¿Qué significa exactamente "observado" cuando se habla de la dualidad onda-partícula?

Question

Cuando se habla de la dualidad onda-partícula, los maestros y los libros dicen que cuando se envía un único fotón a través de una rendija, se hace un patrón de onda. Pero si usted envía la partícula a través de la rendija y "observar directamente", a continuación, aparece como un punto único (una partícula).

¿Qué se entiende por "observar"? Es que, como con sus globos oculares? O es que con algún dispositivo de medición? No es claro qué significa esa palabra, que podía significar cualquier cosa, jaja.

Una de las razones que me estoy preguntando es porque, parece que el acto de tratar de medir directamente (si "medir con un dispositivo" es lo que se entiende por observar) significaría el envío de algún tipo de radiación o partículas de sí mismo, de modo que sí, que sería un lío con el experimento. Pero tal vez yo no entiendo muy bien todavía, así que buscando un poco de aclaración.

Answer 1

Voy a ilustrar al referirse a el gato de Schrödinger experimento de pensamiento. El experimento consta de un gato en una caja, a la que se adjunta una pequeña cantidad de una sustancia radiactiva. En el curso de una hora, la sustancia puede o no puede emitir una partícula. Si lo hace, entonces un contador Geiger desencadena una lata de cianuro, matando al gato. Después de una hora, el gato de la función de onda tiene la forma $$\psi_{cat} = \frac{1}{\sqrt{2}}\left( \psi_{alive} + \psi_{dead} \right)$$

Ahora, aquí vamos a ver el defecto de que el término "medida" - se sugiere la participación de un observador humano. Antes de su observación de que el gato, el gato no está ni vivo ni muerto, sino más bien una combinación lineal de los dos estados, y si el gato está realmente muerta, la mataron a ella, mirando en la ventana.

Esto, por supuesto, los sonidos intrínsecamente absurdo. Podemos resolver la paradoja teniendo en cuenta la activación del contador Geiger la "medición", no de la intervención del observador humano. Una medición, aquí, entonces, consiste en una interacción entre lo microscópico del sistema (la descomposición de las partículas) y el macroscópico del sistema (la activación del contador Geiger). Con todo, "medición" es un lugar pobre plazo, como es inherentemente sugiere la presencia de un observador humano. Heisenberg propuso el término "evento" en su lugar.

(En algunas formulaciones de la mecánica cuántica, es posible incluso a prescindir del concepto de "medición" del todo, y en lugar de tener la "medición" del aparato y el propio sistema se describe por una función de onda).

Answer 2

Supongamos que representan la función de onda de los fotones como $\psi_p$ y la función de onda del observador como $\psi_o$. Mientras el fotón y el observador no interactúan de alguna manera podemos escribir la función de onda total como un producto:

$$ \Psi = \psi_p\psi_o \tag{1} $$

El problema es que usted no puede hacer cualquier medición de los fotones, sin interactuar con ella, y tan pronto como usted hace esto usted enredarse con el fotón. Enredo significa que el total de la función de onda de usted y la de los fotones ya no es separable en un producto como en la ecuación (1).

Exactamente lo que ocurre a continuación depende de lo que la interpretación de la función de onda colapso favor. Mi preferido interpretación es la decoherencia/muchos mundos, y visto de esta manera después de la interacción, el total de la función de onda evoluciona para convertirse en aproximadamente separables de nuevo, de modo que una vez más conseguir:

$$ \Psi' = \psi'_p\psi'_o $$

Pero la función de onda del fotón ha sido cambiado por la interacción, por lo $\psi_p \ne \psi'_p$, y esto afectará a la evolución posterior de $\psi'_p$ como el fotón pasa a través de las rendijas, y por lo tanto afectar el patrón de difracción producido.

Exactamente lo que suceda dependerá de la fuerza de la interacción, porque esto va a determinar cuánto de la función de onda es cambiado. Es posible realizar la medición de una muy débil interacción, en el que caso de que obtenga un débil medición y el patrón de difracción no se vería afectada. Sin embargo, en este tipo de argumentos la medición es usualmente llevado a ser uno de los que indica la posición de la partícula, y en ese caso la interacción tendría que ser lo suficientemente fuerte como para reducir significativamente la incertidumbre en la posición de la partícula, de modo que no es ninguna sorpresa que esto cambia significativamente el patrón de difracción.

Tenga en cuenta que no he asumido nada acerca de la calidad de observador distinto que puede ser descrito por una función de onda y que interactúa con el fotón. Muchos sistemas pueden ser observadores - el efecto que tienen sólo depende de la fuerza de la interacción.

Answer 3

Me gustaría general de apoyo Ayesha la respuesta, en la que explica que la decoherencia es iniciada por el microscópico de la interacción con el macroscópico.

Como con muchas cosas en la Física Cuántica, esto es evidentemente cierto en los extremos (por ejemplo, poniendo un detector en la trayectoria de un fotón en la doble rendija experimento), pero no está claro cuando algo es considerado macroscópico. Por ejemplo, en algún lugar entre el acoplamiento de un spin atómico de un átomo y el acoplamiento a un millón de otros átomos, nosotros (y, presumiblemente, el universo) dicen que la decoherencia se ha producido, y la función de onda se ha derrumbado.

Una respuesta es la de buscar en la matriz de Densidad. Considere la posibilidad de que un par de fotones tienen un 2x2 de la densidad de la matriz. Si nos enredan a los fotones polarisations similares, entonces tenemos HH o VV, lo que sería una matriz de densidad así:

     H    V
  H  0.5  0
  V  0    0.5

Von Neumann nos dice que la medición siempre aumenta la entropía dentro del sistema, lo que reduce el quantum de la información contenida en él. Así que, incluso si se realiza una medición que no están relacionados, como la comprobación de HV estados, empezamos a corromper a la matriz. Tal vez por eso se convierte en:

               First
               H     V
Second     H  0.44   0
           V  0.1    0.46

Supongamos que más se enredan de esta pareja con otra pareja (aún en su estado limpio), de tal manera que si el segundo fotón de la primera pareja es V, entonces también lo es el primer fotón de la segunda pareja (y lo mismo para el H):

                First pair
                  HH       HV      VH       VV
            HH   0.44                   
Second      HV 
 Pair       VH
            VV            0.1              0.46

Si que la segunda pareja era un poco empañado, y se parecía más a:

HH 0.48, HV 0.03, VH 0.07, VV 0.42

Entonces tenemos:

       HH          HV        VH       VV
  HH  0.48x0.44            0.48x0  
  HV  0.03x0.44            0.03x0 
  VH             0.07x0.1          0.07x0.46
  VV             0.42x0.1          0.42x0.46

Renormalised (/0.4988):

       HH       HV     VH    VV
  HH  .4234              
  HV  .0265             
  VH          .0140         .0646
  VV          .0842         .3873

Podemos ver cómo la pureza original de la superposición está siendo contaminada por la entropía, y como el espacio aumenta con la adición de más partículas, esto erosionará aún más el estado original. Nota, en particular, cómo la HHHH estado tiene P=42.34%, mientras que el VVVV estado tiene P=38.73%. Claramente esta erosión se erosionan uno de los estados originales más que el otro, así que después de un par de interacciones que podemos esperar de uno a desaparecer por debajo del piso de ruido, dejando un único estado preferido. En el experimento, esto vendría a cabo como un "decoherencia" en la que el aumento de la interacción con el medio ambiente se disipa el original de la superposición a través de una cada vez mayor espacio hasta que el ruido aleatorio toma el relevo.

La señal vs ruido metáfora es adecuada, en la que parece ser la cuántica de la información almacenada en los estados que erosionado. Este es el origen de la Cuántica Corrección de Errores de los métodos diseñados para el uso de codificaciones para sostener un estado coherente para más.

Así, la 'observación' realmente significa que el acoplamiento de un estado cuántico a otro mucho más grande del sistema, y, al hacerlo, contaminando el quantum de la información almacenada dentro de la entropía y por lo tanto sometidos a la decoherencia.

Answer 4

También para dar una respuesta más directa a su fotones en una hendidura ejemplo, en simples palabras:

Observando el fotón que pasa a través de la rendija no es sólo conceptual de la ley, significa la colocación de un detector de fotones en la rendija y como el fotón pasa a través de, su estado se mide y desde una medición en la mecánica cuántica tiene un costo de perturbar el estado original del sistema, (que aquí significa cualquiera que sea el mecanismo, el detector utiliza, tendrá una influencia sobre el estado de los fotones, por ejemplo, la luz impulso se transfiere a los electrones).

En consecuencia, el fotón colapso en uno de sus autoestados (en el que uno dependerá de su estado inicial de superposición) y no estará en un estado desconocido (es decir, una superposición de los estados), es decir, su estado es perfectamente conocida y no se observa una interferencia por su intensidad, espectro, todas las franjas de desaparecer.

Finalmente digamos que si mantiene la medición (es decir, en sus palabras, observando a) el colapsado de fotones, utilizando el mismo detector, se observa el mismo estado para el fotón, pero si cambia de detectores (como el cambio de ángulo de polarizador, simplemente una base diferente), entonces usted puede cambiar el estado de un fotón, por los mismos principios.

Con el fin de acostumbrarse a estas ideas, es mejor si usted comienza por la lectura de los ejemplos de medición de la polarización de fotones que también se presenta Dirac bra-ket de la notación en un lugar de manera clara y sencilla.