משתמש:Yaronkopy/ארגז חול

מצב קוונטי הוא דרך התיאור של מערכת במסגרת מכניקת הקוונטים. ישנן מספר דרכים מתמטיות ליצג מצב קוונטי, כשנפוצות ביותר הן פונקצית גל, וקטור מצב ומטריצת צפיפות, ומספר דרכים לרשום אותו כשהדרך הנפוצה ביותר היא סימון דיראק. עקב התכונות הייחודיות של מכניקת הקוונטים, ובמיוחד סופרפוזיציה, הדרך לתאר מצב מערכת היא שונה מבחינות רבות מהדרך הקלאסית שמבוססת על מציאות אובייקטיבית.

משמעות המושג

המצב הקוונטי נותן תיאור מושלם של כל המשתנים הדינמים של מערכת, כשכל האפיונים הקבועים שלה נתונים. לדוגמה המצב של חלקיק יתאר את מיקומו ואת התנע שלו בהנחה שמסתו ידועה. במכניקת הקוונטים כל האינפורמציה (על המשתנים הדינמים) נמצאת במצב אך ידיעת המצב אינה בהכרח מאפשרת ליחס ערך ודאי למשתנים אלו. אמירה זו, היכולה להישמע פרדוקסאלית נובעת מהתיאור של מכניקת הקוונטים את המציאות (או חוסר המציאות במובן מסוים). בתיאור זה משתנה של מערכת יכול להיות בסופרפוזיציה של ערכים ואין משמעות הדבר שיש לו את אחד הערכים אך הוא לא ידוע. לדוגמה חלקיק הנמצא בסופרפוזיציה של מיקומים שונים אינו שקול לחלקיק הנמצא באחד מהמיקומים איך איננו יודעים באיזה.

מדידות

למרות שמצב קוונטי נותן תיאור הקשה מאוד ליישוב עם תפישת המציאות כפי שאנו חווים אותה, הוא משמש לניבוי והסבר של תופעות פיסיקליות רבות הנצפות בניסויים רבים. הקשר בין המצב לתוצאות המדידות נתון על ידי חוק בורן, שנותן דרך לחזות את התוצאות לפי המצב הקוונטי, אך חוק זה נותן רק את ההסתברות לתוצאה מסוימת. כלומר, אם משתנה כלשהוא הוא בסופרפוזיציה של ערכים שונים, לא נוכל לדעת מה יהיה הערך שנקבל כשננסה למדוד אותו, אלה רק את הסיכוי לקבל כל ערך. מכך גם נובע שלא ניתן למדוד את המצב הקוונטי ישירות, כלומר, אין דרך לחלץ את כל האינפורמציה על מצבה של מערכת בודדת.

משתנים חבויים

טיבעה המשונה של מכניקת הקוונטים הניעו אנשים לחשוב שקיימת אינפורמציה נוספת שאינה נכללת במצב הקוונטי. סוג זה של אינפורמציה נקרא משתנים חבויים. ההנחה היא שישנו תיאור בסיסי יותר של המערכת באמצעות משתנים אחרים האומר מהו המצב האמיתי וממנו יהיה ניתן להסיק בוודאות את תוצאות כל מדידה. בגישה זאת, המצב הקוונטי הוא רק תיאור אפקטיבי הנובע מכך שאיננו יודעים את המשתנים החבויים ואת החוקים המנחים אותם. בעיקבות משפט בל התברר שכדי שמשתנים חבויים יתאימו לתורת הקוונטים הם אינם יכולים לקיים את עקרון המקומיות.

הצגה וסימונים

כדי לתאר מערכת צריך אוסף מספרים לפי כמות דרגות החופש של המערכת לכן כל אוסף כזה יכול לייצג את המצב הקוונטי. דוגמאות לאוספים כאלו המסודרים במבנה מתמטי הן וקטור מצב, פונקצית גל, מטריצת צפיפות, שתי הזוויות של כדור בלוך או שני מספרים, m ו-l, המציינים את התנע הזוויתי.

פעמים רבות כתיבת המספרים, גם בצורת משתנים או וקטור, היא מסורבלת ואינה תורמת להבנת הרעיון או החישוב הנידונים ולכן סימון דיראק המיצג מצב קוונטי כללי ללא פרטים שאינם נחוצים, הוא שימושי למדי. סימון זה גם תואם את הפורמליזם הנפוץ של מכניקת הקוונטים.