Tässä blogikirjoituksessa tarkastelemme, mitä aallon romahdus tarkoittaa, keskittyen kvanttimekaniikan eri tulkintojen joukossa Kööpenhaminan tulkintaan ja monimaailmatulkintaan, ja tarkastelemme kunkin tulkinnan ominaisuuksia ja rajoituksia.
19-luvun lopulta 20-luvun alkuun alkoi ilmetä ilmiöitä, joita ei voitu selittää pelkästään klassisella fysiikalla. Maxwell ja Einstein havaitsivat, että valolla on sekä aaltomaisia että hiukkasmaisia ominaisuuksia. Max Born ennusti, että myös hiukkasilla on aaltomaisia ominaisuuksia. Davisson-Germerin kaksoisrakokokeen sanotaan osoittaneen kokeellisesti, että elektroneilla on aaltomainen käyttäytyminen. Lähempi tarkastelu kaksoisrakokokeesta paljastaa seuraavan: Elektroneja emittoiva laite, kahdella raolla varustettu levy ja näyttö on järjestetty peräkkäin. Elektronilähteestä lähtevät elektronit kulkevat kahden raon läpi ja saavuttavat kuvaruudun; kun elektronien saapuminen kuvaruudulle havaitaan, näkyviin tulee interferenssikuvio. Tällainen kuvio ei näy, kun rakoja on vain yksi. Siksi elektronin sijainti on selitettävä aaltona, joka kulkee molempien rakojen läpi samanaikaisesti. Kvanttimekaniikka syntyi selittämään näitä ilmiöitä. Kvanttimekaniikassa todennäköisyysaaltoja kuvataan luonnon peruspilareiksi. Todennäköisyysaaltoja käytetään kuvaamaan aineen olomuotoa. Aineen olomuotoon kuuluvat ominaisuudet, kuten sijainti ja spin. Todennäköisyysaalto osoittaa, että arvo ei ole kiinteä missään yksittäisessä pisteessä, vaan sen esiintymistodennäköisyys vaihtelee jokaisessa pisteessä. Kvanttimekaniikka perustettiin 20-luvun alkupuolella, ja lukuisat kokeelliset tulokset tuolta ajalta ja sen jälkeen tukevat tämän teorian pätevyyttä. Tämän teorian ytimessä on Schrödingerin aaltoyhtälö. Kvanttimekaniikan perusyhtälönä Schrödingerin aaltoyhtälö kuvaa, kuinka todennäköisyysaalto muuttuu ajan kuluessa. On kuitenkin edelleen epäselvää, miten tällaiset todennäköisyysaallot liittyvät tarkalleen arkielämään. Arkielämässä havaitsemamme tulokset eivät ole useita tiloja, vaan yksi ainoa, selkeä tila – miten tämä voidaan selittää? Mikä on todennäköisyysaalto, ja onko olemassa tapa ymmärtää sitä? Näiden kysymysten ratkaisemiseksi on syntynyt erilaisia kvanttimekaniikan tulkintoja. Aiemmassa kvanttifysiikan konferenssissa tehdyssä kyselyssä osallistujilta kysyttiin heidän mieltymyksiään kunkin tulkinnan suhteen. Kööpenhaminan tulkinnan kannatus oli 42 %, kvantti-informaatioperspektiivin 24 % ja monimaailmatulkinnan 18 %. Kuten kyselystä käy ilmi, Kööpenhaminan tulkinta on fyysikkoyhteisön valtavirran tulkinta. Kööpenhaminan tulkinta on se, jonka Bohrin johtamat tutkijat kehittivät kvanttimekaniikan alkuaikoina. Brian Greene esitteli Kööpenhaminan tulkinnan ydinperiaatteen seuraavasti: ”Aina kun yritämme havaita todennäköisyysaaltoa suoraan, itse havainnointitoiminto häiritsee sitä.” Kööpenhaminan tulkinta selittää, että havainnointihetkellä todennäköisyysaalto ei voi enää pysyä tässä tilassa ja romahtaa yhdeksi pisteeksi. Selitetään, että tämän yhdeksi pisteeksi romahtamisen tulos on meille tuttu todellisuus. Tätä prosessia kutsutaan aallon romahtamiseksi. Kvantti-informaationäkökulma selittää, että maailmankaikkeus itse koostuu kvantti-informaatiosta, joka muodostaa maailmankaikkeuden olemuksen. Se olettaa, että kaikki on kvanttilaskelmien tulosta, joihin liittyy tämä kvantti-informaatio. Tästä näkökulmasta koko maailmankaikkeutta pidetään joskus koneena, joka suorittaa kvanttilaskelmia. Seth Lloyd on kirjoittanut kirjan, joka puolustaa tätä näkökulmaa vakuuttavasti. Tuossa kirjassa hän selitti tiedon roolin ja sen suhteen todellisiin fysiikan lakeihin. Hän esimerkiksi selitti, miten kvanttilaskenta pyrkii levittämään tuntematonta tietoa, ja tarkensi entropiaan liittyviä fysiikan lakeja. Monimaailmatulkinnan ehdotti Hugh Everett. Tämä tulkinta ei hyväksy aaltofunktion romahtamista, joka on Kööpenhaminan tulkinnan kulmakivi. Sen sijaan se esittää, että maailmankaikkeus haarautuu useisiin maailmoihin ja kaikki mahdollisuudet toteutuvat. Näin ollen se selittää, että jokaisessa maailmassa tarkkailija havaitsee meille tutun todellisuuden. Mielestäni aaltofunktion romahtamisen käsite – jota voidaan pitää Kööpenhaminan tulkinnan ytimenä – ei ole vakuuttava. Kuten Brian Greene huomautti, "havainnon" raja on epäselvä. Selitys menee suurin piirtein näin: aaltofunktion romahdus ei tapahdu, kun mikroskooppiset kappaleet ovat vuorovaikutuksessa keskenään, mutta se tapahtuu, kun havaitsija tekee mittauksen; tätä selitystä on kuitenkin vaikea hyväksyä.
On luonnollista olettaa, että fysiikan lait pätevät yleisesti ja samalla tavalla koko maailmankaikkeudessa. Koska havaitsija on myös osa maailmankaikkeutta, uskon olevan luonnollista, että kvanttimekaniikan lait pätevät tasapuolisesti kaikkiin toimintoihin, myös havainnointiin. Kööpenhaminan tulkinta kuitenkin selittää, että aallon romahdus tapahtuu tarkkailijan havaintotoiminnan seurauksena. Matemaattisesti aallon romahdus on myös operaatio, joka eroaa tavallisista kvanttimekaanisista operaatioista. Vaikka en pysty tässä yksityiskohtaisesti selittämään prosessia, jossa todennäköisyysaaltofunktio muuttuu, sitä voidaan kuvailla operaationa, johon liittyy kertolasku tiettyjä erityisominaisuuksia omaavalla palautuvalla matriisilla. ”Palautuva” tarkoittaa, että tuloksen ja sen aiheuttaneen tilan välillä on yksi-yhteen vastaavuus. Kuitenkin, kun aaltofunktion romahdus tapahtuu, tämä vastaavuus katkeaa. Järjestelmä jumiutuu yhteen tilaan, jolloin alkuperäisen tilan palauttaminen on mahdotonta. Tapauksissa, joissa havainnon luonne on ratkaisevan tärkeä – kuten Kööpenhaminan tulkinnassa – otetaan joskus käyttöön Heisenbergin leikkauksen käsite. Tämä käsite olettaa, että kvanttimekaniikan lait pätevät tiettyyn rajaan asti, ja tämän rajan ulkopuolella aaltofunktio romahtaa. Tätä rajaa ei kuitenkaan ole selvästi määritelty. Se voitaisiin asettaa esineiden, kuten elektronien tai protonien, tasolle tai se voitaisiin asettaa makroskooppisille esineille, kuten ihmisille. Tämä on epätyydyttävää, koska siinä ei tarkalleen ottaen määritellä, mihin raja tulisi vetää. Tunnettu esimerkki tästä tilanteesta on Schrödingerin kissa-ajatuskoe. Tässä ajatuskokeessa ilmestyy atomia pienempi hiukkanen ja kissa. Pieni hiukkanen voi hajota tietyllä todennäköisyydellä, prosessi, joka voidaan selittää kvanttimekaniikalla. Sen viereen on sijoitettu tunnistuslaite. Sanotaan, että heti kun tällainen mätäneminen havaitaan, käynnistyy mekanismi, joka tappaa kissan. Tämä herättää kysymyksen siitä, onko kissa kuollut vai elossa tuolla hetkellä. Kööpenhaminan tulkinnan mukaan kissan tila – onko se elossa vai kuollut – määräytyy sillä hetkellä, kun se havaitaan. Tämä selitys perustuu oletukseen, että edes makroskooppiset kohteet eivät koe aaltojen romahtamista. Se viittaa siihen, että jopa suuria kappaleita on tarkasteltava kvanttimekaniikan viitekehyksessä. Tämän seurauksena on olemassa ajatuskokeita, jotka vievät tämän tilanteen vielä suurempaan äärimmäisyyteen. Tässä ajatuskokeessa oletamme, että ystävämme suoritti Schrödingerin kissa -ajatuskokeen ja tarkkaili kissan tilaa. Tällaisessa tapauksessa se ei tarjoa lopullista selitystä sille, millä rajalla aaltofunktion tulisi katsoa romahtaneen. Tämän rajan suhteen jotkut pitävät havainnoijan tietämyksen laajuutta ratkaisevana, ja tämän sanotaan liittyvän todennäköisyyteen. Kööpenhaminan tulkinnalla on kuitenkin se etu, että se selittää helposti ja selkeästi havainnoijan havaitsemat tulokset. Itse asiassa se selittää hyvin erilaisten kokeiden tuloksia. Riittää, kun aallon romahdus tehdään kokeellisten tulosten havaitsemishetkellä tai vuorovaikutuksessa makroskooppisten objektien kanssa. Se on kätevä tulkinta, joka ei vaadi havaintolaitteiston kvanttitilan huomioon ottamista. Yksi syy sen suureen menestykseen, huolimatta aallon romahduksen intuitiivisesti vaikeasti hyväksyttävästä seurauksesta, on todennäköisesti sen kyky selittää kokeellisia tuloksia hyvin. Juuri siksi, että aallon romahdus on niin luonnoton selitys, uskon, että monimaailmatulkinta voisi olla käyttökelpoinen vaihtoehto Kööpenhaminan tulkinnalle. Monimaailmatulkinta ei tunnusta aaltojen romahtamista. Sen sanotaan olevan tulkinta, joka on johdettu keskittymällä yksinomaan Schrödingerin aaltoyhtälöön. Koska se ei pidä havainnointia minkään erityisten lakien alaisena, se tulkitsee prosessin yksinkertaisesti aaltotilan muutoksena aaltoyhtälöstä nähtynä. Toisin sanoen ymmärretään, että havainnon yhteydessä aalto ei romahda; pikemminkin havaitsija ja kohde siirtyvät kvanttimekaanisesti kietoutuneeseen tilaan. Ymmärtääksemme tätä kietoutunutta tilaa, tarkastellaan esimerkkiä monimaailmatulkinnan näkökulmasta, joka ei tunnusta aaltojen romahtamista. Elektronin spin voi olla joko ylöspäin (↑) tai alaspäin (↓). Havaintolaitteisto on laite, joka mittaa elektronin spiniä. Oletetaan, että havaintolaitteen tilan näyttöikkunassa on kolme mahdollista tilaa: ylös (⟰), alas (⟱) ja tyhjä (). Katsotaanpa tilannetta ennen mittausta. Elektronin spiniä ja havaintolaitteiston tilan näyttöikkunaa voidaan kuvata toisistaan riippumattomiksi todennäköisyysaaltoiksi. Elektroni ei ole kiinteästi joko ylöspäin (↑) tai alaspäin (↓) suuntautunut, vaan sitä edustaa todennäköisyysaalto. Mittauslaite olisi asetettu tyhjään tilaan () koetta varten, ja tätä tilannetta edustaisi todennäköisyysaaltofunktio. Katsotaanpa tilannetta mittauksen jälkeen. Tässä vaiheessa sitä ei voida enää kuvata riippumattomina todennäköisyysaaltofunktioina. Kokonaistilaa kuvaa sen sijaan yksi todennäköisyysaaltofunktio, joka kattaa sekä elektronin että mittauslaitteen.
Tarkemmin sanottuna sitä edustaa yksi todennäköisyysaaltofunktio, joka kuvaa vain kaksi mahdollista tilannetta: yksi, jossa elektronin spin on ylöspäin ja havaintolaitteen tilaikkuna osoittaa ”ylös” (↑⟰), ja toinen, jossa elektronin spin on alaspäin ja havaintolaitteen tilaikkuna osoittaa ”alas” (↓⟱). Tätä ilmiötä, jossa useat tilat eivät ole enää itsenäisiä, kuvataan "kietoutumiseksi". Monimaailmatulkinta vie tämän askeleen pidemmälle. Yllä olevaa esimerkkiä tarkasteltaessa on kaksi mahdollista tilannetta (↑⟰, ↓⟱). Monimaailmatulkinta näkee maailman jakautuneena näihin kahteen tilaan. Eli yhdessä maailmassa on ↑⟰-tilanne ja toisessa ↓⟱-tilanne. Sanotaan, että Schrödingerin yhtälöä tarkasteltaessa ei ole suurta matemaattista ongelmaa tarkastella sitä tällä tavalla. Jos erotamme mahdolliset tilat havaintojen tulosten perusteella ja tulkitsemme jokaisen tuloksen erilliseksi maailmaksi, se on juurikin monimaailmatulkinta. Siten jokaista havainnoksi katsottavaa tapahtumaa pidetään tapahtumana, jossa maailmat jakautuvat. Näin ollen jokainen kvanttimekaanisesti mahdollinen mahdollisuus toteutuu jokaisessa maailmassa. Monimaailmatulkinnan vetoavin ominaisuus mielestäni on se, ettei se pidä havainnointia jonakin erityisenä asiana. Koska jopa havaitsijaa pidetään osana maailmaa, johon sovelletaan samoja kvanttimekaniikan lakeja, pidän tätä tulkintaa yleismaailmallisemmin sovellettavana. Monimaailmatulkinta on kuitenkin saanut osakseen paljon kritiikkiä. Ei ole olemassa vakuuttavaa selitystä sille, mitä maailman jakautuminen useisiin maailmoihin tarkoittaa. Lisäksi väite useiden maailmojen olemassaolosta on jo itsessään outo. Jos maailmoja luodaan jatkuvasti loputtomiin, ei ole mitään keinoa selittää, miten voimme mahdollisesti seurata niin monia niistä. Lisäksi, jos eri maailmat ovat täysin erillisiä eivätkä voi vaikuttaa toisiinsa, voitaisiin väittää, että tarkkailijan näkökulmasta muiden maailmojen olemassaolo on täysin merkityksetöntä. Tästä näkökulmasta tulkinta itsessään menettää merkityksensä. Lisäksi monimaailmatulkinnassa on vielä useita haasteita, joihin on puututtava. Ensinnäkin yksi ratkaistavista tehtävistä on antaa riittävä selitys siitä, minkä maailman todellinen havaitsija havaitsee. Ilmiöitä on myös voitava kuvata havainnoijan näkökulmasta – eikä kokonaisuuden näkökulmasta – jotta arkielämässä havaitsemamme ilmiöt voidaan selittää. Tämä johtuu siitä, että emme havaitse todennäköisyysaaltoja suoraan, vaan ainoastaan niiden lopputuloksia. Kööpenhaminan tulkinta selittää tämän näkökohdan selvästi. Kööpenhaminan tulkinnan mukaan havaitsemamme maailma toteutuu aaltofunktion romahtamisen kautta, ja se tuottaa tuloksia, jotka ovat linjassa todellisuuden kanssa. Lisäksi monimaailmatulkinnan pitäisi pystyä selittämään Kööpenhaminan tulkinta. Jos monimaailmatulkinta on oikea, sen pitäisi pystyä selittämään – omasta näkökulmastaan – kuinka kaikki tähänastiset kokeelliset tulokset ovat vastanneet Kööpenhaminan tulkinnan ennusteita. Lisäksi meidän on määriteltävä, missä olosuhteissa näiden kahden tulkinnan välillä voi olla eroja. Siksi yhteyden luominen Kööpenhaminan tulkintaan on myös suuri haaste. En tue Kööpenhaminan tulkinnan aaltojen romahtamisen käsitettä, koska on epäselvää, milloin sitä tarkalleen ottaen tulisi soveltaa, ja pidän mittauksen eristämistä erilliseksi prosessiksi ongelmallisena universaalisuuden kannalta. Sen sijaan uskon, että meidän tulisi säilyttää näkökulma, jonka mukaan koko maailmankaikkeus voidaan kvanttimekaniikassa kuvata probabilistisena aaltona ja että myös havaitsija on osa sitä. Siksi mielestäni monimaailmatulkinta ja vastaavat teoriat voisivat toimia vaihtoehtoina. Kuten aiemmin mainittiin, näihin tulkintoihin liittyy kuitenkin edelleen useita ongelmia. Kuten fyysikkojen kyselytutkimukset osoittavat, kvanttimekaniikan tulkinnasta ei ole vielä päästy lopulliseen johtopäätökseen. Joillakin olemassa olevilla tulkinnoilla on historia, jossa kokeet ovat kumonneet ne. Kööpenhaminan tulkinnalle tai monimaailmatulkinnalle ei kuitenkaan ole vielä tehty tällaisia kokeita. On mahdollista, että jonain päivänä kehitetään kokeellisia malleja, jotka pystyvät todella osoittamaan näiden tulkintojen väliset erot. Vaihtoehtoisesti voimme lopulta päätyä siihen tulokseen, että kaikki nämä tulkinnat ovat yhtä päteviä. Siksi uskon, että fysiikan lakien ymmärryksemme syventyessä kvanttimekaniikan tulkinnalle avautuu uusia mahdollisuuksia. On kiehtovaa nähdä tuon prosessin etenevän.
