Uważam, że jest to wada wynikająca z wielu złego użycia języka, a także niefortunnych wyjaśnień pop-science związanych z tym tematem.
Mechanika kwantowa nie mówi, że rzeczy „potrzebują obserwatora”, aby „istnieć”, podobnie jak mechanika klasyczna. Można powiedzieć, że jest to oczywiście dyskusyjne filozoficznie, czy rzeczy „istnieją”, kiedy nie patrzymy, ale powiedziałbym, że mechanika kwantowa przynajmniej nie traci więcej lub mniej światło na to niż dotychczas.
Bez wątpienia słyszałeś takie rzeczy jak „no cóż, obiekt nie„ istnieje ”lub„ nie ma właściwości ”, zanim zostanie„ zmierzony ”lub„ zaobserwowany ”. To nie jest w porządku. Lepszą interpretacją jest to, że ma on właściwości rozmyte i faktycznie ma je przez cały czas. Nawet gdy dokonuje się pomiaru lub obserwacji, w najlepszym przypadku wszystko to polega na wyjaśnieniu jednej właściwości kosztem innej , co jest kompromisem zawartym w zasadzie nieoznaczoności Heisenberga, która, nawiasem mówiąc, może być lepiej przetłumaczona z języka niemieckiego jako „zasada rozmycia”, czy nawet „zasada rozmycia”, gdzie termin tłumaczony jako „rozmyty” lub „rozmyty” jest tutaj tym samym słowem, które byłoby używane do opisania rozmytego zdjęcia, tj. gdy soczewka na aparat jest nieostry i zrobiono zdjęcie.
„Zamglenie” oznacza tutaj to, że istnieje ograniczenie poziomu informacji , które definiuje właściwości cząstki. W mechanice Newtona właściwości cząstki, takie jak jej pozycja, są definiowane „z nieskończoną ilością informacji”: zmienna $ x $ reprezentująca pozycję, przynajmniej matematycznie, jest liczba rzeczywista o nieskończonej precyzji. Daje nam doskonałe informacje, z absolutną pewnością wskazując jeden punkt w przestrzeni. Co więcej, generalnie wymagałoby to nieskończonej ilości papieru, aby to wszystko zapisać.
Pojęcie „ograniczania” ilości informacji prowadzi nas do używania rozkładów prawdopodobieństwa.Rozkłady prawdopodobieństwa to matematycznie sposób, w jaki przedstawiamy sytuację, w której brakuje informacji i rzeczywiście nie należy uważać tego pojęcia za zbyt obce.Jeśli ktoś mówi ci, że jest „tylko w 85% pewny”, oznacza to, że informacje, które ma na ten temat, nie są tak dobre, jak ktoś, kto może mieć 100% pewności lub 0% pewności (tj. 100% pewności co do ich fałszywości). Ogólny stopień pozbawienia informacji dla określonego rozkładu można określić ilościowo za pomocą entropii Shannona, która dla skończonego lub policzalnego zestawu wyników z prawdopodobieństwami $ P_i $ jest definiowane przez
$$ H: = - \ sum_i P_i \ lg (P_i) $$
gdzie $ \ lg $ jest logarytmem dwójkowym lub binarnym, którego zwykle używamy, jeśli chcemy mierzyć entropię w bitach - jeśli chcemy Aby użyć innej jednostki, powinniśmy użyć innej podstawy (jeśli podstawą jest $ e $ , mierzysz w „nats”, a jeśli podstawą jest 10, w „hartleyach”). Im wyższy $ H $ , tym więcej informacji brakuje w wyniku nietrywialności w rozkładzie prawdopodobieństwa. „Kształt” rozkładu prawdopodobieństwa przedstawia w jaki sposób brakuje nam informacji, a szeroki zakres możliwych odchyleń tego kształtu odpowiada wielkiej różnorodności możliwych sposobów, w jakie moglibyśmy go brakować . Informacji o sytuacji może nam brakować na wiele sposobów - zastanów się, a rzeczywiście będzie to trochę bliskie temu, o czym mówimy, bo dotyczy lokalizacji, np. kot domowy (nie pierwotnie zainspirowany bardziej znanym, ale po bliższym przyjrzeniu się, raczej odpowiedni do tej dyskusji, imo) pozostawiony w domu, gdy idziemy załatwić jakieś posyłki (więc przynajmniej na szczęście nie są jakimś sickiem z sadystycznym kompleksem, który bezcelowo morduje małe zwierzęta bolesnym gazowaniem, aby zaspokoić własną ciekawość). Będziemy oczekiwać, że kot będzie błądził, a więc kiedy wrócimy, niekoniecznie będziemy wiedzieć, w jakim pomieszczeniu domu go znajdziemy, gdy ponownie wejdziemy do środka. Ewentualnie możemy wiedzieć, że - jeśli jest to odpowiedni gatunek kota - to przeważnie zostanie w jednym miejscu, ale może przyjść do domu znajomy, któremu powierzyliśmy dostęp do domu, co spowoduje to przenieść, ale nie wiemy tego na pewno. Skończymy wówczas z dwoma różnymi rozkładami prawdopodobieństwa położenia kota, kiedy zamierzamy otworzyć drzwi - na dwa różne sposoby, na które brakuje nam informacji. W obu przypadkach jednym ze sposobów, w jaki możemy je opisać matematycznie , jest rozkład prawdopodobieństwa $ P (\ lambda, \ phi) $ kota położenie geograficzne na Ziemi (mierzone do odpowiednio wysokiej rozdzielczości), tutaj podane jako szerokość geograficzna $ \ phi $ i długość geograficzna $ \ lambda $ .
Uwaga w fizyce, w przypadku zmiennej ciągłej, takiej jak pozycja cząstki, ta suma nie wystarczy, ponieważ istnieje nieskończona liczba możliwych punktów. Zamiast tego musimy wziąć analogiczną całkę z ciągłego rozkładu prawdopodobieństwa:
$$ H: = - \ int_S P (x) \ \ lg (P (x)) \ dx $$
W przeciwieństwie do przypadku rozkładu prawdopodobieństwa w przestrzeni dyskretnej, dzięki niezmienniczości skali kontinuum, ta entropia faktycznie ma w sobie „poziom odniesienia”: mianowicie, gdy entropia $ H $ wynosi zero, generalnie nie oznacza posiadania pełnej informacji. W rzeczywistości entropia może zejść do ujemnej nieskończoności. Zamiast tego można z grubsza przyjąć zero z $ H $ , aby oznaczać, że znamy pozycję z dokładnością do jednej jednostki skali $ x $ , który można ustawić zmiennie na metry, milimetry, nanometry, pikometry itp. oraz $ H $ odpowiednio się zmieni. Wartość $ H $ poniżej 0 w rzeczywistości odpowiada ilości informacji, jakie posiadamy przy doprecyzowaniu pozycji poniżej poziomu naszej skali jednostki miary, a powyżej, że możemy nie zawężam tego nawet do tego. Negatyw $ H $ można uznać za stopień informacji obecność , $ I $ .
A więc gdzie w to wszystko wkracza „obserwator”? Cóż, powodem tego jest to, że jeśli mamy zamiar mówić o informacji, potrzebujemy również nośnika informacji, i chociaż oczywiście systemy fizyczne są nośnikami informacji, w pojęciowym tle informacji i teorii prawdopodobieństwa jako informacji, rozkład prawdopodobieństwa jest rozumiany jako reprezentujący (niekompletną) wiedzę lub informację posiadaną przez jeden system przetwarzania informacji o jakiejś zewnętrznej istocie. Kluczową częścią jest to, że ten system przetwarzania informacji nie musi być człowiekiem : rzeczywiście, teoria za tym stojąca - teoria informacji - jest używana przez cały czas do opisywania, powiedzmy, komunikacji między komputerami, nawet bez ludzi interakcji z nimi w trakcie tego procesu. Ostatecznie, oczywiście, ponieważ przypuszcza się, że nasze teorie mają być wykorzystywane przez nas do wyjaśniania otaczającego nas świata, „ostatecznym”, który należy poinformować, jest typowo człowiek, ale nie ma powodu, dla którego nie możemy opowiadać opowieść o Wszechświecie bez ludzi lub opowiedzieć historię z punktu widzenia nieludzkiego lub być może lepiej i bardziej pokornie, „nasza wyobraźnia, gdyby wystawcą był nie-człowiek” (może zajrzeć, powiedzmy, Teorie Karen Barad, jeśli ktoś chce trochę filozoficznego uziemienia, aby to wyłożyć, chociaż jej styl pisania jest trochę trudny, co imo jest trochę smutne i być może nie precyzuję tego stwierdzenia, chociaż nie mam ochoty tego wykopywać. wydaje się, że radzi sobie z tym lepiej, imo, niż może filozofie uważane tutaj za „koszerne”, ale z drugiej strony nie daję dwóch bzdur, co jest koszerne, tylko to, co faktycznie oświetla .) lub nawet po prostu przypisywanie im punktu widzenia i, lepiej, sprawstwa.
Rzeczywiście, biorąc to pod uwagę, sugerowałbym dobre zastąpienie terminu „obserwator” w tym przypadku „agent”. W mechanice kwantowej, składając to razem, mamy agenta - w zasadzie każdy system, który może przechowywać, pobierać i przetwarzać informacje, a poprzez interakcję ze światem zewnętrznym pozyskiwać informacje o nich. Aby uniknąć zbyt dosłownego traktowania różnych terminów w mechanice kwantowej, jak to, że „funkcja falowa jest obiektem fizycznym” lub „prawdopodobieństwa znikają z niektórych obszarów przestrzeni”, jakby były „substancją” lub jakąkolwiek z wielu innych podobnych rzeczy należy dodać zastrzeżenie, że to, co stanowi, jest modelem matematycznym dla wiedzy / informacji posiadanych przez tego agenta i jakie informacje może z nich wywnioskować oraz jak nowe informacje można uzyskać ze świata zewnętrznego, i to z perspektywy takiego agenta - czy to człowieka, czy nie-człowieka - teoria opisuje świat. Prawdopodobieństwa itp. To tylko język , którego używamy do ich opisu. Agent może kodować swój rzeczywisty magazyn informacji w bardzo różny sposób.
Chciałbym również zwrócić uwagę, że nawet w mechanice klasycznej nie możemy być całkowicie pozbawieni „obserwatora”, ponieważ ostatecznie potrzebujemy układu odniesienia, a jednak z jakiegoś powodu wydaje się, że nie powoduje to tylu sporów ale podejrzewam, że dzieje się tak dlatego, że teoria kwantowa jest malowana jako znacznie bardziej magiczna i „nieczytelna”, niż myślę, że naprawdę na to zasługuje.
W tym modelu informacje agenta o określonym parametrze fizycznym systemu, na przykład pozycja $ \ mathbf {x} $ , to modelowane przez funkcję falową $ \ psi (\ mathbf {x}) $ . Mówiąc bardziej ogólnie, można go modelować za pomocą wektora przestrzeni Hilberta $ | \ psi \ rangle $ , który można rzutować, aby uzyskać informacje o wielu różnych parametrach. To mniej więcej standardowa teoria kwantowa. Kwadratowa wielkość wartości funkcji daje rozkład prawdopodobieństwa reprezentujący informację posiadaną przez agenta o tym, gdzie znajduje się cząstka, podczas gdy same wartości zawierają interesujący czynnik fazowy, który nie odpowiadając niczego bezpośrednio obserwowalnego, jest niezastąpiony w opisywaniu dynamiki, ponieważ daje początek zarówno wzorcom interferencji, jak i „kwantyzacji”, od której bierze swoją nazwę „mechanika kwantowa”.
Teraz możesz sprzeciwić się temu, że $ \ psi (\ mathbf {x}) $ także zabiera „nieskończoną ilość informacji” do zapisz, a może nawet więcej , będąc teraz funkcją w przestrzeni , a więc jak możemy powiedzieć, że agent „ma ograniczone informacje”? To ważna kwestia, ale subtelna: pamiętaj o wcześniejszej dyskusji. Informacje opisujące $ \ psi (\ mathbf {x}) $ to informacje opisujące w jaki sposób nasz agent robi, a czego nie ma informacji. Ilość informacji, które agent ma na temat pozycji jest (ujemną) entropią .
Ale jako teoria naukowa, oczywiście mechanika kwantowa powinna pozwolić nam przewidywać obserwacje, które nie zostały jeszcze wykonane, a zatem musimy teraz dodać więcej elementów, aby dać nam tę zdolność i do tego że oprócz podstawowego faktu funkcji falowej są jeszcze dwie rzeczy, których użytkownik teorii ( nie konceptualnie i nie koniecznie jest „agentem” w teorii, którym jest przypisany $ \ psi $ jako model swojej wiedzy) może z tym zrobić:
-
Istnieje operacja, którą możemy nazwać EVOLVE, która w zasadzie mówi nam, "biorąc pod uwagę funkcję falową $ \ psi (\ mathbf {x}) $ span > opisywanie, jakie informacje ma nasz agent w chwili obecnej $ t $ , jakie są najlepsze informacje, które agent może prawdopodobnie mieć w przyszłym czasie $ t + \ Delta t $ ? " To jest w zasadzie równanie Schrodingera.
-
Jest jeszcze jedna operacja, która powoduje, że cała ta bzdura, którą możemy nazwać, ominęła ją, QUERY. Operacja QUERY w zasadzie, jak sama nazwa wskazuje, polega na „zadaniu pytania” systemowi zewnętrznemu, np. „Czy cząstka znajduje się w odległości 50-100 $ \ \ mathrm {pm} $ od jądra atomowego?" lub „Jaki jest obecny poziom energii cząstki?” lub dowolne z (nieskończonej) liczby innych takich możliwych pytań. W tej operacji agent działa na systemie zewnętrznym, aby pobrać te informacje. Gdy agent otrzyma informacje , aktualizuje posiadane informacje nowymi informacjami - co oznacza rozkład prawdopodobieństwa $ \ psi (\ mathbf {x }) $ zostanie zmieniony. Zasady zmiany $ \ psi (\ mathbf {x}) $ w teorii zależą od dokładnej natury zapytania i sposobu, w jaki modelujemy proces i mechanizm zapytań.
Teraz należy mocno podkreślić ostatnią część. W tej drugiej operacji zmiana tutaj nie reprezentuje niczego fizycznego w systemie : jest to po prostu aktualizacja wiedzy, jaką posiada nasz agent. Jeśli po tym szeroki rozkład prawdopodobieństwa w przestrzeni staje się wąski, nie odpowiada to fizycznemu „natychmiastowemu zniknięciu” materii lub jakiejś „energii” czy czegoś innego z pewnych części przestrzeni. Oznacza to po prostu, że nowa informacja eliminuje te regiony, a faktycznym efektem jest zwiększenie zawartości informacji - obniżenie entropii $ H $ .
To powiedziawszy, jednak istnieje prawdziwa fizyczna różnica w pracy i tak naprawdę nie ma to nic wspólnego bezpośrednio z faktem, że modelujemy warunki agentów i ich zdobywanie wiedzy. W rzeczywistości możesz modelować mechanikę klasyczną za pomocą rozkładów prawdopodobieństwa i nie w pełni poinformowanych agentów w ten sam sposób: tak można opisać oryginalny scenariusz kota, który właśnie przedstawiłem wcześniej, ponieważ kot jest dość daleko od królestwa mechaniki kwantowej!
Zamiast tego rzeczywistymi różnicami i „prawdziwą” fizyczną treścią mechaniki kwantowej jako teorii są relacje niepewności lub, mówiąc bardziej ogólnie, nieprzenoszący się do pracy natura operatorów reprezentujących pewne parametry fizyczne, a mianowicie tych, które są sprzężonymi hamiltonowskimi w mechanice klasycznej. Powodują one sytuacje, w których agent jest bardziej poinformowany o jednym parametrze, to jednocześnie mniej jest poinformowany o innych, przynajmniej wtedy, gdy informacja żądana w operacji QUERY jest wystarczająco silna, a „dostatecznie mocna” jest kodowana przez stałą nieprzemienności: $ \ hbar $ lub zredukowaną stałą Plancka.
I okazuje się, że wymaga to również, aby każde zapytanie o odpowiednio dobranej informacji z konieczności miało fizyczny wpływ na badany system, a ponadto, jeśli chcemy zredukować efekt fizyczny do zera, możemy to zrobić tylko kosztem bez podania informacji agentowi. To jest rzeczywista treść „efektu obserwatora” jako głębi mechaniki kwantowej. W rzeczywistości efekty obserwatora - ogólna idea, w której proces obserwacji zmienia to, co jest obserwowane - nie są ograniczone tylko do lub jakimś tajemniczym składnikiem mechaniki kwantowej. Występują w wielu dziedzinach nauki. W programowaniu komputerowym występuje efekt obserwatora, szczególnie podczas wykonywania synchronizacji lub debugowania pamięci. Socjologia i psychologia są z nich znane. Heck, nawet w mechanice klasycznej , technicznie rzecz biorąc, istnieje efekt obserwatora, po prostu pomijany w omawianych prezentacjach: aby dowiedzieć się, gdzie coś się znajduje, muszę w to uderzyć, a możesz również słyszeliśmy to jako „wyjaśnienie” zasady Heisenberga w mechanice kwantowej. Jednak w mechanice klasycznej, przynajmniej kiedy masz takie „uderzenie”, możesz sprawić, że „uderzający” obiekt będzie arbitralnie lekki i nieinwazyjny, jeśli chodzi o energię i pęd, który on nadaje. W rzeczywistości możesz to zrobić również w mechanice kwantowej! prawa kwantowe i prawdziwa treść HUP to to, że kiedy to robisz, otrzymujesz również * arbitralnie mało informacji * o tym, co obserwujesz .
Idąc o krok dalej, ujawnia to, że teoria tak naprawdę mówi o Wszechświecie, to ostatecznie to, że zawiera on ograniczenie treści informacyjnej , w taki sam sposób, jak Teoria względności Einsteina mówi, że Wszechświat ma granicę propagacji informacji . Limit zawartości informacji jest ustalany przez stałą fizyczną $ \ hbar $ , podobnie jak limit propagacji informacji jest ustalany przez stałą fizyczną $ c $ (że $ \ hbar $ nie zawiera bezpośrednio jednostek informacji, więcej zawdzięczamy subtelności mierzenia takich, niż tego, że w rzeczywistości takimi nie są). Wprowadzenie czynników, prawdopodobieństw itp. To wszystko, czego potrzebuje nasz język , aby opisać tę sytuację i opisać ją w sposób wystarczająco zawiły, aby stworzyć dokładną (bardzo dokładną!) Teorię o Wszechświat. Nie możemy wiedzieć, w jaki sposób informacje są „naprawdę” przechowywane we Wszechświecie, ale jest to problem filozoficzny, który nie ogranicza się ściśle do mechaniki kwantowej. Równie dobrze moglibyśmy zapytać to samo o mechanikę klasyczną, czy nasz wszechświat był klasyczny, z „jak przechowuje on nieskończenie precyzyjne liczby rzeczywiste”? i tak dalej.
Na koniec, podsumowując „jak mogą wystąpić efekty bez obserwatora?” To, że opis wymaga obserwatora - lub tutaj „agenta” - nie oznacza, że nie jesteśmy w stanie przedstawić narracji o Wszechświecie, zanim istnieliśmy my, ludzie. Już mechanika klasyczna, nawet od czasów Galileusza, ze słynnym eksperymentem myślowym dotyczącym statku na morzu doskonałym, skutecznie zlikwidowała pojęcie całkowicie niezależnego od obserwatora opisu rzeczywistości, ale wydaje się, że w dyskusjach o teorii kwantowej często zostaje o nich zapomniany lub po prostu zignorowany poprzez pozbycie się pojęć ruchu absolutnego i całkowitego odpoczynku. I rzeczywiście, współczesne osiągnięcia w fizyce służą jedynie do popychania rzeczy coraz bardziej we względnym kierunku, a mechanika kwantowa jest w rzeczywistości częścią tego trendu, a nie czymś od niego całkowicie odmiennym. Wielkim krokiem, jaki robi on w stosunku do mechaniki klasycznej, jest w rzeczywistości wspomniane wyżej ulepszenie pasywnego „obserwatora” do aktywnego „agenta”, którego „obserwacje” faktycznie nie tylko wpływają na Wszechświat, ale ponadto muszą mieć takie skutki przynajmniej do pewnego stopnia, jeśli mają być dla niego pouczające. Uaktualnienie jest w istocie koniecznością wynikającą z potrzeby mówienia o ograniczeniach treści informacyjnej , które wymagają wprowadzenia miar informacji, a następnie prawdopodobieństw, oraz poprzez wprowadzenie informacji w sposób centralny, transakcji informacji między obiektem zewnętrznym a obserwatorem staje się ważna.
Jak zatem tworzymy opis?Proste - tak jakbyśmy mieli stworzyć klasyczny model Wszechświata, w którym wybieramy jakiś układ odniesienia, tak samo po prostu wybieramy fikcyjnym „agentem”, który opowiada historię od początku, nawet jeśli nie można fizycznie istnieć.Jedyna sztuczka polega jednak na tym, że ze względu na interakcje agenta będzie on z konieczności wprowadzał pewne możliwe odchylenia w ewolucji, a zatem można uznać, że przynajmniej w teorii odrzuca on przewidywania teorii, biorąc pod uwagę jej fikcyjny charakter;po prostu biorąc pod uwagę poziom, na którym wyodrębnia informacje, jako odpowiednio zgrubne i / lub jego zapytania, jako bardzo rzadkie.
(Można się też zastanawiać, jaką rolę w tym wszystkim odgrywa "dekoherencja" i jak rzekomo "eliminuje" potrzebę operacji QUERY powyżej. Dekoherencja jest tak naprawdę efektem opisującym, jak zachowuje się funkcja falowa kiedy jesteśmy rozważając opis funkcji falowej innego agenta . Końcowa funkcja falowa kończy się tym, że agent nakłada się na wiele wyników swojego zapytania, podczas gdy w każdym takim wyniku indywidualny obiekt, o który pytano, został „zredukowany” do jeden wynik. Aby zrozumieć superpozycję, pamiętaj, że ponieważ każda funkcja falowa musi być przypisana agentowi , kiedy robimy ten opis, domyślnie zakładamy sekundę agent jest w grze. Superpozycja oznacza tutaj, że ten drugi agent nie wie - z powodu niedeterminizmu, który jest przejawem względnego braku informacji we Wszechświecie - w jaki sposób pierwszy agent został zaktualizowany przez swoje zapytanie. Problem zostanie rozwiązany, gdy drugi agent zapyta - i Jeśli jest to człowiek, prawdopodobnie dosłownie pyta, czy to komputer, a następnie wysyłając mu prośbę o dane itp. tylko po to, aby uniknąć antrocentryzmu - pierwszego o wynik. Prawdziwy, fizyczny „efekt obserwatora”, w którym zapytanie / obserwacja zmienia rzeczywistość i który jest błędnie posunięty do „wyjaśnienia” HUP w naiwnej idei „odbicia piłki”, jest ucieleśniony w fakt, że w tej ewolucji badany system również ulega zmianie w danym wyniku podczas zdarzenia dekoherencji. Zamieszanie wynika z braku czystego koncepcyjnego oddzielenia subiektywnej aktualizacji wiedzy w operacji QUERY od podobnie - wyglądającego fizycznego „zawalenia się systemu” w procesie dekoherencji, co w rzeczywistości można zinterpretować jako zwiększenie zawartości informacyjnej odpytywanego systemu. Podobny wygląd nie oznacza tożsamości! Jeden to rzeczywisty efekt fizyczny, drugi zachodzi wewnątrz agenta [zgodnie z naszym modelem ]. Te dwa elementy też nie są ze sobą zupełnie niezwiązane - kiedy jeden agent idzie zapytać drugiego o to, co zobaczył, lepiej, aby wynikiem tego quizu było coś sensownego, np. „Widziałem cząstkę w X” lub „Widziałem tak / nie” i nie jakiś dziwnie surrealistyczny mosz różnych opcji. Zamiast tego dekoherencja jest po prostu teorią, która mówi nam, że jest wewnętrznie spójna - hura!)