Selles blogipostituses uurime kvantmehaanika tausta, Kopenhaageni tõlgenduse ja paljude maailmade tõlgenduse põhipunkte ning seda, kuidas need kaks tõlgendust vaatlevad „vaatlust“, ja seejärel mõtiskleme kvantmehaanika eesmärgi üle.
Kaua aega tagasi füüsika ajaloos avaldas Max Planck oma musta keha kiirguskatsetel põhineva töö ja eksperimentaalsed tulemused, väites, et „kogu energia koosneb väga väikestest diskreetsete väärtustega pakettidest“. See raputas tolleaegsete füüsikute seas valitsenud arvamuse alustalasid, kes uskusid, et kõiki makroskoopilise maailma nähtusi saab seletada Newtoni mehaanikaga. Sellest hetkest alates, kui mõõteseadmed arenesid ja füüsikud said võimaluse piiluda mikroskoopilisse maailma, avaldasid nad mitmesuguseid eksperimentaalseid tulemusi, mis paljastasid Newtoni mehaanika piirangud. Need tulemused, mida olemasolevate teooriatega seletada ei suudetud, viisid peagi uue mehaanika raamistiku vajaduse äratundmiseni – ja nii sündiski „kvantmehaanika“. Kvantmehaanika kindlustas peagi oma positsiooni, pakkudes edukalt vastuseid loodusnähtustele, mida olemasolev füüsika ei suutnud lahendada, näiteks Einsteini fotoelektrilise efekti seletus ja Bohri vesinikuaatomi spektri mudel. Lisaks, tänu lugematutele füüsikute pingutustele ja sellistele arengutele nagu Paul Diraci ja Pascual Jordani pakutud transformatsiooniteooria, kujunes see eraldi uurimisvaldkonnaks.
See tähistas aga vaid matemaatilise „vormi” – kvantmehaanika sisu kirjeldamiseks kasutatava tööriista – valmimist ega tähendanud, et see oleks loodud füüsikalise interpretatsiooni vaatenurgast. Isegi praegu, aastakümneid hiljem, jätkuvad silmapaistvate füüsikute seas kvantmehaaniliste nähtuste „tõlgendamise” osas lahkarvamused. Alates „Kopenhaageni tõlgendusest” – mida sageli nimetatakse peavoolu tõlgenduseks – kuni „paljude maailmade tõlgenduseni”, mis tekkis vastusena esimese piirangutele, ja mitmesuguste teiste tõlgenduste puhul täiendavad need erinevad lähenemisviisid üksteist, käsitledes lünki, mida ükski tõlgendus ei suuda täielikult selgitada. Varem Austrias toimunud kvantmehaanika konverentsil viidi 33 maailmakuulsa füüsiku seas läbi küsitlus, millist tõlgendust nad toetavad; Kopenhaageni tõlgendus sai 42%, infoteoreetiline tõlgendus 24% ja paljude maailmade tõlgendus 18%. Arvestades, et ükski tõlgendus ei ületanud selles küsitluses 50%, tundub selge, et igal tõlgendusel on oma piirangud. Selles artiklis tutvustan lühidalt „Kopenhaageni tõlgendust“ ja „paljumaailmade tõlgendust“ – mis moodustavad olulise osa valdkonnast ja esindavad „vaatluse“ toimingu suhtes vastandlikke seisukohti – ning arutlen nende piirangute üle. „Informatsiooniteoreetiline tõlgendus“ on sellest arutelust välja jäetud, kuna see vaatleb kvantmehaanikat mõnevõrra erinevast vaatenurgast kui ülejäänud kaks.
Bohri ja Heisenbergi pakutud Kopenhaageni tõlgenduse põhiraamistik on järgmine: „Seni kuni vaatleja ei kasuta mõõteseadmeid, liigub aatomi sees olev elektron põhjuslikkuse seaduste kohaselt. Kui aga püütakse kirjeldada elektroni fikseeritud asendis ja ajas aegruumis, sekkuvad diskreetsed interaktsioonid, mis panevad selle kõrvale kalduma põhjuslikkusest, ja vaatlejal ei jää muud üle, kui toetuda kvanttõenäosustele.“ Newtoni mehaanika väidab, et makroskoopilises maailmas vaadeldavatel osakestel on liikumisel spetsiifilised, täpselt määratletud asukoha ja impulsi väärtused. See tähendab, et makroskoopilises maailmas, kus vaatlejad – st inimesed – eksisteerivad, on asukoht ja impulss fikseeritud. Mikroskoopilises maailmas eksisteerib liikuv elektron aga olekus, kus neid füüsikalisi suurusi ei saa lõplikult määrata ühe väärtusena. Pigem eksisteerivad samaaegselt mitmesugused erinevad olekud. Näiteks kui elektronil on kolm võimalikku olekut – 1, 2 ja 3 –, eksisteerib elektron kõigis kolmes olekus samaaegselt enne vaatlemist. Matemaatiliselt saab seda väljendada lainefunktsioonide summana, mis vastavad väärtustele 1, 2 ja 3. Kui makroskoopilises maailmas vaatleja elektroni jälgib, taandub elektron paljude võimalike olekute hulgas üheks olekuks, mis on määratud selle olekuga seotud tõenäosusega. Teisisõnu, "vaatluse" akt muudab elektroni olekut. Näiteks hetkel, mil elektron on määratud olema olekus 1, kaob selle olemasolu võimalus samaaegselt nii olekus 2 kui ka 3. Kopenhaageni tõlgendus nimetab seda "lainefunktsiooni kokkuvarisemiseks". Järelikult on "vaatluse" aktil Kopenhaageni tõlgenduses tohutu tähtsus.
Kuulsad füüsikud nagu Einstein lükkasid Kopenhaageni tõlgenduse ümber, viidates tõendina mitmesugustele mõtteeksperimentidele. Nende hulgas on tuntuim „Schrödingeri kass“. Suletud karbi sees on kass ja seade, mis on võimeline vabastama mürki olenevalt osakese kvantmehaaniliselt määratud olekust. See, kas karbis olev kass on teatud aja möödudes – mis iseenesest on olek – elus või surnud, määratakse alles hetkel, mil kaas avatakse ja kassi vaadeldakse. See mõtteeksperiment illustreerib, et mikroskoopilises maailmas suure tähtsusega „vaatluse“ akti rakendamine makroskoopilisele maailmale viib kummaliste järeldusteni; selle tulemusena on see ajendanud sügavalt mõtisklema vaatluse tähenduse üle kvantmehaanikas. Siit algab „paljude maailmade tõlgendus“.
Princetoni ülikooli endine Everett III lükkas Kopenhaageni tõlgenduse väited ümber, väites, et osakese tõenäosusjaotus ei kao vaatluse käigus, vaid et mitu võimalikku maailma eksisteerisid algusest peale. Teisisõnu, osakese asukohta ei määrata vaatluse kaudu ühe väärtusega; pigem on juba olemas mitu paralleelmaailma ja me lihtsalt vaatleme ühte neist. Olekud, mida me otseselt ei vaatle, toimuvad teistes võimalikes maailmades. Näiteks kui meie vaatlus annab oleku 2, siis teised olekud sel hetkel ei kao – need toimuvad teistes maailmades ja me lihtsalt ei saa neid jälgida.
Paljude maailmade tõlgendusel on aga selgelt omad probleemid. Kui sündmus, mis võiks aset leida kõigis võimalikes maailmades, siis mis tähendus on iga olekuga seotud tõenäosusel üldse? Everett püüdis seda lahendada, korrutades iga oleku lihtsalt kaaluga. Kuid see, mida tähendab ühe maailma olulisem olemine kui teises, jääb arutluse alla.
Neid kahte tõlgendust arvestades – mõlemal oma tähendus ja piirangud – kaldun ma Kopenhaageni tõlgenduse poole. Kui me läheme tagasi kvantmehaanika algusaegade juurde, näeme, et see sündis lõppkokkuvõttes mikroskoopilise maailma nähtuste selgitamiseks. Teisisõnu, kuna see loodi nähtuste lahtiharutamiseks vaatluse ja sellest tulenevate faktide kaudu, on vaatleja vaatlusaktil nii oluline tähendus. Osakeste tegeliku vaatluse puhul, et jälgida üksiku osakese olekut, peame sellele teatud määral mõju avaldama. Füüsikas nimetatakse seda "häirituseks". Teisisõnu, osakese oleku jälgimine hõlmab osakese väikese muutuse esilekutsumist ja seejärel selle reaktsiooni jälgimist. Kuigi seos osakese muutuse esilekutsumise ja lainefunktsiooni kokkuvarisemise vahel matemaatilises mõttes on mõnevõrra mitmetähenduslik, on nad ühel meelel selles, et mõlemad muudavad algset olekut. See tähendab, et vaatlusakt ise on füüsikaliselt oluline.
Kvantmehaanika on eemaldunud klassikalise Newtoni mehaanika deterministlikust mõtteviisist ja võtnud omaks tõenäosusliku lähenemisviisi. Kui paljud inimesed suudaksid kergesti aktsepteerida ideed, et õuna asukoht otse nende ees muutub iga kord, kui nad seda vaatavad, erineva tõenäosusega? On tõsi, et nii Kopenhaageni kui ka paljude maailmade tõlgendusel on oma tähtsus ja piirangud, kui on vaja aidata inimestel – kes on harjunud objektide kindlate olekutega – mõista mikroskoopilises maailmas toimuvaid nähtusi. Olen inseneritudeng, kes õpib, kuidas luua uusi tehnoloogiaid, kasutades teaduslikke nähtusi ja nende vaatlemisel saadud tulemusi. Kvantmehaanika areng on andnud meile vahendid mikroskoopilise maailma nähtuste tõlgendamiseks ja see on otseselt viinud tehnoloogiateni, mis on inimestele kasulikud. MRI (magnetresonantstomograafia) seadmed, mis on andnud olulise panuse tänapäeva meditsiini, töötati välja kvantmehaanikast pärit NMR (tuumamagnetresonants) nähtuse rakendamise teel; seda tehnoloogiat kasutatakse mitte ainult spektroskoopias – mis määrab molekulaarstruktuure –, vaid ka nafta uurimisel. Selle põhjal usun, et nähtuste selgitamiseks – mida ma pean teaduse eesmärgiks – paremini sobival tõlgendusel on suurem tähtsus.
