Кванттық механикадағы Renninger теріс нәтиже эксперименті
Renninger negative-result experiment
Квант механикасындағы Ренингердің теріс нәтиже эксперименті – толқындық функцияның күйреуі мен өлшеудің қиындықтарын түсіндіретін ой эксперименті. Бөлшектің анықталмауы да өлшеу болып саналады.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Кванттық механикада Реннингердің теріс нәтиже эксперименті – кванттық механикада толқындық функцияның күйреуі мен өлшеу табиғатын түсінудегі кейбір қиындықтарды көрсететін ой эксперименті. Кванттық өлшеу үшін бөлшекті анықтау міндетті емес, және бөлшекті анықтамау да өлшеу болып табылуы мүмкін. Бұл ой экспериментін алғаш рет 1953 жылы Мауриций Реннингер ұсынған. Интерферометрдің бір саласында бөлшектің байқалмауы, бөлшектің екінші саласында болуын білдіреді. Оны Мотт мәселесінде ұсынылған парадоксқа жасалған нақтылау ретінде қарастыруға болады.
In quantum mechanics, the Renninger negative result experiment is a thought experiment that illustrates some of the difficulties of understanding the nature of wave function collapse and measurement in quantum mechanics. The statement is that a particle need not be detected in order for a quantum measurement to occur, and that the lack of a particle detection can also constitute a measurement. The thought experiment was first posed in 1953 by Mauritius Renninger. The non detection of a particle in one arm of an interferometer implies that the particle must be in the other arm. It can be understood to be a refinement of the paradox presented in the Mott problem.
Мотт проблемасы
Мотт проблемасы радиоактивті ядроның альфа сәулесін шығаруын сипаттайтын сфералық толқын функциясы мен бұлт камерасында байқалатын түзу жолдар арасындағы қайшылықты келтіретін парадоксқа қатысты. 1927 жылы Альберт Эйнштейн мен Макс Борн бұл мәселені қойған, ал Сер Невилл Фрэнсис Мотт жасаған есептеу арқылы оның шешімі табылды. Есептеу көрсеткендей, дұрыс кванттық механикалық жүйеге бұлт камерасындағы атомдардың толқын функцияларымен қатар альфа сәулесінің толқын функциясы да кіруі керек. Нәтижесінде алынған ықтималдылық тек ыдыраған атомнан түзу сызықтар бойымен ғана нөлден өзгеше болып шықты; яғни, өлшеу жасалғаннан кейін толқын функциясы тек бөлшектің классикалық траекториясының жанында ғана нөлдік емес мәнге ие болады.
The Mott problem concerns the paradox of reconciling the spherical wave function describing the emission of an alpha ray by a radioactive nucleus, with the linear tracks seen in a cloud chamber. Formulated in 1927 by Albert Einstein and Max Born, it was resolved by a calculation done by Sir Nevill Francis Mott that showed that the correct quantum mechanical system must include the wave functions for the atoms in the cloud chamber as well as that for the alpha ray. The calculation showed that the resulting probability is non zero only on straight lines raying out from the decayed atom; that is, once the measurement is performed, the wave function becomes non vanishing only near the classical trajectory of a particle.
Реннингердің теріс нәтижеге арналған эксперименті
Реннингердің 1960 жылғы тұжырымында бұлт камерасы екі жарты шар пішіндес бөлшектерді анықтағышпен алмастырылады, олар радиоактивті атомды толық қоршайды, ол орталықта орналасқан және альфа сәулесін шығару арқылы ыдырауға дайын. Ой эксперименті үшін анықтағыштар 100% тиімді деп есептеледі, сондықтан шығарылған альфа сәулесі әрқашан анықталады. Кванттық өлшеудің қалыпты процесін қарастырғанда, егер бір анықтағыш ыдырауды тіркесе, екіншісі тіркемейтіні анық: бір бөлшекті екі анықтағыш та анықтай алмайды. Басты байқау – бір қабықта бөлшектің байқалмауы, екінші қабықта анықтаумен бірдей жақсы өлшем болып табылады. Парадокстың күшін арттыру үшін екі жарты шардың диаметрі әртүрлі деп қарастыруға болады; сыртқы қабық айтарлықтай қашықтықта орналасқан. Бұл жағдайда, ішкі қабықта альфа сәулесі байқалмағаннан кейін, (бастапқыда шар пішіндес) толқындық функция жарты шар пішініне «құлап» кеткен деген қорытындыға келуге болады, және (сыртқы қабық алыс болғандықтан) әлі де сыртқы қабыққа таралу үдерісінде, онда ол сөзсіз анықталады. Стандартты кванттық механика тұжырымында, толқындық функция ішінара құлап, жарты шар пішінін алады. Толқындық функцияның толық құлауы, бір нүктеге дейін, сыртқы жарты шармен өзара әрекеттескенше болмайды. Бұл ой экспериментінің мәні – толқындық функция ішкі қабықпен өзара әрекеттесіп, толқындық функцияның ішінара құлауына себеп болды, бірақ ішкі қабықтағы ешбір анықтағышты іске қоспады. Бұл толқындық функцияның құлауы бөлшектерді анықтамаса да жүруі мүмкін екенін көрсетеді.
In Renninger's 1960 formulation, the cloud chamber is replaced by a pair of hemispherical particle detectors, completely surrounding a radioactive atom at the center that is about to decay by emitting an alpha ray. For the purposes of the thought experiment, the detectors are assumed to be 100% efficient, so that the emitted alpha ray is always detected. By consideration of the normal process of quantum measurement, it is clear that if one detector registers the decay, then the other will not: a single particle cannot be detected by both detectors. The core observation is that the non observation of a particle on one of the shells is just as good a measurement as detecting it on the other. The strength of the paradox can be heightened by considering the two hemispheres to be of different diameters; with the outer shell a good distance farther away. In this case, after the non observation of the alpha ray on the inner shell, one is led to conclude that the (originally spherical) wave function has "collapsed" to a hemisphere shape, and (because the outer shell is distant) is still in the process of propagating to the outer shell, where it is guaranteed to eventually be detected. In the standard quantum mechanical formulation, the statement is that the wave function has partially collapsed, and has taken on a hemispherical shape. The full collapse of the wave function, down to a single point, does not occur until it interacts with the outer hemisphere. The conundrum of this thought experiment lies in the idea that the wave function interacted with the inner shell, causing a partial collapse of the wave function, without actually triggering any of the detectors on the inner shell. This illustrates that wave function collapse can occur even in the absence of particle detection.
Жалпы қарсылықтар
Эксперименттің қалыпты түсіндірмесіне бірнеше жиі кездесетін қарсылықтар бар. Осы қарсылықтардың кейбіреуі және оларға стандартты жауаптар төменде тізілген.
There are a number of common objections to the standard interpretation of the experiment. Some of these objections, and standard rebuttals, are listed below.
Белгіленген радиоактивті өмір сүру мерзімі
Кейде ядроның ыдырау уақытын бақылау мүмкін емес екені және шекті жартылай ыдырау мерзімі нәтижені жоққа шығарады деп айтылады. Бұл қарсылықты ядроның жартылай ыдырау мерзімін ескере отырып, жарты шарларды тиісті өлшемде таңдау арқылы жоюға болады. Радиустар осылайша таңдалады, яғни алыс жарты шардың, ыдырап бара жатқан ядроның жартылай ыдырау мерзіміне және альфа сәулесінің ұшу уақытына еселенгеннен әлдеқайда қашықта болуын қамтамасыз етеді. Мысалға нақтылық үшін, ыдырау ядросының жартылай ыдырау мерзімі 0,01 микросекунд деп есептейік (көптеген элементар бөлшектердің ыдырау жартылай ыдырау мерзімі әлдеқайда қысқа; ядролық ыдыраудың жартылай ыдырау мерзімі әлдеқайда ұзақ; кейбір атомдық электромагниттік қоздырулардың жартылай ыдырау мерзімі осы шамаға жуық). Егер 0,4 микросекунд күтетін болсақ, бөлшектің ыдырау ықтималдығы; яғни, ықтималдық бірге өте жақын болады. Сыртқы жарты шарды (жарық жылдамдығы) * (0,4 микросекунд) қашықтықта орналастырамыз: яғни, шамамен 120 метр қашықтықта. Ішкі жарты шарды 1 метрдей жақын орналастырамыз. Егер (мысалы) 0,3 микросекунд өткен соң, ішкі, жақын жарты шарда ыдырау өнімін көрмесек, бөлшек дерлік толық сеніммен ыдыраған, бірақ әлі де сыртқы жарты шарға ұшып бара жатқаны туралы қорытынды жасауға болады. Парадокс осы жағдайда толқындық функцияның дұрыс сипатталуымен байланысты.
It is sometimes noted that the time of the decay of the nucleus cannot be controlled, and that the finite half life invalidates the result. This objection can be dispelled by sizing the hemispheres appropriately with regards to the half life of the nucleus. The radii are chosen so that the more distant hemisphere is much farther away than the half life of the decaying nucleus, times the flight time of the alpha ray. To lend concreteness to the example, assume that the half life of the decaying nucleus is 0.01 microsecond (most elementary particle decay half lives are much shorter; most nuclear decay half lives are much longer; some atomic electromagnetic excitations have a half life about this long). If one were to wait 0.4 microseconds, then the probability that the particle will have decayed will be ; that is, the probability will be very very close to one. The outer hemisphere is then placed at (speed of light) times (0.4 microseconds) away: that is, at about 120 meters away. The inner hemisphere is taken to be much closer, say at 1 meter. If, after (for example) 0.3 microseconds, one has not seen the decay product on the inner, closer, hemisphere, one can conclude that the particle has decayed with almost absolute certainty, but is still in flight to the outer hemisphere. The paradox then concerns the correct description of the wave function in such a scenario.
Классикалық траекториялар
Тағы бір жиі кездесетін қарсылықта ыдырау бөлшегі әрқашан түзу сызықпен қозғалғандығы, ал таралу ықтималдығы ғана шар тәрізді екендігі айтылады. Дегенмен, бұл Мотт мәселесін дұрыс түсінбеушілік, және бұл жалған. Толқындық функция шынымен шар тәрізді болды, және ол көптеген жазық толқындардың үйлесімсіз қосылуы (аралас күй) емес. Аралас және таза күйлердің арасындағы айырмашылық басқа жағдайда, жергілікті жасырын айнымалылардың негізгі идеяларын және оларды Белл теңсіздіктері арқылы жоққа шығару туралы пікірталас кезінде жақсырақ көрінеді.
Another common objection states that the decay particle was always travelling in a straight line, and that only the probability of the distribution is spherical. This, however, is a mis interpretation of the Mott problem, and is false. The wave function was truly spherical, and is not the incoherent superposition (mixed state) of a large number of plane waves. The distinction between mixed and pure states is illustrated more clearly in a different context, in the debate comparing the ideas behind local hidden variables and their refutation by means of the Bell inequalities.
Дифракция
Нағыз кванттық механикалық толқын ішкі жарты шардан дифракцияланып, сыртқы жарты шарда дифракциялық суретті қалдыруы керек. Бұл іс жүзінде қарсылық емес, керісінше, толқындық функцияның ішінара құлдырауының растамасы. Егер дифракциялық сурет байқалмаса, бөлшектің сәулеге дейін құлдырап, ішкі жарты шардан өте бергенде сол күйінде қалып қойғанына келуге мәжбүр болар едік; бұл стандартты кванттық механикамен күрт қайшы келеді. Ішкі жарты шардан дифракция күтілуде.
A true quantum mechanical wave would diffract from the inner hemisphere, leaving a diffraction pattern to be observed on the outer hemisphere. This is not really an objection, but rather an affirmation that a partial collapse of the wave function has occurred. If a diffraction pattern were not observed, one would be forced to conclude that the particle had collapsed down to a ray, and stayed that way, as it passed the inner hemisphere; this is clearly at odds with standard quantum mechanics. Diffraction from the inner hemisphere is expected.
Күрделі ыдырау өнімдері
Бұл қарсылықта нақты өмірде ыдырау өнімінің спин 1/2 (фермион) немесе фотон (спин 1) болатыны көрсетіледі. Бұл ыдыраудың толық сфералық симметрияға ие емес, керісінше, p толқыны сияқты басқаша таралуға ие екенін білдіреді. Дегенмен, жақыннан қарағанда, мұның толқындық функцияның сфералық симметриясына ешқандай қатысы жоқ екені көрінеді. Тіпті бастапқы күйді поляризациялауға болады, мысалы, оны магнит өрісіне орналастыру арқылы, бірақ сфералық емес ыдырау үлгісі де кванттық механикамен дұрыс сипатталады.
In this objection, it is noted that in real life, a decay product is either spin 1/2 (a fermion) or a photon (spin 1). This is taken to mean that the decay is not truly sphere symmetric, but rather has some other distribution, such as a p wave. However, on closer examination, one sees this has no bearing on the spherical symmetry of the wave function. Even if the initial state could be polarized; for example, by placing it in a magnetic field, the non spherical decay pattern is still properly described by quantum mechanics.
Релятивистік емес тіл
Жоғарыда келтірілген тұжырымдама өзінен-өзі релятивистік емес тілде берілген; сонымен қатар, элементар бөлшектердің релятивистік ыдырау өнімдері болатыны белгілі. Бұл шағым мәселені одан әрі ушықтыруға ғана себеп болады. Экспериментті қайта формулиреуге болады, осылайша ыдырау өнімдерінің жылдамдығы төмендейді. Дегенмен де, арнайы салыстырмалылық теориясы кванттық механикамен келіспейді.
The above formulation is inherently phrased in a non relativistic language; and it is noted that elementary particles have relativistic decay products. This objection only serves to confuse the issue. The experiment can be reformulated so that the decay product is slow moving. At any rate, special relativity is not in conflict with quantum mechanics.
Кемелсіз детекторлар
Бұл қарсылықта нақты өмірде бөлшектерді анықтағыштардың (детекторлардың) мүлтіксіз болмайтыны, кейде бір жарты шардагы, кейде екінші жарты шардагы анықтағыштардың (детекторлардың) реакция бермейтіні айтылады. Бұл пікір мәселені одан әрі күрделендіруге ғана қызмет етеді және толқындық функцияның табиғатына ешқандай қатысы жоқ.
This objection states that in real life, particle detectors are imperfect, and sometimes neither the detectors on the one hemisphere, nor the other, will go off. This argument only serves to confuse the issue, and has no bearing on the fundamental nature of the wave function.