I dette blogindlæg vil vi undersøge baggrunden for kvantemekanik, hovedpointerne i Københavnerfortolkningen og mangeverdensfortolkningen, og hvordan disse to fortolkninger ser på "observation", og derefter reflektere over formålet med kvantemekanik.
For længe siden i fysikkens historie udgav Max Planck en artikel og eksperimentelle resultater baseret på hans eksperimenter med sortlegemestråling, hvori han fastslog, at "al energi består af meget små pakker med diskrete værdier." Dette rystede fundamentet for den fremherskende opfattelse blandt fysikere på det tidspunkt, som havde troet, at alle fænomener i den makroskopiske verden kunne forklares af Newtonsk mekanik. Fra dette tidspunkt og fremefter, efterhånden som måleudstyret udviklede sig, og fysikere fik evnen til at kigge ind i den mikroskopiske verden, udgav de forskellige eksperimentelle resultater, der afslørede begrænsningerne i Newtonsk mekanik. Disse resultater, som ikke kunne forklares af eksisterende teorier, førte snart til erkendelsen af behovet for en ny mekanikramme - og dermed blev "kvantemekanik" født. Kvantemekanikken cementerede hurtigt sin position ved med succes at give svar på naturfænomener, der ikke kunne løses af eksisterende fysik, såsom Einsteins forklaring af den fotoelektriske effekt og Bohrs model af hydrogenatomspektret. Desuden etablerede den sig som et særskilt studiefelt gennem indsatsen fra utallige fysikere og udviklinger såsom transformationsteorien foreslået af Paul Dirac og Pascual Jordan.
Dette betød dog blot færdiggørelsen af den matematiske "form" - det værktøj, der blev brugt til at beskrive indholdet af kvantemekanik - og indebar ikke, at den var blevet etableret ud fra et fysisk fortolkningsperspektiv. Selv nu, årtier senere, fortsætter meningskonflikter blandt fremtrædende fysikere angående "fortolkningen" af kvantemekaniske fænomener. Fra "København-fortolkningen" - ofte omtalt som mainstream-fortolkningen - til "mangeverdensfortolkningen", der opstod som reaktion på begrænsningerne i førstnævnte og forskellige andre fortolkninger, fortsætter disse forskellige tilgange med at supplere hinanden ved at adressere de huller, som ingen enkelt fortolkning fuldt ud kan forklare. På en kvantemekanikkonference, der blev afholdt i Østrig tidligere, blev der gennemført en meningsmåling blandt 33 verdenskendte fysikere, der spurgte, hvilken fortolkning de støttede; København-fortolkningen fik 42%, den informationsteoretiske fortolkning 24% og Mangeverdensfortolkningen 18%. I betragtning af at ingen enkelt fortolkning oversteg 50% i denne meningsmåling, synes det klart, at hver fortolkning har sine egne begrænsninger. I denne artikel vil jeg kort introducere "Københavnsfortolkningen" og "mangeverdensfortolkningen" – som udgør en betydelig del af feltet og har modsatrettede synspunkter på "observationens" handling – og diskutere deres begrænsninger. Den "informationsteoretiske fortolkning" er udeladt af denne diskussion, fordi den ser på kvantemekanikken fra et perspektiv, der er noget anderledes end de to andre.
Den grundlæggende ramme for Københavnerfortolkningen, foreslået af Bohr og Heisenberg, er som følger: "Så længe observatøren ikke anvender måleudstyr, bevæger elektronen i et atom sig i henhold til kausalitetslovene. Men når man forsøger at beskrive elektronen i en fast position og tid inden for rumtiden, griber diskrete interaktioner ind, hvilket får den til at afvige fra kausaliteten, og observatøren har intet andet valg end at stole på kvantesandsynligheder." Newtonsk mekanik siger, at partikler observeret i den makroskopiske verden besidder specifikke, veldefinerede værdier for position og momentum, når de bevæger sig. Det betyder, at i den makroskopiske verden, hvor observatører - det vil sige mennesker - eksisterer, er position og momentum faste. I den mikroskopiske verden eksisterer en elektron i bevægelse imidlertid i en tilstand, hvor disse fysiske størrelser ikke kan bestemmes definitivt som en enkelt værdi. I stedet sameksisterer forskellige tilstande samtidigt. For eksempel, hvis der er tre mulige tilstande - 1, 2 og 3 - som en elektron kan indtage, eksisterer elektronen i alle tre tilstande samtidigt, før den observeres. Matematisk kan dette udtrykkes som summen af bølgefunktionerne svarende til 1, 2 og 3. Når en observatør i den makroskopiske verden observerer elektronen, reduceres elektronen til en enkelt tilstand blandt de mange mulige tilstande, bestemt af sandsynligheden forbundet med den pågældende tilstand. Med andre ord ændrer "observations"-handlingen elektronens tilstand. For eksempel, i det øjeblik elektronen bestemmes til at være i tilstand 1, forsvinder muligheden for, at den eksisterer i tilstand 2 og 3 samtidig. Dette er, hvad Københavnerfortolkningen omtaler som "bølgefunktionens kollaps". Følgelig har "observations"-handlingen enorm betydning i Københavnerfortolkningen.
Berømte fysikere som Einstein afviste Københavnerfortolkningen og henviste til forskellige tankeeksperimenter som bevis. Blandt disse er den mest kendte "Schrödingers Kat". Inde i en forseglet æske er en kat og en anordning, der er i stand til at frigive gift afhængigt af en partikels kvantemekanisk bestemte tilstand. Om katten inde i æsken er levende eller død efter en vis tid - hvilket i sig selv er en tilstand - bestemmes først i det øjeblik, låget åbnes, og katten observeres. Dette tankeeksperiment illustrerer, at anvendelsen af "observation", som har stor betydning i den mikroskopiske verden, på den makroskopiske verden fører til mærkelige konklusioner; som et resultat har det ført til dyb refleksion over betydningen af observation i kvantemekanik. Det er her, "mangeverdensfortolkningen" begynder.
Everett III, tidligere fra Princeton University, afviste påstandene i Københavnsfortolkningen og argumenterede for, at sandsynlighedsfordelingen for en partikel ikke forsvinder gennem observationen, men snarere at flere mulige verdener eksisterede fra begyndelsen. Med andre ord bestemmes en partikels position ikke til en enkelt værdi gennem observation; snarere eksisterer der allerede flere parallelle verdener, og vi observerer blot en af dem. De tilstande, vi ikke direkte observerer, udfolder sig i andre mulige verdener. For eksempel, hvis vores observation giver tilstand 2, forsvinder de andre tilstande ikke i det øjeblik - de udfolder sig i andre verdener, og vi kan simpelthen ikke observere dem.
Mangeverdensfortolkningen har dog tydeligvis sine problemer. Hvis en begivenhed, der kunne forekomme, sker i alle mulige verdener, hvilken betydning har sandsynligheden forbundet med hver tilstand så overhovedet? Everett forsøgte at løse dette ved blot at gange hver tilstand med en vægt. Hvad det betyder, at én verden er vigtigere end en anden, er dog fortsat et emne for debat.
I betragtning af disse to fortolkninger – hver med sin egen betydning og begrænsninger – hælder jeg til Københavnerfortolkningen. Hvis vi går tilbage til kvantemekanikkens oprindelse, ser vi, at den i sidste ende blev født for at forklare fænomener i den mikroskopiske verden. Med andre ord, da den blev skabt for at opklare fænomener gennem observation og de resulterende fakta, har observatørens observationshandling en så betydelig betydning. I den faktiske observation af partikler skal vi for at observere tilstanden af en enkelt partikel udøve en vis grad af indflydelse på den. I fysik kaldes dette en "perturbation". Med andre ord involverer observation af en partikels tilstand at inducere en lille ændring i partiklen og derefter observere dens respons. Selvom forbindelsen mellem at inducere en ændring i partiklen og bølgefunktionens kollaps i matematiske termer er noget tvetydig, er de enige om, at begge ændrer den oprindelige tilstand. Det betyder, at selve observationshandlingen er fysisk betydningsfuld.
Kvantemekanikken har bevæget sig væk fra den deterministiske tankegang i klassisk Newtonsk mekanik og har taget en probabilistisk tilgang til sig. Hvor mange mennesker kunne nemt acceptere ideen om, at positionen af et æble lige foran dem ændrer sig med varierende sandsynligheder, hver gang de ser på det? Det er sandt, at både Københavnerfortolkningen og Mangeverdensfortolkningen har deres egen betydning og begrænsninger, når det kommer til at hjælpe mennesker - der er vant til objekters bestemte tilstande - med at forstå de fænomener, der forekommer i den mikroskopiske verden. Jeg er ingeniørstuderende, der studerer, hvordan man skaber nye teknologier ved at udnytte videnskabelige fænomener og de resultater, der opnås ved at observere dem. Udviklingen af kvantemekanikken har givet os værktøjer til at fortolke fænomener i den mikroskopiske verden, og dette har direkte ført til teknologier, der er nyttige for mennesker. MR-udstyr (Magnetic Resonance Imaging), som har ydet et betydeligt bidrag til moderne medicin, blev udviklet ved at anvende NMR-fænomenet (Nuclear Magnetic Resonance) fra kvantemekanikken; denne teknologi bruges ikke kun i spektroskopi - som bestemmer molekylære strukturer - men endda i olieefterforskning. Baseret på dette mener jeg, at den fortolkning, der er bedre egnet til at forklare fænomener – hvilket jeg anser for at være videnskabens formål – vil have større betydning.
