Що таке квантовий колапс?

Квантовий колапс передбачений в деяких інтерпретаціях квантової механіки і відноситься до переходу квантової системи з суперпозиції станів у стан компонента. Процес також відомий як колапс хвильової функції або колапс квантових станів.

Квантова механічна система може розглядатися як вектор (або «стан») у просторі станів. Враховуючи властивість цієї системи, у просторі станів будуть присутні вектори, які будуть відрізнятися властивістю, що розглядається, що має певні значення.

Наприклад, квантова частинка в коробці * має доступ тільки до дуже специфічних енергетичних рівнів (на відміну від класичної частинки, яка може мати будь-яке позитивне значення для своєї енергії), і з кожним з цих енергетичних рівнів пов'язаний інший стан.

Так само електрон в атомі водню має доступ до певних дискретних енергетичних рівнів. З кожним станом пов'язана хвилева функція. З хвильової функції можна визначити ймовірність того, що вимірювання, виконане в системі, дасть конкретний результат.

Наприклад, якщо ми знаємо хвильову функцію електрону в атомі водню, ми можемо знайти ймовірність того, що вимірювання положення електрона знайде його на відстані 1 ангстрем (10-10 метрів) від ядра атома. Ми також можемо знайти ймовірність того, що електрон буде знайдений на відстані 1 метра від ядра (це дуже малоймовірно) або в половині ангстрем від ядра (можливо, більш ймовірно).

Протиінтуїтивною властивістю квантових систем є те, що кожен стан може бути виражено як лінійна комбінація інших станів (це відомо як «суперпозиція» інших станів). Враховуючи досить велику кількість станів, будь-який інший стан може бути виражено як суперпозиція вихідних станів. Добре відомою ілюстрацією суперпозиції є кіт Шредінгера.

Коли виконується вимірювання властивості, система «згортається» (колапсує) в один із станів з певним значенням для цього властивості, і спостерігається вимірювання, що відповідає цьому конкретному стану. Наприклад, система в суперпозиції станів 1, 3, 5 і 6 може колапсувати до стану 3. Ймовірність колапсу в даний стан визначається хвильовою функцією системи до колапсу.

Зверніть увагу, що насправді суперпозиція станів ніколи не спостерігається, оскільки в момент вимірювання система переходить в один стан. Суперпозиція може бути інтерпретована як опис потенційних результатів вимірювань, в той час як стан системи після колапсу є фактичним реалізованим результатом.

Таким чином, колапс можна визначити як перехід між потенційним і фактичним. Однак ситуація трохи складніша, оскільки те, чи є щось «суперпозицією» станів або «чистим» станом, залежить від властивості, що вимірюється.

Стан з чітко визначеним положенням буде суперпозицією станів з чітко визначеним імпульсом, а стан з чітко визначеним імпульсом буде суперпозицією станів з чітко визначеним положенням (той факт, що жоден стан не має обидва чітко визначених пов'язаний з принципом невизначеності Гейзенберга).

Для наочності припустимо, що у нас є гіпотетична квантова система з кількома станами з чітко визначеним імпульсом. Ці стани можна представити за допомогою 1, 2, 3, 4 тощо.

Тепер припустимо, що система знаходиться в суперпозиції станів 1, 5 і 6. Тепер припустимо, що ми хочемо виміряти її імпульс. У той момент, коли ми проводимо вимірювання, система падає до одного з базових станів.

Якщо вона згортається до 1, ми вимірюємо значення для імпульсу, пов'язаного зі станом 1. Якщо замість цього вона колапсує до 5, ми вимірюємо значення для імпульсу, пов'язаного зі станом 5. Те ж саме вірно, якщо система колапсує до стану 6.

Інтерпретації

Характер процесу колапсу викликає деякі цікаві питання: що викликає колапс і коли він відбувається? Було запропоновано кілька відповідей на ці питання, кожен з яких по-різному інтерпретує процес.

Основна інтерпретація, прийнята більшістю фізиків, називається копенгагенською інтерпретацією. Це вільний термін, який описує сукупність пов'язаних поглядів, які сформувалися в Копенгагені в результаті дискусій серед піонерів квантової механіки.

Основна думка полягає в тому, що хвилеподібна ймовірна поведінка частинок «руйнується» при спостереженні. У ньому пропонується, щоб суперпозиції станів сприймалися надзвичайно буквально і хвильова функція була не більше ніж абстрактною концепцією, яка просто відображає нашу невизначеність і брак знань до спостереження.

Найкраще це ілюструється мисленими експериментами, такими як кіт Шредінгера, в якій кіт вважається одночасно мертвим і живим, поки його не спостерігають.

Існує також множинна інтерпретація, в якій всі можливі результати відбуваються через кілька «розщеплень» Всесвіту. Вона намагається ухилитися від концепції колапсу. У ній говориться, що замість суворого «колапсу» хвильової функції в один стан всі можливі результати відбуваються при виконанні виміру.

Просто всесвіт «розщеплюється» для кожного можливого результату, і кожен унікальний результат присвоюється іншому всесвіту. Якщо для вимірювання є два можливих результати (A і B), то всесвіт ділиться на дві частини: одна - в якій відбувається результат A, а в інша - у випадку B.

Перенісши цю ідею в макроскопічний світ, ми могли б припустити, що є всесвіт, в якому траплялася ядерна війна, а нам просто пощастило, що ми живемо у всесвіті, в якому така катастрофа не сталася.

Звичайно, це припускає, що число всесвітів з такою рисою, як «ядерна катастрофа», саме по собі буде майже нескінченним; і якщо вам цікаво, «що б сталося», якби стався апокаліпсис, то модель багатьох світів не могла б дати вам більш чітку відповідь, ніж «все, що можливо, могло б статися, якщо дозволять квантові стани».