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.

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.

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.

Жалпы қарсылықтар

Эксперименттің қалыпты түсіндірмесіне бірнеше жиі кездесетін қарсылықтар бар. Осы қарсылықтардың кейбіреуі және оларға стандартты жауаптар төменде тізілген.

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.

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.

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.

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.

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.

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.