I dette blogindlæg vil vi undersøge, hvad bølgekollaps betyder, med fokus på Københavnerfortolkningen og mangeverdensfortolkningen blandt de forskellige fortolkninger af kvantemekanik, og overveje karakteristika og begrænsninger ved hver fortolkning.
Fra slutningen af det 19. århundrede til begyndelsen af det 20. århundrede begyndte der at dukke fænomener op, som ikke kunne forklares udelukkende med klassisk fysik. Maxwell og Einstein opdagede, at lys besidder både bølgelignende og partikellignende egenskaber. Max Born forudsagde, at partikler også besidder bølgelignende egenskaber. Davisson-Germers dobbeltspalteeksperiment siges at have eksperimentelt vist, at elektroner har bølgelignende adfærd. Et nærmere kig på dobbeltspalteeksperimentet afslører følgende: En enhed, der udsender elektroner, en plade med to spalter og en skærm er arrangeret i rækkefølge. Elektroner, der udsendes fra elektronkilden, passerer gennem de to spalter og når skærmen; når elektronernes ankomst til skærmen observeres, vises et interferensmønster. Et sådant mønster vises ikke, når der kun er én slids. Derfor skal en elektrons position forklares som en bølge, der passerer gennem begge spalter samtidigt. Kvantemekanikken opstod for at forklare disse fænomener. I kvantemekanik beskrives sandsynlighedsbølger som naturens grundlæggende byggesten. Sandsynlighedsbølger bruges til at beskrive materies tilstand. Materietilstanden omfatter egenskaber som position og spin. En sandsynlighedsbølge indikerer, at en værdi ikke er fastlagt på et enkelt punkt, men snarere at sandsynligheden for forekomst varierer på hvert punkt. Kvantemekanikken blev etableret i begyndelsen af det 20. århundrede, og adskillige eksperimentelle resultater fra den periode og derefter understøtter gyldigheden af denne teori. Kernen i denne teori ligger Schrödingers bølgeligning. Som den grundlæggende ligning i kvantemekanikken beskriver Schrödingers bølgeligning, hvordan en sandsynlighedsbølge ændrer sig over tid. Det er dog stadig uklart præcis, hvordan sådanne sandsynlighedsbølger relaterer sig til hverdagen. I hverdagen er de resultater, vi observerer, ikke flere tilstande, men én enkelt, bestemt tilstand – hvordan kan dette forklares? Hvad er en sandsynlighedsbølge, og er der en måde at forstå den på? For at besvare disse spørgsmål er der opstået forskellige fortolkninger af kvantemekanikken. I en tidligere undersøgelse foretaget på en kvantefysikkonference blev deltagerne spurgt om deres præferencer vedrørende hver fortolkning. Præferencen for Københavner-fortolkningen lå på 42%, det kvante-informative perspektiv på 24%, og mange-verdensfortolkningen på 18%. Som det fremgår af undersøgelsen, er Københavnerfortolkningen den mest almindelige fortolkning inden for fysikmiljøet. Københavnerfortolkningen er den, der blev udviklet fra kvantemekanikkens allerførste dage af forskere anført af Bohr. Brian Greene introducerede kerneprincippet i Københavnerfortolkningen som følger: "Når vi forsøger at observere en sandsynlighedsbølge direkte, forstyrrer selve observationen den." Københavnerfortolkningen forklarer, at sandsynlighedsbølgen i observationsøjeblikket ikke længere kan forblive i den tilstand og kollapser til et enkelt punkt. Det forklares, at resultatet af dette sammenbrud til et enkelt punkt er den virkelighed, vi er bekendt med. Denne proces kaldes bølgekollaps. Kvanteinformationsperspektivet forklarer, at universet i sig selv er sammensat af kvanteinformation, som udgør selve universets essens. Den postulerer, at alt er resultatet af kvanteberegninger, der involverer denne kvanteinformation. Fra dette synspunkt ses hele universet sommetider som en maskine, der udfører kvanteberegninger. Seth Lloyd har skrevet en bog, der overbevisende argumenterer for dette perspektiv. I den bog forklarede han informationens rolle, og hvordan den relaterer sig til faktiske fysiske love. For eksempel forklarede han, hvordan kvanteberegninger har en tendens til at sprede ukendt information, og uddybede de fysiske love relateret til entropi. Mangeverdensfortolkningen blev foreslået af Hugh Everett. Denne fortolkning accepterer ikke bølgefunktionskollaps, hvilket er hjørnestenen i Københavnerfortolkningen. I stedet postulerer den, at universet forgrener sig i flere verdener, og alle muligheder realiseres. Det forklarer således, at i hver verden opfatter en observatør den virkelighed, vi er bekendt med. Jeg finder konceptet med bølgefunktionskollaps – som kan ses som kernen i Københavnerfortolkningen – ikke overbevisende. Som Brian Greene påpegede, er grænsen for, hvad der udgør en "observation", uklar. Forklaringen lyder nogenlunde sådan her: bølgefunktionskollaps forekommer ikke, når mikroskopiske objekter vekselvirker med hinanden, men det forekommer, når en observatør foretager en måling; denne forklaring er dog vanskelig at acceptere.
Det er naturligt at antage, at fysikkens love gælder universelt og identisk i hele universet. Da observatøren også er en del af universet, mener jeg, at det er naturligt, at kvantemekanikkens love gælder ligeligt for alle handlinger, inklusive observation. Københavnerfortolkningen forklarer imidlertid, at bølgekollaps opstår som et resultat af observatørens observationshandling. Matematisk set er bølgekollaps også en operation, der er forskellig fra almindelige kvantemekaniske operationer. Selvom jeg ikke kan forklare processen, hvorved en sandsynlighedsbølgefunktion ændrer sig i detaljer her, kan den beskrives som en operation, der involverer multiplikation med en reversibel matrix med visse særlige egenskaber. "Reversibel" betyder, at der er en én-til-én-korrespondance mellem resultatet og den tilstand, der forårsagede det. Men når bølgefunktionen kollapser, brydes denne korrespondance. Systemet bliver fastlåst i en enkelt tilstand, hvilket gør det umuligt at gendanne den oprindelige tilstand. I tilfælde hvor observationens karakter er afgørende – som i Københavnerfortolkningen – introduceres konceptet med Heisenberg-snittet undertiden. Dette koncept postulerer, at kvantemekanikkens love gælder op til en bestemt grænse, og ud over denne grænse kollapser bølgefunktionen. Denne grænse er dog ikke klart defineret. Det kunne indstilles på niveau med objekter som elektroner eller protoner, eller det kunne indstilles på makroskopiske objekter som mennesker. Dette er utilfredsstillende, da det ikke præcist angiver, hvor denne grænse skal trækkes. Et velkendt eksempel, der illustrerer denne situation, er Schrödingers tankeeksperiment med katte. I dette tankeeksperiment optræder en partikel mindre end et atom og en kat. Den lille partikel kan henfalde med en vis sandsynlighed, en proces der kan forklares ved hjælp af kvantemekanik. En detektionsenhed er placeret ved siden af. Det siges, at i det øjeblik et sådant forfald opdages, udløses en mekanisme, der dræber katten. Dette rejser spørgsmålet om, hvorvidt katten er død eller levende i det øjeblik. Københavnerfortolkningen forklarer, at kattens tilstand – om den er levende eller død – bestemmes i det øjeblik, den observeres. Denne forklaring er baseret på den præmis, at selv makroskopiske objekter ikke oplever bølgekollaps. Det antyder, at selv store objekter skal betragtes inden for rammerne af kvantemekanik. Derfor findes der tankeeksperimenter, der tager denne situation til en endnu større ekstrem. I dette tankeeksperiment antager vi, at en ven udførte Schrödingers kattetankeeksperiment og observerede kattens tilstand. I et sådant tilfælde giver den ikke en endelig forklaring på, ved hvilken rand bølgefunktionen skal betragtes som kollapset. Med hensyn til denne grænse anser nogle omfanget af observatørens viden som afgørende, og dette siges at være relateret til sandsynlighed. Ikke desto mindre har Københavnerfortolkningen den fordel, at den nemt og klart forklarer de resultater, som observatøren observerer. Faktisk forklarer det resultaterne af forskellige eksperimenter meget godt. Det er tilstrækkeligt at anvende bølgekollaps i det øjeblik, man observerer de eksperimentelle resultater, eller når man interagerer med makroskopiske objekter. Det er en bekvem fortolkning, der ikke kræver, at man tager observationsudstyrets kvantetilstand i betragtning. En grund til dens store succes, på trods af det intuitivt vanskeligt accepterede resultat af bølgekollaps, er sandsynligvis dens evne til at forklare eksperimentelle resultater godt. Netop fordi bølgekollaps er en så unaturlig forklaring, mener jeg, at Mangeverdensfortolkningen kunne være et levedygtigt alternativ til Københavnerfortolkningen. Mangeverdensfortolkningen anerkender ikke bølgekollaps. Det siges at være en fortolkning udledt ved udelukkende at fokusere på Schrödingers bølgeligning. Da den ikke ser observationshandlingen som underlagt nogen særlige love, fortolker den processen som blot en ændring i bølgetilstanden, set ud fra bølgeligningen. Med andre ord forstås det, at når en observation foretages, kollapser bølgen ikke; snarere går observatøren og objektet ind i en kvantemekanisk sammenfiltret tilstand. For at forstå denne sammenfiltrede tilstand, lad os undersøge et eksempel fra Mange-Verdens-fortolkningens perspektiv, som ikke anerkender bølgekollaps. En elektrons spin kan enten være opad (↑) eller nedad (↓). Observationsudstyret er en enhed, der måler elektronens spin. Lad os antage, at observationsudstyrets tilstandsvindue har tre mulige tilstande: op (⟰), ned (⟱) og blank (). Lad os se på situationen før målingen. Elektronens spin og observationsudstyrets tilstandsvisningsvindue kan beskrives som indbyrdes uafhængige sandsynlighedsbølger. Elektronen er ikke fastsat som enten oppe (↑) eller nede (↓), men er repræsenteret af en sandsynlighedsbølge. Måleapparatet ville have været indstillet til tom tilstand () til eksperimentet, og der ville være en sandsynlighedsbølgefunktion, der repræsenterer denne situation. Lad os se på situationen efter målingen. På dette tidspunkt kan det ikke længere beskrives som uafhængige sandsynlighedsbølgefunktioner. Den overordnede tilstand beskrives i stedet af en enkelt sandsynlighedsbølgefunktion, der omfatter både elektronen og måleapparatet.
Specifikt er den repræsenteret af en enkelt sandsynlighedsbølgefunktion, der kun beskriver to mulige situationer: en hvor elektronens spin er opad, og observationsapparatets tilstandsvindue indikerer "op" (↑⟰), og en anden hvor elektronens spin er nedad, og observationsapparatets tilstandsvindue indikerer "nedad" (↓⟱). Dette fænomen, hvor flere tilstande ikke længere er uafhængige, beskrives som "sammenfiltring". Mangeverdensfortolkningen tager dette et skridt videre. Hvis man ser på eksemplet ovenfor, er der to mulige situationer (↑⟰, ↓⟱). Mangeverdensfortolkningen ser verden som opdelt i disse to tilstande. Det vil sige, at i én verden opstår ↑⟰-situationen, og i en anden verden opstår ↓⟱-situationen. Det siges, at der, når man undersøger Schrödingers ligning, ikke er noget større matematisk problem med at se den på denne måde. Hvis vi adskiller de mulige tilstande baseret på resultaterne af observationer og fortolker hvert resultat som en separat verden, er det netop Mange-Verdens-fortolkningen. Således ses enhver begivenhed, der kan betragtes som en observation, som en begivenhed, hvor verdener splittes. Følgelig realiseres enhver mulighed, der er kvantemekanisk mulig, i hver verden. Det aspekt ved Mangeverdensfortolkningen, som jeg finder mest tiltalende, er, at den ikke betragter observationshandlingen som noget særligt. Da selv observatøren ses som en del af en verden, der er underlagt de samme love inden for kvantemekanik, anser jeg denne fortolkning for at være mere universelt anvendelig. Mangeverdensfortolkningen står dog over for megen kritik. Der er ingen overbevisende forklaring på, hvad det betyder, at verden opdeles i flere verdener. Desuden er påstanden om, at der findes flere verdener, bizar i sig selv. Hvis verdener skabes kontinuerligt i det uendelige, er der ingen måde at forklare, hvordan vi overhovedet kan holde styr på så mange af dem. Desuden, hvis forskellige verdener er fuldstændig adskilte og ikke kan påvirke hinanden, kan man argumentere for, at eksistensen af andre verdener fra observatørens perspektiv er fuldstændig meningsløs. Fra det synspunkt bliver selve fortolkningen meningsløs. Derudover er der stadig en hel del udfordringer, der skal løses i Mangeverdensfortolkningen. For det første er en af de opgaver, der skal løses, at give en fyldestgørende forklaring på, hvilken verden en faktisk observatør vil opfatte. Der skal også være en måde at beskrive fænomener fra observatørens perspektiv – snarere end fra helhedens perspektiv – for at kunne forklare de fænomener, vi observerer i hverdagen. Dette skyldes, at vi ikke direkte observerer sandsynlighedsbølger, men kun deres udfald. Københavnerfortolkningen forklarer dette aspekt tydeligt. Københavnerfortolkningen hævder, at den verden, vi observerer, realiseres gennem bølgefunktionens kollaps, og den giver resultater, der stemmer overens med virkeligheden. Desuden burde Mangeverdensfortolkningen kunne forklare Københavnsfortolkningen. Hvis Mangeverdensfortolkningen er den korrekte, burde den – fra sit eget perspektiv – være i stand til at forklare, hvordan alle eksperimentelle resultater hidtil har stemt overens med forudsigelserne fra Københavnerfortolkningen. Derudover skal vi afgøre, under hvilke omstændigheder der kan opstå forskelle mellem de to fortolkninger. Derfor er det også en stor udfordring at etablere en forbindelse til Københavnertolkningen. Jeg støtter ikke Københavnerfortolkningens koncept om bølgekollaps, fordi det er uklart, hvornår det præcist skal anvendes, og jeg ser praksissen med at isolere måling som en separat proces som problematisk med hensyn til universalitet. I stedet mener jeg, at vi bør fastholde perspektivet om, at hele universet kan beskrives som en probabilistisk bølge i kvantemekanikken, og at observatøren også er en del af den. Derfor mener jeg, at Mangeverdensfortolkningen og lignende teorier kunne tjene som alternativer. Som tidligere nævnt er der dog også en række problemer med disse fortolkninger. Som det fremgår af undersøgelsesresultater, der involverer fysikere, er der endnu ikke nået nogen endelig konklusion vedrørende fortolkningen af kvantemekanikken. Nogle af de eksisterende fortolkninger har en historie med at være blevet modbevist af eksperimenter. Der er dog endnu ikke udført sådanne eksperimenter for Københavner-fortolkningen eller Many-Worlds-fortolkningen. Det er muligt, at der en dag vil blive udviklet eksperimentelle designs, der rent faktisk kan demonstrere forskellene mellem disse fortolkninger. Alternativt kan vi i sidste ende konkludere, at alle disse fortolkninger er lige gyldige. Derfor tror jeg, at i takt med at vores forståelse af fysikkens love uddybes, vil nye veje til fortolkning af kvantemekanikken åbne sig. Det bliver spændende at se den proces udvikle sig.
