Вот так выглядит типичная иллюстрация процесса коллапса волновой функции частицы в научно-популярных видео и статьях. Есть какой-то абстрактный глаз или как тут - наблюдающий человек, который смотрит на частицу и после этого она теряет свои волновые свойства и становится из волны частицей, что бы ни подразумевалось под словом частица. Сразу скажу, что это полный бред и из-за таких иллюстраций перестают понимать квантовую механику не только далёкие от неё люди, а даже некоторые преподаватели университетов.
Чтобы развеять всю мистику и перейти к конкретике я расскажу о том как же сделать этого так сказать мистического квантовомеханического наблюдателя в домашних условиях. На самом деле это элементарно и его может сделать любой. Нужно всего лишь вырезать кольцо из картона или фанеры, просверлить по периметру отверстия и протянуть через них параллельно друг другу проволоки, как показано на картинке ниже.
Получится проволочный поляризатор, который пропускает фотоны только с поляризацией перпендикулярной проводам. Поляризатор таких размеров как на картинке, рассчитан на работу с радиочастотными фотонами. Кстати фотоны уникальны тем, что это элементарные частицы, которые могут быть размером с человека и даже размером с планету. Всё зависит от длины волны. Например, в микроволновке летают фотоны с длиной волны около 12 см. Так что такой вот проволочный поляризатор - это можно сказать что возможность посмотреть на квантовомеханические процессы своими глазами.
Если фотон летит на такой поляризатор и его поляризация находится в суперпозиции поляризации параллельной и перпендикулярной проволочкам поляризатора, то на выходе остаются только фотоны с перпендикулярной поляризацией.
Для инфракрасных фотонов тоже есть такие проволочные поляризаторы, как и для радиоволновых, только их дома уже гораздо труднее сделать. Для фотонов видимого света тоже есть проволочные поляризаторы, только там длина волны фотонов уже меньше микрометра и создавать проволочки толщиной в нанометры получается только методом фотолитографии, как при изготовлении микрочипов.
Так что прохождение фотоном ряда из проволок приводит к коллапсу состояния фотона и как вы понимаете, при этом он по-прежнему имеет волновые свойства. Никакой частицей, что бы под этим ни подразумевалось он не становится. Здесь можно сказать, что это коллапс вектора поляризации, это не коллапс волновой функции, отвечающей за пространственную вероятность обнаружения фотона в той или иной точке. Но волновая функция фотона в пространстве описывается наложением некоторого или чаще всего бесконечного числа волн друг на друга. И при коллапсе волновой функции происходит выбор одной из этих волн в теории, а на практике некоторой группы волн или некоторой части спектра при непрерывном спектре. Так что после коллапса волновой функции получается другая волна, а не какая-то мифическая частица не имеющая волновых свойств.
Так почему же описывая двухщелевой эксперимент говорят, что фотон или электрон после наблюдения начинает вести себя как частица, а не как волна ?
Как вы понимаете из примера с проволочным поляризатором для коллапса волновой функции мифического глаза не достаточно, как на картинке выше. Чтобы узнать, через какую щель проходит частица, нужно чтобы она столкнулась с другой частицей или группой частиц. После столкновения волновая функция у частицы уже получается идущей только от одной щели, а не от двух. Поэтому на экране за щелью никакого сложения альтернативных путей частицы, никакой интерференции уже не получается. Хотя, можно изменяя, например, длину волны измеряющих или так сказать наблюдающих частиц сделать так, чтобы волновая функция проходящей через щели частицы шла по большей части через одну щель и немножко через другую. Тогда будет частичная интерференция. Не такая чёткая как вообще при отсутствии измерения.
Так что если посмотреть на математику квантовой механики, то там нигде нельзя найти пропажу волновых свойств частиц ни в каком процессе. И говоря о том элементарная частица это частица или волна, можно сказать, что всегда волна, но очень необычная волна
Комментарии (24)
YDR
18.06.2023 23:33+41) поляризатор для оптических фотонов все-таки обычно делается не литографией, и выглядит он не как проволочки.
2) есть явления, в которых коллапс ВФ приводит к появлению чего-то дискретного, например, (фотоиндуцированные) реакции на фоточувствительной пластине или в фотодатчике.
3) (в этой статье нет, но на всякий случай проговорю, это обычное заблуждение студентов): электроны и фотоны - совершенно разные частицы. обе дискретные. электроны - фермионы. фотоны - кванты электромагнитного излучения - ответственны за притяжение и отталкивание электронов и других заряженных частиц - бозоны. Обе частицы ведут себя как волны (и как частицы...). Иногда они могут двигаться (в обычном пространстве) рядом и волны могут быть очень близки. Но бывают и взаимодействия электронов и фотонов другим способом (Комптон, Рэлей, ионизация, ...). Для взаимодействия не обязательно, чтобы волны э и ф были похожи.
4) с поляризатором объяснение скорее другое. Поляризатор влияет на каждый фотон: он его либо поглощает целиком, либо пропускает целиком. Вероятность процесса зависит только от взаимной ориентации (поляризации фотона) и (поляризатора). Это дискретный процесс. А на интенсивных пучках фотонов все выглядит достаточно плавно. Это очень хорошо описано в томе 8 (9?) Феймановских лекций (там, правда, про электроны, насколько я помню)
5) "квантовость" механики именно в том, что вроде бы непрерывный фотон - электромагнитная волна - возможно, размером с Землю - все равно поглощается или излучается как единое целое. Нельзя поглотить половину фотона (но бывают реакции, в которых энергия фотона изменяется, правда тоже, строго по правилам и с выполнением законов сохранения энергии и импульса). С коротковолновыми фотонами (особенно с рентгеновскими) это понятнее. Но следует задуматься, что и длинноволновые, очень низкоэнергетические фотоны (энергии в батарейке хватит "насыпать" их много-много штук) ведут себя точно так же. (!) Фотоны - дискретные, хотя и волны.
DrZlodberg
18.06.2023 23:33+2Прошу прощения за, возможно, тупой вопрос, но задумался тут, а как и в какой момент вообще поглощаются такие протяженные фотоны? Ведь поглотиться он может, допустим, одним электроном, однако антенна для этого нужна размером с Землю же. Ну и в какой момент он поглощается с таким размером? Ведь время прохождения получается там уже весьма значительное. Как это работает на таких масштабах?
flx0
18.06.2023 23:33+2Моментальное поглощение - это скорее артефакт нашей математики. Дело в том, что переход из одного стационарного состояния в другое удобно описывать лестничным оператором (вот хорошее пояснение этой темы https://www.youtube.com/watch?v=gRdCV9p8sAU).
По идее, этот оператор должен быть представим как бесконечное произведение малых операторов, каждый из которых производит некоторое "моментальное" действие. Да вот только поди произведи такое разложение, которое бы еще к тому же правильно описывало ненаблюдаемый процесс. И так как никто не знает, как именно это сделать в произвольном случае, рассматриваются стационарные состояния "до" и "после" и "полный" оператор перехода между ними, который не локализирован во времени.
vassabi
18.06.2023 23:33(вольно заимствуя многомировую интерпретацию)
1) вы его померяли и еще не поглотился - значит вы находитесь во вселенных где он не поглотился2) вы его померяли и еще уже поглотился - значит вы находитесь во вселенных где он уже поглотился
3) вы его не меряли и не знаете поглотился он или еще нет - вы кот шредингера и находитесь во всех вселенных
flx0
18.06.2023 23:33+4Обе частицы ведут себя как волны (и как частицы...)
Корпускулярно-волновой дуализм - это что-то из начала прошлого века. Кмк, когда про него рассказывают в школе, это только сбивает людей с толку.
Сегодня под "частицей" понимается функция (в КМ), или оператор, добавляющий эту функцию к некоторому "вакуумному" состоянию (в КТП).
К этой функции можно применять различные операторы, и для каждого оператора можно вычислить матожидание наблюдаемой величины. Для собственных функций этого оператора оно совпадает с собственным значением. Поэтому после измерения можно сказать, что если бы наша функция была чистой собственной функцией, то у нее был бы такой-то параметр (например, частота), определяемый измеренным значением.
Собственные функции оператора импульса - это плоские волны, собственные функции оператора положения - точечные "частицы", т.е. функции которые везде 0, кроме одной точки. Но сама измеренная функция, разумеется, не была ни волной, ни частицей. Она была просто функцией.phenik
18.06.2023 23:33+2Корпускулярно-волновой дуализм — это что-то из начала прошлого века.
Да не куда он не делся включая из КТП, просто завуалирован мат. аппаратом. Сами пишите
Собственные функции оператора импульса — это плоские волны, собственные функции оператора положения — точечные "частицы", т.е. функции которые везде 0, кроме одной точки.
Просто нужно понимать, что дуализм, как реализация взаимно дополняющего описания в квантовой области отражает ограниченные возможности человека описывать явления за пределами возможностей восприятия (1, 2). Это относится и к пространственно-временному континууму в СТО и ОТО. Что там на самом деле до конца не известно, но комбинации классических физических концептов позволяют до определенной степени закрыть проблему такого описания. Хотя это интересно тем, кто хочет глубже разобраться в проблемах описания реальности, ближе к философским проблемам физики. Обычным гражданам это может показаться излишним мороченьем головы)
flx0
18.06.2023 23:33+2Границы восприятия можно и нужно расширять. Так, упомянутая вами ОТО безусловно находится за границами восприятия человека, не знакомого с дифференциальной геометрией, но после ее изучения становится почти интуитивно понятной.
Аналогично, КМ без базы в функане и операторных алгебрах - это какая-то безумная дичь с суперпозициями котов Шредингера. А вот с базой оно начинает играть совершенно новыми красками, хотя и ставит много вопросов, ответы на которые пока никто не знает.phenik
18.06.2023 23:33+2Так, упомянутая вами ОТО безусловно находится за границами восприятия человека, не знакомого с дифференциальной геометрией, но после ее изучения становится почти интуитивно понятной.
Интуитивно понятно поведение классических тел, т.к. в мозге человека есть своеобразный физический движок, который способен моделировать их поведение (1, 2, 3). Благодаря ему мы комфортно чувствуем себя и можем предсказывать поведение окружающей среды. А вот континуум ОТО нет, как бы не формализовать его. Человек просто вырабатывает вычислительный автоматизм, и считает, что он понимает этот континуум. Но когда начинаешь пытаться понять, например, как ведут себя тела на границе горизонта ЧД, то мнений столько же сколько комментаторов, у каждого своя интерпретация этого формализма) То же относится к формализму КТП, не говоря уже о ТС.
Границы восприятия можно и нужно расширять.
Если вы имеет в виду, что нужно изучать теорию, то согласен с вами. Но чтобы возникла интуиция, в том смысле как она понимается в психологии, нужен реальный длительный опыт непосредственного восприятия и оперирования в этой реальности, той же квантовой. Возможно в отдаленной перспективе с помощью технологии нейроинтерфейсов такой опыт воспроизведут. Тогда отпадут костыли в виде классических корпускулярных и волновых представления для предсказания поведения квантовых объектов, и появятся истинно квантовые представления и соответствующие им новые концепты. Описание квантовых эффектов в базе этих концептов резко упростится. Условно, как для нас просто и интуитивно описывается и представляется поведение окружающих тел классического мира благодаря интуитивной физике "зашитой" в мозге.
А вот с базой оно начинает играть совершенно новыми красками, хотя и ставит много вопросов, ответы на которые пока никто не знает.
Да, что делать с сингулярностями ОТО и бесконечными расходимостями КТП с костылями в виде перенормировок, еще и не всегда работающими? Впрочем, это извечные проблемы формальных моделей физических теорий.
Tyusha
18.06.2023 23:33+1Но чтобы возникла интуиция, в том смысле как она понимается в психологии, нужен реальный длительный опыт непосредственного восприятия и оперирования в этой реальности, той же квантовой.
Это просто дело привычкия. Долго занимаясь и преподавая квантЫ, я в какой-то момент поймала себя на мысли для обычная механика мне кажется противоестественной: какая ещё траектория частицы? Нет ведь никаких траекторий! — такой подсознательный протест выплывал у меня из глубин сознания.
Если детям в начальной школе на уроках "окружайщий мир" начать по-тихоньку объяснять квантЫ, то к 11 классу для них классическая механика будет казаться парадоксальной дикостью.
phenik
18.06.2023 23:33Затронули интересную психофизиологическую тему интуиции в контексте физического познания, поэтому дал расширенный ответ. Сорру за ссылки на предыдущие коменты, не хотелось повторять, да и ответ распух еще сильнее.
Это просто дело привычки.
Привычки или автоматизированные навыки в сфере которой занимается человек, в данном случае, теоретической физике. Это не совсем то о чем интуиция, в частности, физическая. Это другой уровень, "перепрограммирование" которого требует другого уровня воздействий и затрат. Если человек отпускает незакрепленный предмет, то он обычно падает, если предмет зафиксирован, то он не движется, один целостный предмет не проходит сквозь другой, объекты обычно сохраняют постоянство при перемещении, и т.п. Эти ожидания имеются уже у младенцев без опыта обучения, и их нарушение привлекает их внимание, как к необычным ситуациям, нарушениям ожиданий. Конечно это проявляется индивидуально, статистически, но на весьма достоверном уровне. Предполагается, что такие ожидания передается фактически наследственно и начинают настраиваться эпигенетически еще на эмбриональной стадии развития плода. Такие механизмы предварительной настройки нервных сетей в мозге эмбриона исследуются, см. например, этот обзор (в п.5 приводится схема такой настройки). Условно обучение происходит внутри мозга с использованием своеобразного "эмулятора реальности" — вот такой солипсизм в действии) В экспериментах на животных — мышах, показано, что эмбрион вероятно испытывает ощущение непрерывного движения вперед с огибанием препятствий, хотя никакой связи с окружающим миром у него еще нет. Такое предобучение позволяет детенышам практически сразу после рождения как-то ориентироваться в окружающей среде без обучения. Это особенно актуально для некоторых видов, напр, для детенышей антилоп, которые сразу же после рождения (через час) могут уже следовать за матерью, иначе могут стать жертвой хищников. Это то преимущество над которым бьются разработчики ИНС, для обучения которых требуются гигантские массивы данных, а ребенок по нескольким изображением способен распознавать аналогичные образы в любых других ситуациях. И почему хайповые ЯМ типа GPT часто валятся на простых задачах на пространственное мышление и воображение — у них нет встроенного механизма физической интуиции, а только решения на базе языковых ассоциаций из обучающей текстовой выборки.
Короче, когда человек, например, переходит дорогу, то его физическая интуиция гарантирует почти на 100%, что автомобили будут стоять на месте. И если кто-то из них вдруг окажется на его месте, то скорее всего на это была воля водителя, который инициировал движение автомобиля и намеренно или не намеренно задавил этого человека, а не как результат квантовой флуктуации)
Если детям в начальной школе на уроках "окружайщий мир" начать по-тихоньку объяснять квантЫ, то к 11 классу для них классическая механика будет казаться парадоксальной дикостью.
Это хорошая практика для понимания формализма квантов, но это не значит, что их физическая интуиция, от которой зависит повседневное выживание, станет квантовой. Частично, путем тренировок, ее можно скорректировать, но она будет восстанавливаться в обычных условиях. Это связано с тем, что интуиция сильно завязана на восприятие. Фактически восприятие все время воспроизводит эту интуицию, а она в свою очередь подтверждает восприятие. Так вестибулярный аппарат, зрение и мышечные ощущения в комплексе воспроизводят гравитационную интуицию, которая учитывается в оценки и планировании движений. Чтобы полностью от нее избавиться, как это было бы не плохо в невесомости, и выработать новую интуицию нужно направить информацию в обход традиционных органов чувств с которыми она связана. Это относится и к выработке квантовой интуиции, для которой квантовые флуктуации уже не будут в новинку) И автомобиль, то бишь частица, может естественным образом присутствовать одновременно во многих местах, а необходимость в понятии траектории, как одного из базовых классических концептов, просто не должна возникнуть в такой интуиции, как и концепты самой частицы, волны, и многих других классических. А какие должны возникнут? Вот когда с помощью технологии нейроинтерфейсов информация будет направлена от квантовых сенсоров непосредственно в мозг, в обход традиционных сенсорных путей, тогда со временем и практикой должен сложиться новый сенсорный анализатор квантовых явлений, и возникнут соответствующие новые концепты, тогда и поймем. Написанное может звучать дико, но это вполне работающая схема основанная на нейропластичности мозга на всех уровнях, экспериментально проверенная и уже находящая достаточно широкое применение на практике, в основном в области нейропротезирования, см. небольшой обзор достижений на эту тему. Если спроецировать это на восприятие кв. явлений, то схема может быть приближенно такой (комент объемный и несколько устаревший по источникам, тем не менее, представление получить можно, см. с предложения "Какими могут быть пути решения этих противоречий?"). Может подобный сценарий быть востребованным на практике в перспективе? Зависит от того удастся преодолеть наметившуюся стагнацию в фундаментальной физике, или нет, традиционными средствами, как это удавалось в прошлом (см. эту интересную тему и обсуждение к ней, как-то вы не высказали в ней свое мнение, возможно пропустили).
vassabi
18.06.2023 23:33мы живем на круглом шарике. На очень круглом шарике.
но мы строим столы с очень ровной поверхностью
(и по идее - у плоского стола можно даже померять, насколько сила притяжения в центре сильнее чем по краям)так что - там квантовая механика, а тут - классическая, всем есть место :)
YDR
18.06.2023 23:33в кристалле, электроны и фоНоны (на фоТоны границы кристалла почти не действуют, поэтому фотоны рассматриваем вне кристаллической решетки, а вот фоНоны и коллективизированные электроны живут в виде волн, отражающихся от стенок кристалла). Для удобства, переходим в пространство обратной решетки, и тогда электроны и фононы (волны в прямом пространстве) станут точками в обратном пространстве.
Из-за разной статистики (электроны=фермионы, и живут только в разных состояниях, а фононы и фотоны - бозоны, они наоборот любят все вместе сидеть в основном состоянии, и только температурные (и иные) причины вытаскивают их в возбужденные состояния.
количество коллективизированных электронов (упрощенно - по 1-2-n электронов от каждого атома). Количество "мест" где могут жить электроны в пространстве обратной решетки можно вычислить из геометрии кристалла.
заполняться пространство обратной решетки начинает с минимальной энергии - с волнового вектора
и увеличивающимися сферами. Как будто наливаем (несжимаемую) воду в воздушный шарик. Получается сфера Ферми. (это упрощенно, на самом деле, изоэнергетическая поверхность не совсем сферически симметрична, поэтому поверхность Ферми - не совсем сфера).А вот бозоны "наливаются" в центр (пространства обратной решетки). Их количество зависит от температуры. И распределение достаточно острое, но все же размывается.
AlexBaggins
18.06.2023 23:33У вам получилось запутанно объяснить много раз описанный процесс.
на мой взгляд, стороннего наблюдателя. Раундддд… то есть коллапс
phenik
18.06.2023 23:33человек, который смотрит на частицу и после этого она теряет свои волновые свойства и становится из волны частицей
Не физический процесс поглощения света фоторецепторами глаз, а прям сеанс гипноза какой-то)
Так что если посмотреть на математику квантовой механики, то там нигде нельзя найти пропажу волновых свойств частиц ни в каком процессе. И говоря о том элементарная частица это частица или волна, можно сказать, что всегда волна, но очень необычная волна
А если посмотреть не на математику, а на сам физический процесс? Как они проявляются себя, например, при рассеянии в ускорителях? Пока это описание опирается на корпускулярно-волновой дуализм, который основывается на принципе дополнительности Бора. Были попытки опровергнуть его экспериментально, см. эксперимент Афшара. Однако его результаты не получили однозначной оценки, было приведено множество возражений, включая экспериментальных.
allter
18.06.2023 23:33По названию статьи было ощущение, что речь будет о реализации аналога Вигнера или его Друга.
А тут, как было отмечено предыдущими ораторами, незаконченное сумбурное описание какой-то демонстрационной модели.
Если вы хотите с помощью поляризатора поставить опыт для проверки квантовой механики, вам нужен также однофотоновый лазер и механизм для его регистрации (счётчик) что бы отфильтровывать фоновые фотоны. Иначе эксперимент можно объяснить классическими механизмами.
alkurro
18.06.2023 23:33"Наблюдатель" - это внесение изменений в движение частиц, приводящее к однозначному результату
Движение Земли и Луны, звезд внутри галактик, со стороны тоже можно описывать волновой функцией. На деле все является взаимосвязанными частицами, имеющими колебания во время движения. Останови колебание и движение изменится.
Наблюдать за электроном или фотоном для людей всё равно что поставить неподвижных относительно галактики Юпитер на пути нашей планеты. Движение Земли сразу же изменится
Travisw
18.06.2023 23:33Ну допустим, а где взять фонарик однофотонный?
flx0
18.06.2023 23:33+1Это проще чем кажется.
Энергия одного фотона видимого света около 3e-19 Джоулей, то есть милливаттный лазер излучает 3.3e15 фотонов в секунду. За эту секунду фотон преодолевает 3e8 метров. То есть в метре света миливаттного лазера содержится 11 миллионов фотонов, а в микрометре - всего 11. Поставьте фильтр, поглощающий 99% света, и останется 1 фотон на 10 микрон, а 10 микрон - значительно больше длины волны света.
Короче, слабый лазер, который светит через дискету, - уже однофотонный.flx0
18.06.2023 23:33+1Хотя, я тут подумал, и нет, это не однофотонный свет, мы же не можем точно знать положение фотона, волновая функция разных фотонов все равно пересекается. По-настоящему однофотонный - это один фотон на весь луч.
Согласно, этому источнику, дискета пропускает в среднем 0.0023% видимого света (хотя для конкретных длин волн этот показатель различается, красного она пропускает сильно больше). Тогда две дискеты ослабляют луч в 5.29e10 раз. Этого более чем достаточно чтобы на метровый луч в любой момент времени приходилось в среднем меньше одного фотона.
В общем, нужна лазерная указка и две дискеты.
ZEvS_Poisk
[quote]Если фотон летит на такой поляризатор и его поляризация находится в суперпозиции поляризации параллельной и перпендикулярной проволочкам поляризатора, то на выходе остаются только фотоны с перпендикулярной поляризацией. [/quote]
Странно. Вообще-то поляризация "фотона", во всяком случае для "радиоизлучения" определена сразу. То есть она зависит от поляризации антенны, которая создает излучение. Да, есть антенны с вертикальной и с горизонтальной поляризацией, а также с круговой поляризацией. Последние есть результат антенной системы, которая имеет и горизонтальные и вертикальные элементы, к примеру - спиральные антенны.
По этому, по суперпозиции не вполне понятно. Поляризатор, который Вы привели в пример лишь является антенной решеткой, набором диполей, которая "принимает" сигнал в своей поляризации. ИМХО, никаких квантовых свойств здесь нет.
rybakov_dmitr
В статье не сказано, что берется поляризованное излучение радиоизлучение от конкретной антенны. Статья лишь напоминает, что радиочастотные фотоны это тоже квантовые частицы, со всеми вытекающими. Виден результат профдеформации, пытаетесь объяснить через антенную решетку, а не смотреть более фундаментально, так как это не принято. Это как простому механику объяснять движение тел через теорию относительности.
Dynasaur
Радиоволны создаются не только антеннами, созданными человеком. Они идут и из космоса, поляризованные хаотично.
ZEvS_Poisk
Да! Вы пишете "поляризованы хаотично". Что это значит??? Что УЖЕ поляризованы. Ни о какой суперпозиции речь не идет.