В тази публикация в блога ще разгледаме какво означава колапс на вълната, като се фокусираме върху Копенхагенската интерпретация и интерпретацията на многото светове сред различните интерпретации на квантовата механика, и ще разгледаме характеристиките и ограниченията на всяка интерпретация.
От края на 19-ти до началото на 20-ти век започват да се появяват явления, които не могат да бъдат обяснени само с класическата физика. Максуел и Айнщайн открили, че светлината притежава както вълнообразни, така и корпускулярни свойства. Макс Борн предсказа, че частиците също притежават вълнообразни свойства. Твърди се, че експериментът с двоен процеп на Дейвисън-Гермер е експериментално доказал, че електроните притежават вълнообразно поведение. По-внимателният поглед върху експеримента с двоен процеп разкрива следното: Устройство, което излъчва електрони, пластина с два процепа и екран са подредени последователно. Електроните, излъчвани от източника на електрони, преминават през двата процепа и достигат екрана; когато се наблюдава пристигането на електроните на екрана, се появява интерферентен модел. Такъв модел не се появява, когато има само един прорез. Следователно, позицията на електрона трябва да се обясни като вълна, преминаваща едновременно през двата процепа. Квантовата механика се появи, за да обясни тези явления. В квантовата механика вероятностните вълни се описват като фундаментални градивни елементи на природата. Вероятностните вълни се използват за описание на състоянието на материята. Агрегатното състояние на материята включва свойства като положение и спин. Вероятностната вълна показва, че дадена стойност не е фиксирана в нито една точка, а по-скоро вероятността за нейното възникване варира във всяка точка. Квантовата механика е създадена в началото на 20-ти век и многобройни експериментални резултати от този период и след това подкрепят валидността на тази теория. В основата на тази теория лежи вълновото уравнение на Шрьодингер. Като фундаментално уравнение на квантовата механика, вълновото уравнение на Шрьодингер описва как вероятностната вълна се променя с течение на времето. Въпреки това, остава неясно как точно подобни вероятностни вълни се свързват с ежедневието. В ежедневието резултатите, които наблюдаваме, не са множество състояния, а едно-единствено, определено състояние – как може да се обясни това? Какво е вероятностна вълна и има ли начин да я разберем? За да се разрешат тези въпроси, са се появили различни интерпретации на квантовата механика. В предишно проучване, проведено на конференция по квантова физика, участниците бяха попитани за предпочитанията си относно всяка интерпретация. Предпочитанието за Копенхагенската интерпретация е 42%, за квантово-информационната перспектива - 24%, а за многосветовата интерпретация - 18%. Както се вижда от проучването, Копенхагенската интерпретация е основната интерпретация във физическата общност. Копенхагенската интерпретация е тази, разработена от най-ранните дни на квантовата механика от учени, водени от Бор. Брайън Грийн представи основния принцип на Копенхагенската интерпретация по следния начин: „Винаги, когато се опитваме да наблюдаваме вероятностна вълна директно, самият акт на наблюдение я нарушава.“ Копенхагенската интерпретация обяснява, че в момента на наблюдение вероятностната вълна вече не може да остане в това състояние и се слива в една точка. Обяснява се, че резултатът от това сливане в една-единствена точка е реалността, с която сме познати. Този процес се нарича колапс на вълната. Квантовата информационна перспектива обяснява, че самата вселена е съставена от квантова информация, която представлява самата същност на вселената. Той постулира, че всичко е резултат от квантови изчисления, включващи тази квантова информация. От тази гледна точка, цялата вселена понякога се разглежда като машина, извършваща квантови изчисления. Сет Лойд е написал книга, която убедително защитава тази гледна точка. В тази книга той обясни ролята на информацията и как тя се свързва с действителните физически закони. Например, той обясни как квантовите изчисления са склонни да разпространяват неизвестна информация и разгледа подробно физичните закони, свързани с ентропията. Интерпретацията на многото светове е предложена от Хю Еверет. Тази интерпретация не приема колапса на вълновата функция, който е крайъгълният камък на Копенхагенската интерпретация. Вместо това, той постулира, че вселената се разклонява на множество светове и всички възможности са реализирани. По този начин се обяснява, че във всеки свят наблюдателят възприема реалността, с която сме запознати. Намирам концепцията за колапс на вълновата функция – която може да се разглежда като ядрото на Копенхагенската интерпретация – неубедителна. Както посочи Брайън Грийн, границата, определяща какво представлява „наблюдение“, е неясна. Обяснението е горе-долу следното: колапс на вълновата функция не се случва, когато микроскопични обекти взаимодействат помежду си, но се случва, когато наблюдател прави измерване; това обяснение обаче е трудно за приемане.
Естествено е да се предположи, че законите на физиката важат универсално и еднакво в цялата вселена. Тъй като наблюдателят също е част от Вселената, аз вярвам, че е естествено законите на квантовата механика да се прилагат еднакво за всички действия, включително наблюдението. Копенхагенската интерпретация обаче обяснява, че колапсът на вълната се случва в резултат на акта на наблюдение от страна на наблюдателя. Математически, колапсът на вълната също е операция, различна от обикновените квантово-механични операции. Въпреки че не мога да обясня подробно процеса, чрез който се променя вероятностната вълнова функция, той може да бъде описан като операция, включваща умножение с обратима матрица с определени специални свойства. „Обратим“ означава, че има еднозначно съответствие между резултата и състоянието, което го е причинило. Когато обаче възникне колапс на вълновата функция, това съответствие се нарушава. Системата се фиксира в едно състояние, което прави невъзможно възстановяването на първоначалното състояние. В случаите, когато естеството на наблюдението е от решаващо значение – например в Копенхагенската интерпретация – понякога се въвежда концепцията за разрез на Хайзенберг. Тази концепция постулира, че законите на квантовата механика важат до определена граница, а отвъд тази граница вълновата функция се срива. Тази граница обаче не е ясно определена. Може да се постави на ниво обекти като електрони или протони, или може да се постави на ниво макроскопични обекти като хората. Това е незадоволително, защото не уточнява къде точно трябва да бъде начертана тази граница. Добре известен пример, който илюстрира тази ситуация, е мисловният експеримент с котката на Шрьодингер. В този мисловен експеримент се появяват частица, по-малка от атом, и котка. Малката частица може да се разпадне с определена вероятност, процес, който може да бъде обяснен от квантовата механика. До него е поставено детекторно устройство. Твърди се, че в момента, в който се открие подобно разпадане, се задейства механизъм, който убива котката. Това повдига въпроса дали котката е мъртва или жива в този момент. Копенхагенската интерпретация обяснява, че състоянието на котката – дали е жива или мъртва – се определя в момента, в който бъде наблюдавана. Това обяснение се основава на предпоставката, че дори макроскопичните обекти не изпитват колапс на вълните. Това предполага, че дори големи обекти трябва да се разглеждат в рамките на квантовата механика. Следователно, има мисловни експерименти, които довеждат тази ситуация до още по-голяма крайност. В този мисловен експеримент приемаме, че приятел е провел мисловния експеримент с котката на Шрьодингер и е наблюдавал състоянието на котката. В такъв случай, това не предоставя окончателно обяснение за това на коя граница вълновата функция трябва да се счита за колапсирана. Що се отнася до тази граница, някои считат обхвата на знанията на наблюдателя за решаващ и се твърди, че това е свързано с вероятността. Въпреки това, Копенхагенската интерпретация има предимството, че лесно и ясно обяснява наблюдаваните от наблюдателя резултати. Всъщност, това обяснява много добре резултатите от различни експерименти. Достатъчно е да се приложи колапс на вълната в момента на наблюдение на експерименталните резултати или при взаимодействие с макроскопични обекти. Това е удобна интерпретация, която не изисква отчитане на квантовото състояние на наблюдателната апаратура. Една от причините за големия му успех, въпреки интуитивно трудния за приемане резултат от колапс на вълните, вероятно е способността му да обясни добре експерименталните резултати. Именно защото колапсът на вълните е толкова неестествено обяснение, вярвам, че интерпретацията на многото светове би могла да бъде жизнеспособна алтернатива на интерпретацията от Копенхаген. Интерпретацията на многото светове не признава колапс на вълните. Твърди се, че това е интерпретация, получена чрез фокусиране единствено върху вълновото уравнение на Шрьодингер. Тъй като не разглежда акта на наблюдение като подчинен на някакви специални закони, той интерпретира процеса просто като промяна в състоянието на вълната, както се вижда от вълновото уравнение. С други думи, разбира се, че когато се прави наблюдение, вълната не се срива; по-скоро наблюдателят и обектът влизат в квантово-механично заплетено състояние. За да разберем това заплетено състояние, нека разгледаме пример от гледна точка на Интерпретацията на Многото Светове, която не признава колапс на вълните. Спинът на електрона може да бъде или нагоре (↑), или надолу (↓). Оборудването за наблюдение е устройство, което измерва спина на електрона. Да приемем, че прозорецът за показване на състоянието на наблюдателното оборудване има три възможни състояния: нагоре (⟰), надолу (⟱) и празно (). Нека разгледаме ситуацията преди измерването. Спинът на електрона и прозорецът за показване на състоянието на наблюдателното оборудване могат да бъдат описани като взаимно независими вероятностни вълни. Електронът не е фиксиран нито нагоре (↑), нито надолу (↓), а е представен от вероятностна вълна. Измервателният апарат би бил настроен на празно състояние () за експеримента и би имало вероятностна вълнова функция, представляваща тази ситуация. Нека разгледаме ситуацията след измерването. В този момент, тя вече не може да бъде описана като независими вероятностни вълнови функции. Общото състояние вместо това се описва от една вероятностна вълнова функция, която обхваща както електрона, така и измервателния апарат.
По-конкретно, тя е представена от единична вероятностна вълнова функция, която описва само две възможни ситуации: едната, при която спинът на електрона е нагоре и прозорецът на състоянието на наблюдателния апарат показва „нагоре“ (↑⟰), и другата, при която спинът на електрона е надолу и прозорецът на състоянието на наблюдателния апарат показва „надолу“ (↓⟱). Това явление, при което множество състояния вече не са независими, се описва като „заплитане“. Интерпретацията на многото светове отива още една крачка напред. Разглеждайки горния пример, има две възможни ситуации (↑⟰, ↓⟱). Интерпретацията на многото светове разглежда света като разделен на тези две състояния. Тоест, в един свят се случва ситуацията ↑⟰, а в друг свят се случва ситуацията ↓⟱. Твърди се, че след разглеждане на уравнението на Шрьодингер, няма голям математически проблем с това да се разглежда. Ако разделим възможните състояния въз основа на резултатите от наблюденията и интерпретираме всеки резултат като отделен свят, това е именно Интерпретацията на Многото Светове. По този начин всяко събитие, което може да се счита за наблюдение, се разглежда като събитие, при което световете се разделят. Следователно, всяка възможност, която е квантово-механично осъществима, се реализира във всеки свят. Аспектът на Интерпретацията на Многото Светове, който намирам за най-привлекателен, е, че тя не разглежда акта на наблюдение като нещо специално. Тъй като дори наблюдателят се разглежда като част от свят, подчинен на същите закони на квантовата механика, считам това тълкуване за по-универсално приложимо. Въпреки това, Интерпретацията на многото светове е изправена пред много критики. Няма убедително обяснение какво означава светът да се раздели на множество свята. Освен това, твърдението, че съществуват множество свята, е само по себе си странно. Ако световете се създават непрекъснато до безкрай, няма начин да се обясни как е възможно да следим толкова много от тях. Освен това, ако различните светове са напълно отделни и не могат да си влияят един на друг, може да се твърди, че от гледна точка на наблюдателя съществуването на други светове е напълно безсмислено. От тази гледна точка самото тълкуване става безсмислено. Освен това, все още има доста предизвикателства, които трябва да бъдат разгледани в интерпретацията на многото светове. Първо, предоставянето на адекватно обяснение за това кой свят ще възприеме един действителен наблюдател е една от задачите, които трябва да бъдат решени. Трябва да има и начин да се опишат явленията от гледна точка на наблюдателя – а не от гледна точка на цялото – за да се обяснят явленията, които наблюдаваме в ежедневието. Това е така, защото ние не наблюдаваме директно вероятностните вълни, а само техните резултати. Копенхагенската интерпретация ясно обяснява този аспект. Копенхагенската интерпретация твърди, че светът, който наблюдаваме, се реализира чрез колапса на вълновата функция и дава резултати, които съответстват на реалността. Освен това, Интерпретацията на многото светове би трябвало да може да обясни Копенхагенската интерпретация. Ако интерпретацията на многото светове е правилната, тя би трябвало да може да обясни – от своя гледна точка – как всички експериментални резултати до момента са съвпаднали с предсказанията на интерпретацията от Копенхаген. Освен това, трябва да определим при какви обстоятелства могат да възникнат разлики между двете тълкувания. Следователно, установяването на връзка с Копенхагенската интерпретация също е голямо предизвикателство. Не подкрепям концепцията за колапс на вълните от Копенхагенската интерпретация, защото не е ясно кога точно трябва да се прилага и смятам практиката за изолиране на измерването като отделен процес за проблематична от гледна точка на универсалността. Вместо това, аз вярвам, че трябва да поддържаме перспективата, че цялата вселена може да бъде описана като вероятностна вълна в квантовата механика и че наблюдателят също е част от нея. Следователно, мисля, че Интерпретацията на многото светове и подобни теории биха могли да послужат като алтернативи. Въпреки това, както бе споменато по-рано, с тези интерпретации остават и няколко проблема. Както се вижда от резултатите от проучване, включващо физици, все още не е постигнато окончателно заключение относно интерпретацията на квантовата механика. Някои от съществуващите интерпретации имат история на опровергаване чрез експерименти. Въпреки това, все още не са провеждани подобни експерименти за Копенхагенската интерпретация или интерпретацията на многото светове. Възможно е някой ден да бъдат разработени експериментални проекти, способни действително да демонстрират разликите между тези интерпретации. Като алтернатива, в крайна сметка можем да заключим, че всички тези тълкувания са еднакво валидни. Ето защо вярвам, че с задълбочаването на разбирането ни за законите на физиката ще се открият нови пътища за интерпретиране на квантовата механика. Ще бъде вълнуващо да наблюдаваме как се развива този процес.
