Naukowcy na nowo zastanawiają się nad naturą rzeczywistości

Fizycy kwantowi z Uniwersytetu w Hiroszimie wykazali, że wyniki pomiarów kwantowych są zasadniczo powiązane z dynamiką interakcji między urządzeniem pomiarowym a systemem, podważając tradycyjne poglądy na temat statycznych właściwości fizycznych i sugerując, że rzeczywistość kształtuje się pod wpływem kontekstu tych interakcji. Ich odkrycia sugerują potrzebę ponownego przemyślenia interpretacji kwantowych danych eksperymentalnych.

W miarę jak dokładność pomiaru zbliża się do granicy niepewności wyznaczonej przez mechanikę kwantową, wyniki stają się zależne od dynamiki interakcji pomiędzy urządzeniem pomiarowym a systemem. Odkrycie to może wyjaśniać, dlaczego eksperymenty kwantowe często dają sprzeczne wyniki i mogą być sprzeczne z podstawowymi założeniami dotyczącymi rzeczywistości fizycznej.

Analizuj badania i wyniki

Dwóch fizyków kwantowych z Uniwersytetu w Hiroszimie przeanalizowało niedawno dynamikę interakcji cechowania, w której wartość właściwości fizycznej jest określana przez kwantową zmianę stanu cechowania. Jest to trudny problem, ponieważ teoria kwantowa nie określa wartości właściwości fizycznej, chyba że układ znajduje się w tak zwanym „stanie własnym” tej właściwości fizycznej, czyli bardzo małym zbiorze specjalnych stanów kwantowych, dla których właściwość fizyczna ma nieruchomość. Stała wartość.

Naukowcy rozwiązali ten podstawowy problem, łącząc informacje o przeszłości systemu z informacjami o jego przyszłości, opisując dynamikę systemu podczas interakcji pomiarowej, pokazując, że obserwowalne wartości układu fizycznego zależą od dynamiki pomiaru. Interakcja, dzięki której jest to obserwowane.

Zgodnie z teorią kwantową wyniki pomiarów kształtowane są przez zmiany relacji pomiędzy przeszłością i przyszłością układu, spowodowane interakcją pomiarową. Zdjęcie: Tomonori Matsushita i Holger F. Hoffmann, Uniwersytet w Hiroszimie

Zespół opublikował niedawno wyniki swoich badań w czasopiśmie Badania przeglądu fizycznego.

„Istnieje wiele rozbieżności co do interpretacji mechaniki kwantowej, ponieważ różnych wyników eksperymentów nie można pogodzić z tą samą rzeczywistością fizyczną” – powiedział Holger Hoffmann, profesor w Graduate School of Advanced Science and Engineering na Uniwersytecie Hiroszima w Hiroszimie w Japonii.

„W tym artykule badamy, jak superpozycje kwantowe w dynamice interakcji pomiarowej kształtują obserwowaną rzeczywistość układu widoczną w odpowiedzi miernika. To duży krok w kierunku wyjaśnienia znaczenia „superpozycji” w mechanice kwantowej” – powiedział Hofmann .

Superpozycja i rzeczywistość fizyczna

W mechanice kwantowej superpozycja opisuje sytuację, w której dwie możliwe rzeczywistości wydają się współistnieć, mimo że można je wyraźnie rozróżnić po dokonaniu odpowiedniego pomiaru. Analiza badania zespołu sugeruje, że superpozycje opisują różne typy rzeczywistości w przypadku dokonywania różnych pomiarów. Rzeczywistość obiektu zależy od interakcji obiektu z otaczającym go środowiskiem.

„Nasze wyniki pokazują, że fizycznej rzeczywistości obiektu nie można oddzielić od kontekstu wszystkich jego interakcji z otoczeniem, w przeszłości, teraźniejszości i przyszłości, co dostarcza mocnych dowodów przeciwko powszechnemu przekonaniu, że nasz świat można zredukować do zwykłej kompozycji obiektów .” „Fizyczne elementy składowe” – powiedział Hoffman.

Zgodnie z teorią kwantową przesunięcie cechowania reprezentujące wartość właściwości fizycznej obserwowanej w pomiarze zależy od dynamiki układu wynikającej z fluktuacji działania wstecznego, którymi miernik zaburza stan układu. Kwantowe superpozycje pomiędzy różnymi możliwymi dynamikami układu kształtują reakcję urządzenia pomiarowego i przypisują mu określone wartości.

Autorzy wyjaśnili dalej, że wahania dynamiki układu zależą od siły oddziaływania cechowania. W granicy oddziaływań słabych wahania dynamiki układu są pomijalne, a przesunięcie licznika można wyznaczyć z równania Hamiltona-Jacobiego, klasycznego równania różniczkowego wyrażającego związek między właściwością fizyczną a związaną z nią dynamiką.

Gdy interakcja pomiarowa jest silniejsza, obserwuje się złożone efekty interferencji kwantowej pomiędzy różnymi dynamikami systemu. Pomiary w pełni rozdzielcze wymagają całkowicie losowego rozkładu dynamiki układu. Odpowiada to superpozycji całej możliwej dynamiki układu, gdzie efekty interferencji kwantowej determinują tylko te składniki procesu kwantowego, które odpowiadają wartościom własnym właściwości fizycznej.

Wartości własne to wartości przypisywane przez szkolną mechanikę kwantową wynikom pomiarów – dokładne Foton Liczby, obrót w górę lub w dół itp. Jak pokazują nowe wyniki, wartości te są wynikiem całkowicie losowego rozkładu dynamiki. Należy wziąć pod uwagę różne wartości, gdy dynamika systemu nie jest całkowicie losowa przez analogię.

Implikacje dla zrozumienia pomiarów kwantowych

Co ciekawe, obserwacja ta otwiera nową perspektywę wykorzystania wyników pomiarów do opisu rzeczywistości. Powszechnie przyjmuje się, że cząstki lokalne lub wartości spinów całkowitych są niezależnymi od pomiaru elementami rzeczywistości, jednak wyniki tych badań wskazują, że wartości te są generowane jedynie przez zakłócenia kwantowe w wystarczająco potężnych pomiarach. Nasze rozumienie znaczenia danych empirycznych może wymagać fundamentalnej rewizji.

Hoffman i jego zespół nie mogą się doczekać dalszego wyjaśnienia sprzecznych wyników zaobserwowanych w wielu eksperymentach kwantowych. „Fakty zależne od kontekstu mogą wyjaśnić szeroką gamę pozornie sprzecznych efektów kwantowych. Obecnie pracujemy nad lepszymi wyjaśnieniami tych zjawisk. Ostatecznym celem jest opracowanie bardziej intuicyjnego zrozumienia podstawowych pojęć mechaniki kwantowej, co pozwoli uniknąć nieporozumień spowodowanych „Naiwna wiara w rzeczywistość mikroskopijnych obiektów”.

Odniesienie: „Zależność wyników pomiarów od dynamiki koherentnych oddziaływań kwantowych pomiędzy układem a skalą” Tomonori Matsushita i Holger F. Hoffmann, 31 lipca 2023 r., Badania przeglądu fizycznego.
DOI: 10.1103/PhysRevResearch.5.033064

Badanie zostało sfinansowane przez Japońską Agencję Nauki i Technologii.