Telkens wanneer de nauwkeurigheid van een meting de onzekerheidslimiet nadert die is gedefinieerd door de kwantummechanica, zijn de uitkomsten van de meting afhankelijk van de dynamiek van de interacties met de meter die wordt gebruikt om een fysieke eigenschap van het systeem te bepalen. Deze bevinding zou kunnen verklaren waarom kwantumexperimenten vaak tegenstrijdige resultaten opleveren en basisaannames met betrekking tot de fysieke realiteit tegenspreken.
Twee kwantumfysici van de Universiteit van Hiroshima hebben onlangs de dynamiek van een meetinteractie geanalyseerd, waarbij de waarde van een fysieke eigenschap wordt geïdentificeerd met een kwantitatieve verandering in de metertoestand. Dit is een moeilijk probleem, omdat de kwantumtheorie de waarde van een fysieke eigenschap niet identificeert tenzij het systeem zich in een zogenaamde ‘eigenstaat’ van die fysieke eigenschap bevindt, een zeer kleine reeks speciale kwantumtoestanden waarvoor de fysieke eigenschap een bepaalde eigenschap heeft. vaste waarde.
De onderzoekers hebben dit fundamentele probleem opgelost door informatie over het verleden van het systeem te combineren met informatie over de toekomst ervan in een beschrijving van de dynamiek van het systeem tijdens de meetinteractie, waarmee wordt aangetoond dat de waarneembare waarden van een fysiek systeem afhangen van de dynamiek van de meting. interactie waarmee ze worden waargenomen.
Het team publiceerde de resultaten van hun onderzoek op 31 juli in Fysiek beoordelingsonderzoek.
“Er bestaat veel onenigheid over de interpretatie van de kwantummechanica, omdat verschillende experimentele resultaten niet in overeenstemming kunnen worden gebracht met dezelfde fysieke realiteit”, zegt Holger Hofmann, professor aan de Graduate School of Advanced Science and Engineering aan de Hiroshima Universiteit in Hiroshima, Japan.
“In dit artikel onderzoeken we hoe kwantumsuperposities in de dynamiek van de meetinteractie de waarneembare realiteit vormen van een systeem dat te zien is in de respons van een meter. Dit is een belangrijke stap in de richting van het verklaren van de betekenis van ‘superpositie’ in de kwantummechanica”, aldus Hofmann.
In de kwantummechanica beschrijft een superpositie een situatie waarin twee mogelijke realiteiten naast elkaar lijken te bestaan, ook al kunnen ze duidelijk van elkaar worden onderscheiden wanneer een passende meting wordt uitgevoerd. De analyse van het onderzoek van het team suggereert dat superposities verschillende soorten realiteit beschrijven wanneer verschillende metingen worden uitgevoerd. De realiteit van een object hangt af van de interacties van het object met zijn omgeving.
“Onze resultaten laten zien dat de fysieke realiteit van een object niet gescheiden kan worden van de context van al zijn interacties met de omgeving, verleden, heden en toekomst, en leveren krachtig bewijs tegen de wijdverbreide overtuiging dat onze wereld kan worden gereduceerd tot louter een configuratie van materiële elementen. bouwstenen”, aldus Hofmann.
Volgens de kwantumtheorie hangt de meterverschuiving die de waarde vertegenwoordigt van de fysieke eigenschap die bij een meting wordt waargenomen, af van de dynamiek van het systeem, veroorzaakt door de fluctuaties van de tegenwerking waarmee de meter de toestand van het systeem verstoort. Kwantumsuperposities tussen de verschillende mogelijke systeemdynamieken vormen de meterrespons en kennen er specifieke waarden aan toe.
De auteurs legden verder uit dat de fluctuaties in de systeemdynamiek afhankelijk zijn van de sterkte van de meetinteractie. In de limiet van zwakke interacties zijn de fluctuaties van de systeemdynamiek verwaarloosbaar klein en kan de meterverschuiving worden bepaald aan de hand van de Hamilton-Jacobi-vergelijking, een klassieke differentiaalvergelijking die de relatie uitdrukt tussen een fysieke eigenschap en de daarmee samenhangende dynamiek.
Wanneer de meetinteractie sterker is, worden gecompliceerde kwantuminterferentie-effecten tussen verschillende systeemdynamieken waargenomen. Volledig opgeloste metingen vereisen een volledige randomisatie van de systeemdynamiek. Dit komt overeen met een superpositie van alle mogelijke systeemdynamica, waarbij kwantuminterferentie-effecten alleen die componenten van het kwantumproces selecteren die overeenkomen met de eigenwaarden van de fysieke eigenschap.
Eigenwaarden zijn de waarden die de kwantummechanica uit het leerboek toekent aan meetresultaten: precieze fotonaantallen, spin-up of spin-down, enzovoort. Zoals de nieuwe resultaten laten zien, zijn deze waarden het resultaat van de volledige randomisatie van de dynamiek. Er moet rekening worden gehouden met verschillende waarden als de systeemdynamiek niet volledig gerandomiseerd is door de meting.
Interessant genoeg biedt deze observatie een nieuw perspectief op het gebruik van meetresultaten in beschrijvingen van de werkelijkheid. Het is gebruikelijk om aan te nemen dat gelokaliseerde deeltjes of geheeltallige spinwaarden meetonafhankelijke elementen van de werkelijkheid zijn, maar deze onderzoeksresultaten suggereren dat deze waarden alleen worden gecreëerd door kwantuminterferenties bij voldoende sterke metingen. Ons begrip van de betekenis van experimentele gegevens heeft mogelijk een fundamentele herziening nodig.
Hofmann en zijn team kijken ernaar uit om de tegenstrijdige resultaten die in veel kwantumexperimenten zijn waargenomen verder te verduidelijken. “Contextafhankelijke realiteiten kunnen een breed scala aan ogenschijnlijk paradoxale kwantumeffecten verklaren. We werken nu aan betere verklaringen voor deze verschijnselen. Uiteindelijk is het doel om een meer intuïtief begrip van de fundamentele concepten van de kwantummechanica te ontwikkelen, waardoor misverstanden worden vermeden die worden veroorzaakt door een naïef geloof in de realiteit van microscopische objecten”, aldus Hofmann.
Tomonori Matsushita van de Graduate School of Advanced Science and Engineering aan de Hiroshima Universiteit in Hiroshima, Japan heeft ook bijgedragen aan dit onderzoek.
Geleverd door de Universiteit van Hiroshima