ક્વોન્ટમ મિકેનિક્સનું અર્થઘટન કરવાનો હેતુ શું છે?

આ બ્લોગ પોસ્ટમાં, આપણે ક્વોન્ટમ મિકેનિક્સની પૃષ્ઠભૂમિ, કોપનહેગન અર્થઘટનના મુખ્ય મુદ્દાઓ અને બહુ-વિશ્વ અર્થઘટન, અને આ બે અર્થઘટન "અવલોકન" ને કેવી રીતે જુએ છે તેની તપાસ કરીશું અને પછી ક્વોન્ટમ મિકેનિક્સના હેતુ પર વિચાર કરીશું.

ભૌતિકશાસ્ત્રના ઇતિહાસમાં ઘણા સમય પહેલા, મેક્સ પ્લાન્કે તેમના બ્લેકબોડી રેડિયેશન પ્રયોગો પર આધારિત એક પેપર અને પ્રાયોગિક પરિણામો પ્રકાશિત કર્યા હતા, જેમાં કહેવામાં આવ્યું હતું કે "બધી ઊર્જા અલગ મૂલ્યો સાથે ખૂબ જ નાના પેકેટોથી બનેલી છે." આનાથી તે સમયે ભૌતિકશાસ્ત્રીઓમાં પ્રવર્તમાન દૃષ્ટિકોણનો પાયો હચમચી ગયો, જેઓ માનતા હતા કે મેક્રોસ્કોપિક વિશ્વની બધી ઘટનાઓ ન્યુટોનિયન મિકેનિક્સ દ્વારા સમજાવી શકાય છે. આ બિંદુથી, જેમ જેમ માપન સાધનો આગળ વધ્યા અને ભૌતિકશાસ્ત્રીઓએ સૂક્ષ્મ વિશ્વમાં ડોકિયું કરવાની ક્ષમતા મેળવી, તેમ તેમ તેમણે વિવિધ પ્રાયોગિક પરિણામો પ્રકાશિત કર્યા જે ન્યુટોનિયન મિકેનિક્સની મર્યાદાઓ જાહેર કરતા હતા. આ પરિણામો, જે હાલના સિદ્ધાંતો દ્વારા સમજાવી શકાતા ન હતા, ટૂંક સમયમાં મિકેનિક્સના નવા માળખાની જરૂરિયાતને માન્યતા તરફ દોરી ગયા - અને આમ, "ક્વોન્ટમ મિકેનિક્સ" નો જન્મ થયો. ક્વોન્ટમ મિકેનિક્સે ટૂંક સમયમાં કુદરતી ઘટનાઓના જવાબો સફળતાપૂર્વક પૂરા પાડીને તેની સ્થિતિ મજબૂત બનાવી જે હાલના ભૌતિકશાસ્ત્ર દ્વારા ઉકેલી શકાતી નથી, જેમ કે આઈન્સ્ટાઈન દ્વારા ફોટોઇલેક્ટ્રિક અસરની સમજૂતી અને હાઇડ્રોજન અણુ સ્પેક્ટ્રમનું બોહરનું મોડેલ. વધુમાં, અસંખ્ય ભૌતિકશાસ્ત્રીઓના પ્રયાસો અને પોલ ડાયરેક અને પાસ્ક્યુઅલ જોર્ડન દ્વારા પ્રસ્તાવિત પરિવર્તન સિદ્ધાંત જેવા વિકાસ દ્વારા, તેણે પોતાને અભ્યાસના એક અલગ ક્ષેત્ર તરીકે સ્થાપિત કર્યું.
જોકે, આ ફક્ત ગાણિતિક "સ્વરૂપ" - ક્વોન્ટમ મિકેનિક્સની સામગ્રીનું વર્ણન કરવા માટે વપરાતું સાધન - ની પૂર્ણતા દર્શાવે છે અને તેનો અર્થ એ નથી કે તે ભૌતિક અર્થઘટનના દ્રષ્ટિકોણથી સ્થાપિત થયું છે. આજે પણ, દાયકાઓ પછી, ક્વોન્ટમ મિકેનિકલ ઘટનાના "અર્થઘટન" અંગે અગ્રણી ભૌતિકશાસ્ત્રીઓમાં મંતવ્યોના સંઘર્ષ ચાલુ છે. "કોપનહેગન અર્થઘટન" - જેને ઘણીવાર મુખ્ય પ્રવાહના અર્થઘટન તરીકે ઓળખવામાં આવે છે - થી લઈને "ઘણા-વિશ્વોના અર્થઘટન" સુધી, જે પહેલાની મર્યાદાઓના પ્રતિભાવમાં ઉભરી આવ્યું હતું, અને અન્ય વિવિધ અર્થઘટન, આ વિવિધ અભિગમો એકબીજાને પૂરક બનાવે છે જે કોઈ એક અર્થઘટન સંપૂર્ણપણે સમજાવી શકતું નથી. ભૂતકાળમાં ઑસ્ટ્રિયામાં યોજાયેલી ક્વોન્ટમ મિકેનિક્સ પરિષદમાં, 33 વિશ્વ-પ્રસિદ્ધ ભૌતિકશાસ્ત્રીઓ વચ્ચે એક મતદાન હાથ ધરવામાં આવ્યું હતું જેમાં પૂછવામાં આવ્યું હતું કે તેઓ કયા અર્થઘટનને સમર્થન આપે છે; કોપનહેગન અર્થઘટનને 42%, માહિતી-સૈદ્ધાંતિક અર્થઘટનને 24%, અને અનેક-વિશ્વોના અર્થઘટનને 18% મળ્યા. આ મતદાનમાં કોઈ એક અર્થઘટન 50% થી વધુ ન હોવાથી, તે સ્પષ્ટ લાગે છે કે દરેક અર્થઘટનની પોતાની મર્યાદાઓ હોય છે. આ લેખમાં, હું "કોપનહેગન અર્થઘટન" અને "ઘણા-વિશ્વોના અર્થઘટન" - જે આ ક્ષેત્રનો એક મહત્વપૂર્ણ ભાગ છે અને "નિરીક્ષણ" ના કાર્ય પર વિરોધી મંતવ્યો ધરાવે છે - નો સંક્ષિપ્તમાં પરિચય આપીશ અને તેમની મર્યાદાઓની ચર્ચા કરીશ. "માહિતી-સૈદ્ધાંતિક અર્થઘટન" આ ચર્ચામાંથી બાકાત રાખવામાં આવ્યું છે કારણ કે તે ક્વોન્ટમ મિકેનિક્સને અન્ય બે કરતા કંઈક અલગ દ્રષ્ટિકોણથી જુએ છે.
બોહર અને હાઇઝનબર્ગ દ્વારા પ્રસ્તાવિત કોપનહેગન અર્થઘટનનું મૂળભૂત માળખું નીચે મુજબ છે: "જ્યાં સુધી નિરીક્ષક માપન સાધનો લાગુ ન કરે ત્યાં સુધી, અણુની અંદરનો ઇલેક્ટ્રોન કાર્યકારણના નિયમો અનુસાર આગળ વધે છે. જો કે, અવકાશ સમયની અંદર ઇલેક્ટ્રોનને નિશ્ચિત સ્થાન અને સમયમાં વર્ણવવાનો પ્રયાસ કરતી વખતે, સ્વતંત્ર ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓ હસ્તક્ષેપ કરે છે, જેના કારણે તે કાર્યકારણથી વિચલિત થાય છે, અને નિરીક્ષક પાસે ક્વોન્ટમ સંભાવનાઓ પર આધાર રાખવા સિવાય કોઈ વિકલ્પ રહેતો નથી." ન્યુટોનિયન મિકેનિક્સ જણાવે છે કે મેક્રોસ્કોપિક વિશ્વમાં અવલોકન કરાયેલા કણો જ્યારે તેઓ ગતિ કરે છે ત્યારે સ્થિતિ અને ગતિ માટે ચોક્કસ, સારી રીતે વ્યાખ્યાયિત મૂલ્યો ધરાવે છે. આનો અર્થ એ છે કે મેક્રોસ્કોપિક વિશ્વમાં, જ્યાં નિરીક્ષકો - એટલે કે, મનુષ્યો - અસ્તિત્વમાં છે, સ્થિતિ અને ગતિ નિશ્ચિત છે. જો કે, સૂક્ષ્મ વિશ્વમાં, ગતિમાં ઇલેક્ટ્રોન એવી સ્થિતિમાં અસ્તિત્વ ધરાવે છે જ્યાં આ ભૌતિક જથ્થાઓને એક જ મૂલ્ય તરીકે નિશ્ચિતપણે નક્કી કરી શકાતા નથી. તેના બદલે, વિવિધ વિવિધ અવસ્થાઓ એકસાથે સહઅસ્તિત્વ ધરાવે છે. ઉદાહરણ તરીકે, જો ત્રણ સંભવિત અવસ્થાઓ - 1, 2 અને 3 - હોય જે ઇલેક્ટ્રોન કબજે કરી શકે છે, તો ઇલેક્ટ્રોન તેનું અવલોકન થાય તે પહેલાં તે ત્રણેય અવસ્થાઓમાં એક સાથે અસ્તિત્વ ધરાવે છે. ગાણિતિક રીતે, આને 1, 2 અને 3 ને અનુરૂપ તરંગ કાર્યોના સરવાળા તરીકે વ્યક્ત કરી શકાય છે. જ્યારે મેક્રોસ્કોપિક વિશ્વમાં કોઈ નિરીક્ષક ઇલેક્ટ્રોનનું અવલોકન કરે છે, ત્યારે ઇલેક્ટ્રોન ઘણી શક્ય સ્થિતિઓમાંથી એક સ્થિતિમાં ઘટાડો થાય છે, જે તે સ્થિતિ સાથે સંકળાયેલ સંભાવના દ્વારા નક્કી થાય છે. બીજા શબ્દોમાં કહીએ તો, "નિરીક્ષણ" ની ક્રિયા ઇલેક્ટ્રોનની સ્થિતિને બદલી નાખે છે. ઉદાહરણ તરીકે, જે ક્ષણે ઇલેક્ટ્રોન સ્થિતિ 1 માં હોવાનું નક્કી થાય છે, તે ક્ષણે તે સ્થિતિ 2 અને 3 માં એકસાથે અસ્તિત્વમાં હોવાની શક્યતા અદૃશ્ય થઈ જાય છે. કોપનહેગન અર્થઘટન આને "તરંગ કાર્યનું પતન" તરીકે દર્શાવે છે. પરિણામે, કોપનહેગન અર્થઘટનમાં "નિરીક્ષણ" ની ક્રિયાનું ખૂબ મહત્વ છે.
આઈન્સ્ટાઈન જેવા પ્રખ્યાત ભૌતિકશાસ્ત્રીઓએ કોપનહેગન અર્થઘટનને નકારી કાઢ્યું, અને પુરાવા તરીકે વિવિધ વિચાર પ્રયોગોનો ઉલ્લેખ કર્યો. આમાંથી, સૌથી જાણીતું "શ્રોડિંગરની બિલાડી" છે. સીલબંધ બોક્સની અંદર એક બિલાડી અને એક ઉપકરણ છે જે કણની ક્વોન્ટમ-યાંત્રિક રીતે નિર્ધારિત સ્થિતિના આધારે ઝેર છોડવા સક્ષમ છે. બોક્સની અંદર બિલાડી ચોક્કસ સમય પછી જીવંત છે કે મૃત છે - જે પોતે એક સ્થિતિ છે - તે ફક્ત ઢાંકણ ખોલીને બિલાડીનું અવલોકન કરવામાં આવે તે ક્ષણે જ નક્કી થાય છે. આ વિચાર પ્રયોગ દર્શાવે છે કે "અવલોકન" ની ક્રિયા, જે સૂક્ષ્મ વિશ્વમાં ખૂબ મહત્વ ધરાવે છે, તેને મેક્રોસ્કોપિક વિશ્વમાં લાગુ કરવાથી વિચિત્ર તારણો આવે છે; પરિણામે, તેણે ક્વોન્ટમ મિકેનિક્સમાં અવલોકનના અર્થ પર ઊંડા ચિંતનને પ્રોત્સાહન આપ્યું છે. અહીંથી "ઘણા-જગતનું અર્થઘટન" શરૂ થાય છે.
એવરેટ III, જે અગાઉ પ્રિન્સટન યુનિવર્સિટીના હતા, તેમણે કોપનહેગન અર્થઘટનના દાવાઓને નકારી કાઢ્યા, એવી દલીલ કરી કે કણની સંભાવના વિતરણ અવલોકનની ક્રિયા દ્વારા અદૃશ્ય થઈ જતું નથી, પરંતુ શરૂઆતથી જ બહુવિધ શક્ય વિશ્વો અસ્તિત્વમાં છે. બીજા શબ્દોમાં કહીએ તો, એક કણનું સ્થાન અવલોકન દ્વારા એક મૂલ્ય પર નક્કી થતું નથી; તેના બદલે, બહુવિધ સમાંતર વિશ્વો પહેલાથી જ અસ્તિત્વમાં છે, અને આપણે ફક્ત તેમાંથી એકનું અવલોકન કરીએ છીએ. જે અવસ્થાઓ આપણે સીધી રીતે અવલોકન કરતા નથી તે અન્ય સંભવિત વિશ્વોમાં પ્રગટ થાય છે. ઉદાહરણ તરીકે, જો આપણું અવલોકન રાજ્ય 2 આપે છે, તો અન્ય અવસ્થાઓ તે ક્ષણે અદૃશ્ય થતી નથી - તે અન્ય વિશ્વોમાં પ્રગટ થાય છે, અને આપણે ફક્ત તેમનું અવલોકન કરી શકતા નથી.
જોકે, "મની-વર્લ્ડ્સ" અર્થઘટનમાં સ્પષ્ટપણે તેની સમસ્યાઓ છે. જો કોઈ ઘટના જે બની શકે છે તે બધા સંભવિત વિશ્વમાં બને છે, તો દરેક રાજ્ય સાથે સંકળાયેલ સંભાવનાનો શું અર્થ થાય છે? એવરેટે દરેક રાજ્યને ફક્ત વજનથી ગુણાકાર કરીને આનો ઉકેલ લાવવાનો પ્રયાસ કર્યો. જોકે, એક વિશ્વ બીજા કરતા વધુ મહત્વપૂર્ણ હોવાનો અર્થ શું છે તે ચર્ચાનો વિષય રહે છે.
આ બે અર્થઘટનોને ધ્યાનમાં લેતા - દરેકના પોતાના મહત્વ અને મર્યાદાઓ સાથે - હું કોપનહેગન અર્થઘટનની તરફેણ કરું છું. જો આપણે ક્વોન્ટમ મિકેનિક્સની ઉત્પત્તિ તરફ પાછા જઈએ, તો આપણે જોઈએ છીએ કે તેનો જન્મ આખરે સૂક્ષ્મ વિશ્વમાં ઘટનાઓને સમજાવવા માટે થયો હતો. બીજા શબ્દોમાં કહીએ તો, કારણ કે તે નિરીક્ષણ અને પરિણામી તથ્યો દ્વારા ઘટનાઓને ઉજાગર કરવા માટે બનાવવામાં આવ્યું હતું, તેથી નિરીક્ષકની નિરીક્ષણની ક્રિયાનો આટલો મહત્વપૂર્ણ અર્થ છે. કણોના વાસ્તવિક નિરીક્ષણમાં, એક કણની સ્થિતિનું અવલોકન કરવા માટે, આપણે તેના પર ચોક્કસ અંશે પ્રભાવ પાડવો જોઈએ. ભૌતિકશાસ્ત્રમાં, આને "ઉશ્કેરણી" કહેવામાં આવે છે. બીજા શબ્દોમાં કહીએ તો, કણની સ્થિતિનું અવલોકન કરવામાં કણમાં થોડો ફેરફાર લાવવાનો અને પછી તેના પ્રતિભાવનું અવલોકન કરવાનો સમાવેશ થાય છે. જોકે ગાણિતિક દ્રષ્ટિએ કણમાં ફેરફાર લાવવા અને તરંગ કાર્યના પતન વચ્ચેનો સંબંધ કંઈક અંશે અસ્પષ્ટ છે, તેઓ સંમત થાય છે કે બંને મૂળ સ્થિતિમાં ફેરફાર કરે છે. આનો અર્થ એ છે કે નિરીક્ષણની ક્રિયા પોતે જ ભૌતિક રીતે મહત્વપૂર્ણ છે.
ક્વોન્ટમ મિકેનિક્સ શાસ્ત્રીય ન્યુટોનિયન મિકેનિક્સની નિર્ણાયક માનસિકતાથી દૂર થઈ ગયું છે અને સંભાવનાવાદી અભિગમ અપનાવ્યો છે. કેટલા લોકો આ વિચારને સરળતાથી સ્વીકારી શકે છે કે તેમની સામે સફરજનની સ્થિતિ દર વખતે જ્યારે તેઓ તેને જુએ છે ત્યારે વિવિધ સંભાવનાઓ સાથે બદલાય છે? એ સાચું છે કે કોપનહેગન અર્થઘટન અને મેની-વર્લ્ડ્સ અર્થઘટન બંનેનું પોતાનું મહત્વ અને મર્યાદાઓ છે જ્યારે લોકોને - જેઓ પદાર્થોની ચોક્કસ સ્થિતિઓથી ટેવાયેલા છે - સૂક્ષ્મ વિશ્વમાં બનતી ઘટનાઓને સમજવામાં મદદ કરવાની વાત આવે છે. હું એક એન્જિનિયરિંગ વિદ્યાર્થી છું જે વૈજ્ઞાનિક ઘટનાઓ અને તેમના નિરીક્ષણથી મેળવેલા પરિણામોનો ઉપયોગ કરીને નવી તકનીકો કેવી રીતે બનાવવી તેનો અભ્યાસ કરી રહ્યો છું. ક્વોન્ટમ મિકેનિક્સના વિકાસથી આપણને સૂક્ષ્મ વિશ્વમાં ઘટનાઓનું અર્થઘટન કરવા માટે સાધનો પૂરા પડ્યા છે, અને આનાથી લોકો માટે ઉપયોગી ટેકનોલોજી સીધી રીતે આગળ વધી છે. MRI (મેગ્નેટિક રેઝોનન્સ ઇમેજિંગ) સાધનો, જેણે આધુનિક દવામાં મહત્વપૂર્ણ યોગદાન આપ્યું છે, તે ક્વોન્ટમ મિકેનિક્સમાંથી NMR (ન્યુક્લિયર મેગ્નેટિક રેઝોનન્સ) ઘટનાનો ઉપયોગ કરીને વિકસાવવામાં આવ્યું હતું; આ તકનીકનો ઉપયોગ ફક્ત સ્પેક્ટ્રોસ્કોપીમાં જ નહીં - જે પરમાણુ માળખા નક્કી કરે છે - પણ તેલ સંશોધનમાં પણ થાય છે. આના આધારે, મારું માનવું છે કે ઘટનાઓ - જેને હું વિજ્ઞાનનો હેતુ માનું છું - સમજાવવા માટે વધુ યોગ્ય અર્થઘટન વધુ મહત્વનું રહેશે.