Почему топовые физики считают слабые квантовые измерения лженаукой

Слабые измерения (weak measurements, interaction-free measurements, обратимые измерения, бесконтактные измерения) являются довольно известной в узких кругах парадигмой, упоминаемой даже на хабре. Идея выдвинута и продвигается с 90-х годов израильской школой физиков (Якиром Аароновым, Львом Вайдманом и множеством менее известных личностей) и сводится к тому, что постулат квантовой механики об измерении якобы можно обойти.

Вот этот несчастный постулат:

При измерении вектор состояния (волновая функция) коллапсирует в один из собственных векторов (функций) оператора измеряемой величины.

Израильские физики неявно (и ошибочно) полагают, что коллапс происходит при взаимодействии измерительного прибора с измеряемой системой. Поэтому их логика следующая: давайте подумаем как измерить систему без физического взаимодействия чего-либо с этой системой. Тогда мы докажем, что измерение произведено, а коллапса не произошло. И они привели следующий мысленный эксперимент, сейчас широко известный благодаря Роджеру Пенроузу.

Квантовые бомбы Элицура-Вайдмана

Пусть имеются бомбы, настолько чувствительные, что взрываются при попадании на них даже одной единственной элементарной частицы, например фотона. Известно, что некоторые из бомб сломаны, но неизвестно какие именно. Стоит задача отсортировать нерабочие бомбы от рабочих не взорвав при этом последние.

Кажется, что при озвученных условиях задача неразрешима. Чтобы проверить работоспособность бомбы необходимо ее разобрать или еще что-то с ней проделать. В любом случае к ней придется прикоснуться, но согласно правилам игры это приведет к взрыву. Действительно, в рамках классической физики проверить такую бомбу на работоспособность не взорвав ее невозможно. Однако в нашем квантовом мире возможно практически все.

Поместим бомбу в одно из плеч интерферометра Маха-Цендера. Пусть зеркало будет частью бомбы. Если бомба нерабочая, то интерферометр будет рабочим. Оба плеча интерферометра идентичны, информация о том по какому из плеч прошел фотон отсутствует. Будет наблюдаться интерференция и все фотоны попадут в нижний детектор.

Если же бомба попадется рабочая, то интерферометр будет нерабочим. Два плеча теперь не идентичны. Фотон пройдя по нижнему плечу приведет к взрыву бомбы. Интерференции уже не будет, поскольку имеется информация о том через какое из плеч прошел фотон (взорвалась бомба или нет).

Фотон может отразиться от первого полупрозрачного зеркала, пройти по верхнему плечу, отразиться от второго полупрозрачного зеркала и попасть в верхний детектор. Но заметьте, что в случае нерабочей бомбы он не мог оказаться в верхнем детекторе – значит бомба рабочая. Но она не взорвалась поскольку фотон шел по верхнему плечу. Фиксирование фотона верхним детектором говорит о том, что бомба рабочая и при этом она остается целой.

Более детальное обсуждение эксперимента Элицура-Вайдмана тут.
Опровергли ли еврейские физики этим опытом постулат об измерении? Конечно же нет. В чем же ошибка в их логике? Проблема в том, что они не понимают, что измерение – это получение наблюдателем информации, а не взаимодействие системы с измерительным прибором. Именно при получении наблюдателем новых данных происходит коллапс вектора состояния. То, что информация о работоспособности бомбы получена не непосредственным физическим взаимодействием с ней измерительного прибора ничего не меняет.

Удивились ли бы отцы-основатели квантовой механики такому мысленному эксперименту, дожив они до его публикации? Конечно же нет! Не зря же они ввели в квантовую механику понятие «наблюдатель» (observer). Если бы измерительный прибор был наблюдателем, то этот дополнительный физический термин был бы излишним.

Кто или что тогда является наблюдателем? Тот, кто получает новые данные и есть наблюдатель. Именно для него квантовая механика дает вероятностные предсказания результатов будущих измерений на основе имеющихся у него в данный момент данных.

Квантовая запутанность и коллапс вектора состояния

Тот факт, что коллапс – это не физический процесс, а лишь обновление знаний наблюдателя о системе при получении им новых данных конечно был известен отцам-основателям. Возьмем классический эксперимент по квантовой запутанности, обсуждаемый еще самим Нильсом Бором в споре с Эйнштейном.

Пи-мезон распадается на электрон и позитрон, которые разлетаются на разные концы галактики. Их спины оказываются в запутанном состоянии. При измерении обоих спинов относительно одного и того же направления оси, они всегда окажутся противоположными, чтобы в сумме дать ноль.

Предсказать каким именно окажется спин невозможно без информации о результате измерения спина второй частицы. Пусть Алиса захотела измерить спин электрона относительно оси z и он оказался +1/2. Ее вектор состояния при этом коллапсирует в вектор «спин вверх».

Что при этом произошло с вектором состояния второго наблюдателя – Боба, следящего за позитроном? Ничего. Для него ничего не изменилось. Алиса знает, что если Боб захочет померить спин позитрона относительно оси z, то он получит -1/2. Но Боб этого не знает. Его вектор состояния еще не сколлапсировал. Когда же произойдет коллапс для Боба?

1. Он измерит спин позитрона относительно оси z, обнаружит -1/2 и его вектор сколлапсирует в вектор «спин вниз».

2. Алиса пришлет ему информацию о результате своего измерения и при ее получении вектор также сколлапсирует в «спин вниз» относительно оси z.

Второй вариант — это как раз то, что израильские ученые начали называть «interaction-free measurements» (бесконтактные измерения). Как видим, ничего нового кроме дополнительного излишнего термина они не изобрели. Вектор состояния коллапсирует в любом случае и именно в момент получения новой информации о системе. Этот коллапс по определению и есть измерение.

Заметьте, что Боб может выбрать какую-то другую ось, не обязательно z. Скажем его ось на несколько градусов отклонена от оси Алисы.

Без информации от Алисы о результате ее измерения, все измерения Боба абсолютно случайны (это свойство синглетного состояния: относительно любого направления оси спин с 50%-ной вероятностью окажется «вверх» и с 50%-ной вниз).

Однако если до своего измерения он получит информацию от Алисы, то его вектор состояния коллапсирует. Вероятности перераспределяются. Скажем 90%, что его спин окажется «вниз» и 10% «вверх», если у Алисы оказался «вверх». А если у Алисы спин оказался «вниз», то при получении этой (другой) информации вектор коллапсирует в другой вектор, который даст 10% «вниз» и 90% «вверх».

Квантовая механика позволяет получить точную формулу для таких корреляций вероятностей из которой также следует, что нельзя предполагать направление спина определенным до получения информации о результате измерения. Спин позитрона на другом конце вселенной не меняется мгновенно при измерении спина запутанного с ним электрона, как часто утверждается. И да, сверхсветовая передача информации невозможна поскольку Алиса получает случайные результаты при измерении спина электрона.

В общем, несмотря на старания израильских физиков, от коллапса не получится избавиться. При измерении (получении новых данных) происходит коллапс вектора, что просто отражает обновление субъективных знаний наблюдателя о системе, которые в этом векторе (волновой функции) и закодированы.

Домашнее задание адептам многомировой интерпретации: получите те же результаты из концепции Эверетта. Скажите когда именно делится мир в данном случае и на сколько ветвей.

«Парадокс» голубиного гнезда

Но израильские физики не сдаются и вот очередная статья в которой авторы (Ааронов at al.) применяют описанный подход «измерение не всегда приводит к коллапсу» для вывода такого абсурдного утверждения, что:

В две голубиные дырки можно запихнуть три голубя, при этом ни в одной из дырок не окажется два голубя.

Вот, что происходит если пренебрегать постулатами квантовой механики! Несовместимость данного утверждения еврейских физиков с квантовой механикой показана множество раз. Рекомендую статью бывшего гарвардского профессора Любоша Мотля под названием «Три голубиные дырки в мозгах шести физиков».

FavoriteLoadingДобавить в избранное
Posted in Без рубрики

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *