Einstein悖论,Podolsky和罗森
1935年爱因斯坦和两个其他的物理学家美国,鲍里斯Podolsky和内森罗斯,分析了思想实验测量位置和动量在一对相互作用的系统。采用传统的量子力学,他们获得了一些惊人的结果,这使他们得出这个理论并没有给出一个完整的描述的物理现实。他们的结果,这是奇特的,似乎矛盾,是基于无可挑剔的推理,但他们的结论,理论是不完整的不一定遵循。玻姆简化他们的实验,同时保留他们的推理的中心点;这个讨论遵循他的帐户。
的质子,就像电子,自旋1/2;因此,无论选择什么方向测量组件的旋转角动量,总是+ℏ/ 2的值或−ℏ/ 2。(目前只讨论与旋转的角动量,和旋转这个词省略了从现在开始)。可以获得一个系统组成的一对质子在近距离和总角动量等于零。因此,如果一个组件的价值的角动量的一个质子+ℏ/ 2在任何选择的方向,组件的值相同方向的其他粒子必须−ℏ/ 2。假设两个质子沿着相反的方向移动,直到他们相距远。系统的总角动量仍然是零,如果组件的角动量方向相同的两个粒子测量,结果是一对大小相等,方向相反的价值观。因此,之后的数量来衡量一个质子,它可以预测其他质子;第二测量是不必要的。如前所述,测量量改变系统的状态。因此,如果测量年代x(x分的角动量)质子1生产价值+ℏ/ 2,测量质子后1对应的状态年代x= +ℏ/ 2,质子2对应的状态年代x=−ℏ/ 2。然而,任何方向可以选择测量组件的角动量。选择哪个方向,质子的状态1后测量组件对应于一个明确的关于这个方向的角动量。此外,由于质子2必须产生相反的值相同的组件,因此,测量对质子质子1在一个明确的结果状态2相对于所选的方向,尽管事实上,两粒子可能是数百万公里的距离,不相互作用。爱因斯坦和他的两个同事认为这个结论是明显错误的量子这是基于机械理论必须完整。他们得出结论,正确的理论将包含一些隐藏变量功能,恢复的决定论经典物理。
比较的角动量量子理论和经典理论描述粒子对说明了两者之间的本质区别的观点。在这两种理论,如果一个系统的两个粒子的总角动量为零,那么角两个粒子的动量大小相等,方向相反。如果组件的角动量测量沿同一方向,这两个值是数值相等,一个积极的和其他负面。因此,如果一个组件测量,另一个可以预测。的关键区别这两个理论是,在经典物理学,系统在调查中被认为拥有事先被测量的量。测量不干扰系统;它仅仅揭示了先前存在的状态。可能会指出,如果粒子实际上是拥有组件的角动量测量之前,这样的数量构成隐藏变量。
自然像量子力学预言吗?答案来自于测量角动量的组件的两个质子沿不同方向之间的夹角θ。测量在一个质子可以只给出结果+ℏ/ 2或−ℏ/ 2。实验由测量的+和-值之间的相关性对质子的固定值θ,然后重复不同的θ值的测量,如。结果的解释取决于由爱尔兰物理学家的一个重要定理约翰·斯图尔特贝尔。贝尔开始假设的存在某种形式的隐藏变量值,确定测量角动量进行了正负的结果。他进一步认为locality-namely,测量一个质子(即。,the choice of the measurement direction) cannot affect the result of the measurement on the other proton. Both these assumptions agree with classical, commonsense ideas. He then showed quite generally that these two assumptions lead to a certain relationship, now known as贝尔不等式,对上面提到的相关值。实验已经进行了几家实验室用光子代替质子(分析相似),和结果显示很明确地表明,贝尔不等式是违反了。也就是说,与观察到的结果一致量子力学和不能占一个隐藏变量(或确定)理论基于位置的概念。一个是被迫得出结论,两个质子是一对相关,测量影响的国家,无论相距多远。这可能会让一个非常奇特的,但这样的方式似乎是本质。
可以指出,对国家的影响质子2后测量质子1被认为是瞬间;之前发生的影响光信号由测量质子在质子事件1达到2。阿兰方面1982年在巴黎和他的同事证明了这个结果的巧妙的实验,两角动量测量之间的关系,在很短的时间间隔内,由高频开关装置。间隔还不到的时间旅行光信号从一个粒子的其他两个测量位置。爱因斯坦的特殊的理论相对论的州,没有消息可以的速度大于光速。因此,没有办法有关的信息的方向测量在第一个质子可能达到第二个质子测量了它。
在量子力学测量
量子力学方法对测量的过程造成了相当大的争议。薛定谔的时间波动方程(方程[8])是一种精确的配方确定的波函数随时间对于一个给定的物理系统在一个给定的物理环境。根据薛定谔方程,波函数的严格确定的方式不同。另一方面,在公理量子力学方法上面所描述的那样,一个测量突然改变了波函数和不连续地。在测量前,波函数Ψ的混合物ψs如方程(10)表示。测量改变Ψ从ψs单一ψ的混合物。带来的这种变化,测量的过程,称为的崩溃或减少波函数。Ψ的崩溃是一个不连续的变化;也不可预测的,因为从同一Ψ由右边方程(10),最后的结果可以是任何个人ψs之一。
薛定谔方程,给出了光滑Ψ和可预测的变化,应用之间的测量。然而,测量过程本身不能被薛定谔方程描述;这是身外之物。这似乎不满意,因为测量是一个物理过程,应该是薛定谔方程的主题就像任何其他的物理过程。
困难这一事实有关量子力学应用于微观系统包含一个(或几个)电子,质子,或光子。然而,测量是用大型对象(例如,探测器、放大器和米)在宏观世界中,遵循经典物理学定律。因此,制定的另一种方式的问题发生在测量是问如何微观量子世界关系和与宏观的古典世界。更狭隘,它可以问如何以及什么时候测量过程中的波函数坍塌吗?到目前为止,没有满意的回答这些问题,虽然有几个学校的思想。
一种方法强调有意识的观察者的角色在测量过程中,表明波函数坍塌时,观察者读取测量仪。使意识到心测量问题似乎筹集更多的问题比答案,然而。
正如上面所讨论的,哥本哈根解释测量的过程本质上是务实的。它区分微观量子系统和宏观计量器具。最初的对象或event-e.g。,通过一个电子,光子,或者atom-triggers经典测量装置给阅读;在事件链,测量的结果成为固定(即。波函数坍塌)。这个不回答的基本问题但说,实际上,不要担心。这可能是大多数练习物理学家的观点。
第三种学派指出,测量过程不可逆性的一个基本特征。这与波函数的行为变化时根据薛定谔方程;原则上,任何此类变化的波函数可以逆转的适当的实验安排。然而,一旦一个经典测量仪器已阅读,这个过程是不可逆的。可能的关键测量过程的本质在于这里。的薛定谔方程仅适用于相对简单的系统。假设是一个巨大的外推公式同样适用于大型、复杂系统的经典测量装置。也许适当的方程对这样一个系统功能产生不可逆的影响(例如,波函数坍塌)不同类型的简单的系统。
一个也提到所谓的多世界解释提出的,休·埃弗雷特三世在1957年,这表明,当测量系统的波函数是一个混合物,宇宙分支的数量不相互影响的宇宙。测量的每个可能的结果发生,但在一个不同的宇宙。因此,如果年代x=1/2施特恩-格拉赫测量的结果在一个银色的吗原子(见上图不兼容的可见),还有一个宇宙与我们的各方面(包括克隆的人),除了测量的结果年代x=−1/2。虽然这稀奇的模型解决了一些测量问题,它有一些追随者物理学家之一。
因为看的各种方法测量过程导致相同的实验结果,试图区分他们科学的理由可能是没有意义的。一个或另一个可能是首选的合理性,典雅、或经济假设,但是这些是个人品味的问题。一天,一个令人满意的测量的量子理论是否会出现,区别于其他的可核查的预测,仍然是一个悬而未决的问题。