في هذه المدونة، سندرس معنى انهيار الموجة، مع التركيز على تفسير كوبنهاغن وتفسير العوالم المتعددة من بين التفسيرات المختلفة لميكانيكا الكم، وسننظر في خصائص وقيود كل تفسير.
منذ أواخر القرن التاسع عشر وحتى أوائل القرن العشرين، بدأت تظهر ظواهر لا يمكن تفسيرها بالفيزياء الكلاسيكية وحدها. اكتشف ماكسويل وأينشتاين أن الضوء يمتلك خصائص موجية وخصائص جسيمية. توقع ماكس بورن أن الجسيمات أيضاً تمتلك خصائص موجية. يقال إن تجربة دافيسون-جيرمر ذات الشق المزدوج قد أثبتت تجريبياً أن الإلكترونات تمتلك سلوكاً موجياً. إن إلقاء نظرة فاحصة على تجربة الشق المزدوج يكشف ما يلي: يتم ترتيب جهاز يصدر الإلكترونات، ولوحة بها شقين، وشاشة على التوالي. تمر الإلكترونات المنبعثة من مصدر الإلكترونات عبر الشقين وتصل إلى الشاشة؛ وعندما تتم ملاحظة وصول الإلكترونات إلى الشاشة، يظهر نمط تداخل. لا يظهر هذا النمط عندما يكون هناك شق واحد فقط. لذلك، يجب تفسير موضع الإلكترون على أنه موجة تمر عبر كلا الشقين في وقت واحد. ظهرت ميكانيكا الكم لتفسير هذه الظواهر. في ميكانيكا الكم، توصف موجات الاحتمالية بأنها اللبنات الأساسية للطبيعة. تُستخدم موجات الاحتمالية لوصف حالة المادة. تشمل حالة المادة خصائص مثل الموقع والدوران. تشير موجة الاحتمالية إلى أن القيمة ليست ثابتة عند أي نقطة واحدة، بل إن احتمال حدوثها يختلف عند كل نقطة. تم تأسيس ميكانيكا الكم في أوائل القرن العشرين، وتدعم العديد من النتائج التجريبية من تلك الفترة وما بعدها صحة هذه النظرية. يكمن جوهر هذه النظرية في معادلة شرودنغر الموجية. باعتبارها المعادلة الأساسية لميكانيكا الكم، تصف معادلة شرودنغر الموجية كيف تتغير موجة الاحتمال بمرور الوقت. ومع ذلك، لا يزال من غير الواضح تمامًا كيف ترتبط موجات الاحتمالات هذه بالحياة اليومية. في الحياة اليومية، لا تكون النتائج التي نلاحظها حالات متعددة بل حالة واحدة محددة - كيف يمكن تفسير ذلك؟ ما هي الموجة الاحتمالية، وهل هناك طريقة لفهمها؟ ولحل هذه الأسئلة، ظهرت تفسيرات مختلفة لميكانيكا الكم. في استطلاع سابق أجري في مؤتمر للفيزياء الكمية، طُلب من المشاركين تحديد تفضيلاتهم فيما يتعلق بكل تفسير. بلغت نسبة تفضيل تفسير كوبنهاغن 42%، ونسبة تفضيل المنظور الكمي المعلوماتي 24%، ونسبة تفضيل تفسير العوالم المتعددة 18%. كما يتضح من الاستطلاع، فإن تفسير كوبنهاغن هو التفسير السائد داخل مجتمع الفيزياء. إن تفسير كوبنهاغن هو التفسير الذي تم تطويره منذ الأيام الأولى لميكانيكا الكم من قبل علماء بقيادة بور. قدّم برايان غرين المبدأ الأساسي لتفسير كوبنهاغن على النحو التالي: "عندما نحاول رصد موجة احتمالية بشكل مباشر، فإن فعل الرصد نفسه يُعطّلها". ويشرح تفسير كوبنهاغن أنه في لحظة الرصد، لا يمكن لموجة الاحتمالية أن تبقى في تلك الحالة وتنهار إلى نقطة واحدة. ويوضح أن نتيجة هذا الانهيار في نقطة واحدة هي الواقع الذي نعرفه. تُسمى هذه العملية بانهيار الموجة. يشرح منظور المعلومات الكمومية أن الكون نفسه يتكون من معلومات كمومية، والتي تشكل جوهر الكون نفسه. يفترض هذا أن كل شيء هو نتيجة حسابات كمومية تتضمن هذه المعلومات الكمومية. من هذا المنظور، يُنظر أحيانًا إلى الكون بأكمله على أنه آلة تقوم بعمليات حسابية كمومية. لقد كتب سيث لويد كتاباً يدافع فيه بشكل مقنع عن هذا المنظور. في ذلك الكتاب، شرح دور المعلومات وكيفية ارتباطها بالقوانين الفيزيائية الفعلية. فعلى سبيل المثال، شرح كيف تميل الحوسبة الكمومية إلى نشر معلومات غير معروفة، وتوسع في شرح القوانين الفيزيائية المتعلقة بالإنتروبيا. تم اقتراح تفسير العوالم المتعددة من قبل هيو إيفريت. لا يقبل هذا التفسير انهيار الدالة الموجية، وهو حجر الزاوية في تفسير كوبنهاغن. بدلاً من ذلك، تفترض هذه النظرية أن الكون يتفرع إلى عوالم متعددة، وأن جميع الاحتمالات تتحقق. وهكذا، يفسر ذلك أنه في كل عالم، يدرك المراقب الواقع الذي نعرفه. أجد مفهوم انهيار الدالة الموجية - والذي يمكن اعتباره جوهر تفسير كوبنهاغن - غير مقنع. كما أشار برايان غرين، فإن الحدود التي تحدد ما يشكل "ملاحظة" غير واضحة. التفسير كالتالي: لا يحدث انهيار الدالة الموجية عندما تتفاعل الأجسام المجهرية مع بعضها البعض، ولكنه يحدث عندما يقوم المراقب بإجراء قياس؛ ومع ذلك، يصعب قبول هذا التفسير.
من الطبيعي أن نفترض أن قوانين الفيزياء تنطبق بشكل عالمي ومتطابق في جميع أنحاء الكون. بما أن المراقب هو أيضاً جزء من الكون، فأعتقد أنه من الطبيعي أن تنطبق قوانين ميكانيكا الكم بالتساوي على جميع الأفعال، بما في ذلك الملاحظة. ومع ذلك، فإن تفسير كوبنهاغن يوضح أن انهيار الموجة يحدث نتيجة لفعل المراقبة الذي يقوم به المراقب. من الناحية الرياضية، يُعد انهيار الموجة عملية متميزة عن العمليات الميكانيكية الكمومية العادية. على الرغم من أنني لا أستطيع شرح العملية التي تتغير بها دالة الموجة الاحتمالية بالتفصيل هنا، إلا أنه يمكن وصفها بأنها عملية تتضمن الضرب بمصفوفة قابلة للعكس ذات خصائص خاصة معينة. "قابل للعكس" يعني وجود تطابق تام بين النتيجة والحالة التي تسببت بها. لكن عندما يحدث انهيار الدالة الموجية، ينقطع هذا التوافق. يصبح النظام ثابتاً في حالة واحدة، مما يجعل من المستحيل استعادة الحالة الأصلية. في الحالات التي تكون فيها طبيعة الملاحظة حاسمة - كما هو الحال في تفسير كوبنهاغن - يتم أحيانًا تقديم مفهوم قطع هايزنبرغ. يفترض هذا المفهوم أن قوانين ميكانيكا الكم تنطبق حتى حد معين، وما وراء هذا الحد، تنهار الدالة الموجية. لكن هذا الحد ليس محدداً بوضوح. يمكن ضبطه على مستوى أشياء مثل الإلكترونات أو البروتونات، أو يمكن ضبطه على مستوى أشياء ماكروسكوبية مثل البشر. هذا غير مُرضٍ لأنه لا يحدد المكان الذي ينبغي رسم هذا الحد فيه بالضبط. ومن الأمثلة المعروفة التي توضح هذا الوضع تجربة شرودنغر الفكرية عن القطط. في هذه التجربة الفكرية، يظهر جسيم أصغر من الذرة وقطة. يمكن للجسيم الصغير أن يتحلل باحتمالية معينة، وهي عملية يمكن تفسيرها بواسطة ميكانيكا الكم. تم وضع جهاز كشف بجانبه. يقال إنه في اللحظة التي يتم فيها اكتشاف مثل هذا التدهور، يتم تشغيل آلية تقتل القطة. وهذا يثير التساؤل عما إذا كانت القطة ميتة أم حية في تلك اللحظة. يشرح تفسير كوبنهاغن أن حالة القطة - سواء كانت حية أو ميتة - يتم تحديدها في اللحظة التي يتم فيها رصدها. يستند هذا التفسير إلى فرضية مفادها أن حتى الأجسام الكبيرة جدًا لا تتعرض لانهيار الموجة. يشير ذلك إلى أنه حتى الأجسام الكبيرة يجب النظر إليها في إطار ميكانيكا الكم. وبالتالي، توجد تجارب فكرية تأخذ هذا الوضع إلى أقصى حد. في هذه التجربة الفكرية، نفترض أن صديقًا أجرى تجربة قطة شرودنغر الفكرية ولاحظ حالة القطة. في مثل هذه الحالة، لا يقدم تفسيراً نهائياً للحدود التي ينبغي اعتبار أن الدالة الموجية قد انهارت عندها. فيما يتعلق بهذا الحد، يرى البعض أن مدى معرفة المراقب أمر بالغ الأهمية، ويقال إن هذا مرتبط بالاحتمالية. ومع ذلك، فإن تفسير كوبنهاغن يتميز بسهولة ووضوح شرح النتائج التي لاحظها المراقب. في الواقع، إنه يفسر نتائج التجارب المختلفة بشكل جيد للغاية. يكفي تطبيق انهيار الموجة في لحظة ملاحظة النتائج التجريبية أو عند التفاعل مع الأجسام العيانية. إنه تفسير ملائم لا يتطلب النظر في الحالة الكمومية لمعدات المراقبة. أحد أسباب نجاحها الكبير، على الرغم من النتيجة البديهية التي يصعب قبولها والمتمثلة في انهيار الموجة، هو على الأرجح قدرتها على تفسير النتائج التجريبية بشكل جيد. ولأن انهيار الموجة هو تفسير غير طبيعي، أعتقد أن تفسير العوالم المتعددة يمكن أن يكون بديلاً قابلاً للتطبيق لتفسير كوبنهاغن. لا يعترف تفسير العوالم المتعددة بانهيار الموجات. ويُقال إنها تفسير تم التوصل إليه من خلال التركيز فقط على معادلة شرودنغر الموجية. وبما أنها لا تعتبر فعل الملاحظة خاضعاً لأي قوانين خاصة، فإنها تفسر العملية ببساطة على أنها تغيير في حالة الموجة كما هو موضح من معادلة الموجة. بمعنى آخر، من المفهوم أنه عند إجراء الملاحظة، فإن الموجة لا تنهار؛ بل يدخل المراقب والجسم في حالة تشابك ميكانيكي كمي. لفهم هذه الحالة المتشابكة، دعونا نفحص مثالاً من منظور تفسير العوالم المتعددة، الذي لا يعترف بانهيار الموجة. يمكن أن يكون دوران الإلكترون لأعلى (↑) أو لأسفل (↓). جهاز المراقبة هو جهاز يقيس دوران الإلكترون. لنفترض أن نافذة عرض الحالة لمعدات المراقبة لها ثلاث حالات ممكنة: لأعلى (⟰)، ولأسفل (⟱)، وفارغة (). دعونا نلقي نظرة على الوضع قبل القياس. يمكن وصف دوران الإلكترون ونافذة عرض الحالة لمعدات المراقبة على أنهما موجات احتمالية مستقلة بشكل متبادل. لا يتم تحديد موقع الإلكترون على أنه لأعلى (↑) أو لأسفل (↓) ولكنه يتم تمثيله بموجة احتمالية. كان من المفترض أن يتم ضبط جهاز القياس على الحالة الفارغة () للتجربة، وسيكون هناك دالة موجية احتمالية تمثل هذا الوضع. دعونا ننظر إلى الوضع بعد القياس. عند هذه النقطة، لم يعد من الممكن وصفها بأنها دوال موجية احتمالية مستقلة. بدلاً من ذلك، يتم وصف الحالة العامة بواسطة دالة موجية احتمالية واحدة تشمل كلاً من الإلكترون وجهاز القياس.
على وجه التحديد، يتم تمثيلها بواسطة دالة موجية احتمالية واحدة تصف حالتين محتملتين فقط: حالة يكون فيها دوران الإلكترون لأعلى وتشير نافذة حالة جهاز المراقبة إلى "أعلى" (↑⟰)، وحالة أخرى يكون فيها دوران الإلكترون لأسفل وتشير نافذة حالة جهاز المراقبة إلى "أسفل" (↓⟱). تُوصف هذه الظاهرة، التي لم تعد فيها الحالات المتعددة مستقلة، بأنها "تشابك". ويأخذ تفسير العوالم المتعددة هذا الأمر خطوة إلى الأمام. بالنظر إلى المثال أعلاه، هناك حالتان محتملتان (↑⟰، ↓⟱). ينظر تفسير العوالم المتعددة إلى العالم على أنه منقسم إلى هاتين الحالتين. أي أنه في عالم واحد، يحدث الوضع ↑⟰، وفي عالم آخر، يحدث الوضع ↓⟱. يقال إنه عند فحص معادلة شرودنغر، لا توجد مشكلة رياضية كبيرة في النظر إليها بهذه الطريقة. إذا قمنا بفصل الحالات الممكنة بناءً على نتائج الملاحظات وفسرنا كل نتيجة على أنها عالم متميز، فهذا هو بالضبط تفسير العوالم المتعددة. وبالتالي، يُنظر إلى كل حدث يمكن اعتباره ملاحظة على أنه حدث انقسمت فيه العوالم. وبالتالي، فإن كل احتمال ممكن من الناحية الميكانيكية الكمومية يتحقق في كل عالم. إن الجانب الأكثر جاذبية في تفسير العوالم المتعددة هو أنه لا يعتبر فعل الملاحظة شيئاً مميزاً. وبما أن المراقب يُنظر إليه أيضاً كجزء من عالم يخضع لنفس قوانين ميكانيكا الكم، فأنا أعتبر هذا التفسير أكثر قابلية للتطبيق على نطاق عالمي. ومع ذلك، فإن تفسير العوالم المتعددة يواجه العديد من الانتقادات. لا يوجد تفسير مقنع لما يعنيه انقسام العالم إلى عوالم متعددة. علاوة على ذلك، فإن الادعاء بوجود عوالم متعددة أمر غريب في حد ذاته. إذا كانت العوالم تُخلق باستمرار إلى ما لا نهاية، فلا توجد طريقة لتفسير كيف يمكننا تتبع هذا العدد الكبير منها. علاوة على ذلك، إذا كانت العوالم المختلفة منفصلة تمامًا ولا يمكنها التأثير على بعضها البعض، فقد يجادل المرء بأنه من وجهة نظر المراقب، فإن وجود عوالم أخرى لا معنى له على الإطلاق. من هذا المنظور، يصبح التفسير نفسه بلا معنى. بالإضافة إلى ذلك، لا تزال هناك العديد من التحديات التي يجب معالجتها في تفسير العوالم المتعددة. أولاً، يُعد تقديم شرح وافٍ للعالم الذي سيدركه المراقب الفعلي أحد المهام التي يجب معالجتها. يجب أن تكون هناك أيضًا طريقة لوصف الظواهر من منظور المراقب - بدلاً من منظور الكل - من أجل شرح الظواهر التي نلاحظها في الحياة اليومية. وذلك لأننا لا نلاحظ موجات الاحتمالية بشكل مباشر، بل نلاحظ نتائجها فقط. يوضح تفسير كوبنهاغن هذا الجانب بوضوح. يرى تفسير كوبنهاغن أن العالم الذي نلاحظه يتحقق من خلال انهيار الدالة الموجية، ويؤدي إلى نتائج تتوافق مع الواقع. علاوة على ذلك، ينبغي أن يكون تفسير العوالم المتعددة قادراً على تفسير تفسير كوبنهاغن. إذا كان تفسير العوالم المتعددة هو التفسير الصحيح، فينبغي أن يكون قادراً على شرح - من منظوره الخاص - كيف تطابقت جميع النتائج التجريبية حتى الآن مع تنبؤات تفسير كوبنهاغن. علاوة على ذلك، يجب علينا تحديد الظروف التي قد تنشأ في ظلها اختلافات بين التفسيرين. لذلك، فإن إقامة صلة مع تفسير كوبنهاغن يمثل أيضاً تحدياً كبيراً. أنا لا أؤيد مفهوم انهيار الموجة في تفسير كوبنهاغن لأنه من غير الواضح متى يجب تطبيقه بالضبط، وأرى أن ممارسة عزل القياس كعملية منفصلة أمر إشكالي من حيث الشمولية. بدلاً من ذلك، أعتقد أنه ينبغي علينا الحفاظ على المنظور القائل بأن الكون بأكمله يمكن وصفه بأنه موجة احتمالية في ميكانيكا الكم، وأن المراقب هو أيضاً جزء منها. لذلك، أعتقد أن تفسير العوالم المتعددة والنظريات المماثلة يمكن أن تكون بمثابة بدائل. ومع ذلك، وكما ذكرنا سابقاً، لا تزال هناك عدة مشاكل تتعلق بهذه التفسيرات أيضاً. كما يتضح من نتائج الاستطلاع التي شملت الفيزيائيين، لم يتم التوصل إلى استنتاج نهائي حتى الآن فيما يتعلق بتفسير ميكانيكا الكم. بعض التفسيرات الحالية لها تاريخ من دحضها بالتجارب. ومع ذلك، لم يتم إجراء أي تجارب من هذا القبيل حتى الآن لتفسير كوبنهاغن أو تفسير العوالم المتعددة. من الممكن أن يتم تطوير تصميمات تجريبية قادرة على إظهار الاختلافات بين هذه التفسيرات في يوم من الأيام. أو بدلاً من ذلك، قد نخلص في النهاية إلى أن جميع هذه التفسيرات صحيحة بنفس القدر. لذلك، أعتقد أنه مع تعمق فهمنا لقوانين الفيزياء، ستُفتح آفاق جديدة لتفسير ميكانيكا الكم. سيكون من المثير للاهتمام مشاهدة تطور هذه العملية.
