Σε αυτήν την ανάρτηση ιστολογίου, θα εξετάσουμε το υπόβαθρο της κβαντομηχανικής, τα κύρια σημεία της ερμηνείας της Κοπεγχάγης και της ερμηνείας των πολλών κόσμων, καθώς και τον τρόπο με τον οποίο αυτές οι δύο ερμηνείες βλέπουν την «παρατήρηση», και στη συνέχεια θα αναλογιστούμε τον σκοπό της κβαντομηχανικής.
Πολύ παλιά στην ιστορία της φυσικής, ο Max Planck δημοσίευσε μια εργασία και πειραματικά αποτελέσματα βασισμένα στα πειράματά του για την ακτινοβολία μέλανος σώματος, δηλώνοντας ότι «όλη η ενέργεια αποτελείται από πολύ μικρά πακέτα με διακριτές τιμές». Αυτό κλόνισε τα θεμέλια της επικρατούσας άποψης μεταξύ των φυσικών εκείνης της εποχής, οι οποίοι πίστευαν ότι όλα τα φαινόμενα στον μακροσκοπικό κόσμο μπορούσαν να εξηγηθούν από τη Νευτώνεια μηχανική. Από αυτό το σημείο και μετά, καθώς ο εξοπλισμός μέτρησης προόδευε και οι φυσικοί απέκτησαν την ικανότητα να διεισδύουν στον μικροσκοπικό κόσμο, δημοσίευσαν διάφορα πειραματικά αποτελέσματα που αποκάλυψαν τους περιορισμούς της Νευτώνειας μηχανικής. Αυτά τα αποτελέσματα, τα οποία δεν μπορούσαν να εξηγηθούν από τις υπάρχουσες θεωρίες, σύντομα οδήγησαν στην αναγνώριση της ανάγκης για ένα νέο πλαίσιο μηχανικής - και έτσι γεννήθηκε η «κβαντική μηχανική». Η κβαντομηχανική σύντομα εδραίωσε τη θέση της παρέχοντας με επιτυχία απαντήσεις σε φυσικά φαινόμενα που δεν μπορούσαν να επιλυθούν από την υπάρχουσα φυσική, όπως η εξήγηση του φωτοηλεκτρικού φαινομένου από τον Αϊνστάιν και το μοντέλο του Μπορ για το φάσμα του ατόμου υδρογόνου. Επιπλέον, μέσω των προσπαθειών αμέτρητων φυσικών και εξελίξεων όπως η θεωρία μετασχηματισμού που προτάθηκε από τον Paul Dirac και τον Pascual Jordan, καθιερώθηκε ως ξεχωριστό πεδίο μελέτης.
Ωστόσο, αυτό απλώς σηματοδότησε την ολοκλήρωση της μαθηματικής «μορφής» - του εργαλείου που χρησιμοποιείται για την περιγραφή του περιεχομένου της κβαντομηχανικής - και δεν υπονοούσε ότι είχε καθιερωθεί από την οπτική γωνία της φυσικής ερμηνείας. Ακόμα και τώρα, δεκαετίες αργότερα, οι συγκρούσεις απόψεων συνεχίζονται μεταξύ εξέχοντων φυσικών σχετικά με την «ερμηνεία» των κβαντομηχανικών φαινομένων. Από την «ερμηνεία της Κοπεγχάγης» - που συχνά αναφέρεται ως η κυρίαρχη ερμηνεία - έως την «ερμηνεία των πολλών κόσμων», η οποία προέκυψε ως απάντηση στους περιορισμούς της πρώτης, και διάφορες άλλες ερμηνείες, αυτές οι διαφορετικές προσεγγίσεις συνεχίζουν να αλληλοσυμπληρώνονται αντιμετωπίζοντας τα κενά που καμία μεμονωμένη ερμηνεία δεν μπορεί να εξηγήσει πλήρως. Σε ένα συνέδριο κβαντομηχανικής που πραγματοποιήθηκε στην Αυστρία στο παρελθόν, διεξήχθη δημοσκόπηση μεταξύ 33 παγκοσμίου φήμης φυσικών με το ερώτημα ποια ερμηνεία υποστήριζαν. Η ερμηνεία της Κοπεγχάγης έλαβε το 42%, η ερμηνεία της θεωρίας της πληροφορίας το 24% και η Ερμηνεία των Πολλών Κόσμων το 18%. Δεδομένου ότι καμία μεμονωμένη ερμηνεία δεν ξεπέρασε το 50% σε αυτήν τη δημοσκόπηση, φαίνεται σαφές ότι κάθε ερμηνεία έχει τους δικούς της περιορισμούς. Σε αυτό το άρθρο, θα παρουσιάσω εν συντομία την «ερμηνεία της Κοπεγχάγης» και την «ερμηνεία των πολλών κόσμων» —οι οποίες αντιπροσωπεύουν ένα σημαντικό μέρος του πεδίου και έχουν αντίθετες απόψεις σχετικά με την πράξη της «παρατήρησης»— και θα συζητήσω τους περιορισμούς τους. Η «ερμηνεία της θεωρίας της πληροφορίας» εξαιρείται από αυτήν τη συζήτηση επειδή βλέπει την κβαντομηχανική από μια οπτική γωνία κάπως διαφορετική από τις άλλες δύο.
Το βασικό πλαίσιο της ερμηνείας της Κοπεγχάγης, που προτάθηκε από τους Bohr και Heisenberg, έχει ως εξής: «Όσο ο παρατηρητής δεν εφαρμόζει μετρητικό εξοπλισμό, το ηλεκτρόνιο μέσα σε ένα άτομο κινείται σύμφωνα με τους νόμους της αιτιότητας. Ωστόσο, όταν επιχειρείται η περιγραφή του ηλεκτρονίου σε μια σταθερή θέση και χρόνο μέσα στον χωροχρόνο, παρεμβαίνουν διακριτές αλληλεπιδράσεις, με αποτέλεσμα να παρεκκλίνει από την αιτιότητα, και ο παρατηρητής δεν έχει άλλη επιλογή από το να βασιστεί στις κβαντικές πιθανότητες». Η Νευτώνεια μηχανική δηλώνει ότι τα σωματίδια που παρατηρούνται στον μακροσκοπικό κόσμο έχουν συγκεκριμένες, σαφώς καθορισμένες τιμές για τη θέση και την ορμή όταν κινούνται. Αυτό σημαίνει ότι στον μακροσκοπικό κόσμο, όπου υπάρχουν παρατηρητές - δηλαδή άνθρωποι - η θέση και η ορμή είναι σταθερές. Ωστόσο, στον μικροσκοπικό κόσμο, ένα ηλεκτρόνιο σε κίνηση υπάρχει σε μια κατάσταση όπου αυτές οι φυσικές ποσότητες δεν μπορούν να προσδιοριστούν οριστικά ως μία μόνο τιμή. Αντίθετα, διάφορες διαφορετικές καταστάσεις συνυπάρχουν ταυτόχρονα. Για παράδειγμα, εάν υπάρχουν τρεις πιθανές καταστάσεις - 1, 2 και 3 - που μπορεί να καταλάβει ένα ηλεκτρόνιο, το ηλεκτρόνιο υπάρχει και στις τρεις καταστάσεις ταυτόχρονα πριν παρατηρηθεί. Μαθηματικά, αυτό μπορεί να εκφραστεί ως το άθροισμα των κυματοσυναρτήσεων που αντιστοιχούν στα 1, 2 και 3. Όταν ένας παρατηρητής στον μακροσκοπικό κόσμο παρατηρεί το ηλεκτρόνιο, το ηλεκτρόνιο ανάγεται σε μία μόνο κατάσταση μεταξύ των πολλών πιθανών καταστάσεων, η οποία καθορίζεται από την πιθανότητα που σχετίζεται με αυτήν την κατάσταση. Με άλλα λόγια, η πράξη της «παρατήρησης» αλλάζει την κατάσταση του ηλεκτρονίου. Για παράδειγμα, τη στιγμή που καθορίζεται ότι το ηλεκτρόνιο βρίσκεται στην κατάσταση 1, η πιθανότητα να υπάρχει στις καταστάσεις 2 και 3 ταυτόχρονα εξαφανίζεται. Αυτό είναι που η ερμηνεία της Κοπεγχάγης αναφέρει ως «κατάρρευση της κυματοσυνάρτησης». Συνεπώς, η πράξη της «παρατήρησης» έχει τεράστια σημασία στην ερμηνεία της Κοπεγχάγης.
Διάσημοι φυσικοί όπως ο Αϊνστάιν αντέκρουσαν την ερμηνεία της Κοπεγχάγης, επικαλούμενοι διάφορα νοητικά πειράματα ως αποδεικτικά στοιχεία. Μεταξύ αυτών, το πιο γνωστό είναι η «Γάτα του Σρέντινγκερ». Μέσα σε ένα σφραγισμένο κουτί βρίσκεται μια γάτα και μια συσκευή ικανή να απελευθερώνει δηλητήριο ανάλογα με την κβαντομηχανικά καθορισμένη κατάσταση ενός σωματιδίου. Το αν η γάτα μέσα στο κουτί είναι ζωντανή ή νεκρή μετά από ένα ορισμένο χρονικό διάστημα -το οποίο είναι από μόνο του μια κατάσταση- καθορίζεται μόνο τη στιγμή που ανοίγει το καπάκι και παρατηρείται η γάτα. Αυτό το νοητικό πείραμα καταδεικνύει ότι η εφαρμογή της πράξης της «παρατήρησης», η οποία έχει μεγάλη σημασία στον μικροσκοπικό κόσμο, στον μακροσκοπικό κόσμο οδηγεί σε παράξενα συμπεράσματα. Ως αποτέλεσμα, έχει προκαλέσει βαθύ προβληματισμό σχετικά με την έννοια της παρατήρησης στην κβαντομηχανική. Εδώ ξεκινά η «ερμηνεία των πολλών κόσμων».
Ο Έβερετ Γ΄, πρώην καθηγητής του Πανεπιστημίου του Πρίνστον, αντέκρουσε τους ισχυρισμούς της ερμηνείας της Κοπεγχάγης, υποστηρίζοντας ότι η κατανομή πιθανοτήτων ενός σωματιδίου δεν εξαφανίζεται μέσω της παρατήρησης, αλλά μάλλον ότι πολλαπλοί πιθανοί κόσμοι υπήρχαν από την αρχή. Με άλλα λόγια, η θέση ενός σωματιδίου δεν καθορίζεται σε μία μόνο τιμή μέσω της παρατήρησης. Αντίθετα, υπάρχουν ήδη πολλαπλοί παράλληλοι κόσμοι και απλώς παρατηρούμε έναν από αυτούς. Οι καταστάσεις που δεν παρατηρούμε άμεσα εκτυλίσσονται σε άλλους πιθανούς κόσμους. Για παράδειγμα, εάν η παρατήρησή μας αποφέρει την κατάσταση 2, οι άλλες καταστάσεις δεν εξαφανίζονται εκείνη τη στιγμή - εκτυλίσσονται σε άλλους κόσμους και απλώς δεν μπορούμε να τις παρατηρήσουμε.
Ωστόσο, η Ερμηνεία των Πολλαπλών Κόσμων σαφώς έχει τα προβλήματά της. Εάν ένα γεγονός που θα μπορούσε να συμβεί συμβαίνει σε όλους τους πιθανούς κόσμους, τι νόημα έχει καν η πιθανότητα που σχετίζεται με κάθε κατάσταση; Ο Έβερετ προσπάθησε να επιλύσει αυτό το πρόβλημα πολλαπλασιάζοντας απλώς κάθε κατάσταση με ένα βάρος. Ωστόσο, το τι σημαίνει για έναν κόσμο να είναι πιο σημαντικός από έναν άλλο παραμένει θέμα συζήτησης.
Λαμβάνοντας υπόψη αυτές τις δύο ερμηνείες - καθεμία με τη δική της σημασία και περιορισμούς - τείνω να προτιμώ την ερμηνεία της Κοπεγχάγης. Αν ανατρέξουμε στις απαρχές της κβαντομηχανικής, βλέπουμε ότι τελικά γεννήθηκε για να εξηγήσει φαινόμενα στον μικροσκοπικό κόσμο. Με άλλα λόγια, δεδομένου ότι δημιουργήθηκε για να αποκρυπτογραφήσει φαινόμενα μέσω της παρατήρησης και των γεγονότων που προκύπτουν, η πράξη παρατήρησης του παρατηρητή έχει τόσο σημαντικό νόημα. Στην πραγματική παρατήρηση σωματιδίων, για να παρατηρήσουμε την κατάσταση ενός μεμονωμένου σωματιδίου, πρέπει να ασκήσουμε ένα ορισμένο βαθμό επιρροής σε αυτό. Στη φυσική, αυτό ονομάζεται «διαταραχή». Με άλλα λόγια, η παρατήρηση της κατάστασης ενός σωματιδίου περιλαμβάνει την πρόκληση μιας μικρής αλλαγής στο σωματίδιο και στη συνέχεια την παρατήρηση της απόκρισής του. Αν και η σύνδεση μεταξύ της πρόκλησης μιας αλλαγής στο σωματίδιο και της κατάρρευσης της κυματοσυνάρτησης με μαθηματικούς όρους είναι κάπως ασαφής, συμφωνούν στο ότι και οι δύο αλλάζουν την αρχική κατάσταση. Αυτό σημαίνει ότι η ίδια η πράξη παρατήρησης είναι φυσικά σημαντική.
Η κβαντομηχανική έχει απομακρυνθεί από την ντετερμινιστική νοοτροπία της κλασικής Νευτώνειας μηχανικής και έχει υιοθετήσει μια πιθανοτική προσέγγιση. Πόσοι άνθρωποι θα μπορούσαν εύκολα να αποδεχτούν την ιδέα ότι η θέση ενός μήλου ακριβώς μπροστά τους αλλάζει με μεταβαλλόμενες πιθανότητες κάθε φορά που το κοιτάζουν; Είναι αλήθεια ότι τόσο η ερμηνεία της Κοπεγχάγης όσο και η ερμηνεία των Πολλών Κόσμων έχουν τη δική τους σημασία και περιορισμούς όσον αφορά την υποστήριξη των ανθρώπων - που είναι συνηθισμένοι στις συγκεκριμένες καταστάσεις των αντικειμένων - να κατανοήσουν τα φαινόμενα που συμβαίνουν στον μικροσκοπικό κόσμο. Είμαι φοιτητής μηχανικής που μελετά πώς να δημιουργεί νέες τεχνολογίες αξιοποιώντας επιστημονικά φαινόμενα και τα αποτελέσματα που λαμβάνονται από την παρατήρησή τους. Η ανάπτυξη της κβαντομηχανικής μας έχει παράσχει εργαλεία για την ερμηνεία φαινομένων στον μικροσκοπικό κόσμο, και αυτό έχει οδηγήσει άμεσα σε τεχνολογίες που είναι χρήσιμες για τους ανθρώπους. Ο εξοπλισμός MRI (Μαγνητική Τομογραφία), ο οποίος έχει συμβάλει σημαντικά στη σύγχρονη ιατρική, αναπτύχθηκε εφαρμόζοντας το φαινόμενο NMR (Πυρηνικός Μαγνητικός Τομογράφος) από την κβαντομηχανική. Αυτή η τεχνολογία χρησιμοποιείται όχι μόνο στη φασματοσκοπία - η οποία προσδιορίζει τις μοριακές δομές - αλλά ακόμη και στην εξερεύνηση πετρελαίου. Με βάση αυτό, πιστεύω ότι η ερμηνεία που ταιριάζει καλύτερα στην εξήγηση φαινομένων —κάτι που θεωρώ σκοπό της επιστήμης— θα έχει μεγαλύτερη σημασία.
