Observatörseffekt (fysik)
| Del av en serie artiklar om |
| kvantmekanik |
|---|
Inom fysiken är observatörseffekten störningen av ett observerat system genom observationshandlingen . Detta är ofta resultatet av att använda instrument som av nödvändighet förändrar tillståndet för vad de mäter på något sätt. Ett vanligt exempel är att kontrollera trycket i ett bildäck, vilket gör att en del av luften strömmar ut och därigenom ändrar trycket för att observera det. På liknande sätt, för att se icke-lysande föremål kräver ljus som träffar föremålet för att få det att reflektera ljuset. Även om effekterna av observation ofta är försumbara, upplever objektet fortfarande en förändring (som leder till tankeexperimentet Schrödingers katt) . Denna effekt kan hittas inom många områden av fysiken, men kan vanligtvis reduceras till obetydlig genom att använda olika instrument eller observationstekniker.
Ett anmärkningsvärt exempel på observatörseffekten inträffar i kvantmekaniken , vilket demonstreras av dubbelslitsexperimentet . Fysiker har funnit att observation av kvantfenomen kan förändra de uppmätta resultaten av detta experiment. Trots att "observatörseffekten" i dubbelslitsexperimentet orsakades av närvaron av en elektronisk detektor, har experimentets resultat av vissa tolkats för att antyda att ett medvetet sinne direkt kan påverka verkligheten. Behovet av att "observatören" är medveten (mot enbart existerande, som i en encellig mikroorganism) stöds dock inte av vetenskaplig forskning, och har påpekats som en missuppfattning som bottnar i en dålig förståelse av kvantvågsfunktionen ψ och kvantmätningsprocessen.
Partikelfysik
En elektron detekteras vid interaktion med en foton ; denna interaktion kommer oundvikligen att förändra hastigheten och rörelsemängden för den elektronen. Det är möjligt för andra, mindre direkta mätmetoder att påverka elektronen. Det är också nödvändigt att tydligt skilja mellan det uppmätta värdet av en kvantitet och det värde som resulterar från mätningsprocessen. Speciellt är en mätning av momentum ej repeterbar under korta tidsintervall. En formel (endimensionell för enkelhetens skull) som relaterar involverade storheter, på grund av Niels Bohr (1928) ges av
- Δ p x är osäkerhet i uppmätt värde av momentum,
- Δ t är mättiden,
- v x är partikelhastigheten före mätning,
- v ′ x är partikelhastigheten efter mätning,
- ħ är den reducerade Planck-konstanten .
Elektronens uppmätta rörelsemängd är då relaterat till v x , medan dess rörelsemängd efter mätningen är relaterat till v ′ x . Detta är ett bästa scenario.
Elektronik
Inom elektronik är amperemetrar och voltmetrar vanligtvis kopplade i serie eller parallellt med kretsen, och så genom sin närvaro påverkar strömmen eller spänningen de mäter genom att presentera en extra verklig eller komplex belastning på kretsen, vilket förändrar överföringen kretsens funktion och beteende. Även en mer passiv enhet som en strömtång , som mäter trådströmmen utan att komma i fysisk kontakt med tråden, påverkar strömmen genom kretsen som mäts eftersom induktansen är ömsesidig .
Termodynamik
Inom termodynamik måste en vanlig kvicksilver-i-glastermometer absorbera eller ge upp lite värmeenergi för att registrera en temperatur och ändrar därför temperaturen på kroppen som den mäter.
Kvantmekanik
Den teoretiska grunden för begreppet mätning inom kvantmekaniken är en kontroversiell fråga som är djupt kopplad till de många tolkningarna av kvantmekaniken . En viktig fokuspunkt är den för vågfunktionskollaps , för vilken flera populära tolkningar hävdar att mätning orsakar en diskontinuerlig förändring till ett egentillstånd för operatören som är associerad med den uppmätta kvantiteten, en förändring som inte är tidsreversibel.
Mer explicit dikterar kvantfysikens superpositionsprincip ( ψ = Σ n a n ψ n ) att för en vågfunktion ψ kommer en mätning att resultera i ett tillstånd av kvantsystemet för ett av de m möjliga egenvärdena f n , n = 1, 2, ..., m , av operatorn som i rymden för egenfunktionerna ψ n , n = 1, 2, ..., m .
När man väl har mätt systemet vet man dess nuvarande tillstånd; och detta hindrar det från att befinna sig i ett av dess andra tillstånd — det har uppenbarligen lossnat från dem utan utsikter till framtida stark kvantinterferens. Det betyder att den typ av mätning man utför på systemet påverkar systemets sluttillstånd.
En experimentellt studerad situation relaterad till detta är kvantzenoneffekten , där ett kvanttillstånd skulle förfalla om det lämnas ifred, men inte förfaller på grund av dess kontinuerliga observation. Dynamiken i ett kvantsystem under kontinuerlig observation beskrivs av en kvantstokastisk masterekvation känd som Belavkin-ekvationen . Ytterligare studier har visat att även att observera resultaten efter att fotonen har producerats leder till att vågfunktionen kollapsar och laddar en back-historia som visas av kvantsuddgummi med fördröjt val .
När man diskuterar vågfunktionen ψ som beskriver tillståndet för ett system inom kvantmekaniken, bör man vara försiktig med en vanlig missuppfattning som antar att vågfunktionen ψ uppgår till samma sak som det fysiska objektet den beskriver. Detta bristfälliga koncept måste då kräva att det finns en extern mekanism, såsom ett mätinstrument, som ligger utanför de principer som styr tidsutvecklingen av vågfunktionen ψ , för att ta hänsyn till den så kallade "kollapsen av vågfunktionen" efter en mätning har utförts. Men vågfunktionen ψ är inte ett fysiskt objekt som till exempel en atom, som har en observerbar massa, laddning och spinn, samt interna frihetsgrader. Istället ψ en abstrakt matematisk funktion som innehåller all statistisk information som en observatör kan få från mätningar av ett givet system. I det här fallet finns det inget riktigt mysterium i att denna matematiska form av vågfunktionen ψ måste ändras abrupt efter att en mätning har utförts.
En konsekvens av Bells teorem är att mätning på en av två intrasslade partiklar kan tyckas ha en icke-lokal effekt på den andra partikeln. Ytterligare problem relaterade till dekoherens uppstår när observatören också modelleras som ett kvantsystem.
Förvirring med osäkerhetsprincipen
Osäkerhetsprincipen har ofta förväxlats med observatörseffekten, uppenbarligen även av dess upphovsman, Werner Heisenberg . Osäkerhetsprincipen i sin standardform beskriver hur exakt vi kan mäta positionen och rörelsemängden för en partikel samtidigt – om vi ökar precisionen i att mäta en storhet, tvingas vi tappa precision i att mäta den andra. En alternativ version av osäkerhetsprincipen, mer i en observatörseffekts anda, redogör fullt ut för den störning observatören har på ett system och det fel som uppstått, även om det inte är så termen "osäkerhetsprincip" är vanligast i praktiken .