Как измерение влияет на “поведение” частиц?

Как измерение влияет на “поведение” частиц?
29 августа


Опыт с двумя щелями в современной физике является не только демонстрацией того, что частицы могут проявлять свойства как собственно частиц, так и классических волн, кроме того, он отражает ряд квантово-механических парадоксов. Один из них говорит о том, что фотоны и электроны ведут себя по-разному в зависимости от того, наблюдают за ними или нет, а значит наблюдение за частицей оказывает определённое влияние на неё. Но как это работает?





Двухщелевой эксперимент является одним из ярчайших примеров эффекта наблюдателя. Каждый раз, когда кто-то или что-то измеряет (или наблюдает) состояние частиц, он обязательно взаимодействует с ними и вызывает изменение их исходного состояния, это называется эффектом наблюдателя. Мы видим эту проблему в эксперименте с двойной щелью, но это не единственное место, где она появляется.






Если сперва взглянуть на классическую, неквантовую, физику, то мы очень ярко увидим, что как оборудование, так и наблюдения могут изменить исходное состояние при измерении. Простым примером вмешательства оборудования является термометр: само наличие термометра или поднимет, или снизит температуру того, что вы пытаетесь измерить.

Рассмотрим ещё один классический пример. Представьте, что вы слепы, и со временем вы разработали технику определения расстояния до объектов, бросая в них теннисный мяч. Если вы бросите свой мячик, например, на соседней табурет, мяч быстро вернётся, и вы поймёте, что он близко. Если вы бросите мяч в стену дома через дорогу от вас — полёт мяча займёт больше времени, и вы поймёте, что стена находится значительно дальше. Но проблема в том, что когда вы бросаете мяч, особенно тяжёлый на тот же табурет, мяч может сдвинуть табурет с места. Вы, конечно, можете сказать, где был табурет, но не где он именно сейчас. Более того, вы могли бы вычислить скорость табурета после того, как ударили его мячом, но при этом вы не представляете, какой была его скорость до того, как вы попали в него мячом.





А теперь перейдём к квантовой физике. Когда мы начинаем работать с очень маленьким количеством энергии, мы замечаем проблему: свет, средство, с помощью которого мы наблюдаем большинство тел и явлений, само по себе является достаточно мощным, чтобы полностью изменить то, что происходит в системе.

Таким образом, фотон будет аналогичен теннисному мячу из классического примера, и он способен вызвать значительные изменения в наблюдаемой системе на квантовом уровне. Электрон или другую частицу можно наблюдать, отправляя к ней фотоны, но взаимодействие с фотонами неизбежно изменит скорость частицы или как-то иначе изменит её состояние. Именно из-за этого в двухщелевом эксперименте каждый электрон проходит сразу через две щели, будучи в состоянии суперпозиции, когда его не измеряют, а когда измерения начинаются, то они выводят его из суперпозиции и электрон может пройти лишь через одну щель. Другие, менее прямые, способы измерения всё равно так или иначе будут влиять на частицы.

Итак, любая попытка измерить что-либо неизменно приведёт к изменению того, что вы пытались измерить в начале. Конечно, само наблюдение человеком за чем-то при помощи глаза ничего не меняет, но характер наблюдения — это то, что вызывает эффект наблюдателя.

Автор: Алексей Нимчук. Редакция: Фёдор Карасенко.