Mit jelent az a kvantummechanikába, hogy a mérés "beavatkozás a rendszerbe"?

A kvantummechanikai részecskéről állapotáról csak akkor jutunk információhoz, ha valamivel (tárggyal vagy mezővel) kölcsönhatásba lépnek, ami a korábbi állapot megszűnését és egy új állapot létrejöttét jelent

Elég egyszerű?

Nagyon egyszerűen:

a kvantummechanika objektumai (atom, atomi részecskék) olyan kicsik, hogy nem lehet őket látható fénnyel jól megfigyelni (elhajlik rajtuk a fény, nem verődik vissza).

Magasabb frekvenciájú sugárzással lehet őket megfigyelni, ennek viszont az energiája is nagyobb, és szétverheti pl. a megfigyelt atomot.

Először nem árt tisztázni, hogy mit értünk mérés illetve rendszer alatt.

Legegyszerűbb esetben egy kvantumrendszer zárt, vagyis nincs kölcsönhatásban semmilyen más rendszerrel. Ekkor az állapota egy ún. tiszta állapot, amely leírható egy hullámfüggvénnyel. Amennyiben kapcsolatba kerül egy külső rendszerrel (legyen ez egy ember alkotta mérőberendezés vagy más természeti jelenség vagy rendszer, környezet, stb.), akkor nem tekinthető többé zártnak, kivéve abban az esetben, ha a leírás szemszöge még egy ennél is tágabb környezetben értendő. Ellenkező esetben azonban a kvantumrendszer nyílt lesz, és állapota ún. kevert állapot lesz, amelyet egy sűrűségoperátorral lehet leírni. Ez praktikusan szólva azt jelenti, hogy a kvantumrendszer leírásában most már nem tekinthetünk el az újonnan belépő rendszer állapotaitól, amellyel a kvantumrendszer összefonódik. Nincs önálló állapota, hanem csak a másik rendszerrel együtt van egy közös állapota, és emiatt megjelenik egy nemkvantumos véletlenszerűségi tényező, nevezetesen az, hogy az eredetileg zárt kvantumrendszer a környzetével való összefonódást követően ezen tágabb környezetben értelmezett valamilyen állapotba kerül több lehetséges állapot közül. Hogy melyikbe, azt előre nem lehet tudni, és a rendszer tényleges megmérése előtt nem is tudjuk, de az biztos, hogy valamelyikben van, tehát ezen bizonytalanság az állapot matematikai leírásában is megjelenik. Ilyen például az, amikor kinyitjuk Schrödinger macskájának dobozát, de mi magunk nem nézünk bele. A macska állapota összefonódik a külvilág állapotával, de egészen addig, amíg mi nem nézzük meg ténylegesen, hogy a macska élő-e vagy halott, akkor a macska, amely már a dobozon kívüli világ egy részrendszere, kevert állapotban lesz: vagy élő, vagy halott, de nem tudjuk, melyik. És ez minőségileg különbözik a szuperponált állapottól, amelyben előzőleg volt.

A mérés pedig lényegében megintcsak a fenti folyamat, amely szabályozott körülmények között megy végbe egy olyan makroszkopikus méretű apparátussal, amelynek végállapotait ismerjük, hiszen direkt olyan módon lett megtervezve, hogy ezen végállapotok ismeretében információt szolgáltasson a kvantumrendszerről. Tehát ekkor a kvantumrendszer környezetét, amellyel kölcsönhatásba kerül, maga a mérőrendszer alkotja, és a kettőnek együtt lesz egy állapota, amelyet mi, emberek még kijjebbről nézünk, és ezt le is tudjuk olvasni. (Ekkor a teljes rendszer jellemezhető egy hullámfüggvénnyel, míg egyedül a kvantumrendszer többé már nem. Ezért kell a sűrűségoperátoros leírás.) A Schrödinger macskájának példáján bemutatva a környezet játssza a mérőrendszer szerepét, amely megméri a macska állapotát: makroszkopikus szinten a macska vagy él, vagy halott lesz. Vagyis ilyenkor belenézünk a dobozba, a macskát pedig a két állapot egyikében látjuk.

Ilyen értelemben tehát a mérés felfogható a mérendő rendszer kiterjedésének, amelynek befejeztével a mérőrendszer olyan állapotba kerül, amely amiatt, hogy a kvantumrendszernek többé már nincs csak rá jellemző állapota, egyszerre vonatkozik rá is és a mérőrendszerre is. Matematikailag ezt azt jelenti, hogy ha a kvantumrendszer eredetileg a mért fizikai mennyiség sajátállapotában volt, akkor a mérés aktusa lényegében kiterjeszti ezt az állapotot a mérőrendszerre is, ha viszont szuperponált állapotban volt, akkor a mérés után a szuperpozícióban résztvevő állapotok közül kiszelektálódik egy, amelynek megfelelő állapot terjed ki a teljes rendszerre, és mi ezt érzékeljük mérési eredményként.

Ezt az egész dolgot a dekoherencia témaköre taglalja egyébként.