V tomto blogovém příspěvku se budeme zabývat významem kolapsu vln, se zaměřením na kodaňskou interpretaci a interpretaci mnoha světů mezi různými interpretacemi kvantové mechaniky a zvážíme charakteristiky a omezení každé interpretace.
Od konce 19. století do začátku 20. století se začaly objevovat jevy, které nebylo možné vysvětlit pouze klasickou fyzikou. Maxwell a Einstein objevili, že světlo má jak vlnové, tak částicové vlastnosti. Max Born předpověděl, že i částice mají vlnové vlastnosti. Davissonův-Germerův experiment s dvojitou štěrbinou údajně experimentálně prokázal, že elektrony se chovají vlnově. Bližší pohled na experiment s dvojitou štěrbinou odhalí následující: Zařízení, které emituje elektrony, destička se dvěma štěrbinami a stínidlo jsou uspořádány postupně. Elektrony emitované ze zdroje elektronů procházejí dvěma štěrbinami a dosahují stínítka; když je pozorován příchod elektronů na stínítko, objeví se interferenční obrazec. Takový vzor se neobjeví, pokud je pouze jedna štěrbina. Polohu elektronu je proto nutné vysvětlit jako vlnu procházející oběma štěrbinami současně. Kvantová mechanika se objevila, aby tyto jevy vysvětlila. V kvantové mechanice jsou pravděpodobnostní vlny popisovány jako základní stavební kameny přírody. Pravděpodobnostní vlny se používají k popisu skupenství hmoty. Skupenství hmoty zahrnuje vlastnosti, jako je poloha a spin. Pravděpodobnostní vlna naznačuje, že hodnota není pevně stanovena v žádném bodě, ale že pravděpodobnost jejího výskytu se v každém bodě mění. Kvantová mechanika byla založena na počátku 20. století a četné experimentální výsledky z tohoto období i po něm podporují platnost této teorie. Jádrem této teorie je Schrödingerova vlnová rovnice. Schrödingerova vlnová rovnice, jakožto základní rovnice kvantové mechaniky, popisuje, jak se pravděpodobnostní vlna mění v čase. Zatím však není jasné, jak přesně se takové pravděpodobnostní vlny vztahují ke každodennímu životu. V každodenním životě pozorujeme nikoli více stavů, ale jeden, definitivní stav – jak lze toto vysvětlit? Co je to pravděpodobnostní vlna a existuje způsob, jak jí porozumět? Pro vyřešení těchto otázek se objevily různé interpretace kvantové mechaniky. V minulém průzkumu provedeném na konferenci o kvantové fyzice byli účastníci dotázáni na své preference ohledně jednotlivých interpretací. Preference kodaňské interpretace činila 42 %, kvantově-informační perspektivy 24 % a interpretace mnoha světů 18 %. Jak vyplývá z průzkumu, kodaňská interpretace je ve fyzikální komunitě mainstreamovou interpretací. Kodaňská interpretace je interpretace, kterou od samého počátku kvantové mechaniky rozvíjeli vědci v čele s Bohrem. Brian Greene představil základní princip Kodaňské interpretace takto: „Kdykoli se pokusíme pozorovat pravděpodobnostní vlnu přímo, samotný akt pozorování ji naruší.“ Kodaňská interpretace vysvětluje, že v okamžiku pozorování už pravděpodobnostní vlna nemůže v tomto stavu zůstat a zhroutí se do jediného bodu. Je vysvětleno, že výsledkem tohoto zhroucení do jediného bodu je realita, kterou známe. Tento proces se nazývá kolaps vln. Kvantová informační perspektiva vysvětluje, že samotný vesmír se skládá z kvantové informace, která tvoří samotnou podstatu vesmíru. Předpokládá, že vše je výsledkem kvantových výpočtů zahrnujících tuto kvantovou informaci. Z tohoto hlediska je celý vesmír někdy vnímán jako stroj provádějící kvantové výpočty. Seth Lloyd napsal knihu, která přesvědčivě argumentuje pro tento pohled na věc. V této knize vysvětlil roli informace a její vztah ke skutečným fyzikálním zákonům. Například vysvětlil, jak kvantové výpočty mají tendenci šířit neznámé informace, a rozvedl fyzikální zákony související s entropií. Interpretaci mnoha světů navrhl Hugh Everett. Tato interpretace neakceptuje kolaps vlnové funkce, který je základem kodaňské interpretace. Místo toho předpokládá, že vesmír se rozvětvuje do mnoha světů a všechny možnosti jsou realizovány. Vysvětluje to tedy, že v každém světě pozorovatel vnímá realitu, se kterou jsme obeznámeni. Koncept kolapsu vlnové funkce – který lze považovat za jádro kodaňské interpretace – považuji za nepřesvědčivý. Jak zdůraznil Brian Greene, hranice definující to, co představuje „pozorování“, je nejasná. Vysvětlení zní asi takto: ke kolapsu vlnové funkce nedochází, když mikroskopické objekty vzájemně interagují, ale dochází k němu, když pozorovatel provádí měření; toto vysvětlení je však obtížné přijmout.
Je přirozené předpokládat, že fyzikální zákony platí univerzálně a stejně v celém vesmíru. Jelikož je pozorovatel také součástí vesmíru, domnívám se, že je přirozené, že zákony kvantové mechaniky platí stejně pro všechny děje, včetně pozorování. Kodaňská interpretace však vysvětluje, že ke kolapsu vln dochází v důsledku pozorování pozorovatelem. Matematicky je kolaps vln také operací odlišnou od běžných kvantově mechanických operací. Ačkoli zde nemohu podrobně vysvětlit proces, kterým se vlnová funkce pravděpodobnosti mění, lze ji popsat jako operaci zahrnující násobení reverzibilní maticí s určitými speciálními vlastnostmi. „Reverzibilní“ znamená, že existuje jednoznačná korespondence mezi výsledkem a stavem, který jej způsobil. Nicméně, když dojde ke kolapsu vlnové funkce, tato korespondence je přerušena. Systém se fixuje v jednom stavu, takže je nemožné obnovit původní stav. V případech, kdy je povaha pozorování klíčová – například v kodaňské interpretaci – se někdy zavádí koncept Heisenbergova řezu. Tato koncepce předpokládá, že zákony kvantové mechaniky platí až do určité hranice a za touto hranicí vlnová funkce kolabuje. Tato hranice však není jasně definovaná. Mohlo by to být stanoveno na úrovni objektů, jako jsou elektrony nebo protony, nebo by to mohlo být stanoveno na úrovni makroskopických objektů, jako jsou lidé. To je neuspokojivé, protože to neurčuje, kde přesně by tato hranice měla být vytyčena. Známým příkladem, který tuto situaci ilustruje, je Schrödingerův myšlenkový experiment s kočkou. V tomto myšlenkovém experimentu se objeví částice menší než atom a kočka. Malá částice se může s určitou pravděpodobností rozpadnout, což je proces, který lze vysvětlit kvantovou mechanikou. Vedle něj je umístěno detekční zařízení. Říká se, že v okamžiku, kdy je takový rozklad zjištěn, se spustí mechanismus, který kočku zabije. To vyvolává otázku, zda je kočka v tu chvíli mrtvá, nebo živá. Kodaňská interpretace vysvětluje, že stav kočky – zda je živá nebo mrtvá – je určen v okamžiku, kdy je pozorována. Toto vysvětlení je založeno na předpokladu, že ani makroskopické objekty nezažívají kolaps vln. Naznačuje to, že i velké objekty musí být posuzovány v rámci kvantové mechaniky. V důsledku toho existují myšlenkové experimenty, které tuto situaci dovádějí do ještě většího extrému. V tomto myšlenkovém experimentu předpokládáme, že přítel provedl Schrödingerův myšlenkový experiment s kočkou a pozoroval stav kočky. V takovém případě neposkytuje definitivní vysvětlení, na které hranici by měla být vlnová funkce považována za zhroucenou. Pokud jde o tuto hranici, někteří považují rozsah znalostí pozorovatele za klíčový a říká se, že to souvisí s pravděpodobností. Kodaňská interpretace má nicméně výhodu v tom, že snadno a jasně vysvětluje výsledky pozorované pozorovatelem. Ve skutečnosti velmi dobře vysvětluje výsledky různých experimentů. Stačí aplikovat kolaps vln v okamžiku pozorování experimentálních výsledků nebo při interakci s makroskopickými objekty. Je to pohodlná interpretace, která nevyžaduje zohlednění kvantového stavu pozorovacího zařízení. Jedním z důvodů jeho velkého úspěchu, navzdory intuitivně obtížně přijatelnému výsledku kolapsu vln, je pravděpodobně jeho schopnost dobře vysvětlit experimentální výsledky. Právě proto, že kolaps vln je tak nepřirozené vysvětlení, věřím, že interpretace mnoha světů by mohla být schůdnou alternativou ke kodaňské interpretaci. Interpretace mnoha světů neuznává kolaps vln. Říká se, že jde o interpretaci odvozenou výhradně ze zaměření na Schrödingerovu vlnovou rovnici. Protože nepovažuje akt pozorování za podřízený žádným zvláštním zákonům, interpretuje proces jako pouhou změnu stavu vlny, jak je patrné z vlnové rovnice. Jinými slovy, chápe se, že když je provedeno pozorování, vlna se nezhroutí; spíše pozorovatel a objekt vstupují do kvantově mechanicky provázaného stavu. Abychom tomuto provázanému stavu porozuměli, podívejme se na příklad z pohledu interpretace mnoha světů, která neuznává kolaps vln. Spin elektronu může být buď nahoru (↑), nebo dolů (↓). Pozorovací zařízení je zařízení, které měří spin elektronu. Předpokládejme, že okno zobrazení stavu pozorovacího zařízení má tři možné stavy: nahoru (⟰), dolů (⟱) a prázdný (). Podívejme se na situaci před měřením. Spin elektronu a okno zobrazení stavu pozorovacího zařízení lze popsat jako vzájemně nezávislé pravděpodobnostní vlny. Elektron není fixován ani nahoru (↑), ani dolů (↓), ale je reprezentován pravděpodobnostní vlnou. Měřicí aparatura by byla pro experiment nastavena do prázdného stavu () a tuto situaci by reprezentovala pravděpodobnostní vlnová funkce. Podívejme se na situaci po měření. V tomto bodě to již nelze popsat jako nezávislé pravděpodobnostní vlnové funkce. Celkový stav je místo toho popsán jedinou pravděpodobnostní vlnovou funkcí, která zahrnuje jak elektron, tak měřicí zařízení.
Konkrétně je reprezentována jedinou pravděpodobnostní vlnovou funkcí, která popisuje pouze dvě možné situace: jednu, kdy spin elektronu směřuje nahoru a stavové okno pozorovacího zařízení ukazuje „nahoru“ (↑⟰), a druhou, kdy spin elektronu směřuje dolů a stavové okno pozorovacího zařízení ukazuje „dolů“ (↓⟱). Tento jev, kdy více států již není nezávislých, se popisuje jako „provázání“. Interpretace mnoha světů jde ještě o krok dál. V příkladu výše existují dvě možné situace (↑⟰, ↓⟱). Interpretace mnoha světů vnímá svět jako rozdělený do těchto dvou stavů. To znamená, že v jednom světě nastává situace ↑⟰ a v jiném světě situace ↓⟱. Říká se, že po zkoumání Schrödingerovy rovnice není s tímto pohledem žádný větší matematický problém. Pokud oddělíme možné stavy na základě výsledků pozorování a interpretujeme každý výsledek jako samostatný svět, pak se jedná přesně o interpretaci mnoha světů. Každá událost, kterou lze považovat za pozorování, je tedy vnímána jako událost, ve které se světy rozdělují. V důsledku toho je v každém světě realizována každá kvantově mechanicky proveditelná možnost. Aspekt interpretace mnoha světů, který považuji za nejpřitažlivější, je to, že nepovažuje akt pozorování za něco zvláštního. Jelikož i pozorovatel je vnímán jako součást světa podléhajícího stejným zákonům kvantové mechaniky, považuji tuto interpretaci za univerzálněji použitelnou. Interpretace mnoha světů však čelí mnoha kritikám. Neexistuje přesvědčivé vysvětlení, co znamená, že se svět rozděluje na více světů. Navíc tvrzení, že existuje více světů, je samo o sobě bizarní. Pokud jsou světy vytvářeny nepřetržitě do nekonečna, neexistuje způsob, jak vysvětlit, jak je možné, že si jich tolik můžeme udržet v paměti. Dále, pokud jsou různé světy zcela oddělené a nemohou se navzájem ovlivňovat, dalo by se namítnout, že z pohledu pozorovatele je existence jiných světů zcela bezvýznamná. Z tohoto hlediska se samotná interpretace stává bezvýznamnou. Kromě toho stále existuje poměrně dost problémů, které je třeba v interpretaci mnoha světů řešit. Zaprvé, poskytnutí adekvátního vysvětlení toho, jaký svět bude skutečný pozorovatel vnímat, je jedním z úkolů, které je třeba řešit. Musí také existovat způsob, jak popsat jevy z pohledu pozorovatele – spíše než z pohledu celku – aby bylo možné vysvětlit jevy, které pozorujeme v každodenním životě. Je to proto, že nepozorujeme přímo pravděpodobnostní vlny, ale pouze jejich výsledky. Kodaňská interpretace tento aspekt jasně vysvětluje. Kodaňská interpretace tvrdí, že svět, který pozorujeme, je realizován kolapsem vlnové funkce a přináší výsledky, které odpovídají realitě. Kromě toho by měla být interpretace mnoha světů schopna vysvětlit kodaňskou interpretaci. Pokud je interpretace mnoha světů správná, měla by být schopna vysvětlit – ze svého vlastního pohledu – jak všechny dosavadní experimentální výsledky odpovídají předpovědím kodaňské interpretace. Dále musíme určit, za jakých okolností by mohly mezi těmito dvěma interpretacemi vzniknout rozdíly. Proto je také velkou výzvou navázat spojení s kodaňskou interpretací. Nepodporuji koncept kolapsu vln podle kodaňské interpretace, protože není jasné, kdy přesně by měl být aplikován, a praxi izolace měření jako samostatného procesu považuji za problematickou z hlediska univerzálnosti. Místo toho se domnívám, že bychom měli zachovat perspektivu, že celý vesmír lze v kvantové mechanice popsat jako pravděpodobnostní vlnu a že pozorovatel je také její součástí. Proto si myslím, že Interpretace mnoha světů a podobné teorie by mohly sloužit jako alternativy. Jak již bylo zmíněno, i s těmito interpretacemi přetrvává několik problémů. Jak dokazují výsledky průzkumu mezi fyziky, ohledně interpretace kvantové mechaniky dosud nebylo dosaženo žádného definitivního závěru. Některé ze stávajících interpretací byly v minulosti experimentálně vyvráceny. Pro kodaňskou interpretaci ani pro interpretaci mnoha světů však dosud nebyly provedeny žádné takové experimenty. Je možné, že jednoho dne budou vyvinuty experimentální návrhy schopné skutečně demonstrovat rozdíly mezi těmito interpretacemi. Nebo můžeme nakonec dojít k závěru, že všechny tyto interpretace jsou stejně platné. Proto věřím, že s prohlubováním našeho chápání fyzikálních zákonů se otevřou nové cesty k interpretaci kvantové mechaniky. Bude fascinující sledovat, jak se tento proces odvíjí.
