Wetenschappers heroverwegen de aard van de werkelijkheid

Naarmate de nauwkeurigheid van een meting de onzekerheidslimiet nadert die door de kwantummechanica is vastgesteld, worden de resultaten afhankelijk van de dynamiek van de interactie tussen het meetapparaat en het systeem. Deze bevinding zou kunnen verklaren waarom kwantumexperimenten vaak tegenstrijdige resultaten opleveren en basisaannames over de fysieke realiteit tegenspreken.

Analyseer onderzoek en resultaten

Twee kwantumfysici van de Universiteit van Hiroshima hebben onlangs de dynamiek van een ijkinteractie geanalyseerd, waarbij de waarde van een fysieke eigenschap wordt bepaald door een kwantumverandering in de toestand van een ijkinstrument. Dit is een moeilijk probleem, omdat de kwantumtheorie de waarde van een fysieke eigenschap niet bepaalt, tenzij het systeem zich in wat de ‘eigentoestand’ van die fysieke eigenschap wordt genoemd, bevindt, wat een zeer kleine reeks speciale kwantumtoestanden is waarvoor de fysieke eigenschap het bezit heeft. Vaste waarde.

Onderzoekers hebben dit fundamentele probleem opgelost door informatie over het verleden van een systeem te combineren met informatie over de toekomst ervan bij het beschrijven van de dynamiek van het systeem tijdens een meetinteractie, wat aantoont dat de waarneembare waarden van een fysiek systeem afhankelijk zijn van de meetdynamiek. De interactie waarmee dit wordt waargenomen.

Volgens de kwantumtheorie worden meetresultaten gevormd door veranderingen in de relatie tussen het verleden en de toekomst van het systeem, veroorzaakt door de meetinteractie. Afbeelding tegoed: Tomonori Matsushita en Holger F. Hoffmann, Universiteit van Hiroshima

Het team publiceerde onlangs de resultaten van hun onderzoek in het tijdschrift Fysiek reviewonderzoek.

“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 Hoffmann, professor aan de Graduate School of Advanced Science and Engineering aan de Universiteit van Hiroshima in Hiroshima, Japan.

“In dit artikel bestuderen we hoe kwantumsuperposities in de dynamiek van een meetinteractie de waargenomen realiteit vormen van een systeem dat te zien is in de meterrespons. Dit is een grote stap in de richting van het verklaren van de betekenis van ‘superpositie’ in de kwantummechanica”, aldus Hofmann. .

Superpositie en fysieke realiteit

In de kwantummechanica beschrijft superpositie een situatie waarin twee mogelijke realiteiten naast elkaar lijken te bestaan, ook al kunnen ze duidelijk van elkaar worden onderscheiden wanneer de juiste meting wordt uitgevoerd. Analyse van de studie van het team suggereert dat superposities verschillende soorten realiteit beschrijven wanneer verschillende metingen worden gedaan. 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 los kan worden gezien van de context van al zijn interacties met de omgeving, verleden, heden en toekomst, wat sterk bewijs levert tegen de wijdverbreide overtuiging dat onze wereld kan worden gereduceerd tot louter een samenstelling van objecten. .” “Fysieke bouwstenen”, zei Hoffman.

Volgens de kwantumtheorie hangt de ijkverschuiving die de waarde vertegenwoordigt van de fysieke eigenschap die bij de meting wordt waargenomen, af van de dynamiek van het systeem als gevolg van de terugwerkende fluctuaties waarmee de ijkmaat de toestand van het systeem verstoort. Kwantumsuperposities tussen verschillende mogelijke systeemdynamieken bepalen de respons van het meetapparaat en kennen er specifieke waarden aan toe.

De auteurs legden verder uit dat fluctuaties in de dynamiek van het systeem afhankelijk zijn van de sterkte van de ijkinteractie. In de limiet van zwakke interacties zijn de fluctuaties in de dynamiek van het systeem verwaarloosbaar en kan de tegenverschuiving worden bepaald aan de hand van de Hamilton-Jacobi-vergelijking, een klassieke differentiaalvergelijking die de relatie uitdrukt tussen een fysieke eigenschap en de bijbehorende dynamiek.

Wanneer de meetinteractie sterker is, worden complexe kwantuminterferentie-effecten tussen verschillende systeemdynamieken waargenomen. Volledig opgeloste metingen vereisen een volledig willekeurige verdeling van de dynamiek van het systeem. Dit komt overeen met de superpositie van alle mogelijke systeemdynamica, waarbij kwantuminterferentie-effecten alleen die componenten van het kwantumproces bepalen die overeenkomen met de eigenwaarden van de fysieke eigenschap.

Eigenwaarden zijn de waarden die door de kwantummechanica van scholen worden toegekend aan meetresultaten – exact Foton Getallen, omhoog of omlaag draaien, etc. Zoals de nieuwe resultaten laten zien, zijn deze waarden het resultaat van een volledig willekeurige verdeling van de dynamiek. Er moet rekening worden gehouden met verschillende waarden wanneer de systeemdynamiek naar analogie niet volledig willekeurig is.

Implicaties voor het begrijpen van kwantummetingen

Interessant genoeg biedt deze observatie een nieuw perspectief voor het gebruik van meetresultaten om de werkelijkheid te beschrijven. Algemeen wordt aangenomen dat lokale deeltjes of gehele spinwaarden meetonafhankelijke elementen van de werkelijkheid zijn, maar deze onderzoeksresultaten geven aan dat deze waarden alleen worden gegenereerd door kwantuminterferenties bij voldoende krachtige metingen. Ons begrip van de betekenis van empirische gegevens behoeft mogelijk een fundamentele herziening.

Hoffman en zijn team kijken ernaar uit om de tegenstrijdige resultaten die in veel kwantumexperimenten zijn waargenomen verder te verduidelijken. “Contextafhankelijke feiten kunnen een breed scala aan ogenschijnlijk tegenstrijdige kwantumeffecten verklaren. We werken nu aan betere verklaringen voor deze verschijnselen. Uiteindelijk is het doel om een ​​meer intuïtief begrip te ontwikkelen van de fundamentele concepten van de kwantummechanica, waardoor misverstanden worden vermeden die worden veroorzaakt door “Naïef geloof in de realiteit van microscopisch kleine objecten.”

Referentie: “Afhankelijkheid van meetresultaten over de dynamiek van coherente kwantuminteracties tussen het systeem en de schaal” door Tomonori Matsushita en Holger F. Hoffmann, 31 juli 2023, Fysiek reviewonderzoek.
DOI: 10.1103/PhysRevResearch.5.033064

De studie werd gefinancierd door het Japan Science and Technology Agency.