Квантовые физики из Университета Хиросимы обнаружили, что результаты квантовых измерений фундаментально связаны с динамикой взаимодействия между измерительным прибором и системой, что опровергает традиционные представления о фиксированных физических свойствах и предполагает, что реальность формируется контекстом этих взаимодействий. Полученные результаты указывают на необходимость переосмысления интерпретации квантовых экспериментальных данных.
Когда точность измерений приближается к пределу неопределенности, установленному квантовой механикой, результаты становятся зависимыми от динамики взаимодействия между измерительным прибором и системой.
Этот вывод может объяснить, почему квантовые эксперименты часто дают противоречивые результаты и могут противоречить основным предположениям о физической реальности.
Анализ и результаты исследования
Два квантовых физика из Университета Хиросимы недавно проанализировали динамику измерительного взаимодействия, в котором значение физического свойства отождествляется с количественным изменением состояния измерителя. Это сложная задача, поскольку квантовая теория не позволяет определить значение физического свойства, если система не находится в так называемом «собственном состоянии» этого свойства — очень малом наборе особых квантовых состояний, для которых физическое свойство имеет фиксированное значение.
Исследователи решили эту фундаментальную проблему, объединив информацию о прошлом системы с информацией о ее будущем в описании динамики системы в процессе измерительного взаимодействия, продемонстрировав, что наблюдаемые значения физической системы зависят от динамики измерительного взаимодействия, с помощью которого они наблюдаются.
Согласно квантовой теории, результаты измерений определяются изменениями в соотношении между прошлым и будущим системы, вызванными измерительным взаимодействием. Credit: Tomonori Matsushita and Holger F. Hofmann, Hiroshima University.
Результаты своего исследования группа ученых недавно опубликовала в журнале Physical Review Research.
«Существует много разногласий по поводу интерпретации квантовой механики, поскольку различные экспериментальные результаты не могут быть согласованы с одной и той же физической реальностью», — сказал Хольгер Хофманн, профессор Высшей школы передовых наук и инженерии Университета Хиросимы в Хиросиме (Япония).
«В данной работе мы исследуем, как квантовые суперпозиции в динамике измерительного взаимодействия формируют наблюдаемую реальность системы, проявляющуюся в отклике измерительного прибора. Это большой шаг к объяснению смысла понятия „суперпозиция“ в квантовой механике», — сказал Хофманн.
Суперпозиция и физическая реальность
В квантовой механике суперпозиция описывает ситуацию, в которой две возможные реальности как бы сосуществуют, хотя их можно четко различить при соответствующем измерении. Анализ, проведенный группой исследователей, позволяет предположить, что суперпозиции описывают различные виды реальности при проведении различных измерений. Реальность объекта зависит от его взаимодействия с окружающей средой.
«Наши результаты показывают, что физическая реальность объекта не может быть отделена от контекста всех его взаимодействий с окружающей средой, в прошлом, настоящем и будущем, что является убедительным доказательством против широко распространенного мнения о том, что наш мир может быть сведен к простой конфигурации материальных строительных блоков», — сказал Хофманн.
Согласно квантовой теории, смещение измерителя (счётчика), представляющее собой значение физического свойства, наблюдаемое при измерении, зависит от динамики системы, вызванной флуктуациями обратного действия, с помощью которого измеритель (счётчик) возмущает (нарушает) состояние системы.
Квантовые суперпозиции между различными возможными вариантами динамики системы формируют отклик измерителя и приписывают ему определенные значения.
Далее авторы пояснили, что флуктуации динамики системы зависят от силы измерительного взаимодействия. В пределе слабых взаимодействий флуктуации динамики системы пренебрежимо малы, и смещение измерителя может быть определено из уравнения Гамильтона-Якоби — классического дифференциального уравнения, выражающего связь между физическим свойством и связанной с ним динамикой.
При более сильном измерительном взаимодействии наблюдаются сложные эффекты квантовой интерференции между различными динамиками системы. Полностью разрешенные измерения требуют полной рандомизации динамики системы. Это соответствует суперпозиции всех возможных вариантов динамики системы, при которой эффекты квантовой интерференции выбирают только те компоненты квантового процесса, которые соответствуют собственным значениям физического свойства.
Собственные значения — это значения, которые учебная квантовая механика присваивает результатам измерений: точные номера фотонов, спин вверх или спин вниз и т.д. Как показывают новые результаты, эти значения являются следствием полной рандомизации динамики. В тех случаях, когда динамика системы не полностью рандомизирована измерением, необходимо рассматривать другие значения.
Последствия для понимания квантовых измерений
Интересно, что это наблюдение позволяет по-новому взглянуть на использование результатов измерений в описании реальности. Принято считать, что локализованные частицы или целочисленные значения спина являются независимыми от измерений элементами реальности, однако результаты данного исследования позволяют предположить, что эти величины возникают только в результате квантовых помех при достаточно сильных измерениях. Возможно, наше понимание смысла экспериментальных данных нуждается в фундаментальном пересмотре.
Хофманн и его сотрудники надеются на дальнейшее прояснение противоречивых результатов, наблюдаемых во многих квантовых экспериментах.
«Контекстно-зависимые реальности могут объяснить широкий спектр кажущихся парадоксальными квантовых эффектов. Сейчас мы работаем над более точным объяснением этих явлений. В конечном счете, цель состоит в том, чтобы выработать более интуитивное понимание фундаментальных концепций квантовой механики, позволяющее избежать недоразумений, вызванных наивной верой в реальность микроскопических объектов», — сказал Хофманн.
Ссылка на исследование: «Зависимость результатов измерений от динамики квантовых когерентных взаимодействий между системой и измерителем» Томонори Мацусита и Хольгер Ф. Хофманн, 31 июля 2023 г., Physical Review Research.
