ЭФФЕКТ НАБЛЮДАТЕЛЯ
В физике эффектом наблюдателя называют теорию, что простое наблюдение явления неизбежно изменяет его. Часто это следствие несовершенства применяемых инструментов, которые по своему принципу работы изменяют состояние измеряемой величины. Примером служит проверка давления в автомобильных шинах; это трудно сделать, не выпуская немного воздуха при соединении с манометром; кроме того, прибор сам имеет какой-то объём. Невозможно увидеть какой-то объект без облучения его светом или другими частицами (электронами в электронном микроскопе), которые влияют на состояние объекта, а поглощение квантов для измерения освещённости уменьшает её. Даже если эффект наблюдателя невелик, объект всё равно изменяет состояние. Этот эффект наблюдается во многих областях физики, но обычно может быть уменьшен подбором эффективных инструментов и/или использованием лучших методов наблюдения.
Наиболее необычным для нас является проявление эффекта наблюдателя в квантовой механике, что наблюдается, например, в эксперименте с двумя щелями. Даже пассивное наблюдение за квантовыми эффектами (с целью как будто «исключения» всех возможностей, кроме одной) может фактически изменить результат измерения. Причина кроется в дуальной природе элементарных частиц: вероятность обнаружения частицы в какой-то точке подчиняется квантовой волновой функции ψ, которая испытывает интерференцию при открытии второй щели для электронов.
Карл Саган назвал «эффектом наблюдателя» значительное сокращение или полное исчезновение парапсихологических эффектов и способностей экстрасенсов в присутствии скептически настроенного наблюдателя.
Термин наблюдатель имеет в физических науках ряд неэквивалентных значений. Под наблюдателем могут подразумевать как реального или воображаемого человека, так и измерительный прибор. Поэтому эффект наблюдателя подразумевает не ошибку человека, а неточность и невозможность измерения физической величины. Понятие наблюдатель используется в прагматических высказываниях, то есть в тех теоретических высказываниях, которые ссылаются на познающего субъекта, и не используется в высказываниях о физических объектах.
Ряд специалистов, такие как Дж. Ст. Белл, К. Поппер, М. Бунге, критически относятся к попыткам формулировать физические законы с использованием термина наблюдатель, в особенности в квантовой физике, поскольку они могут вести к ошибкам.
В электронике измерительные приборы (например: амперметр, вольтметр), подсоединяются последовательно или параллельно изучаемой электрической цепи, и ввиду ненулевого сопротивления амперметра и конечного сопротивления вольтметра, их включение изменяет протекающий по цепи ток (либо замеренное напряжение). Приборы имеют также ненулевые ёмкость и индуктивность, что сказывается в цепях переменного тока.
Даже такой инструмент, как токоизмерительные клещи, влияет на ток в цепи, поскольку этот прибор является трансформатором тока и потребляет мощность.
Квантовая механика
В квантовой механике «наблюдение» является синонимом измерения, «наблюдатель» — синонимом измерительной аппаратуры, а наблюдаемое — того, что можно измерить.
Одним из основных понятий квантовой механики является сформулированная ещё в 1924 году в совместной работе Бора, Крамерса и Слэйтера интерпретация волновой функции ψ как волны вероятности, а не реальной волны, как предполагал де Бройль. До измерения квантовая система находится в суперпозиции допустимых состояний. Считается, что после измерения, которое определяет часть параметров системы, волновая функция скачком меняется, принимая вид, соответствующий измеренным значениям параметров. Примером может служить кот Шрёдингера.
Наблюдение невозможно без взаимодействия наблюдаемого объекта с окружающей средой — чтобы наблюдатель мог определить параметры объекта, он должен получить информацию от такого взаимодействия. Квантовый объект при этом неизбежно изменяет своё состояние. Для элементарных частиц это очевидно, поскольку наблюдать такие частицы мы можем только по их взаимодействию (либо с фотонами, либо с веществом, через которое пролетает частица). В экспериментах с крупными молекулами, наблюдать которые можно по их тепловому излучению, было определено, что «эффект наблюдателя» проявляется и в отсутствие непосредственного воздействия наблюдателя на квантовый объект, но при любом взаимодействии (обмене энергией) между квантовой системой и окружающим пространством. Экспериментаторы улавливали тепло (инфракрасные фотоны), излучённое нагретыми молекулами фуллерена C70, и чем выше была температура молекул, тем более классически вели себя нагретые молекулы. В этих экспериментах было продемонстрировано, что величина квантовых эффектов обратна интенсивности взаимодействия квантового объекта с окружающей его средой, наличие наблюдателя при этом не имеет значения.
Таким образом, эффект наблюдателя меняет состояние квантовой системы, отражённое в главном её описании — волновой функции. Более поздние исследования показали, что такое влияние наблюдателя распространяется не только на изучаемую частицу, но и на взаимодействовавшую с ней, приведя к понятию «запутанных состояний». Волновая функция связанной частицы также испытывает скачок своего состояния после наблюдения, что используется в квантовой криптографии. Поскольку прослушивание канала передачи данных является наблюдением, этот эффект можно отследить.
2. Открыто “Измерение без взаимодействия” – https://en.wikipedia.org/wiki/Interaction-free_measurement ,
или противофактический эксперимент https://en.wikipedia.org/wiki/Elitzur%E2%80%93Vaidman_bomb_tester
Эффект наблюдателя — это теория, что наблюдение за явлением изменяет свойства этого явления.
Рассматривая любой объект в мире вокруг нас, мы знаем, что этот объект остается одним и тем же — независимо от того, где, когда и как мы на него смотрим. Заявление о том, что время и способ, которым мы смотрим на предмет, меняют внешний вид или свойства предмета, звучит абсурдно в повседневной жизни. Но не для науки.
Эффект наблюдателя хорошо известен в квантовой механике: в зависимости от присутствия или отсутствия наблюдателя, электроны ведут себя двояко — как частицы или как волны. Проявления эффекта можно найти и в других областях, таких как социология, психология, лингвистика и компьютерные науки. Тем не менее, самые известные случаи относятся именно к физике. В других науках феномен менее изучен.
То, как наблюдатель влияет на ситуацию, важно не только для фундаментальных исследований, но для практического применения: например, в ситуационном менеджменте при учете влияния каждой конкретной ситуации на всю систему. Или в психологии, а также в любой деятельности, где важна связь между процессом наблюдения и наблюдателем.
Но иногда эффект наблюдателя — это просто следствие некорректного применения измерительных приборов или ошибок исследователя. Он исчезает, если использовать более эффективные инструменты или изменить методы наблюдения.
Эффект наблюдателя в квантовой физике
В квантовой механике «наблюдателем» является измерительный прибор, который фиксирует явление. Самые известные примеры «эффекта наблюдателя» в физике — мысленный эксперимент с котом Шредингера и опыт с двумя щелями Томаса Юнга.
Эксперимент с двумя щелями
Опыт с двумя щелями был проведен английским ученым Томасом Юнгом (Thomas Young) впервые в 1803 году. Он продемонстрировал его как подтверждение, что свет — это волна, а не поток частиц (корпускул). Впоследствии эксперимент Юнга повторяли другие ученые с разными объектами: электронами, отдельными фотонами и молекулами. Сейчас опыт Юнга — классическое доказательство того, что свет и материя в целом могут проявлять характеристики как волны, так и частицы.
Вопрос, как электрон «узнает», что за ним наблюдают, и почему изменяет свое «поведение», кажется одним из самых трудных для понимания в квантовой механике.
Кирилл Половников, кандидат физико-математических наук, популяризатор науки:
«Квантовые частицы (электроны, атомы или молекулы) настолько малы, что любые измерительные приборы неизбежно оказывают на них влияние. И это не техническая проблема, а принципиальная — природа так устроена, что мы никак не можем устранить это влияние. Самим фактом измерения мы меняем состояние квантового объекта.
Чтобы пронаблюдать электрон, мы вынуждены его «подсветить», т.е. направить на него поток фотонов — частиц света. Это самое малое воздействие, которому мы можем подвергнуть частицу. Фотоны взаимодействуют с ним и неизбежно изменяют его характеристики. Причем это изменение будет тем больше, чем точнее наше измерение, т.е. чем сильнее было наше воздействие. Именно поэтому после наблюдения электроны начинают вести себя иначе».
Ученые института Вейцмана (Weizmann Institute of Science), повторяя эксперимент, обнаружили: если они меняют параметры прибора-наблюдателя, заставляя его «видеть» больше или меньше электронов, то меняется и поведение этих электронов. В микромире любая попытка наблюдения или измерения меняет всю квантовую систему.