Tässä blogikirjoituksessa tarkastelemme kvanttimekaniikan taustaa, Kööpenhaminan tulkinnan ja monimaailmatulkinnan pääkohtia sekä sitä, miten nämä kaksi tulkintaa tarkastelevat "havaintoa", ja pohdimme sitten kvanttimekaniikan tarkoitusta.
Kauan sitten fysiikan historiassa Max Planck julkaisi mustan kappaleen säteilykokeisiinsa perustuvan artikkelin ja kokeellisia tuloksia, joissa hän totesi, että "kaikki energia koostuu hyvin pienistä paketeista, joilla on diskreetit arvot". Tämä ravisteli fyysikkojen vallitsevaa näkemystä tuolloin, sillä he olivat uskoneet, että kaikki makroskooppisen maailman ilmiöt voitiin selittää Newtonin mekaniikalla. Tästä eteenpäin, mittauslaitteiden kehittyessä ja fyysikkojen saadessa kyvyn kurkistaa mikroskooppiseen maailmaan, he julkaisivat erilaisia kokeellisia tuloksia, jotka paljastivat Newtonin mekaniikan rajoitukset. Nämä tulokset, joita ei voitu selittää olemassa olevilla teorioilla, johtivat pian uuden mekaniikan viitekehyksen tarpeen tunnustamiseen – ja näin syntyi "kvanttimekaniikka". Kvanttimekaniikka vakiinnutti pian asemansa tarjoamalla onnistuneesti vastauksia luonnonilmiöihin, joita olemassa oleva fysiikka ei pystynyt ratkaisemaan, kuten Einsteinin selitys valosähköisestä ilmiöstä ja Bohrin malli vetyatomin spektristä. Lisäksi lukemattomien fyysikkojen ponnistelujen ja kehitysten, kuten Paul Diracin ja Pascual Jordanin ehdottaman muutosteorian, ansiosta se vakiinnutti asemansa erillisenä tutkimusalueena.
Tämä kuitenkin merkitsi vain matemaattisen "muodon" – kvanttimekaniikan sisällön kuvaamiseen käytetyn työkalun – valmistumista, eikä tarkoittanut, että se olisi luotu fysikaalisen tulkinnan näkökulmasta. Vielä nytkin, vuosikymmeniä myöhemmin, merkittävien fyysikkojen keskuudessa on edelleen mielipide-ristiriitoja kvanttimekaanisten ilmiöiden "tulkinnasta". "Kööpenhaminan tulkinnasta" – jota usein kutsutaan valtavirran tulkinnaksi – "monimaailmatulkintaan", joka syntyi vastauksena edellisen rajoituksiin, ja useisiin muihin tulkintoihin, nämä erilaiset lähestymistavat täydentävät toisiaan edelleen puuttumalla aukkoihin, joita mikään yksittäinen tulkinta ei pysty täysin selittämään. Itävallassa aiemmin pidetyssä kvanttimekaniikan konferenssissa tehtiin kysely 33 maailmankuulun fyysikon keskuudessa, jossa kysyttiin, mitä tulkintaa he kannattavat; Kööpenhaminan tulkinta sai 42 %, informaatioteoreettinen tulkinta 24 % ja monimaailmatulkinta 18 %. Koska yksikään yksittäinen tulkinta ei ylittänyt 50 %:a tässä kyselyssä, näyttää selvältä, että jokaisella tulkinnalla on omat rajoituksensa. Tässä artikkelissa esittelen lyhyesti "Kööpenhaminan tulkinnan" ja "monimaailmatulkinnan" – jotka kattavat merkittävän osan tästä aiheesta ja joilla on vastakkaisia näkemyksiä "havainnoinnista" – ja käsittelen niiden rajoituksia. "Informaatioteoreettinen tulkinta" on jätetty tämän keskustelun ulkopuolelle, koska se tarkastelee kvanttimekaniikkaa hieman eri näkökulmasta kuin kaksi muuta.
Bohrin ja Heisenbergin ehdottaman Kööpenhaminan tulkinnan peruskehys on seuraava: ”Niin kauan kuin havaitsija ei käytä mittauslaitteita, atomin sisällä oleva elektroni liikkuu kausaliteettilakien mukaisesti. Kuitenkin yritettäessä kuvata elektronia kiinteässä paikassa ja ajassa aika-avaruuden sisällä, diskreetit vuorovaikutukset puuttuvat peliin, jotka saavat sen poikkeamaan kausaliteettilaeista, eikä havaitsijalla ole muuta vaihtoehtoa kuin luottaa kvanttitodennäköisyyksiin.” Newtonin mekaniikan mukaan makroskooppisessa maailmassa havaituilla hiukkasilla on tietyt, hyvin määritellyt arvot sijainnille ja liikemäärälle, kun ne liikkuvat. Tämä tarkoittaa, että makroskooppisessa maailmassa, jossa havaitsijat – eli ihmiset – ovat olemassa, sijainti ja liikemäärä ovat kiinteät. Mikroskooppisessa maailmassa liikkuva elektroni on kuitenkin tilassa, jossa näitä fysikaalisia suureita ei voida lopullisesti määrittää yhdeksi arvoksi. Sen sijaan useita eri tiloja esiintyy samanaikaisesti. Esimerkiksi jos elektronilla on kolme mahdollista tilaa – 1, 2 ja 3 – jotka se voi olla, elektroni on olemassa kaikissa kolmessa tilassa samanaikaisesti ennen kuin se havaitaan. Matemaattisesti tämä voidaan ilmaista aaltofunktioiden 1, 2 ja 3 summana. Kun makroskooppisessa maailmassa havainnoija havaitsee elektronia, elektroni pelkistyy yhteen tilaan monien mahdollisten tilojen joukossa, jotka määräytyvät kyseiseen tilaan liittyvän todennäköisyyden mukaan. Toisin sanoen "havainnoinnin" teko muuttaa elektronin tilaa. Esimerkiksi sillä hetkellä, kun elektronin määritetään olevan tilassa 1, sen mahdollisuus olla samanaikaisesti tiloissa 2 ja 3 katoaa. Tätä Kööpenhaminan tulkinta kutsuu "aaltofunktion romahtamiseksi". Näin ollen "havainnoinnin" teolla on valtava merkitys Kööpenhaminan tulkinnassa.
Kuuluisat fyysikot, kuten Einstein, kumosivat Kööpenhaminan tulkinnan viitaten useisiin ajatuskokeisiin todisteina. Näistä tunnetuin on "Schrödingerin kissa". Suljetun laatikon sisällä on kissa ja laite, joka kykenee vapauttamaan myrkkyä hiukkasen kvanttimekaanisesti määritetyn tilan mukaan. Onko laatikon sisällä oleva kissa elossa vai kuollut tietyn ajan kuluttua – joka itsessään on tila – määräytyy vasta sillä hetkellä, kun kansi avataan ja kissaa tarkkaillaan. Tämä ajatuskoe havainnollistaa, että "havainnoinnin" teon, jolla on suuri merkitys mikroskooppisessa maailmassa, soveltaminen makroskooppiseen maailmaan johtaa outoihin johtopäätöksiin; tämän seurauksena se on herättänyt syvällistä pohdintaa havainnoinnin merkityksestä kvanttimekaniikassa. Tästä alkaa "monimaailmatulkinta".
Princetonin yliopiston entinen Everett III kumosi Kööpenhaminan tulkinnan väitteet väittämällä, että hiukkasen todennäköisyysjakauma ei katoa havainnoinnin kautta, vaan että useita mahdollisia maailmoja on ollut olemassa alusta asti. Toisin sanoen hiukkasen sijaintia ei määritetä yhteen arvoon havainnoinnin kautta; pikemminkin on jo olemassa useita rinnakkaisia maailmoja, ja me vain havaitsemme yhden niistä. Tilat, joita emme havaitse suoraan, ovat avautumassa muissa mahdollisissa maailmoissa. Esimerkiksi jos havaintomme tuottaa tilan 2, muut tilat eivät katoa sillä hetkellä – ne ovat avautumassa muissa maailmoissa, emmekä yksinkertaisesti voi havaita niitä.
Monimaailmatulkinnalla on kuitenkin selvästi ongelmansa. Jos tapahtuma, joka voisi tapahtua kaikissa mahdollisissa maailmoissa, mitä merkitystä kuhunkin tilaan liittyvällä todennäköisyydellä edes on? Everett yritti ratkaista tämän yksinkertaisesti kertomalla jokaisen tilan painotuksella. Se, mitä yhden maailman tärkeämpi oleminen tarkoittaa kuin toisen, on kuitenkin edelleen keskustelunaihe.
Kun tarkastellaan näitä kahta tulkintaa – joilla molemmilla on omat merkityksensä ja rajoituksensa – olen taipuvainen suosimaan Kööpenhaminan tulkintaa. Jos palaamme kvanttimekaniikan alkuperään, näemme, että se syntyi lopulta selittämään mikroskooppisen maailman ilmiöitä. Toisin sanoen, koska se luotiin selvittämään ilmiöitä havainnoinnin ja niistä johtuvien tosiasioiden avulla, havainnoijan havainnointitoiminnalla on niin merkittävä merkitys. Hiukkasten todellisessa havainnoinnissa, jotta voimme havaita yksittäisen hiukkasen tilan, meidän on kohdistettava siihen tietty vaikutusvalta. Fysiikassa tätä kutsutaan "perturbaatioksi". Toisin sanoen hiukkasen tilan havaitseminen edellyttää pienen muutoksen indusointia hiukkasessa ja sitten sen vasteen havaitsemista. Vaikka yhteys hiukkasen muutoksen indusoinnin ja aaltofunktion romahtamisen välillä matemaattisesti on hieman epäselvä, ne ovat yhtä mieltä siitä, että molemmat muuttavat alkuperäistä tilaa. Tämä tarkoittaa, että itse havainnointitoimi on fyysisesti merkittävä.
Kvanttimekaniikka on siirtynyt pois klassisen Newtonin mekaniikan deterministisestä ajattelutavasta ja omaksunut probabilistisen lähestymistavan. Kuinka moni ihminen voisi helposti hyväksyä ajatuksen, että omenan sijainti aivan heidän edessään muuttuu vaihtelevilla todennäköisyyksillä joka kerta, kun he katsovat sitä? On totta, että sekä Kööpenhaminan tulkinnalla että monimaailmatulkinnalla on omat merkityksensä ja rajoituksensa, kun on kyse ihmisten – jotka ovat tottuneet esineiden määrättyihin tiloihin – auttamisesta ymmärtämään mikroskooppisessa maailmassa tapahtuvia ilmiöitä. Olen tekniikan opiskelija, joka tutkii, miten luodaan uusia teknologioita hyödyntämällä tieteellisiä ilmiöitä ja niitä havainnoimalla saatuja tuloksia. Kvanttimekaniikan kehitys on antanut meille työkaluja mikroskooppisen maailman ilmiöiden tulkitsemiseen, ja tämä on johtanut suoraan ihmisille hyödyllisiin teknologioihin. MRI (magneettikuvaus) -laitteet, jotka ovat antaneet merkittävän panoksen nykyaikaiseen lääketieteeseen, kehitettiin soveltamalla kvanttimekaniikan NMR (ydinmagneettinen resonanssi) -ilmiötä; tätä teknologiaa käytetään paitsi spektroskopiassa – joka määrittää molekyylirakenteita – myös öljynetsinnässä. Tämän perusteella uskon, että ilmiöiden selittämiseen paremmin soveltuvalla tulkinnalla – jota pidän tieteen tarkoituksena – on suurempi merkitys.
