广岛大学的量子物理学家揭示，量子测量的结果从根本上与测量设备和系统之间的相互作用动力学联系在一起，挑战了固定物理特性的传统观点，并表明现实是由这些相互作用的背景形成的。他们的发现指出需要重新思考量子实验数据的解释。
当测量精度接近量子力学设定的不确定极限时，测量结果就依赖于测量装置与系统之间的相互作用动力学。这一发现可以解释为什么量子实验经常产生相互矛盾的结果，并且可能与关于物理现实的基本假设相矛盾。
研究分析与发现
广岛大学的两位量子物理学家最近分析了测量相互作用的动力学，其中物理性质的值与仪表状态的定量变化有关。这是一个困难的问题，因为量子理论不能确定物理性质的值，除非系统处于所谓的物理性质的“特征态”，这是一组非常小的特殊量子态，物理性质有一个固定的值。
研究人员解决了这个基本问题，将系统过去的信息与未来的信息结合起来，描述了测量相互作用期间系统的动力学，证明了物理系统的可观测值取决于它们被观察到的测量相互作用的动力学。
根据量子理论，测量结果是由测量相互作用引起的系统的过去和未来关系的变化所决定的。资料来源:广岛大学Tomonori Matsushita和Holger F. Hofmann
该团队最近在《物理评论研究》杂志上发表了他们的研究结果。
“关于量子力学的解释存在很多分歧，因为不同的实验结果不能与相同的物理现实相协调，”日本广岛大学高级科学与工程研究生院教授霍尔格·霍夫曼(Holger Hofmann)说。
“在本文中，我们研究了测量相互作用动力学中的量子叠加如何塑造在仪表响应中看到的系统的可观察现实。这是解释量子力学中“叠加”意义的重要一步。
叠加和物理实在
在量子力学中，叠加描述了一种情况，在这种情况下，两种可能的现实似乎共存，即使在进行适当的测量时可以清楚地区分它们。对该团队研究的分析表明，当进行不同的测量时，叠加描述了不同种类的现实。物体的真实感取决于物体与周围环境的相互作用。
霍夫曼说:“我们的研究结果表明，一个物体的物理现实不能脱离它与环境的所有相互作用，包括过去、现在和未来，这为人们普遍认为我们的世界可以简化为仅仅是材料构建块的配置提供了强有力的证据。”
根据量子理论，表示测量中观察到的物理性质值的米移取决于系统的动力学，这是由米扰动系统状态的反作用的波动引起的。不同可能的系统动力学之间的量子叠加形成了仪表响应并赋予它特定的值。
作者进一步解释了系统动力学的波动取决于测量相互作用的强度。在弱相互作用的极限下，系统动力学的波动可以忽略不计，米移可以由Hamilton-Jacobi方程确定，Hamilton-Jacobi方程是一个经典的微分方程，表示物理性质与与之相关的动力学之间的关系。
当测量相互作用较强时，可以观察到不同系统动力学之间复杂的量子干涉效应。完全分辨的测量要求系统动力学完全随机化。这对应于所有可能的系统动力学的叠加，其中量子干涉效应只选择那些与物理特性的特征值相对应的量子过程的组成部分。
特征值是教科书上量子力学分配给测量结果的值——精确的光子数，自旋向上或自旋向下等等。新的结果表明，这些值是动力学完全随机化的结果。当测量的系统动力学不是完全随机化时，需要考虑不同的值。
理解量子测量的意义
有趣的是，这一观察为在描述现实时使用测量结果提供了一个新的视角。通常假设局域粒子或整数自旋值是与测量无关的现实元素，但这些研究结果表明，这些值只有在足够强的测量中由量子干涉产生。我们对实验数据意义的理解可能需要进行根本性的修正。
霍夫曼和他的团队期待进一步澄清在许多量子实验中观察到的相互矛盾的结果。“情境依赖的现实可以解释一系列看似矛盾的量子效应。我们现在正致力于更好地解释这些现象。最终，我们的目标是发展对量子力学基本概念的更直观的理解，以避免对微观物体的真实性的天真信念所造成的误解，”霍夫曼说。
参考文献:Tomonori Matsushita和Holger F. Hofmann的“测量结果对系统和仪表之间量子相干相互作用动力学的依赖性”，2023年7月31日，Physical Review Research。DOI: 10.1103 / PhysRevResearch.5.033064
这项研究由日本科学技术振兴机构资助。
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