Khi độ chính xác của phép đo đạt đến giới hạn độ không đảm bảo do cơ học lượng tử đặt ra, kết quả sẽ phụ thuộc vào động lực học của sự tương tác giữa thiết bị đo và hệ thống. Phát hiện này có thể giải thích tại sao các thí nghiệm lượng tử thường tạo ra những kết quả trái ngược nhau và có thể mâu thuẫn với những giả định cơ bản về thực tại vật lý.

Phân tích nghiên cứu và kết quả

Hai nhà vật lý lượng tử từ Đại học Hiroshima gần đây đã phân tích động lực học của tương tác máy đo, trong đó giá trị của một tính chất vật lý được xác định bởi sự thay đổi lượng tử ở trạng thái của máy đo. Đây là một vấn đề khó khăn, bởi vì lý thuyết lượng tử không xác định giá trị của một tính chất vật lý trừ khi hệ thống ở trạng thái gọi là “trạng thái riêng” của tính chất vật lý đó, là một tập hợp rất nhỏ các trạng thái lượng tử đặc biệt mà tính chất vật lý đó có. có tài sản. Giá trị cố định.

Các nhà nghiên cứu đã giải quyết vấn đề cơ bản này bằng cách kết hợp thông tin về quá khứ của hệ thống với thông tin về tương lai của nó trong việc mô tả động lực học của hệ thống trong quá trình tương tác đo lường, cho thấy các giá trị có thể quan sát được của hệ thống vật lý phụ thuộc vào động lực đo lường. Sự tương tác mà điều này được quan sát.

Theo lý thuyết lượng tử, kết quả đo được định hình bởi những thay đổi trong mối quan hệ giữa quá khứ và tương lai của hệ thống do sự tương tác đo lường gây ra. Nguồn hình ảnh: Tomonori Matsushita và Holger F. Hoffmann, Đại học Hiroshima

Nhóm nghiên cứu gần đây đã công bố kết quả nghiên cứu của họ trên tạp chí Nghiên cứu đánh giá vật lý.

Holger Hoffmann, giáo sư tại Trường Cao học Khoa học và Kỹ thuật Tiên tiến tại Đại học Hiroshima ở Hiroshima, Nhật Bản, cho biết: “Có rất nhiều bất đồng về cách giải thích cơ học lượng tử, bởi vì các kết quả thí nghiệm khác nhau không thể phù hợp với cùng một thực tế vật lý”. .

Hofmann cho biết: “Trong bài báo này, chúng tôi nghiên cứu cách sự chồng chất lượng tử trong động lực học của một tương tác đo lường định hình thực tế quan sát được của một hệ thống được thấy trong phản ứng của máy đo. Đây là một bước tiến lớn trong việc giải thích ý nghĩa của ‘sự chồng chất’ trong cơ học lượng tử”. .

Sự chồng chất và thực tế vật lý

Trong cơ học lượng tử, sự chồng chất mô tả một tình huống trong đó hai thực tế có thể cùng tồn tại, mặc dù chúng có thể được phân biệt rõ ràng khi thực hiện phép đo thích hợp. Phân tích nghiên cứu của nhóm cho thấy rằng sự chồng chất mô tả các loại thực tế khác nhau khi thực hiện các phép đo khác nhau. Tính thực tế của một vật thể phụ thuộc vào sự tương tác của vật thể đó với môi trường xung quanh nó.

“Kết quả của chúng tôi cho thấy rằng thực tế vật lý của một vật thể không thể tách rời khỏi bối cảnh của tất cả các tương tác của nó với môi trường, quá khứ, hiện tại và tương lai, cung cấp bằng chứng mạnh mẽ chống lại niềm tin phổ biến rằng thế giới của chúng ta có thể bị thu gọn thành một thành phần đơn thuần của các vật thể.” .” “Các khối xây dựng vật lý,” Hoffman nói.

Theo lý thuyết lượng tử, sự dịch chuyển của thước đo biểu thị giá trị của đặc tính vật lý quan sát được trong phép đo phụ thuộc vào động lực học của hệ thống do các dao động tác dụng ngược mà thước đo làm xáo trộn trạng thái của hệ thống. Sự chồng chất lượng tử giữa các động lực học khác nhau của hệ thống có thể định hình phản ứng của thiết bị đo và gán các giá trị cụ thể cho nó.

Các tác giả giải thích thêm rằng sự dao động trong động lực học của hệ thống phụ thuộc vào cường độ tương tác của máy đo. Trong giới hạn tương tác yếu, sự dao động của động lực học của hệ thống là không đáng kể và sự dịch chuyển ngược chiều có thể được xác định từ phương trình Hamilton-Jacobi, một phương trình vi phân cổ điển biểu thị mối quan hệ giữa một tính chất vật lý và động lực học liên quan của nó.

Khi tương tác đo lường mạnh hơn, các hiệu ứng giao thoa lượng tử phức tạp giữa các động lực hệ thống khác nhau sẽ được quan sát thấy. Các phép đo được giải quyết hoàn toàn yêu cầu phân phối động lực học của hệ thống hoàn toàn ngẫu nhiên. Điều này tương ứng với sự chồng chất của tất cả các động lực học có thể có của hệ thống, trong đó hiệu ứng giao thoa lượng tử chỉ xác định những thành phần của quá trình lượng tử tương ứng với các giá trị riêng của đặc tính vật lý.

Giá trị riêng là các giá trị được cơ học lượng tử trường phái gán cho kết quả đo – chính xác Photon Các con số, quay lên hoặc quay xuống, v.v. Như kết quả mới cho thấy, những giá trị này là kết quả của sự phân bố động lực học hoàn toàn ngẫu nhiên. Các giá trị khác nhau phải được tính đến khi động lực của hệ thống không hoàn toàn ngẫu nhiên theo cách tương tự.

Ý nghĩa của việc hiểu các phép đo lượng tử

Điều thú vị là quan sát này mang đến một góc nhìn mới về việc sử dụng kết quả đo lường để mô tả thực tế. Người ta thường cho rằng các hạt cục bộ hoặc giá trị spin nguyên là những yếu tố không phụ thuộc vào phép đo của thực tế, nhưng những kết quả nghiên cứu này chỉ ra rằng những giá trị này chỉ được tạo ra bởi sự giao thoa lượng tử trong các phép đo đủ mạnh. Sự hiểu biết của chúng ta về ý nghĩa của dữ liệu thực nghiệm có thể cần được xem xét lại một cách cơ bản.

Hoffman và đội của ông mong muốn làm sáng tỏ thêm những kết quả trái ngược nhau quan sát được trong nhiều thí nghiệm lượng tử. “Các sự kiện phụ thuộc vào bối cảnh có thể giải thích một loạt các hiệu ứng lượng tử dường như mâu thuẫn nhau. Chúng tôi hiện đang nghiên cứu những cách giải thích tốt hơn cho những hiện tượng này. Cuối cùng, mục tiêu là phát triển sự hiểu biết trực quan hơn về các khái niệm cơ bản của cơ học lượng tử nhằm tránh những hiểu lầm gây ra bởi “Niềm tin ngây thơ vào thực tế của các vật thể cực nhỏ.”

Tham khảo: “Sự phụ thuộc của kết quả đo vào động lực học của các tương tác lượng tử mạch lạc giữa hệ thống và thang đo” của Tomonori Matsushita và Holger F. Hoffmann, ngày 31 tháng 7 năm 2023, Nghiên cứu đánh giá vật lý.
DOI: 10.1103/PhysRevResearch.5.033064

Nghiên cứu được tài trợ bởi Cơ quan Khoa học và Công nghệ Nhật Bản.