Участник:
Менский Михаил Борисович Ц доктор физико-математический на
ук, профессор, ведущий научный сотрудник Физического института РАН.


Обзор темы:

1. Парадоксальность квантового измерения.
В квантовой механике измерение обладает контр-интуитивными, парадокса
льными чертами. В частности, свойства квантовой системы, обнаруженные пр
и измерении (например, локализация частицы, то есть свойство быть в опред
еленном месте) могут не существовать до измерения. Такого рода парадокса
льные черты квантовой механики доказаны экспериментально и даже испол
ьзуются для создания технических устройств, обладающих неожиданными н
овыми возможностями. Так, быстро развивающаяся прикладная наука, кванто
вая криптография, предлагает способы передавать секретный код с гарант
ией от его перехвата. Точнее, любая попытка перехвата пересылаемого кода
, пересылаемого по «квантовому» каналу, неизбежно оставит след, который
будет обнаружен принимающим и даст знать, что этим кодом пользоваться не
льзя Ц он рассекречен. Гарантию обнаружения дают законы квантовой меха
ники: невозможно подслушать передаваемое, не оставив следа, так как нево
зможно получить информацию о квантовой системе, не изменив ее состояния
. В свою очередь это положение следует из знаменитого принципа неопредел
енности.

2. Редукция состояния (селекция альтернативы) при измерении.
«Появление» при измерении квантовой системы таких ее свойств, которые н
е существовали до измерения, описывается как явление редукции состояни
я системы (его называют также коллапсом волновой функции). С формальной т
очки зрения редукция состоит в следующем. Начальное состояние системы (н
ачальный «вектор состояния») является суммой (суперпозицией) некоторог
о числа векторов, которые соответствуют всем возможным результатам изм
ерения. Состояние, которое возникает после измерения (редуцированное) Ц
это один из таких векторов-слагаемых, а именно тот, который соответствуе
т результату, полученному в данном измерении. Все остальные слагаемые ис
чезают, и именно в этом состоит редукция. Редукция состояния перестраива
ет это состояние таким образом, чтобы оно полностью соответствовало рез
ультату измерения. Заметим, что до измерения состояние не соответствует
ни одному из возможных альтернативных результатов измерения. Именно эт
о имеется в виду, когда говорят, что свойство, обнаруженное при измерении,
может не существовать до измерения. В классической физике такого, разуме
ется, не может быть. Редукцию можно описать также как селекцию альтернат
ивы Ц фиксацию одного из всех возможных альтернативных результатов из
мерения. Например, если до измерения волновая функция частицы отлична от
нуля в широкой области, то после измерения положения частицы ее волнова
я функция отлична от нуля лишь в узкой области, соответствующей полученн
ому результату измерения. Это значит, что произошла редукция состояния ч
астицы, в данном случае нелокализованная частица стала локализованной.


3. Редукция Ц корректный метод расчета.
Предположение о редукции, происходящей в момент измерения, было введено
в квантовую механику ее основателями, прежде всего Нильсом Бором и Иоган
ном фон Нейманом, чтобы описать то, что происходит при взаимодействии кв
антовой системы с измерительным прибором, с помощью которого наблюдате
ль получает информацию об этой системы. Редукция квантовой системы при и
змерении позволяет правильно рассчитывать результаты измерений, и в эт
ом смысле корректность этого понятия не подлежит сомнению. С практическ
ой точки зрения никакой проблемы нет: понятие редукции позволяет правил
ьно выполнить любой расчет, все предсказания, полученные на основании та
ких расчетов, подтверждаются. С точки зрения стандартных требований, пре
дъявляемых к физической теории, квантовая механика, дополненная постул
атом о редукции состояния при измерении, полна и не требует никакой суще
ственной переработки. В то же время с момента возникновения квантовой ме
ханики активно обсуждались возникающие в ней концептуальные проблемы,
большая часть которых связана с процедурой измерения и понятием редукц
ии. Эти обсуждения не только не закончились в наше время, но даже активизи
ровались в последние два десятилетия.

4. В квантовой механике редукция Ц чужеродное
понятие.
В частности, всегда были физики, которые чувствовали, что редукция являе
тся «чужеродным» элементом, что это понятие искусственно привнесено в к
вантовую физику, чтобы совместить ее с классическими законами, которым,
казалось бы, должны подчиняться макроскопический прибор и тем более наб
людатель. Почему понятие редукции кажется искусственным? Дело в том, что
измерительный прибор, используемый при измерении, а также глаз, нервы и м
озг наблюдателя, фиксирующие результат измерения, состоят из квантовых
атомов и значит сами являются квантовыми системами. Следовательно, они п
одчиняются законам квантовой механики, тогда как классическое описани
е их поведения является приближенным. Согласно законам квантовой механ
ики (уравнению Шредингера) никакие взаимодействия системы, в том числе с
прибором и наблюдателем, не могут привести к редукции (то есть к устранен
ию всех слагаемых суперпозиции, кроме одной, см. описание редукции, данно
е выше). Таким образом, если рассуждать строго логически, редукция невозм
ожна. Вместо этого состояние всего комплекса, состоящего из измеряемой с
истемы, прибора и наблюдателя, должно описываться как суперпозиция (сумм
а) состояний, соответствующих различным альтернативным результатам из
мерения.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75