно» потому что само "измерение" как раз не мгновенно. Наши глаза фиксируют вспышки света содержащие сотни фотонов. Для того чтобы мы могли определить глазами положение (координату) фотона (он попал в глаз), мы должны усилить сигнал. Поставить на пути фотона фотоумножитель. Усиление сигнала характерно для всех измерителей квантовых частиц. На мой взгляд в процессе измерения мы закачивая энергию в сигнал как раз и вызываем "редукцию" волновой функции. Повышаем вероятность, что в момент "измерения", частица имела определенное случайное выбранное квантовое состояние. И обнуляем все остальные вероятности. С этой точки зрения парадокс кота Шредингера легко объясним. Механизм, убивающий кота в результате квантового события, усиливает сигнал до макроуровня. То есть не что иное как "измеритель". Открывая ящик с котом, никаких смешанных состояний "жив, не жив" мы не получим. Так как "измерение-убийство кота" уже состоялось и кот пребывает в одном определенном состоянии. С этой точки зрения парадокс разрешается.

Правка выражений. Мысленный "эксперимент с глазом"  

Однако самое интересное получим, продолжив мысленный эксперимент с глазом. Сто фотонов с фотоумножителя это квантовое событие. Есть ненулевая вероятность, что фотон на фотоумножителе усилился и есть так же ненулевая вероятность, что он там и не был. То есть "измерение" не закончилось. Дальше в качестве усилителя сигнала выступает сначала глаз, переводя свет в электрический импульс. Потом мозг расшифровывающий импульс в "вспышка была", "не было" и "НЕ ЗНАЮ". Это "НЕ ЗНАЮ" подозрительно похоже на смешанное состояние. Так что смешанные состояния, возможно, каждый из нас наблюдает ежедневно. В эксперименте с глазом мы провели "измерение" последовательно используя три "измерителя": фотоумножитель, глаз и мозг. Каждый, из которых, не привел к однозначному "измерению". Настроим фотоумножитель на усиление до 200-300 фотонов. В этом случае система глаз-мозг определяет вспышку практически всегда. На этом уровне усиления сигнала мы, то есть наш мозг, фиксирует "классические события". События которые как мы считаем сбылись.

Как показывает опыт любые идеи можно развивать почти до бесконечности. Следующий уровень это пока чистые гипотезы. Здесь в ВиКи хочу выложить их в виде тезисов, без подробных и запутанных рассуждений.

Первое. Законы физики описывают квантовые состояния от начального состояния до конечного. Все начальные состояния нормируются на 1. То есть что они стопроцентно существовали. Приняв, что какое-либо начальное состояние вероятным меньше чем 1, никаких законов мы не нарушим. И также связи с вышеописанными свойствами измерителей наблюдаемая картина мира ничем не измениться. Наблюдаемое событие, рождение нашей Вселенной может не является 100% событием. То есть вероятность ее рождения, к примеру, равна 1/2. Это не противоречит законам физики. Все квантовые вероятности относительны относительно вероятности рождения Вселенной. Дальше простор фантазии безграничен.

Второе. Нелокальность вероятности (парадокс ЭПР), относительность (разное время в разных системах отсчета), особенности мозга как квантового "измерителя" может привести к тому, что мозг может фиксировать события которые еще не наступили. Феномен провидцев. P.S. Забыл про сам вопрос. Показал процесс измерения. Он далеко не мгновенный. Соответственно редукция волновой функции не мгновенна. Touol 19:43, 25 февраля 2011 (UTC)

В ответе, с помощью мысленного эксперимента, показывается, что измерение квантового состояния частицы не происходит мгновенно, как считается в квантовой физике. Так же есть два важных вывода:

1) Все квантовые вероятности нашей Вселенной относительны относительно вероятности рождения Вселенной.

2) Измерение квантового состояния частицы само по себе является квантово-механическим процессом взаимодействия измерителя и измеряемых квантовых состояний. Причем для того чтобы квантовое состояние было «измерено» или правильно сказать стало определенным измеритель должен вложить в измерение этого состояния большую (макро) порцию энергии.

Эти выводы можно использовать в качестве постулатов теории обобщающей теорию квантовой физики.

Определения

В мысленном эксперименте «измерение» показано в виде совокупности независимых «измерителей», каждый из которых вносит вклад определения «координаты» фотона (попал фотон на фотоумножитель или не попал). Каждый из них частично вносит вклад, в то, что фотон окажется в каком-то измеренном состоянии (поляризует) из возможных состояний.

Процесс, который, частично приводит частицу в одно из возможных состояний, будем называть слабым измерителем. Слабый «измеритель» - не может дать нам информации о состоянии частицы. Он достаточно слаб, чтобы наши глаза и мозг не могли уловить его сигнал.

 Теорию, изучающую такие процессы – физикой слабого измерения.

Грубым или сильным измерителем – процесс в результате, которого частица почти вся окажется в каком-то из возможных состояний. Современная квантовая физика – это предел физики слабого измерения в области грубых измерений.

Абсолютный измеритель – это такой процесс, который полностью переводит частицу в одно из возможных состояний. Сомнительно, что такой процесс существует или когда-то существовал. Даже в случае отпечатка фотона на бумаге, можно сказать, что фотон был здесь с вероятностью 1-10^-99.

Дуализм волна-частица

В становлении квантовой теории ключевую роль сыграл дуализм волны-частицы. Частица волна – поскольку вероятность ее обнаружения подчиняется волновым законам. Частица – это точка, поскольку обнаруживается, измеряется в точке. Последнее утверждение, возможно, неверно. Частица при измерении ее положения обнаруживается в малой области пространства.

При попадании в фотобумагу фотона образуется пятнышко, центр которого это попадание фотона в ион серебра. С классической точки зрения естественно предположить, что фотон проявляется как точка. Но давайте рассмотрим картину поподробнее с точки зрения квантовой физики. На фотобумагу падает волна фотона. Эта волна может взаимодействовать со всеми ионами серебра. Однако у фотона есть только одна маленькая и неделимая порция энергии, которой достаточно только для взаимодействия с одним ионом. С этой точки зрения фотон все-таки взаимодействует со всей фотобумагой, но ограничение в его энергии заставляет выбрать один из ионов и редуцировать свою волну в волну, которая падает на один ион. Точнее взаимодействие волны фотона и неравновесной системой иона вызывает поглощение фотона ионом и частичную редукцию волны фотона. Ион, поглотив фотон, вызвал почернение окружающих его ионов, и этот процесс вызвал сильную (грубую) редукцию набегающей волны фотона. Остатка волны уже не хватило на почернение еще одного иона. Утверждение спорное, но вполне возможное.

Рассмотрев процесс взаимодействия фотона с фотобумагой, мы нигде не увидели что фотон проявляется как точка. Скорее всего, представление частицы точкой и породило расходимости в теории вторично-квантованных полей.

Вторичное квантование

Механизм вторичного квантования – это два оператора действующих на волновую функцию. Оператор уничтожения частицы и оператор ее рождения. Ур-ние движения частицы в этом механизме строятся как сумма комбинация этих операторов. Механизм используется при описании взаимодействия частиц.

В современной квантовой механике не совсем понятно, зачем поля вторично квантовать. Ведь есть ур-ние Шредингера (Дирака) , которые как предполагается полностью описывают квантовые состояния. Чтоб прояснить ситуацию проведем мысленный эксперимент.

Представим щель, на которой рассеивается фотон. В щели поставим грубый измеритель, который даст нам информацию проскочил ли через щель фотон. До и после щели фотон представляет собой волну. Точнее волновой пакет. Вопрос, что такое фотон в момент его грубого измерения в щели? Современная физика не может дать на этот вопрос ответ. Для нее любой измеритель в щели абсолютный. Предполагается, что в момент измерения частица точка. Ур-ние Шредингера описывает частицу только до и после. И все. Так для чего вторичное квантование? Чтобы состыковать состояния частицы до и после измерения. Проще говоря, мы применяем оператор уничтожения, чтобы уничтожить состояние до измерения и оператор рождения, чтобы создать ее после измерения.

Очевидно, что это ненормально. Где-то здесь мы ошибаемся.

Думаю, в щели с грубым или слабым измерителем приходящий пакет волн взаимодействует с измерителем и за счет потенциала измерителя создает пакет волн, который уже уходит в пр-во после щели. Волна пересоздается, слабо или сильно забирая вероятность от других исходов ситуации. Если измеритель грубый другие исходы мы уже не сможем увидеть или как-то померить. Если слабый, то для современной квантовой механики это не измеритель, а просто возмущение, неоднородность поля в щели. Сама щель также является неоднородностью поля и также является слабым «измерителем».

В механизме вторичного квантования щель заменяется точечным источником возмущения. Расходимости в теории появляются из-за упрощения ситуации.

Продолжение следует. Пока в процессе.

Продолжение

Неточно. Интеграл кажется берется по всему пространству. Когда-то встречал упоминание, что расходимости в теории калибровочных полей убираются, если брать нелокальные (не точечные) операторы уничтожения-рождения. Тогда меня это не заинтересовало поскольку теория относительности считает события (измерения) точечными. Но события точечные только в приделе абсолютного измерения. При слабом "измерении" и грубом события не точечные. И также интервал между событиями ограничен скоростью света только в пределе абсолютного измерения. При слабом "измерении" (взаимодействии) скорость взаимодействия может легко быть больше скорости света.

Так и не совсем понял в чем парадокс ЭПР. На мой взгляд его не существует. Скорость света ограничивает наблюдаемые события только при абсолютном измерении.

Интересно найти статьи про нелокальные операторы рождения, уничтожения.

Пока без комментариев. Нужно больше входящей информации.

Теория остается гипотезой пока нет результатов экспериментов, ее подтверждающих. На следующем уровне развития теории хотелось бы найти такие эксперименты, которые подтверждают или опровергают теорию. Как оказалось, возможно, такой эксперимент уже был проведен. И неоднократно подтвержден.

Эксперимент с Генератором Случайных Событий (ГСС)

Один эксперимент со случайными числами проводили за последние четыре десятилетия сотни раз. В нем используется генератор, создающий случайный поток битов (нулей и единиц), как если бы мы бросали монетку. Есть кнопка, при нажатии которой ГСС продуцирует две сотни бит.

Какого-нибудь человека сажают нажимать эту кнопку и просят попытаться сделать так, чтобы машина выдавала больше единиц, чем нулей. Существуют отчеты о сотнях экспериментов, когда эти попытки дают результат. Анализ того, что это не случайно (т.е. что ГСС не случайно выдают результаты, соответствующие намерению экспериментатора) – пятьдесят тысяч против одного.

Источник Пять парадоксов квантовой физики или как Наблюдатель формирует систему

О случайности

В эксперименте человек влияет на вероятность. Как это возможно?

Как утверждалось выше мозг человека является слабым(относительно слабым)измерителем. И что важно, конечным для нас. Как измеритель, он редуцирует вероятность события к одному из возможных результатов. Судя по эксперименту, редуцирует по своему желанию.

Выше утверждалось, что измеритель редуцирует волну на возможный случайный результат измерения. Эксперимент с ГСС опровергнет это утверждение. Измеритель редуцирует волну на вполне на один, вполне определенный, из возможных результатов.
Введенный в механизме вторичного квантования оператор уничтожения*рождения, можно назвать слабым оператором измерения. Оператор уничтожения*рождения переводит из одного физического состояния во вполне определенное (неслучайное) состояние. То есть измерение не выбирает из возможных состояний, а приводит к определенному возможному состоянию.

Теперь возникает вопрос. Откуда взялась случайность в классических квантовых измерениях?!

Перечислю известные мне классические квантовые измерители.

1. Фотобумага

2. Счетчик Гейгера

3. Фотоумножитель

4. Пузырьковая камера

Все они макросистемы, пребывающие в неравновесном состоянии. Сделаю общий вывод, без подробностей. В этих макросистемах есть квантовые флуктуации. Система пребывает в стохастическом состоянии. Случайность результата измерения - это не свойство частицы. Это свойство классических квантовых измерителей.

Определения 2

Процесс, который, частично или почти полностью приводит частицу в одно из возможных состояний случайным образом, будем называть случайным или стохастическим измерителем. Это классические квантовые измерители.
Процесс, который, частично или почти полностью приводит частицу в одно определенное из возможных состояний, будем называть тонким или когерентным измерителем. Человек и его мозг в эксперименте ГСС проявляется как тонкий измеритель.

Открытый лазер

Результаты экспериментов с таким тонким измерителем как наш мозг не очень достоверны. Нужен прибор который мог бы выступать в качестве тонкого измерителя. Таким измерителем может быть открытый лазер.
Представим лазер. Между его зеркалами находиться атомы с возбужденными уровнями энергии. В какой-то момент один из атомов излучает фотон. Этот фотон сталкиваясь с другими возбужденными атомами "срывает" с них другой фотон когерентный начальному. На выходе лазера получается поток когерентных фотонов.
Если через одно из зеркал лазера мы запустим внешний фотон. То на выходе лазера мы получим поток фотонов когерентных исходному. Поскольку сигнал усилился до макроуровня мы его можем наблюдать. То есть лазер выступил в качестве измерителя координаты. Стохастические вклады минимальны. Такую систему удобно называть открытым лазером.
Используя открытый лазер в качестве измерителя можно провести классический квантовый опыт с прохождением фотона через две щели.
Поставим два открытых лазера в щели. Фотон, пройдя через один из лазеров, выйдет из него с кучей когерентных собратьев. То есть по усилению волны поймем, что фотон прошел через щель. В классической квантовой механике, фотон не может пройти через две щели с измерителями одновременно. Если пустив одиночный фотон в два открытых лазера, мы получим одновременно и усиление сигнала обоих лазеров и интерференцию их сигналов, то принцип вероятности квантовой механики не верен.

Выводы

В статье, проведя анализ парадоксов квантовой физики, развиты принципы (основы) новой теории обобщающей квантовую механику. Для проверки этой теории предложен эксперимент с открытыми лазерами. Поставив такой (или подобный) эксперимент, можно проверит верность теории. Опровергнуть или подтвердить теорию.