V tomto blogovém příspěvku se podíváme na pozadí kvantové mechaniky, hlavní body kodaňské interpretace a interpretace mnoha světů a na to, jak tyto dvě interpretace vnímají „pozorování“, a poté se zamyslíme nad účelem kvantové mechaniky.
Kdysi dávno v historii fyziky publikoval Max Planck článek a experimentální výsledky založené na jeho experimentech se zářením černého tělesa, v němž uvedl, že „veškerá energie se skládá z velmi malých balíčků s diskrétními hodnotami“. To otřáslo základy převládajícího názoru tehdejších fyziků, kteří věřili, že všechny jevy v makroskopickém světě lze vysvětlit newtonovskou mechanikou. Od tohoto okamžiku, jak se měřicí zařízení zlepšovala a fyzici získávali schopnost nahlédnout do mikroskopického světa, publikovali různé experimentální výsledky, které odhalily omezení newtonovské mechaniky. Tyto výsledky, které nebylo možné vysvětlit existujícími teoriemi, brzy vedly k uznání potřeby nového rámce mechaniky – a tak se zrodila „kvantová mechanika“. Kvantová mechanika brzy upevnila svou pozici tím, že úspěšně poskytla odpovědi na přírodní jevy, které nebylo možné vyřešit existující fyzikou, jako například Einsteinovo vysvětlení fotoelektrického jevu a Bohrův model spektra atomu vodíku. Navíc se díky úsilí nesčetných fyziků a vývojům, jako je transformační teorie navržená Paulem Diracem a Pascualem Jordanem, etablovala jako samostatný studijní obor.
To však pouze znamenalo dokončení matematické „formy“ – nástroje používaného k popisu obsahu kvantové mechaniky – a neznamenalo to, že byl stanoven z pohledu fyzikální interpretace. I nyní, o několik desetiletí později, přetrvávají mezi významnými fyziky názorové spory ohledně „interpretace“ kvantově mechanických jevů. Od „kodaňské interpretace“ – často označované jako mainstreamová interpretace – až po „mnohosvětovou interpretaci“, která vznikla v reakci na omezení první interpretace, a různé další interpretace se tyto různé přístupy nadále vzájemně doplňují tím, že řeší mezery, které žádná jednotlivá interpretace nedokáže plně vysvětlit. Na konferenci o kvantové mechanice, která se v minulosti konala v Rakousku, byl mezi 33 světově uznávanými fyziky proveden průzkum, který se ptal, kterou interpretaci podporují; kodaňská interpretace získala 42 %, informačně-teoretická interpretace 24 % a mnohosvětová interpretace 18 %. Vzhledem k tomu, že žádná jednotlivá interpretace v tomto průzkumu nepřekročila 50 %, zdá se jasné, že každá interpretace má svá vlastní omezení. V tomto článku stručně představím „kodaňskou interpretaci“ a „interpretaci mnoha světů“ – které tvoří významnou část oboru a zastávají protichůdné názory na akt „pozorování“ – a proberu jejich omezení. „Informačně-teoretická interpretace“ je z této diskuse vyloučena, protože nahlíží na kvantovou mechaniku z perspektivy poněkud odlišné od ostatních dvou.
Základní rámec kodaňské interpretace, kterou navrhli Bohr a Heisenberg, je následující: „Dokud pozorovatel nepoužívá měřicí zařízení, elektron v atomu se pohybuje podle zákonů kauzality. Při pokusu o popis elektronu v pevné poloze a čase v časoprostoru však dochází k diskrétním interakcím, které způsobují jeho odchylku od kauzality, a pozorovatel nemá jinou možnost než se spoléhat na kvantové pravděpodobnosti.“ Newtonovská mechanika uvádí, že částice pozorované v makroskopickém světě mají při pohybu specifické, dobře definované hodnoty polohy a hybnosti. To znamená, že v makroskopickém světě, kde existují pozorovatelé – tedy lidé – jsou poloha a hybnost pevné. V mikroskopickém světě však elektron v pohybu existuje ve stavu, kde tyto fyzikální veličiny nelze definitivně určit jako jednu hodnotu. Spíše koexistují současně různé různé stavy. Například pokud existují tři možné stavy – 1, 2 a 3 – které může elektron zaujímat, existuje elektron ve všech třech stavech současně, než je pozorován. Matematicky to lze vyjádřit jako součet vlnových funkcí odpovídajících stavům 1, 2 a 3. Když pozorovatel v makroskopickém světě pozoruje elektron, elektron se redukuje na jeden stav z mnoha možných stavů, určený pravděpodobností spojenou s tímto stavem. Jinými slovy, akt „pozorování“ změní stav elektronu. Například v okamžiku, kdy je elektron určen ve stavu 1, mizí možnost, že by existoval současně ve stavech 2 a 3. To je to, co kodaňská interpretace označuje jako „kolaps vlnové funkce“. V důsledku toho má akt „pozorování“ v kodaňské interpretaci obrovský význam.
Slavní fyzici jako Einstein vyvrátili kodaňskou interpretaci a jako důkaz uvedli různé myšlenkové experimenty. Mezi nimi je nejznámější „Schrödingerova kočka“. Uvnitř uzavřené krabice je kočka a zařízení schopné uvolňovat jed v závislosti na kvantově mechanicky určeném stavu částice. Zda je kočka uvnitř krabice po určité době – která je sama o sobě stavem – živá, nebo mrtvá, se určí pouze v okamžiku, kdy se víko otevře a kočka je pozorována. Tento myšlenkový experiment ilustruje, že aplikace aktu „pozorování“, který má v mikroskopickém světě velký význam, na makroskopický svět vede k podivným závěrům; v důsledku toho podnítil hluboké zamyšlení nad významem pozorování v kvantové mechanice. Zde začíná „interpretace mnoha světů“.
Everett III, dříve z Princetonské univerzity, vyvrátil tvrzení kodaňské interpretace a argumentoval, že rozdělení pravděpodobnosti částice nezmizí samotným pozorováním, ale spíše že od samého počátku existovalo více možných světů. Jinými slovy, poloha částice není pozorováním určena na jedinou hodnotu; spíše existuje více paralelních světů a my pouze pozorujeme jeden z nich. Stavy, které přímo nepozorujeme, se rozvíjejí v jiných možných světech. Například pokud naše pozorování dává stav 2, ostatní stavy v daném okamžiku nezmizí – rozvíjejí se v jiných světech a my je jednoduše nemůžeme pozorovat.
Interpretace mnoha světů má však zjevně své problémy. Pokud se událost, která by mohla nastat ve všech možných světech, stane ve všech možných světech, jaký význam má vůbec pravděpodobnost spojená s každým stavem? Everett se pokusil tento problém vyřešit pouhým vynásobením každého stavu vahou. Co však znamená, že jeden svět je důležitější než jiný, zůstává předmětem debaty.
Vzhledem k těmto dvěma interpretacím – každá s vlastním významem a omezeními – se přikláním ke kodaňské interpretaci. Pokud se vrátíme k počátkům kvantové mechaniky, vidíme, že se nakonec zrodila k vysvětlení jevů v mikroskopickém světě. Jinými slovy, jelikož byla stvořena k odhalení jevů prostřednictvím pozorování a výsledných faktů, má pozorovatelův akt pozorování tak významný význam. Při skutečném pozorování částic, abychom mohli pozorovat stav jedné částice, musíme na ni vyvinout určitý stupeň vlivu. Ve fyzice se to nazývá „perturbace“. Jinými slovy, pozorování stavu částice zahrnuje vyvolání mírné změny v částici a následné pozorování její odezvy. Ačkoli je spojení mezi vyvoláním změny v částici a kolapsem vlnové funkce z matematického hlediska poněkud nejednoznačné, shodují se v tom, že obě mění původní stav. To znamená, že samotný akt pozorování je fyzikálně významný.
Kvantová mechanika se odklonila od deterministického myšlení klasické Newtonovy mechaniky a přijala pravděpodobnostní přístup. Kolik lidí by snadno přijalo myšlenku, že se poloha jablka přímo před nimi mění s různou pravděpodobností pokaždé, když se na něj podívají? Je pravda, že jak kodaňská interpretace, tak interpretace mnoha světů mají svůj vlastní význam a omezení, pokud jde o pomoc lidem – kteří jsou zvyklí na určité stavy objektů – pochopit jevy vyskytující se v mikroskopickém světě. Jsem student inženýrství a studuji, jak vytvářet nové technologie s využitím vědeckých jevů a výsledků získaných jejich pozorováním. Rozvoj kvantové mechaniky nám poskytl nástroje pro interpretaci jevů v mikroskopickém světě, což přímo vedlo k technologiím, které jsou pro lidi užitečné. Zařízení MRI (magnetická rezonance), které významně přispělo k moderní medicíně, bylo vyvinuto aplikací jevu NMR (nukleární magnetická rezonance) z kvantové mechaniky; tato technologie se používá nejen ve spektroskopii – která určuje molekulární struktury – ale i při průzkumu ropy. Na základě toho se domnívám, že větší význam bude mít interpretace, která lépe vyhovuje vysvětlení jevů – což považuji za účel vědy.
