22 июля 2010 г.

Неверная интерпретация одного эксперимента

Сегодня в Science вышла чрезвычайно странная статья Ruling Out Multi-Order Interference in Quantum Mechanics. Скажу даже сильнее — неправильная статья. Там описывается некий интерференционный экспримент, к нему вопросов нет, но выводы из него делаются совершенно дикие. Про эту работу уже написали в Nature News, а также в желтых изданиях PhysOrg и ScienceDaily, откуда «научные журналисты» и черпают новости — и везде дается совершенно неверная интерпретация результатов. Можно не сомневаться, завтра-послезавтра новость пойдет по Рунету, полностью запутывая всех, кто попытается ее понять.

Везде, начиная от аннотации к самой статьи в Science и заканчивая желтыми изданиями, делается два совершенно неверных утверждения:
  1. Утверждается, что в квантовой механике интерферируют только пары путей.
  2. Утверждается, что это называется «правилом Борна».
Второе утверждение можно считать терминологической несуразицей, бог с ней (вот что такое правило Борна на самом деле). А вот первое утверждение у любого физика вызовет, мягко говоря, недоумение. Потому что на самом деле в квантовой механике интерферируют друг с другом все пути, ведущие из заданного начального состояния в конечное, сколько бы их ни было — хоть два, хоть три, хоть бесконечно много. Знаменитый фейнмановский интеграл по путям — это как раз и есть математическое выражение этого факта. На самом деле, если открыть саму статью и прочитать первые строчки, всё становится понятным. Но поскольку авторы работы не удосужились объяснить результаты грамотным языком, придется хоть как-то скомпенсировать эту путаницу здесь.

Речь в статье идет про самую обычную интерференцию света. Свет проходит через заслонку с двумя щелями, в результате чего на экране появляются интерференционные полосы. Стандартная интерпретация: каждый фотон, испущенный источником, проходит сразу через обе щели, ЭМ поля после прохождения по этим двум путям складываются друг с другом (это называется принцип суперпозиции), и получившаяся освещенность есть квадрат от суммы полей. Этот квадрат суммы отличается от суммы квадратов на интерференционное слагаемое, которое периодически меняется на экране и порождает полосы. Символьно, это можно записать так:
PAB = (A+B)2 = A2 + B2 + 2AB = PA + PB + IAB.
(Векторы, комплексные числа, модули для простоты опущены).

Пусть теперь у нас есть три щели (именно это и было «новшеством» эксперимента в работе). Суммарное поле на экране есть сумма полей от всех трёх путей, и освещенность на экране тогда запишется так:
PABC = (A+B+C)2 = PA + PB + PC + IAB + IAC + IBC.
Наблюдение: в случае такой много-путевой интерференции все величины нам уже известны, и никакой новой «тройной интерференции» IABC тут нет. Иными словами, если мы знаем картину освещенности при открытии пар щелей A+B, B+C, A+C, а также от каждой щели по отдельности, то мы можем предсказать интерференционную картину, когда открыты все три щели. Эксперимент как раз состоял в проверке этого утверждения (оно, разумеется, подтвердилось).

Это всё ещё нормально. Проблема в том, что авторы работы выражают этот результат такими словами: доказано, что интерферируют только пары путей. Это исключительно корявая формулировка — она звучит так, словно кто-то с кем-то не интерферирует. На самом деле, ещё раз повторюсь, все пути интерферируют друг с другом, и мы это только что учли в вычислении! Правильная интерпретация этого эксперимента такова — мы проверили, что освещённость выражается квадратом, а не какой-то другой степенью, поля. (Вы можете убедиться самостоятельно: если бы освещенность выражалась бы, например, как куб поля, то в выражении для PABC возникло бы новое слагаемое IABC, которое отсутствовало при интерференции на двух щелях.)

И еще пара недоуменных замечаний про ценность этого эксперимента. Авторы его позиционируют так: это, конечно, простой эксперимент, но почему-то никто не додумался провести его раньше, поэтому полученный результат является новым. Я тут могу заметить вот что: если бы освещенность вычислялась не по квадратичному закону, это давным давно бы обнаружилось в куче других — намного более чувствительных! — экспериментов. Причем не только с фотонами, но и с электронами и с другими элементарными частицами. Поэтому лично мне кажется, что эта работа представляла бы интерес как лабораторная работа для студента-оптика. Публиковать это в Science — смешно.

Ну и наконец, рассуждения про непростые взаимоотношения между квантовой механикой и гравитацией, с которых начинается статья, приведены только для красного словца. К самой работе они не имеют никакого отношения.

Апдейт: вот кстати уже есть пример: «... Другими словами, распространение волн во всех трёх щелях сразу не рассматривается...», о чём я и говорил.

17 комментариев:

  1. Не могли бы Вы в двух словах пояснить правило Борна?

    ОтветитьУдалить
  2. От ScienceDaily недавно отписался. Вчера сильно подставился с EurekAlert!, хотя там вообще не их вина, а в самом сообщении American Institute of Physics ошибка была (и мерзкая, отловить сложно).

    Перехожу на arXiv потихоньку, но что делать в случае, когда странный материал появляется в Science - лично мне непонятно. Потому как ну хорошо, некоторые вещи я отсеку (указанная статья с тремя щелями подозрение вызвала), но многое и нет.

    Еще более грустно, кстати, ездить самому по лабораториям. Уже вторая попытка написать про российские группы заканчивается тем, что с науки все переходит на хозяйственно-бюрократические разборки вплоть до криминала.

    ОтветитьУдалить
  3. Анонимный23/7/10 11:33

    Непонятно, почему Вы обвиняете статью в путанице с правилом Борна. Освещенность -- это квадрат поля, но вероятность найти фотон -- это квадрат волновой функции. В эксперименте они пуляют одиночными фотонами, так что вполне разумно использовать не волновую, а квантовую терминологию, и называть это правилом Борна.

    (Но с Вашим удивлением насчет того, что Science опубликовала очевидную статью, я согласен.)

    дк

    ОтветитьУдалить
  4. to McCoy: правило Борна говорит о том, как вычислять вероятности событий через состояния и операторы. Оно естественное следствие того, что мы при построении квантовой механики используем линейные операторы, а не какие-то более сложные объекты.

    to Free Researcher: в архиве большой поток, регулярно его просматривать в поисках информационных поводов можно, только если быстро схватываешь суть каждой работы по названию и абстракту. Иначе пустая трата сил. Как отсекать неправильные/пустопорожние статьи в журналах, не вчитываясь в них — не знаю. Надо вчитыватья и понимать, что тут поделать.

    to дк: мои претензии не к квантовому/волновому описанию (с этим всё ок), а к фразе типа «Born’s rule predicts that quantum interference, as shown by a double-slit diffraction experiment, occurs from pairs of paths.», которая совершенно сбивает с толку и в последующих новостях превращает в нечто типа «Правило Борна гласит, что интерферировать могут только два пути.».

    ОтветитьУдалить
  5. Анонимный23/7/10 14:30

    А вот на New Scientist вроде все верно описано?

    http://www.newscientist.com/article/dn19215-tripleslit-experiment-confirms-reality-is-quantum.html?DCMP=OTC-rss&nsref=online-news

    ОтветитьУдалить
  6. Корявой фразы про интерференцию только двух путей там нет, и на том спасибо. В остальном текст такой же, что и в других местах, и мне такое внимание к этой работе кажется очень преувеличенным.

    ОтветитьУдалить
  7. http://en.wikipedia.org/wiki/Born_rule

    Можете перевести статью про правило Борна в русскую Википедию?

    ОтветитьУдалить
  8. Я с википедией уже давно завязал.

    ОтветитьУдалить
  9. Почему завязали? о_О

    ОтветитьУдалить
  10. Потому что надоело тратить время и силы на практически бесполезные битвы с активными, но малообразованными участниками.

    ОтветитьУдалить
  11. Здравствуйте, Игорь!
    Меня удивляет ваша реакция на выше упомянутую статью и на выводы, сделанные в ней:
    >Igor Ivanov: Скажу даже сильнее — неправильная статья.
    Я с вами в корне не согласен, статья чрезвычайно важная и нужная.

    >Igor Ivanov:но выводы из него делаются совершенно дикие.
    Выводы делаются верные и носят фундаментальный характер, как и сам эксперимент!

    >Igor Ivanov: и везде дается совершенно неверная интерпретация результатов.
    И здесь я вынужден с вами не согласится, я прочитал несколько производных статей, в целом впечатление: вполне удовлетворительно.

    >Igor Ivanov:Речь в статье идет про самую обычную(?) интерференцию света.
    Предположу, что Ваше недопонимание важности эксперимента, и верности сделанных выводов коренится как раз в этом предложении!
    Интерференция как раз таки очень необычная, она однофотонная.
    Это явление в принципе невозможно определить как нечто ОБЫЧНОЕ.

    >Igor Ivanov: Поэтому лично мне кажется, что эта работа представляла бы интерес как лабораторная работа для студента-оптика. Публиковать это в Science — смешно.
    Каждый эксперимент в этой области носит фундаментальный характер, и потому никогда не лишен смысла, тем более, если он действительно производится впервые.
    Я в принципе не вижу ничего более фундаментального в Квантовой механике, и то, что приведенный эксперимент относительно прост нисколько не умаляет его достоинств.

    ОтветитьУдалить
  12. > Интерференция как раз таки очень необычная, она однофотонная. Это явление в принципе невозможно определить как нечто ОБЫЧНОЕ.

    Вообще-то интерференция всегда однофотонная (за исключением тех редких экспериментов, когда интерферируют лучи из двух разных лазеров). Если вам это кажется необычным, я думаю, вы неправильно понимаете интерференцию.

    ОтветитьУдалить
  13. Какой Вы смысл, вкладываете в слова: интерференция всегда однофотонная, означает ли это, по Вашему мнению, что два фотона излученные одним источником не могут между собой интерферировать?

    ОтветитьУдалить
  14. Я вкладываю стандартный смысл: при самой обычной интерференции от некогерентного источника каждый фотон интерферирует именно с самим собой, а не разные фотоны друг с другом. В случае когерентных источников описание меняется, но и там неверно будет говорить, что интерферируют разные фотоны. Единственный случай, когда интерферируют именно разные фотоны, относится тем редким экспериментами, в которых наблюдалась интерференция от двух разных лахерных лучей с исключительно большой временной когерентностью, см. мою заметку Интерференция между разными фотонами.

    ОтветитьУдалить
  15. Вы ушли от прямого ответа.
    Хочу заметить, что стандартного смысла нет, поскольку, напомню, что сколь либо стройной теории описывающей процессы, проходящие и в интерферометрах различной конфигурации также – нет. Что и как там происходит никому доподлинно неизвестно, и утверждать однозначно что:
    >Igor Ivanov: от некогерентного источника каждый фотон интерферирует именно с самим собой а не разные фотоны друг с другом.
    по меньшей мере, некорректно.
    Говорить о фотонах как о некой дискретной единице, возможно только после измерения, но именно это действие, как известно, разрушает интерференцию, более того всякая попытка что либо узнать о пути движения фотонов или фотона, приводит к тому же результату, поэтому, повторюсь, что либо утверждать, как будто бы в этом вопросе все ясно и понятно – некорректно.
    За «Интерференция между разными фотонами» большое спасибо, почерпнул для себя.

    ОтветитьУдалить
  16. Я вам дал прямой и развернутый ответ на ваш вопрос.

    Вообще, мне не очень понятно, что вы хотите узнать. Вариант по умолчанию: вы хотите узнать, существует ли общепринятая точка зрения на интерференцию в современной физике и в ем она состоит. Я вам ее изложил. Тогда возможен вариант, что вы мне не верите. Пожалуйста, но правда мне убеждать дальше неинтересно. Либо есть вариант, что вы мне верите, что это общепринятый взгляд, но считаете, что это заблуждение, и предлагаете свою альтернативную точку зрения на интерференцию. Но это мне тоже, признаться, не особо интересно, и слишком далеко развивать это в моем журнале не стоит.

    В квантовой теории, конечно, есть вопросы, в которых до сих пор нет ясности, но это не те вопросы, которые вы тут поднимаете.

    ОтветитьУдалить
  17. Анонимный24/5/11 17:18

    Можете ли вы объяснить, почему интерферировать могут только два луча?

    ОтветитьУдалить