Введение
В квантовой механике эксперимент Реннингера с отрицательным результатом — это мысленный эксперимент, иллюстрирующий некоторые трудности понимания природы коллапса волновой функции и измерения в квантовой механике. Суть заключается в том, что частица необязательно должна быть зарегистрирована для осуществления квантового измерения, и отсутствие регистрации частицы также может являться измерением. Этот мысленный эксперимент был впервые предложен в 1953 году Маурициусом Реннингером. Отсутствие регистрации частицы в одном плече интерферометра подразумевает, что частица должна находиться в другом плече. Это можно рассматривать как уточнение парадокса, представленного в задаче Мотта.
Проблема Мотта
Проблема Мотта связана с парадоксом согласования сферической волновой функции, описывающей испускание альфа-частицы радиоактивным ядром, с линейными треками, наблюдаемыми в камере Вильсона. Сформулированная в 1927 году Альбертом Эйнштейном и Максом Борном, она была разрешена расчетом, выполненным сэром Невилом Фрэнсисом Мотом, который показал, что корректная квантовомеханическая система должна включать волновые функции как атомов в камере Вильсона, так и альфа-частицы. Расчет продемонстрировал, что результирующая вероятность отлична от нуля только на прямых линиях, расходящихся от распадающегося атома; то есть, после выполнения измерения волновая функция становится ненулевой только вблизи классической траектории частицы.
Эксперимент Реннингера с отрицательным результатом
В формулировке Реннингера 1960 года облачная камера заменена парой полусферических детекторов частиц, полностью окружающих радиоактивный атом в центре, который собирается распасться, испустив альфа-частицу. Для целей мысленного эксперимента предполагается, что детекторы имеют 100% эффективность, так что испущенная альфа-частица всегда регистрируется. При рассмотрении обычного процесса квантового измерения становится ясно, что если один детектор регистрирует распад, то другой не будет: одна частица не может быть зарегистрирована обоими детекторами. Ключевое наблюдение состоит в том, что не-регистрация частицы на одной из оболочек является столь же полноценным измерением, как и её регистрация на другой. Силу парадокса можно усилить, рассматривая полушария разного диаметра, при этом внешняя оболочка находится на значительно большем расстоянии. В этом случае, после не-регистрации альфа-частицы на внутренней оболочке, можно заключить, что (первоначально сферическая) волновая функция «сколлапсировала» до полусферической формы и (поскольку внешняя оболочка удалена) всё ещё находится в процессе распространения к внешней оболочке, где гарантированно будет зарегистрирована. В стандартной квантовомеханической формулировке утверждается, что волновая функция частично сколлапсировала и приняла полусферическую форму. Полный коллапс волновой функции до единственной точки не происходит, пока она не взаимодействует с внешней полусферой. Парадокс этого мысленного эксперимента заключается в том, что волновая функция взаимодействовала с внутренней оболочкой, вызвав частичный коллапс волновой функции, не приводя при этом к срабатыванию ни одного из детекторов на внутренней оболочке. Это демонстрирует, что коллапс волновой функции может происходить даже без регистрации частиц.
Общие возражения
Существует ряд распространенных возражений против общепринятой интерпретации эксперимента. Некоторые из этих возражений и стандартные ответы на них приведены ниже.
Ограниченный срок радиоактивного действия
Иногда отмечается, что время распада ядра нельзя контролировать, и конечный период полураспада ставит результат под сомнение. Это возражение можно развеять, правильно подобрав размеры полусфер относительно периода полураспада ядра. Радиусы выбираются таким образом, чтобы более удаленная полусфера находилась на расстоянии, значительно превышающем период полураспада распадающегося ядра, умноженный на время полета альфа-частицы. Чтобы сделать пример более конкретным, предположим, что период полураспада распадающегося ядра составляет 0,01 микросекунды (периоды полураспада большинства элементарных частиц намного короче; периоды полураспада большинства ядерных распадов намного длиннее; некоторые атомные электромагнитные возбуждения имеют период полураспада примерно такой же величины). Если подождать 0,4 микросекунды, то вероятность распада частицы составит примерно единицу; то есть вероятность будет очень близка к единице. Внешняя полусфера тогда располагается на расстоянии, равном (скорости света) умноженной на (0,4 микросекунды): то есть примерно в 120 метров. Внутренняя полусфера находится значительно ближе, например, в 1 метр. Если после (например) 0,3 микросекунд продукт распада не был обнаружен на внутренней, ближайшей полусфере, можно заключить, что частица распалась почти с абсолютной уверенностью, но все еще находится в полете к внешней полусфере. Таким образом, парадокс заключается в корректном описании волновой функции в подобной ситуации.
Классические траектории
Другое распространенное возражение утверждает, что частица распада всегда двигалась по прямой, и сферической является лишь вероятность распределения. Однако это неверная интерпретация проблемы Мотта и является ошибочной. Волновая функция была действительно сферической и не представляет собой некогерентную суперпозицию (смешанное состояние) большого числа плоских волн. Различие между смешанными и чистыми состояниями более наглядно демонстрируется в другом контексте – в спорах, сравнивающих идеи, лежащие в основе локальных скрытых переменных, и их опровержение посредством неравенств Белла.
Дифракция
Настоящая квантово-механическая волна должна дифрагировать от внутреннего полушария, создавая дифракционную картину, которую можно наблюдать на внешнем полушарии. Это не столько возражение, сколько подтверждение того, что произошел частичный коллапс волновой функции. Если бы дифракционная картина не наблюдалась, пришлось бы заключить, что частица локализовалась в траекторию и оставалась в таком состоянии, проходя через внутреннее полушарие; это явно противоречит стандартной квантовой механике. Дифракция от внутреннего полушария ожидаема.
Комплексные продукты распада
В этом возражении отмечается, что в реальной жизни продукт распада имеет либо спин 1/2 (является фермионом), либо является фотоном (спин 1). Это интерпретируется как то, что распад не является строго сферически симметричным, а имеет иное распределение, например, p-волну. Однако, при более внимательном рассмотрении, становится ясно, что это не влияет на сферическую симметрию волновой функции. Даже если начальное состояние может быть поляризовано, например, путем помещения его в магнитное поле, не сферическая картина распада все равно корректно описывается квантовой механикой.
Нерелятивистский язык
Вышеуказанная формулировка изначально выражена в нерелятивистских терминах; и следует отметить, что элементарные частицы распадаются на релятивистские продукты. Это возражение лишь усугубляет путаницу. Эксперимент можно переформулировать таким образом, чтобы продукты распада двигались медленно. В любом случае, специальная теория относительности не находится в противоречии с квантовой механикой.
Недостаточные детекторы
Это возражение утверждает, что в реальной жизни детекторы частиц несовершенны, и иногда детекторы ни на одном полушарии не регистрируют частицы. Этот аргумент лишь запутывает суть вопроса и не имеет отношения к фундаментальной природе волновой функции.