В тази публикация в блога ще разгледаме предисторията на квантовата механика, основните моменти на Копенхагенската интерпретация и интерпретацията за многото светове, както и как тези две интерпретации разглеждат „наблюдението“, а след това ще разсъждаваме върху целта на квантовата механика.
Много отдавна в историята на физиката, Макс Планк публикува статия и експериментални резултати, базирани на неговите експерименти с излъчване на абсолютно черно тяло, заявявайки, че „цялата енергия се състои от много малки пакети с дискретни стойности“. Това разклати основите на преобладаващото схващане сред физиците по това време, които вярваха, че всички явления в макроскопичния свят могат да бъдат обяснени с Нютоновата механика. От този момент нататък, с напредването на измервателната техника и придобиването на способността на физиците да надникнат в микроскопичния свят, те публикуваха различни експериментални резултати, които разкриваха ограниченията на Нютоновата механика. Тези резултати, които не можеха да бъдат обяснени със съществуващите теории, скоро доведоха до признаването на необходимостта от нова рамка на механиката – и така се роди „квантовата механика“. Квантовата механика скоро затвърди позициите си, като успешно предостави отговори на природни явления, които не можеха да бъдат решени от съществуващата физика, като например обяснението на Айнщайн за фотоелектричния ефект и модела на Бор за спектъра на водородния атом. Освен това, чрез усилията на безброй физици и разработки, като например теорията за трансформация, предложена от Пол Дирак и Паскуал Жордан, тя се утвърди като отделна област на изследване.
Това обаче само означаваше завършването на математическата „форма“ – инструментът, използван за описание на съдържанието на квантовата механика – и не означаваше, че тя е била установена от гледна точка на физическата интерпретация. Дори сега, десетилетия по-късно, продължават конфликтите на мнения сред видни физици относно „интерпретацията“ на квантово-механичните явления. От „Копенхагенската интерпретация“ – често наричана основната интерпретация – до „многосветовата интерпретация“, която се появи в отговор на ограниченията на първата, и различни други интерпретации, тези различни подходи продължават да се допълват взаимно, като се справят с пропуските, които нито една интерпретация не може да обясни напълно. На конференция по квантова механика, проведена в Австрия в миналото, беше проведена анкета сред 33 световноизвестни физици, с въпрос коя интерпретация подкрепят; Копенхагенската интерпретация получи 42%, информационно-теоретичната интерпретация 24%, а Многосветовата интерпретация 18%. Като се има предвид, че нито една интерпретация не надмина 50% в тази анкета, изглежда ясно, че всяка интерпретация има свои собствени ограничения. В тази статия ще представя накратко „Копенхагенската интерпретация“ и „интерпретацията на многото светове“ – които представляват значителна част от областта и поддържат противоположни гледни точки относно акта на „наблюдение“ – и ще обсъдя техните ограничения. „Информационно-теоретичната интерпретация“ е изключена от тази дискусия, защото разглежда квантовата механика от перспектива, донякъде различна от другите две.
Основната рамка на Копенхагенската интерпретация, предложена от Бор и Хайзенберг, е следната: „Докато наблюдателят не използва измервателна апаратура, електронът в атома се движи съгласно законите за причинно-следствената връзка. Въпреки това, когато се опитваме да опишем електрона във фиксирана позиция и време в рамките на пространство-времето, се намесват дискретни взаимодействия, които го карат да се отклони от причинно-следствената връзка, и наблюдателят няма друг избор, освен да разчита на квантови вероятности.“ Нютоновата механика твърди, че частиците, наблюдавани в макроскопичния свят, притежават специфични, добре дефинирани стойности за позиция и импулс, когато се движат. Това означава, че в макроскопичния свят, където съществуват наблюдатели – тоест хората – позицията и импулсът са фиксирани. В микроскопичния свят обаче електрон в движение съществува в състояние, в което тези физически величини не могат да бъдат окончателно определени като единична стойност. По-скоро едновременно съществуват различни състояния. Например, ако има три възможни състояния – 1, 2 и 3 – които един електрон може да заема, електронът съществува и в трите състояния едновременно, преди да бъде наблюдаван. Математически това може да се изрази като сума от вълновите функции, съответстващи на 1, 2 и 3. Когато наблюдател в макроскопичния свят наблюдава електрона, той се редуцира до едно единствено състояние измежду многото възможни състояния, определено от вероятността, свързана с това състояние. С други думи, актът на „наблюдение“ променя състоянието на електрона. Например, в момента, в който се определи, че електронът е в състояние 1, възможността той да съществува едновременно в състояния 2 и 3 изчезва. Това е, което Копенхагенската интерпретация нарича „колапс на вълновата функция“. Следователно, актът на „наблюдение“ има огромно значение в Копенхагенската интерпретация.
Известни физици като Айнщайн опровергаха Копенхагенската интерпретация, позовавайки се на различни мисловни експерименти като доказателство. Сред тях най-известният е „Котката на Шрьодингер“. Вътре в запечатана кутия има котка и устройство, способно да отделя отрова в зависимост от квантово-механично определеното състояние на частицата. Дали котката вътре в кутията е жива или мъртва след определен период от време – което само по себе си е състояние – се определя само в момента, в който капакът се отвори и котката се наблюдава. Този мисловен експеримент илюстрира, че прилагането на акта на „наблюдение“, който има голямо значение в микроскопичния свят, към макроскопичния свят води до странни заключения; в резултат на това е предизвикало дълбок размисъл върху значението на наблюдението в квантовата механика. Тук започва „многосветовата интерпретация“.
Еверет III, бивш преподавател в Принстънския университет, опроверга твърденията на Копенхагенската интерпретация, като твърди, че разпределението на вероятностите на една частица не изчезва чрез акта на наблюдение, а по-скоро, че множество възможни святове са съществували от самото начало. С други думи, позицията на една частица не се определя с една единствена стойност чрез наблюдение; по-скоро вече съществуват множество паралелни свята и ние просто наблюдаваме един от тях. Състоянията, които не наблюдаваме директно, се разгръщат в други възможни светове. Например, ако нашето наблюдение доведе до състояние 2, останалите състояния не изчезват в този момент – те се разгръщат в други светове и ние просто не можем да ги наблюдаваме.
Интерпретацията на многото светове обаче очевидно има своите проблеми. Ако събитие, което може да се случи във всички възможни светове, се случи, какво значение има вероятността, свързана с всяко състояние? Еверет се опита да реши това, като просто умножи всяко състояние по тегло. Какво означава обаче един свят да е по-важен от друг, остава предмет на дебат.
Като се имат предвид тези две интерпретации – всяка със собствено значение и ограничения – аз съм склонен да предпочета Копенхагенската интерпретация. Ако се върнем към корените на квантовата механика, виждаме, че тя в крайна сметка е родена, за да обясни явленията в микроскопичния свят. С други думи, тъй като е създадена, за да разгадае явленията чрез наблюдение и произтичащите от това факти, актът на наблюдение от страна на наблюдателя има толкова важно значение. При самото наблюдение на частици, за да наблюдаваме състоянието на една частица, трябва да упражним известна степен на влияние върху нея. Във физиката това се нарича „пертурбация“. С други думи, наблюдението на състоянието на частица включва предизвикване на лека промяна в нея и след това наблюдение на нейния отговор. Въпреки че връзката между предизвикване на промяна в частицата и колапса на вълновата функция в математически термини е донякъде неясна, те са съгласни, че и двете променят първоначалното състояние. Това означава, че самият акт на наблюдение е физически значим.
Квантовата механика се е отдалечила от детерминистичния начин на мислене на класическата Нютонова механика и е възприела вероятностен подход. Колко хора биха могли лесно да приемат идеята, че позицията на ябълка точно пред тях се променя с различна вероятност всеки път, когато я погледнат? Вярно е, че както Копенхагенската интерпретация, така и интерпретацията на многото светове имат своето значение и ограничения, когато става въпрос за подпомагане на хората – които са свикнали с определените състояния на обектите – да разберат явленията, протичащи в микроскопичния свят. Аз съм студент по инженерство, който учи как да създава нови технологии, като използва научни явления и резултатите, получени от наблюдението им. Развитието на квантовата механика ни предостави инструменти за интерпретация на явленията в микроскопичния свят и това директно доведе до технологии, които са полезни за хората. Оборудването за ЯМР (магнитно-резонансна томография), което е допринесло значително за съвременната медицина, е разработено чрез прилагане на феномена ЯМР (ядрено-магнитен резонанс) от квантовата механика; тази технология се използва не само в спектроскопията – която определя молекулярните структури – но дори и в проучването на нефт. Въз основа на това вярвам, че интерпретацията, която е по-подходяща за обяснение на явленията – което аз считам за целта на науката – ще има по-голямо значение.
