专题文章

古典世界的量子根源

由于对重大理论问题的解决和纳米物理实验的解决,我们对量子世界的理解已经大大指明,其中一个人操纵非常少量的颗粒。

罗兰奥姆斯 用于科学N°290
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量子力学诞生于一个世纪,并证明了令人难以置信的精确和富裕的后果。它现在被视为物质物理规律的最全面形式。为什么我们仍然想知道如何解释它?量子力学表现为一个奇异的知识分支,其形式和世界愿景的形式是一个奇异的知识分支。这是一个正式的科学,其概念和法律只能以抽象的数学语言表达自己。此外,她击中了我们的直觉,并且常识本身就是从她的联系人中发挥作用,因为它们无法再从绝对案例或效果中唤起,并且机会管理他的法律。因此,人们不能知道原子中的电子的位置,甚至想想这样的颗粒具有轨迹,因为源自量子法的不确定关系。

这种撕裂,反对常识法的抽象法以及任何直观的心理代表,在20世纪60年代被Richard Feynman总结了:他声称没有人理解量子力学......而且没有任何声音诞生违背他。然而,从那时起,我们对这个问题的方法已经发展而来,我们开始了解量子世界,即使它仍然忽略了多少,并且争议仍然生动。我们将考虑新结果的组成。

理论及其解释

量子力学的概念困难使我们经常倾向于谈论解释,而不是理解。 “解释”的想法唤起了Niels Bohr和Werner Heisenberg的基本工作,他的愿景是“哥本哈根学校”,长期没有竞争对手。然而,如果我们希望衡量最近进展的贡献,哥本哈根学校不是最好的角度。实际上,它位于另一种先锋,约翰·冯诺伊曼,特别是在他的书中, 量子力学的数学基础是在1930年发布的,我们看到了当前研究指南。

von neumann与Mathematician David Hilbert一起工作,可能分享了他对理论物理的愿景:对他来说,一个理论不得不基于明确的公理(无论是物理原则还是逻辑规则),以便我们可以推断出后果经验必须检查或拒绝。这是解释的“示范理论”的理想化框架,这使得最近对量子理论解释的所有救济。

Von Neumann将量子物理学和他的法律的数学基础以越过他后续变化的形式。保罗迪克在他身边做了这么多,虽然他必须等到20世纪50年代看到两种配方的身份。因此,量子物理有一个明确的,但从直觉和常识的角度来看,常规和相同的密封框架,因此一个人不可避免地出现了其解释的问题。如果哥本哈根学校的支持者的方法在于将理论的数学语言转化为“直观的”哲学演讲,冯·诺曼,忠于希尔伯特的精神,在相反的方向上进行。,这这就是说实验思想翻译成数学原则语言。

即使在今天,这种方式扣除了正式原则的直观思想方式是新的。为了说明这一点,想象沿直线移动的粒子,例如电线中的电子。根据该提出的提议是电线长度的第二和第三千分尺之间的提出,因为它可以表达测量电子的位置的结果。这是一种比理论的数学原理更具体的语言的短语,我们将与冯诺伊曼说这个提议是一种谓词。那么问题是,如何将此谓词连接到数学原则?

在量子力学中,所有信息都可以了解粒子的波函数中包含 (见图2) 众议空间和时间在谁的幅度变化。对于其线中的电子流动,两个和三微米之间的波浪功能值决定了这两点之间存在的概率。

要选择重要的波浪功能的部分,von neumann考虑了我们将调用的数学操作 P,它对波浪功能作用:它保留它与自己相同 x 在两个和三个微米之间,在本间隔之外将其减少到零 (见图2)。操作 P 具有显着的财产。当重复时,我们会在单个应用程序之后获得相同的结果(因为一个函数已经截断了所有的rest一次)。我们通过写作来汇总这一财产 P2 = P,表征名为“投影仪”的数学运算符的等式。让我们记住,该投影仪对应于物理测量:因此,可以想象一个无法测量电子本身位置的设备,而是会检测到IF,是或否,它是在考虑的部分中。;这是与之相关的财产 P qui est mesurée.

与此属性一样,经典机械师认为仅仅是数字(能量,位置等)的所有物理量在量子力学由操作员表示。如果像 P该操作员是投影仪,可以通过测量相应的物理量来拍摄的值必须等于其自己的方形,使它们只能是1或0。

然后,逻辑可以发挥作用。拥有一个合理的提议是能够只采用两个逻辑值,“真实”或“假”,通常在计算机科学中象征着两个数字1和0。因此,Von Neumann已经设法通过属于理论的数学语言,投影机来翻译常见意义的谓词。 P。显而易见的解释毒菌。

从那时起,可以通过这种类型的谓词和投影仪来表达量子系统的所有属性和任何发生的事件。这些谓词显然投入了其他物理量而不是位置,但它们总是转化为聚光灯,这两个可能的结果是1和0,“真”和“假”。这增加了从一系列问题中描述的物理情况,这些问题可以由是或否回答的。凭借其谓词投影仪,量子形式主义产生了非常接近普通语言的语言。仍然存在两个问题:是谓词普遍的这种语言(也就是说能够在经典水平上描述世界,以及为粒子的世界而言)?是明智的(也就是说,按照逻辑)吗?在审查这两个问题时,冯·诺伊曼会遇到三个障碍。

这三个大问题

第一次关注投影机语言的普遍性。与量子谓词不同,传统属性使用多种物理量。因此,轨迹的数据接着是行星或射弹,是要同时了解所研究对象的位置和速度(即使我们承认这些数量的错误边缘)。然而,在量子力学,位置和速度不能同时通过精度同时知道,这在理论的语言中,通过相应的操作员, XV,不要切换。产品 XV. 它表达了速度的测量,然后该位置不会给出与产品相同的结果 VX. ,表达相同幅度的测量,但以相反的顺序。这阻止了von neumann表达了经典的建议,但对我们的世界观至关重要。他的语言似乎没有普遍。

这门语言 - 至少 - 逻辑吗?它似乎很可能,因为普通逻辑只需要通过将逻辑门“否”,“或”“和”如果......然后......“连接来表达一套谓词,同时尊重二十条规则。其中许多人回到亚里士多德。遗憾的是,当提案领域延伸到所有可能的谓词时,这些规则是不适用的,因为我们稍后会看到。在这个场合,我们谈到了非亚里士多德逻辑的这种概念,这是一个概念,只会推翻理解量子世界的希望。

第三个障碍是由于“衡量问题”。当Von Neumann想要描述测量量的行为时,会发生这种恩典的打击。众所周知,系统的波函​​数可以很好地是两个波函数的覆盖,每个波函数对应于测量量的给定值 (见图3)。在纳米镜的尺度上,没有任何尴尬的情况:例如,它是化学键的解释,其中负责共价键的电子在其连接的两个原子附近“重新定位”(其波函数是a对应于每个原子附近的函数的叠加)。然而,该理论似乎表明,这些国家应该存在于古典规模中......我们从未发现过什么。因此,当测量覆盖状态时,指示结果的装置本身应该处于叠加状态,量子奇怪被转换并放大到传统尺度。 Schrödinger通过想象一种思想经验,展示了问题的难度,其中测量结果之一被猫的死亡表明。所有荒谬的荒谬出现在猫既活着和死亡的最终状态。

面对这三个失败,没有明显的目的,遗弃了对量子物理学严格和建设性解释的想法。没有竞争对手,哥本哈根学校的直观解释将保持长期。直到最后几十年直到最后 XX.本世纪所以我们终于为这三个主要问题带来了解决方案。我们将按照他们解决的顺序考虑它们:首先是测量问题,那么聚光灯语言的普遍性,最终是它的逻辑一致性。

救援猫

最重要的问题是Schrödinger的猫。他的答案采用了一个“破灭效应”,其原则于1970年由海德堡大学的汉斯节食Zeh发布,仍在进行,仍在进行中,汇集了许多物理学家,包括Wojciech Zurek。Los Alamos实验室。 1996年,通过Serge Harche,Jean-Michel Raimond和Michel Brown,从正常学校的效果,致力于允许的装置,效果突出了效果,允许通过其中一个原子和少量光子操纵一个。在腔内 (voir la figure 6).

基本问题是确定一个人是否可以真正看到宏观物体的量子叠加状态,无论是测量装置还是猫。经验上,直到最近,答案是消极的。理论上,Von Neumann,Schrödinger和几乎所有的继承者都认为量子形式主义赞成了积极的反应。然而,它们的反思通过过于简化的方式依赖于模型。因此,Von Neumann通过对我们的感测的唯一部分建模了一种测量装置,例如电响铃器上针的位置;简而言之,通过单个变量。 Schrödinger猫同样只有一种存在程度;被判处他死于死亡或生活,想到了他的一切。然而,一种装置由许多原子制成,它们本身包含多个电子,使得变量的数量取决于数十亿的数十亿数十亿的总波函数。在保持一个,我们远离这一帐户。然而,我们将看到它,观察叠加状态的概率随变量的数量而迅速降低。

为了说明变形的原理,我们将想象测量原子的旋转,在传统力学中的动力学时刻将对应于原子中的旋转运动。该措施的结果可以采用两个值+ 1/2和-1 / 2中的一个,并且由一个设备指示,该设备在用两个孔刺穿的屏幕上投射小球:如果结果是+ 1 /如图2所示,球被送到顶部孔,否则将其送到底部孔 (见图5)。 当原子波函数是两种可能的波函数的总和时会发生什么?在量子力学中示出了,应考虑由测量装置和测量的原子构成的系统的总波形功能。然后,这种全局波函数处于叠加状态。应该通过重复大量次的经验并将其放置在收集滚珠发射的屏幕后面的经验来看待这种叠加状态。将观察干扰图,通过承认每个球在两个孔中通过两个孔来交替的冲击区域。

当“球”是电子或光子时,您可以再现年轻的槽的体验,其中确实干扰,并且必须得出结论,颗粒被两个孔中的每一个通过。然而,如果球是宏观的,则可以忽视与环境气体颗粒经历的无数相互作用。应该被认为的全局波浪功能不仅描述了测量的原子和测量装置,而且是每个气体原子,使得它取决于相当数量的变量.OR,由于波的覆盖而导致的干扰如果这些功能完全同步,则只能表现出函数,具有良好定义的相对相位(例如,在相位或相反)中。

与总波浪一样,特别是其不同组分的阶段,每当分子撞击球时被修改,随着相互作用的数量增加,这种相干性变得非常不可能。当阶段失去任何关系时 - 任何一致性 - 我们返回到古典案例的类似条件。不再观察到干扰图,这相当于说球通过孔或另一个,而不是一次。

因此,我们理解为什么我们从未见过宏观水平的量子干扰效应。这是由于这些干扰因转移而消失,并且这种效果太快,因此可以在行动中看到它(它几乎立即起作用)。这种现象只能看到由少量颗粒组成的系统,例如在Serge Harche和同事的经验中。

装饰条件,实际上,我们对世界的直观愿景。感谢它的宏观世界似乎包括非常不同的事件,可辨别的事实,而不是像死亡和生活猫的奇怪组合,也不是在一段时间和那里存在的物体。

Von Neumann遇到了第二个问题,投影仪语言的普遍性。为了解决它,有必要找到将投影仪方法扩展到传统属性的方法,例如射弹的轨迹,其中位置和速度同时出现。如果希望通过归因于这些数量的无限精确值,这一希望是徒劳的,因为它与海森伯格的不确定不确定。也承认错误的位置和速度的速度超过足够大的值,以满足这些不确定的关系,但相当小,以便他们对大规模无关紧要。那么问题:当经典属性符合这些要求时,它可以与单个投影机相关联吗?

普通语言

von neumann过早地处理了“微血流分析”,这是一个庞大的想法和结果,这些想法和结果只在20世纪70年代建立。它足以应用于它们,正如我在1989年所示的那样。,来自于1989年的,来自隆德大学,虽然与单个投影仪独特地关联的邻近投影仪的集合,但虽然与单个投影机唯一,但所有等价物都表达了有关的财产。在这种情况下,它们的多重性反映了不确定的关系。

来自莫斯科大学的Yuri Egorov建立的另一家定理与量子概率主义调整了经典的决定症。例如,想象一下,石头是塔顶(或几乎)的速度(大约)零。该经典属性通过投影机集合转换为量子语言。塔底的地面上的石头冲击点的同时数据点及其到达速度(总是具有对这些数量的值的略有公差)构成另一个常规性质。她也与投影机系列相关联。确定主义假设第一个经典属性导致第二个经典属性。根据Egorov的定理,Schrödinger方程将第一投影仪收集发展到第二个集合。因此,两个观点,经典和量子,同意。

这增加了归因于古典决定论是量子法(本身本质上概率)的结果,如果我们未指定确定性导致不可避免地具有来自量子波动的最小误差,这似乎似乎是悖论。此外,物理学家通过展示纯量子大规模行为来发明了构成Egorov的确定性和定理的例外。因此,已经进行了实验,特别是由萨利原子能专员的Michel Demelet和DanielEstève,其中“量子干涉的超导装置”,发夹的大小和形状。,经过现象作为隧道效应。这证实了我们规模的物质行为的量子根。

一个逻辑的解释

有必要解决的最后一个问题是在自然界中的逻辑:我们可以指定或限制von neumann的语言来满足标准逻辑的规则吗? 1984年,罗伯特格里菲斯(Carnegie Mellon University)罗伯格格里菲斯大学提出了答案的关键。想象一下量子粒子经验的故事:描述的实验装置以及其操作。提到了一些重要事件,例如:原子进入腔;他散发了一个光子;光子进入探测器等。首先通过将所有这些描述与投影仪谓词(包括描述宏观仪器的传统属性的投影仪集合)进行翻译。这些投影仪的其余部分按照相应事件的时间顺序存储。由于量子事件的不确定(原子可能还没有进入腔,或者不会发出光子,因此,这种“故事”永远不会孤立,因为它可以进入另一个探测器等。)。通过计算所有可能性,我们得到一个“故事家庭”。

R. Griffiths注意到,在某些家庭中,我们可以为每个故事定义概率,尊重所有计算概率规则。对于其他故事,它就不可能。 “理性条件”是代数方程,其中所有事件的投影仪进入明确区分这两种情况。一些故事检查这些方程式,其他故事,但后者仍然对应于我们知道量子力学不包括它们的物理情况。例如,在一方面,在一方面存在的体验,另一方面,它将能够说粒子通过孔来传递孔,而不是另一方面。因此,似乎看起来具有意义和不可受理的故事之间的差异。

1988年,我展示了这一区分是意义和废话。这些故事可以在传统的逻辑运营的帮助下被告知,但亚里士多德逻辑的规则仅在合理性条件下才满足。距离圣巴巴拉大学圣达菲和詹姆斯哈特研究所穆雷·戈尔 - 曼(Murray Gell-Mann)表明,在大多数实际情况下,理性条件的有效性在于装饰的影响。因此,最终可以得出结论,通过引入故事,指定和框架的冯·诺伊曼的语言是普遍和明智的。再次,破坏在这个成功的中心。注意,在过去十年中,在过去十年中开发的实验方法使得在激光存在下连续观察单个原子的荧光,并且构成了一个非常纯粹的故事示例。在行动中。

已经越过von Neumann的三个障碍,可以考虑量子理论作为理论中的理论的解释,即基于明确的物理和逻辑原则的演绎施工。该工作简单,1992年给出了第一个结果。

在实际结论方面,Von Neumann开通的演绎道路几乎完全完全连接哥本哈根。注意,在这种收敛中,可以看到相反的情况,可以在这种收敛中看到,这是量子力学是深度相干建筑的事实的新示例。更具体地说,显示“衡量理论”的规则,我们经常总结哥本哈根学校的解释,实际上是可以直接从薛定纸理论的数学结构中扣除的定理等式和故事逻辑。特别是,我们可以证明规则来减少波浪功能 (见图4)很长一段时间被认为是矛盾的,其理由几乎完全是由于测量装置中的装饰效果的作用。

对时间的时间的有趣后果也来自这些分析。众所周知,力学(量子或经典)的基本原理对时间的方式无动于衷。然而,经验上,过去并不与未来混淆。这种差异自然出现在故事​​的逻辑中。

实际上,这些故事具有特定方向(请记住,事件按照其表现的顺序排序,注意到故事的概率以及格里菲斯的条件取决于此顺序)。在数学上,满足某个顺序满足逻辑的事件,通常在事件电影“过去颠倒”时违反规则。当合理性条件由装饰效果导致时,违反这种违规行为。因此,逻辑时间的含义与变色的含义相同,这最终是不可逆转的过程:“摩擦”和多个相互作用不仅有助于创建熵,而且它们在此之前施加,通过去扑延长的“时间箭头”的特权方向。

“哲学”后果

可以添加一些关于这种解释量子物理方法的后果的词语。这也将允许我们看到限制。通常重复,量子力学通过否定因果关系,局部性和可分离性(如在义务考虑测量装置的单个全局波函数,L测量实体及其环境的情况下,而不能够单独考虑它们)。根据哲学家凯瑟琳Chevalley的表达,我们现在了解这些问题的方式构成了“逆转场所”。所有这些证据(即因果关系,地方性等)至少从量子原理中可以证明,至少在宏观规模处。同样的话,什么是显着的,可以称之为常识逻辑:它是量子逻辑极限。另一方面,量子法对我们认为自然的人类规模的这些后果,实际上没有普遍;它们的有效性区域仅限于宏观世界,即使在那里,它们也仍然受到错误(或相当错误的概率)。在普通情况下,这些都可以忽略不计,因此我们看到它们越来越靠近原子和粒子,直到误差的概率接近本机并且它的故障拒绝这些传统原则。

我们现在可以说我们了解量子力学吗?我们可以认为是的,但它意味着通过工作和实验的武力来解决受科学获得的法律的哲学的传统原则。然而,这些原则始终构建了我们物种的经验和我们大脑的运作。此外,它是依靠量子原则已经实现的常识。毫无疑问,必须说,这是一个引导性的能力形式是一致性的。从历史的角度来看,科学(在这种情况下物理学)对一般和抽象原则的常识和经验。从逻辑的角度来看,该理论确定了这种常识是量子物理学的结果,并且它只在其行使的特定领域是真实的。

一切都清楚了吗?不,因为在附件问题之后,量子物理学(毫无疑问,任何理论)的巨大问题比以往任何时候都更清楚。从本质上讲,量子理论是概率的,它只能考虑并只描述可能。相反,经验现实是唯一明显的。如何理解,在量子思想的背景下,经验导致一个独特的事实,如果没有我们了解如何在可能的情况下选择它?这是更新或反对的问题,即停用不允许消除。

它是物理学的内部问题,有一天会回答新的想法和经验吗?也许。假设是普遍的。相反,这是物理学本质的更深层次的问题,承担了其“笛卡尔”公司的质疑,以减少数学图像的现实?现在,一个新的可能无法解雇,现在理论和现实是在各方面,除了一个:真实面对的内在唯一性与可能的多样性,与理论不可分割。

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