Эффект наблюдателя

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
(перенаправлено с «Наблюдатель (физика)»)
Перейти к навигации Перейти к поиску
Наблюдение света требует поглощения квантов (поэтому зрачок — чёрный)

В физике эффектом наблюдателя называют теорию, что простое наблюдение явления неизбежно изменяет его. Часто это следствие несовершенства применяемых инструментов, которые по своему принципу работы изменяют состояние измеряемой величины. Примером служит проверка давления в автомобильных шинах; это трудно сделать, не выпуская немного воздуха при соединении с манометром; кроме того, прибор сам имеет какой-то объём. Невозможно увидеть какой-то объект без облучения его светом или другими частицами (электронами в электронном микроскопе), которые влияют на состояние объекта, а поглощение квантов для измерения освещённости уменьшает её. Даже если эффект наблюдателя невелик, объект всё равно изменяет состояние. Этот эффект наблюдается во многих областях физики, но обычно может быть уменьшен подбором эффективных инструментов и/или использованием лучших методов наблюдения.

Наиболее необычным для нас является проявление эффекта наблюдателя в квантовой механике, что наблюдается, например, в эксперименте с двумя щелями. Даже пассивное наблюдение за квантовыми эффектами (с целью как будто «исключения» всех возможностей, кроме одной), может фактически изменить результат измерения. Причина кроется в дуальной природе элементарных частиц: вероятность обнаружения частицы в какой-то точке подчиняется квантовой волновой функции ψ, которая испытывает интерференцию при открытии второй щели для электронов.

Понятие наблюдателя[править | править код]

Термин наблюдатель имеет в физических науках ряд неэквивалентных значений. Под наблюдателем могут подразумевать как реального или воображаемого человека, так и измерительный прибор. Поэтому эффект наблюдателя подразумевает не ошибку человека, а неточность и невозможность измерения физической величины[1]. Понятие наблюдатель используется в прагматических высказываниях, то есть в тех теоретических высказываниях, которые ссылаются на познающего субъекта,[нет в источнике] и не используется в высказываниях о физических объектах[2].

Ряд специалистов, такие как Дж. Ст. Белл, К. Поппер, М. Бунге, критически относятся к попыткам формулировать физические законы с использованием термина наблюдатель, в особенности в квантовой физике, поскольку они могут вести к ошибкам[3][страница не указана 317 дней][4][страница не указана 317 дней][5][нет в источнике]

Электроника[править | править код]

В электронике измерительные приборы (например: амперметр, вольтметр), подсоединяются последовательно или параллельно изучаемой электрической цепи, и ввиду ненулевого сопротивления амперметра и конечного сопротивления вольтметра, их включение изменяет протекающий по цепи ток (либо замеренное напряжение). Приборы имеют также ненулевые ёмкость и индуктивность, что сказывается в цепях переменного тока.

Даже такой инструмент, как токоизмерительные клещи, влияет на ток в цепи, поскольку этот прибор является трансформатором тока и потребляет мощность.

Термодинамика[править | править код]

В термодинамике стандартный ртутный термометр должен поглощать или отдавать некоторую тепловую энергию для регистрации температуры и, следовательно, изменять температуру тела, которое он измеряет. Любой термометр имеет отличную от нуля массу и теплоёмкость датчика.

Физика частиц[править | править код]

Электрон или другую частицу можно наблюдать, освещая её фотонами, но взаимодействие с фотонами неизбежно изменит скорость частицы. Другие, менее прямые, средства измерения всё равно будут влиять на электрон, и чем точнее мы узнаем его положение, тем сильнее в результате изменится его скорость. Так, положение частицы можно определить лишь с точностью до длины волны используемых фотонов, поэтому чтобы получить более точный результат, нужны более коротковолновые (то есть более энергичные) кванты, которые сильнее меняют импульс облучаемых ими частиц. Невозможно поставить такой эксперимент, в котором удалось бы точно определить пару канонически сопряжённых величин, например, координаты и импульс частицы (этот постулат называется принципом неопределённости):

,

где  — среднеквадратическое отклонение координаты,  — среднеквадратическое отклонение импульса, и ħ — приведённая постоянная Планка.

Подобные соотношения имеют место и при измерении других взаимодополняющих величин[6]. Однако, должной постановкой эксперимента можно добиться необходимой точности измерения какого-то одного из параметров (например, координаты — путём регистрации удара частицы на фотопластинке), сместив соотношение в нужную сторону. Нильс Бор назвал невозможность измерения одновременно двух связанных параметров состояния частицы принципом дополнительности[7].

Квантовая механика[править | править код]

В квантовой механике, «наблюдение» является синонимом измерения, «наблюдатель» — синонимом измерительной аппаратуры, а наблюдаемое — с тем, что можно измерить.

Одним из основных понятий квантовой механики является сформулированная ещё в 1924 году в совместной работе Бора, Крамерса и Слэйтера, интерпретация волновой функции ψ как волны вероятности, а не реальной волны, как предполагал де Бройль. До измерения квантовая система находится в суперпозиции допустимых состояний. Считается, что после измерения, которое определяет часть параметров системы, волновая функция скачком меняется, принимая вид, соответствующий измеренным значениям параметров[6]. Примером может служить кот Шрёдингера.

Наблюдение невозможно без взаимодействия наблюдаемого объекта с окружающей средой — чтобы наблюдатель мог определить параметры объекта, он должен получить информацию от такого взаимодействия. Квантовый объект при этом неизбежно изменяет своё состояние. Для элементарных частиц это очевидно, поскольку наблюдать такие частицы мы можем только по их взаимодействию (либо с фотонами, либо с веществом, через которое пролетает частица)[8]. В экспериментах с крупными молекулами, наблюдать которые можно по их тепловому излучению, было определено, что «эффект наблюдателя» проявляется и в отсутствие непосредственного воздействия наблюдателя на квантовый объект, но при любом взаимодействии (обмене энергией) между квантовой системой и окружающим пространством. Экспериментаторы улавливали тепло (инфракрасные фотоны), излучённое нагретыми молекулами фуллерена C70, и чем выше была температура молекул, тем более классически вели себя нагретые молекулы. В этих экспериментах было продемонстрировано, что величина квантовых эффектов обратна интенсивности взаимодействия квантового объекта с окружающей его средой, наличие наблюдателя при этом не имеет значения[9][8].

Таким образом, эффект наблюдателя меняет состояние квантовой системы, отражённое в главном её описании — волновой функции. Более поздние исследования показали, что такое влияние наблюдателя распространяется не только на изучаемую частицу, но и на взаимодействовавшую с ней, приведя к понятию «запутанных состояний». Волновая функция связанной частицы также испытывает скачок своего состояния после наблюдения, что используется в квантовой криптографии. Поскольку прослушивание канала передачи данных является наблюдением, этот эффект можно отследить.[источник не указан 318 дней]

Теория относительности[править | править код]

Понятие «наблюдатель» в специальной теории относительности относится чаще всего к инерциальной системе отсчета. В таких случаях инерциальная система отсчёта может быть названа «инерциальным наблюдателем», чтобы избежать двусмысленности. Такое использование понятия «наблюдатель» значительно отличается от его обыденного значения. Системы отсчета являются по своей сути нелокальными конструкциями, охватывающими всё пространство-время или какую-то его нетривиальную часть; таким образом, не имеет смысла говорить о наблюдателе (в специальном релятивистском смысле) как о чём-то, имеющем определённое место. Кроме того, инерциальный наблюдатель не может ускориться в более поздний момент времени, так же, как ускоряющийся наблюдатель не может остановить ускорение.

В общей теории относительности термин «наблюдатель» относится чаще всего к человеку или машине, которые производят пассивные локальные измерения, — это использование слова гораздо ближе к его обыденному значению.

См. также[править | править код]

Примечания[править | править код]

  1. Bunge M. Philosophy of Physics. — D. Reidel Publishing Company, 1973. — P. 30.
  2. Bunge M. Philosophy of Physics. — D. Reidel Publishing Company, 1973. — P. 49.
  3. J.S. Bell, Speakable and Unspeakable in Quantum Mechanics, Cambridge University Press, 2004.
  4. K. R. Popper, Quantum Theory and the Schism in Physics, Routledge, 1989.
  5. Bunge M. Philosophy of Physics. — D. Reidel Publishing Company, 1973. — P. 33-37.
  6. 1 2 Гейзенберг, 1989, Физика и философия, с. 7, 15−16.
  7. Гейзенберг, 1989, Физика и философия, с. 21—22.
  8. 1 2 Половников К. Роль наблюдателя в квантовой механике на YouTube // Кирилл Половников. — Курилка Гутенберга. — 2018. — 6 мая.
  9. Hackermüller, L. Decoherence of matter waves by thermal emission of radiation : [англ.] / L. Hackermüller, K. Hornberger, B Brezger // Nature : журн. — 2004. — Vol. 427. — P. 711–714. — arXiv:quant-ph/0402146. — doi:10.1038/nature02276.

Литература[править | править код]

  • Гейзенберг В. Физика и философия. Часть и целое / Вернер Гейзенберг. — М. : Наука, 1989. — 400 с. — ББК 22.3. — УДК 53(091)(G). — ISBN 5-02-012452-9.
  • Молчанов Ю. Б. Проблема субъекта (наблюдателя) в современной физике. // Вопросы философии. 1981. № 7. С. 52—63.
  • Ненашев М. И. Антропный принцип и проблема наблюдателя. // Вопросы философии. 2012. № 4. С. 64—74.