Что такое квантовый коллапс?

Квантовый коллапс предположен в некоторых интерпретациях квантовой механики и относится к переходу квантовой системы из суперпозиции состояний в состояние компонента. Процесс также известен как коллапс волновой функции или коллапс квантовых состояний.

Квантовая механическая система может рассматриваться как вектор (или «состояние») в пространстве состояний. Учитывая свойство этой системы, в пространстве состояний будут присутствовать векторы, которые будут отличаться рассматриваемым свойством, имеющим определенные значения.

Например, квантовая частица в коробке* имеет доступ только к очень специфическим энергетическим уровням (в отличие от классической частицы, которая может иметь любое положительное значение для своей энергии), и с каждым из этих энергетических уровней связано другое состояние.

Точно так же электрон в атоме водорода имеет доступ к определенным дискретным энергетическим уровням. С каждым состоянием связана волновая функция. Из волновой функции можно определить вероятность того, что измерение, выполненное в системе, даст конкретный результат.

Например, если мы знаем волновую функцию электрона в атоме водорода, мы можем найти вероятность того, что измерение положения электрона найдет его на расстоянии 1 ангстрем (10^-10 метров) от ядра атома. Мы также можем найти вероятность того, что электрон будет найден на расстоянии 1 метра от ядра (это очень маловероятно) или в половине ангстрем от ядра (возможно, более вероятно).

Противоинтуитивным свойством квантовых систем является то, что каждое состояние может быть выражено как линейная комбинация других состояний (это известно как «суперпозиция» других состояний). Учитывая достаточно большое количество состояний, любое другое состояние может быть выражено как суперпозиция исходных состояний. Хорошо известной иллюстрацией суперпозиции является кот Шредингера.

Когда выполняется измерение свойства, система «сворачивается» (коллапсирует) в одно из состояний с определенным значением для этого свойства, и наблюдается измерение, соответствующее этому конкретному состоянию. Например, система в суперпозиции состояний 1, 3, 5 и 6 может коллапсировать до состояния 3. Вероятность коллапса в данное состояние определяется волновой функцией системы до коллапса.

Обратите внимание, что на самом деле суперпозиция состояний никогда не наблюдается, так как в момент измерения система переходит в одно состояние. Суперпозиция может быть интерпретирована как описание потенциальных результатов измерений, в то время как состояние системы после коллапса является фактическим реализованным результатом.

Таким образом, коллапс можно определить как переход между потенциальным и фактическим. Однако ситуация немного сложнее, поскольку то, является ли что-то «суперпозицией» состояний или «чистым» состоянием, зависит от измеряемого свойства.

Состояние с четко определенным положением будет суперпозицией состояний с четко определенным импульсом, а состояние с четко определенным импульсом будет суперпозицией состояний с четко определенным положением (тот факт, что ни одно состояние не имеет оба четко определенных связано с принципом неопределенности Гейзенберга).

Для наглядности предположим, что у нас есть гипотетическая квантовая система с несколькими состояниями с четко определенным импульсом. Эти состояния можно представить с помощью 1, 2, 3, 4 и т. д.

Теперь предположим, что система находится в суперпозиции состояний 1, 5 и 6. Теперь предположим, что мы хотим измерить ее импульс. В тот момент, когда мы проводим измерение, система падает до одного из базовых состояний.

Если она сворачивается до 1, мы измеряем значение для импульса, связанного с состоянием 1. Если вместо этого она коллапсирует до 5, мы измеряем значение для импульса, связанного с состоянием 5. То же самое верно, если система коллапсирует до состояния 6.

Впервые введенный в 1927 году немецким физиком Вернером Гейзенбергом, принцип неопределенности гласит, что чем точнее определено положение некоторой частицы, тем менее точно ее импульс можно предсказать из начальных условий, и наоборот. Принцип неопределенности подразумевает, что в общем случае невозможно предсказать значение величины с произвольной достоверностью, даже если заданы все начальные условия.

Интерпретации

Характер процесса коллапса вызывает некоторые интересные вопросы: что вызывает коллапс и когда он происходит? Было предложено несколько ответов на эти вопросы, каждый из которых по-разному интерпретирует процесс.

Основная интерпретация, принятая большинством физиков, называется копенгагенской интерпретацией. Это свободный термин, описывающий совокупность связанных взглядов, которые сформировались в Копенгагене в результате дискуссий среди пионеров квантовой механики.

Основное мнение состоит в том, что волнообразное вероятностное поведение частиц «разрушается» при наблюдении. В нем предлагается, чтобы суперпозиции состояний воспринимались чрезвычайно буквально и волновая функция была не более чем абстрактной концепцией, которая просто отражает нашу неопределенность и недостаток знаний до наблюдения.

Лучше всего это иллюстрируется мысленными экспериментами, такими как кот Шредингера, в которой кот считается одновременно мертвым и живым, пока его не наблюдают.

Существует также множественная интерпретация, в которой все возможные результаты происходят через несколько «расщеплений» Вселенной. Она пытается уклониться от концепции коллапса. В ней говорится, что вместо строгого «коллапса» волновой функции в одно состояние все возможные результаты происходят при выполнении измерения.

Просто вселенная «расщепляется» для каждого возможного результата, и каждый уникальный результат присваивается другой вселенной. Если для измерения есть два возможных результата ( A и B), то вселенная делится на две части: одна — в которой происходит результат A, а в другая — в случае B.

Перенеся эту идею в макроскопический мир, мы могли бы предположить, что есть вселенная, в которой случалась ядерная война, а нам просто повезло, что мы живем во вселенной, в которой такая катастрофа не произошла.

Конечно, это предполагает, что число вселенных с такой чертой, как «ядерная катастрофа», само по себе будет почти бесконечным; и если вам интересно, «что бы произошло», если бы случился апокалипсис, то модель многих миров не могла бы дать вам более четкий ответ, чем «все, что возможно, могло бы произойти, если позволят квантовые состояния».

*В квантовой механике частица в коробке описывает частицу, свободно перемещающуюся в небольшом пространстве, окруженном непроницаемыми барьерами. Модель в основном используется в качестве гипотетического примера для иллюстрации различий между классическими и квантовыми системами.  Предыдущая версия этой статьи была опубликована в феврале 2020 года.