Доброго времени суток, уважаемые читатели. Почти каждый школьник знаком с опытом, где свет описывается либо как частица или волна в зависимости от наблюдения. Начав изучать основы квантовой физики с замечательным преподавателем, уроки которого доступны на YouTube для всех желающих, мне очень понравилась данная тема. Думая над квантовым объяснением эффекта интерференции, мне пришло в голову некое рассуждение. Оно довольно простое и понятное, вполне вероятно, что я далеко не первый, кто пришел к нему или вовсе заблуждаюсь.
Суть вопроса
Если интерференция появляется только тогда, когда отсутствует наблюдение, то что будет, если их провести, а потом удалить? То есть мы можем поставить включенные детекторы на щели пластины, соответственно, фотоны распределятся на экране по классическому случаю с наблюдателем без интерференции. Но, если мы сразу же после того, как увидим картину на экране (после коллапса), удалим всю информацию об эксперименте даже не изучив ее лично.
Доказать факт того, что приборы определили, через какую щель проходили фотоны, мы уже не можем, все данные стерты. У нас будет картина классического распределения фотонов на экране, но ведь это может быть только в том случае, если известна информация, через какие именно щели проходил каждый фотон.
Однако, поскольку мы предполагаем, что такой информации уже не существует в природе, значит, имеется один из двух случаев развития событий:
Информацию невозможно удалить безвозвратно или удалить в принципе
На этапе удаления информации об измерении, как минимум, сама система(с фотонами в нашем примере) должна вернуться в то состояние, когда она не сколлапсировала.
Заключение
Хотелось бы услышать мнение людей, которые немного разбираются в физике, в том числе квантовой. Насколько каждый из этих вариантов является заблуждением или наоборот.
Всем спасибо за внимание!
Комментарии (61)
Kroleg
24.11.2021 21:20+3"Наблюдая" фотон вы поглощаете его и переизлучаете другой фотон существенно отличный от оригинального. Поэтому "наблюдение" меняет картину эксперимента.
krote
24.11.2021 21:28+3Что есть наблюдение как не взаимодействие? Что тогда удивительного в том что взаимодействие влияет на результат?
Или может кто то может показать наблюдение без взаимодействия?
Denai
24.11.2021 21:37Около одной щели установить уловитель, около другой нет. Всё что не пролетело через первую очевидно пролетело через вторую, но во второй мы это не наблюдали напрямую
Fen1kz
24.11.2021 21:54+3Поправьте меня, но в этом и суть оригинального эксперимента. Детектор ставится у одной из щелей и интерференция пропадает.
Mulin
24.11.2021 22:04+1Ничего не измениться. Наблюдение, это, таки, не "глазами" посмотреть, а прямое взаимодействие с частицей, вероятность которого зависит от квадрата амплитуды волновой функции в окрестностях щели.
arTk_ev
24.11.2021 21:58-2В эксперименте ключевое условие - запускать фотоны строго по "одному" и расстояние между отверстиями должно быть меньше длины волны. Иначе никакого смысла не имеет, интереференция будет в любом случае, даже если щель будет только одна. Да даже если не будет ни одной щели, фотоны будут огибать любое препятствие.
Tyusha
25.11.2021 10:24+1Если расстояние между щелями меньше длины волны, то интерференции как раз не будет.
Для создания существенной интерференции расстояние между щелями должно отвечать условию λL ~ d², где L — расстояние до экрана, а d — апертура.
arTk_ev
27.11.2021 19:22
Тут магия, свет отправился в будущее и решил стать волной. Типичные физики-теоретики...
Тут лазер+экран, который перекрывает луч на половину, без всяких щелей и капель. Луч при этом летит уже не по прямой. Интерфереция всегда работает, это специфика дефракции. Если ее не видно, значит свет ее просто рассеял.
Для квантового эксперемента нужно смотреть интереференцию одного кванта с самим собой, иначе это не имеет смысла. Квант - это минимальная порция волн.
Shkaff
24.11.2021 21:59+9Вот я как-то переводил статью про квантовый ластик с отложенным выбором. Там мы хорошо обсудили в комментах.
resk0
24.11.2021 22:17Возможно комментарий немного "невтему", но... возможно кому-то известно где можно более подробно посмотреть видео или хотя бі в реальных картинках на результаты или сам эксперимент? Очень инетерсует этот вопрос, но всюду лишь схематические картинки. А как оно выглядит на самом деле? Как это НАБЛЮДЕНИЕ технически происходит?
Спасибо. Лично я придерживаюсь мнения Ейнштейна - Бог не играет в кости. Мы что-то упускаем важное.
flx0
24.11.2021 22:35+1Вот эксперимент с интерференцией единичных фотонов с самими собой. https://www.youtube.com/watch?v=h53PCmEMAGo
resk0
24.11.2021 23:06-1Решил ответить Вам, так как Вы дали ссылку на максимлаьно подробное и интересное видео. Но по сути ответ подходит и для остальных видео. Всюду обьясняется как сделать интерференцию волн. ок... а как же НАБЛЮДАТЕЛЬ и изменение картины? Меня более НАБЛЮДАТЕЛЬ интересовал на самом деле. Ведь именно он ломает всю физику.
GospodinKolhoznik
24.11.2021 22:35+1Описание опыта было дано в журнале Успехи Физических Наук за август 1949 года. Статья "Диффракция одиночных поочерёдно летящих электронов" под псевдонимом В.Л.
Вот ссылка, но требуется регистрация (возможно платная)
AlexD_77
24.11.2021 22:29+2вот тут объясняется все https://www.youtube.com/watch?v=RQsOG0VM6qw посмотрите что бы быть более "продвинутым"
MichaelBorisov
24.11.2021 23:03+2Вообще-то были опыты со стиранием информации. И они показали, что при этом фотоны возвращаются в состояние суперпозиции. См. Quantum Eraser Experiment.
alexanicus
25.11.2021 11:42+2Если интерференция появляется только тогда, когда отсутствует наблюдение
Вот здесь и кроется ваша ошибка, потому как интерференция для фотонов происходит всегда, потому-как нет способа наблюдать за фотоном, кроме как "поглотить" его.
Вам следует еще раз пересмотреть лекции, потому как "пропадание" интерференции при вмешательстве в эксперимент наблюдателя, касается таких частиц как электроны.
И тут также не стоит строить "теорий" , потому какизмерениеможно произвести только провзаимодействовав с полем исследуемой частицы. Это как если бы вы измеряли траекторию полета бильярдных шаров, обстреливая исследуемый шар, другими такими же шарами.
dxq3
25.11.2021 11:43+1У меня есть вопрос к знатокам квантовой физики на тему двухщелевого эксперимента.
Каким критериям удоволетворяет край щели в эксперименте и не удовлетворяет наблюдатель? Почему они столь разнятся в случае эксперимента и всегда противопоставляются? Давайте представим что наблюдатель - не человек а молекула материала - просто разумная молекула. Ну или существо состоящее из рядам молекул расположенных вдоль края щели. и сама по сути этим краем являющееся Этакая нанометровая гусеница или назовите как хотите - она же сможет уловить прохождение фотона мимо себя? Давайте соберем из таких разумных "гусениц" всю пластинку со щелаями. Что меняется принципально? Неужто кватовая физика налагает ограничения на размер наблюдателя?
Shkaff
25.11.2021 11:55+3Край щели ничем не отличается от наблюдателя. Просто те фотоны, которые он поглощает, оказываются недоступны для эксперимента. А те, которые проходят через щели, мы и наблюдаем дальше. Наблюдатель вообще может быть любой физической системой, разумность тут не при чем.
dxq3
25.11.2021 13:45Нет, погодите. Фотоны в данном эксперименте всегда поглощаются экраном! Они никогда не поглощаются детектором! Иначе просто они бы не долетали и не было бы никакой интерференции.
Прохождении через щель должно детектиться по другому - по магнитному полю летящего заряда или еще как-то - без поглощения!
Мой вопрос можно переформулировать. Почему пластинка с двумя щелями не может быть разумной и рассказать нам - через какую щель прошел фотон?
Shkaff
25.11.2021 13:55+1Тогда я не понимаю вопроса. Что вы понимаете под "краем щели"? Детектор, который регистрирует прохождение через щель?
dxq3
25.11.2021 15:53ну край щели - это молекулы которые формируют само отверстие щели. Пластинка со щелями это обычный физический обьект. например пленка с прорезями. Или что-то подобное. Этот обьект может быть выполенен из любого материала. И даже из того, из которого сделан детектор. Для фотона нет разницы - мимо молекулы какого обьекта он проходит, верно? Для него едино - молеула части детектора или молекула части бездушной пленки.
Я не совсем представляю как устроен детектор. Но если в нем нет поглощения фотона, то принципального различия между ним и пластикой со щелями нет.
Shkaff
25.11.2021 16:21А, я понял. Детектор взаимодействует с пролетающей частицей. Она не поглощается, но меняет состояние. Край щели не взаимодействует с частицей, так что не меняет состояние. По крайней мере, это обычное изложение, где щель предполагается классической.
В реальности край щели будет взаимодействовать с частицей тоже. Обычно это взаимодействие слишком слабо, чтобы оказать влияние на результат. Но в целом этот аргумент был основой споров Эйнштейна и Бора. Его реализовали не так давно в эксперименте.
Так что вы правы в целом - различия принципиального нет, только в силе взаимодействия. Детектор влияет очень сильно, край щели - очень слабо.
dxq3
25.11.2021 18:27+2ну в каком смысле взаимодействие слабо? если бы не было щели то фотон в принципе бы никогда не сформировали бы картинку. Действие препятсвие в виде щели очень даже ощутимо для фотона он в конце концов летит уже по друой траектории. В общем, "сильно" влияет или "слабо" - это какие то литературные понятия. Конкретно хочется) Что такое сильное влияние на фотон?
Про скрытые параметры и споры Эйнштейна я знаю. Но там не про наш разговор.
В общем, понятно, что в детекторе есть что-то, чего нет в препятсвии с щелью. Только вот что это - непонятно.
Shkaff
25.11.2021 18:32+1если бы не было щели то фотон в принципе бы никогда не сформировали бы картинку.
Ну так я еще раз повторю, что написал выше: совсем не все фотоны пролетают через щель, большая их часть поглощается краями щели. Те, которые пролетают, практически не испытвают влияния стенок (например, никакой импульс не передается, стенки не запутываются с фотонами)
В общем, "сильно" влияет или "слабо" - это какие то литературные понятия.
Это вполне конкретные понятия, которые характеризуют степень влияния на фотон. С детектором фотон полностью запутывается, а со стенкой - нет.
Про скрытые параметры и споры Эйнштейна я знаю. Но там не про наш разговор.
Там не про скрытые переменные, а как раз про наш разговор, когда край щели влияет на фотон.
Еще раз повторю: принципиальной разницы между детектором и стенкой нет.
dxq3
25.11.2021 18:39+2Те фотоны которые вы говорите поглощаются щелью - зачем их вобще рассматривать и говорить про них? они не учавствуют в физическом явлении? их можно просто отбросить.
И мне не понятнятна связь этих двух фраз. 1 Нет разницы между детектором и стенкой. 2 И - со стенкой не запутывается, а с детектором запутывается. Это ли не принципальная разница? Другие то разницы нам и не нужны в данном случае (форма, размер, цвет детекора и тд)
Shkaff
25.11.2021 18:42Взаимодействие разное. От стенки они просто отскакивают, и, если стенка бесконечно тяжелая и плотная, она не оказывает никакого влияния. С детектором они запутываются. В самом деле, там по ссылке в вики ровно про это написано (и в статье, что я кинул).
dxq3
25.11.2021 19:14Не, статью на английском мне не осилить) Вы скажите просто - с детектором запутываются потому между детектор легкий, а стенка "бесконечно тяжелая", я верно понял?
Shkaff
25.11.2021 19:37А, пардон! Тогда напишу подробнее (вообще пора про это пост запилить). Суть идеи Эйнштейна: что если у нас щель подвижная (маятник) и легкая. Тогда фотон, проходя через щель, будет оказывать давление на нее, она будет смещаться. В зависимости от того, через какую щель проходит фотон, будет смещаться одна или вторая стенка. Это макроскопический эффект, который можно измерить. Эйнштейн предполагал, что это позволит определить импульс фотона, при этом сохранив интерференционную картинку. Конечно, он бы не прав. В этом случае сама стенка играет роль детектора, что разрушает интерференцию.
Однако, чтобы провести такой эксперимент, смещение стенки должно быть велико (больше ее неопределенности в тепловом состоянии), так что для любой реальной стенки с большой массой такой эффект мизерный. А чем меньше эффект, тем меньше его влияние на интерференцию.
Тем не менее, если вместо щелей использовать молекулы, этот эксперимент можно провести - там уже смещение молекул будет заметным. Это и сделали в статье по ссылке. И, конечно, обнаружили, что если позволить молекулам смещаться (т.е. узнавать, через какую молекулу прошел фотон), то интерференция пропадает.
Вот и все. Обычно детекторы вообще реагируют не на импульс, а на электрический заряд какой-нибудь (или, еще чаще, используется несколько запутанных частиц сразу, что позволяет измерять одну из них, узнавая состояние других). Вон я кидал выше ссылку на перевод статьи про квантовый ластик. Там вообще рассматривается квантовый детектор.
arTk_ev
27.11.2021 21:50+1Нифига себе слабое. Дефракция способна отклонить свет на градусов 30, может и больше. Гравитация слабее влияет, но то же солнце отклоняет свет на градусов 5, при этом уже дефракции нет.
Shkaff
28.11.2021 13:02Дифракция происходит не из-за взаимодействия с щелью. Края щели блокируют часть потока, а прошедшая часть интерферирует сама с собой.
Tyusha
28.11.2021 19:48+1@Shkaff, @dxq3, вы затронули очень интересный и непростой вопрос.
Я так понимаю вопрос @dxq3: если бы экран не взаимодействовал с фотоном, то фотон бы летел себя прямо, как летел, и никакой интерференции, или даже просто двух полос, не было бы. А раз они есть, то есть и взаимодействие фотона с экраном. А если есть взаимодействие, то чем оно хуже детектирования?
Попробую внести своё понимание. И экран с прорезями, и детектор — суть почти одно и то же. Они оба меняют состояние частицы, и меняют сильно!
Поясню. Вот летит фотон, пусть для определённости он — плоская монохроматическая волна. Экран с ней взаимодействует и несомненно меняет это состояние. Плоская волна не является собственным состоянием для этого "детектора" (! да я так называю сейчас экран!). Собственными состояниями для фотона, прошедшего экран являются две цилиндрические волны (с центрами на каждой из двух щелей) , т.е. это уже другой базис разложения — разложение по бесселям, а не по плоским волнам.
Экран, таким образом, осуществляет проектирование (в смысле матана) плоской волны на свой базис и вырезает из всего многообразия мод только две цилиндрических волны. В этом смысле экран детектирует в изначальной плоской волне именно эти две присутствующие в падающем фотоне компоненты, чётко и недвусмысленно. Именно поэтому экран я и считаю детектором. Он действительно воздействует на фотон и воздействует сильно.
Детектор (который детектор) от тоже имеет свой базис, и этот базис не плоские волны, и не цилиндрические волны. У него свой особый базис, по которому он раскладывает фотон. Его базис — это дельта-функций координат, и именно поэтому мы отождествляем попадание фотона в ту или иную точку.
Нам привычно называть "детектированием" ситуацию, когда мы узнали координату фотона, когда мы редуцировли его волновую функцию до конкретной дельта-функции координаты. Нам не доступно непосредственное восприятие других квантовых чисел, таких как импульс или момент импульса, содержащиеся в волной функции. Именно поэтому, когда экран со щелями "детектировал" конкретные квантовые числа фотона, мы не считаем это за детектирование, ибо оно нами таковым не воспринимается.
И в случае экрана со щелями, и в случае детектора происходит одинаковое по сути и по силе взаимодействие, т.е. выпиливание (редукция) части мод фотона-волны, но в каждом случае по своему собственному базису.
Shkaff
28.11.2021 20:14+1Мне кажется, тут на шаг дальше вопрос. Собственно, про редукцию в две щели я написал в первом же комменте. Но вопрос, как я понял, был про те части ВФ, которые проходят через щели: оказывает ли щель дополнительное влияние, которое позволило бы обнаружить информацию о пути. Вот в смысле передачи импульса в ортогональном направлении - вполне (пример выше с экспериментами). Но в норме этого не происходит, т.к. щель слишком "классична" по сравнению с частицей. Так что щель не запутывается с частицей и мы можем наблюдать интерференцию.
Tyusha
28.11.2021 22:17Тут дело не в классичности, а просто в устройстве „детектора", как он редуцирует ВФ, в его собственной системе базисных функций.
Просто устройство редуцирующее ВФ до конкретной x-координаты мы воспринимаем, как классическое (нам так привычно и понятно, когда частица имеет чёткую координату), хотя такой детектор ничуть не хуже, не лучше и не классичнее , чем какой-нибудь поляризатор или двухщелевой экран.
Shkaff
29.11.2021 00:25+1"Классичность" в данном случае просто массивность. Как пример я давал выше в треде, если стенки щели - механические осцилляторы достаточно малой массы, то импульс, переданный от фотона, запутает состояния осциллятора и фотона. Соответственно, интерференции не будет. Собственно, я давал выше статью, где именно такой эксперимент ставится.
balu736
25.11.2021 11:43+1Если уйти от интерференции, которая многим кажется абстракцией, и проводить опыты с измерением температуры воды, то суть взаимодействия прибора, наблюдающего картину, с самой картиной станет яснее.
Например, мы взяли граненый стакан с нагретой водой и измерили её температуру спиртовым термометром. Результат - получили среднюю температуру между водой и термометром, поглотившим часть тепла.
Теперь выльем половину воды и снова измерим температуру - она станет ниже. Влияние термометра станет больше.
Так можно дойти до такого количества воды, когда измерение станет бессмысленным - настолько сильно будет влияние термометра.
Аналогично с интерференцией и всем микромиром.
ABOMETP
25.11.2021 13:02-5то есть, когда есть наблюдатель волна ведёт себя как частица? это самое научное доказательство существования создателя, он наверняка наблюдает за нами
Tuchnyak
25.11.2021 19:48Интерференционная картина наблюдается даже при прохождении единственной частицы.
Не стоит разделять на две части корпускулярно -волновой дуализм. Это не шарики, всё-таки)
Интерференция от единичной частицы произойдет в любом случае, вне зависимости от наблюдения.
arTk_ev
27.11.2021 21:45Ну любое взаимодетсвие света и материи вызывает дефракцию, что вызывает интерференцию.
В идеале, нужно осветить один атом водорода лазером с частотой спектра водорода. Тогда интерференция будет максимальной и сам атом будет испускать фотоны. Вроде так и работает сам лазер.
А если осветить тем же лазером полученное интерферционное изображение, то получим изображение атома. На таком принцепе работают тонкие голограммы и птихография.
Таким собствено способом и были получены изображения атомов.
PereVerden
26.11.2021 09:20Почитал комментарии и не особо увидел рассуждений на тему вопроса автора. Исходя из моего понимания того как ведут себя частицы, предположу что абсолютно не важно что происходит с информацией после прохождения детектора, изучим ли мы её, либо попросту удалим. Суть эксперимента с наблюдателем состоит в том что без датчика частица находится в суперпозиции и при прохождении щелей вероятность нахождения частицы в определенной точке пространства распределяется по волновому закону, что в итоге приводит к тому что попадая на экран частицы формируют интерференционную картину, но в случае с наблюдателем мы определяем позицию частицы в момент прохождения щели, в следствии чего частица теряет свою суперпозицию и после прохождения щели вероятность нахождения частицы в пространстве распространяется так, как будто второй щели вовсе не существует.
Promi90
26.11.2021 09:20Если мне не изменяет память, на ваши вопросы ответ содержится в понятии квантовая запутанность.
AlexD_77
26.11.2021 17:50Лекция «Лекция «Основополагающие эксперименты квантовой механики. Часть 1. Двухщелевой эксперимент»» https://youtu.be/15nwzGi_3p8
Demm45
26.11.2021 18:19Сам процесс измерения и приводит к коллапсу волновой функции. А не анализ полученной информации. Не разводите мистику. Измерение любого объекта невозможно без воздействия на него.
BorodaTHOR
26.11.2021 19:24Есть вопрос!
В одну точку фотопластинки одновременно приходят две монохроматические, Эл.магн. волны, но в противофазе.
На пластинке ,в точке прихода волн, не будет потемнения .
Куда делась энергия волн?
tmaxx
27.11.2021 11:56Энергия уйдёт в следующий слой, где волны уже не будут в одной точке. Даже если первый слой по идее поглощает волну. Нет волны - нечему поглощаться.
На похожем принципе работает просветление оптики - если минимизировать амплитуду волны на границе сред (с помощью интерференции), то минимизируется и отражение от этой границы.
BorodaTHOR
27.11.2021 23:37Спасибо за исчерпывающий ответ.
Если вам не затруднительно, подскажите что будет в этом случае.
Два одинаковых соосных монохроматических источника светят друг на всетречу другу. Оба луча всегда коллинеарны. Условия(расстояние между источниками, моменты их включения) подобраны так, что волны находятся в противофазе(должны гасить друг друга).
Если теперь мы поместим заряженные частицы(прибор) на пути лучей, будут ли они осцилировать в в этом поле?
Если да, то почему, поскольку волны погасили друг друга.
Если нет, то куда делась энергия двух лучей.
tmaxx
28.11.2021 11:33Пожалуйста, интересные задачки придумываете :)
Две встречных волны не могут находиться в противофазе постоянно, потому что их гребни движутся в разные стороны. Если в один момент времени они в противофазе, то в следующий момент фаза будет наоборот совпадать.
У вас может получиться только стоячая волна, когда в некоторых точках пространства колебаний нет, а в других колебания идут с удвоенной амплитудой. Как всегда при интерференции, энергия просто перераспределилась в пространстве. Конкретно для электромагнитной волны, в некоторые моменты времени электрическое поле будет отсутствовать на всем пространстве между источниками. Но магнитное поле в эти моменты будет максимальным.
Нужно оговориться, что идеально плоских волн в природе не существует, поэтому рассуждения выше скорее математические, чем физические.
arTk_ev
27.11.2021 21:27Физическая точка - это всегда окружность определеного диаметра. В этой области будет интерференция, в сумме энергия будет такой же.
Если освтетить экран 2-мя когерентыми источниками - то появится интереференция фазовой приророды. Если луч взаимодествует с любой материей - то появится уже интерфернция дефракционной природы. Так же свет взаимодествует и с гравитацией, но если не ошибаюсь, интерференции тут не будет.
Denai
На этапе удаления информации система находится в суперпозиции. Она не может "вернуться" в состояние, потому что его ещё не выбирала.