U ovom blog postu ispitat ćemo što znači kolaps vala, fokusirajući se na Kopenhagensku interpretaciju i interpretaciju mnogih svjetova među različitim interpretacijama kvantne mehanike, te razmotriti karakteristike i ograničenja svake interpretacije.
Od kraja 19. stoljeća do početka 20. stoljeća počeli su se pojavljivati fenomeni koje nije mogla objasniti samo klasična fizika. Maxwell i Einstein otkrili su da svjetlost posjeduje i valna i čestična svojstva. Max Born je predvidio da i čestice posjeduju valna svojstva. Kaže se da je Davisson-Germerov eksperiment s dvostrukim prorezom eksperimentalno pokazao da elektroni imaju valovito ponašanje. Detaljniji pogled na eksperiment s dvostrukim prorezom otkriva sljedeće: Uređaj koji emitira elektrone, ploča s dva proreza i zaslon raspoređeni su u nizu. Elektroni emitirani iz izvora elektrona prolaze kroz dva proreza i dopiru do ekrana; kada se uoči dolazak elektrona na ekran, pojavljuje se interferencijski uzorak. Takav uzorak se ne pojavljuje kada postoji samo jedan prorez. Stoga se položaj elektrona mora objasniti kao val koji prolazi kroz oba proreza istovremeno. Kvantna mehanika pojavila se kako bi objasnila ove pojave. U kvantnoj mehanici, valovi vjerojatnosti opisani su kao temeljni gradivni blokovi prirode. Valovi vjerojatnosti se koriste za opisivanje stanja materije. Agregatno stanje uključuje svojstva poput položaja i spina. Val vjerojatnosti pokazuje da vrijednost nije fiksna u jednoj točki, već da se vjerojatnost pojave mijenja u svakoj točki. Kvantna mehanika utemeljena je početkom 20. stoljeća, a brojni eksperimentalni rezultati iz tog razdoblja i nakon njega podupiru valjanost ove teorije. U srži ove teorije leži Schrödingerova valna jednadžba. Kao temeljna jednadžba kvantne mehanike, Schrödingerova valna jednadžba opisuje kako se val vjerojatnosti mijenja tijekom vremena. Međutim, ostaje nejasno kako se takvi valovi vjerojatnosti točno odnose na svakodnevni život. U svakodnevnom životu, ishodi koje opažamo nisu više stanja, već jedno, određeno stanje - kako se to može objasniti? Što je val vjerojatnosti i postoji li način da ga se razumije? Kako bi se riješila ta pitanja, pojavile su se različite interpretacije kvantne mehanike. U prošloj anketi provedenoj na konferenciji o kvantnoj fizici, sudionici su pitani o svojim preferencijama u vezi sa svakom interpretacijom. Preferencija za Kopenhagensku interpretaciju iznosila je 42%, kvantno-informacijsku perspektivu 24%, a interpretaciju mnogih svjetova 18%. Kao što se vidi iz istraživanja, Kopenhagenska interpretacija je glavna interpretacija unutar fizikalne zajednice. Kopenhagenska interpretacija je ona koju su od samih ranih dana kvantne mehanike razvili znanstvenici predvođeni Bohrom. Brian Greene je predstavio temeljnu načelu Kopenhaške interpretacije na sljedeći način: „Kad god pokušamo izravno promatrati val vjerojatnosti, sam čin promatranja ga remeti.“ Kopenhaška interpretacija objašnjava da u trenutku promatranja val vjerojatnosti više ne može ostati u tom stanju i urušava se u jednu točku. Objašnjava se da je rezultat ovog kolapsa u jednu točku stvarnost s kojom smo upoznati. Taj se proces naziva kolaps valova. Kvantna informacijska perspektiva objašnjava da je sam svemir sastavljen od kvantnih informacija, koje čine samu bit svemira. Tvrdi se da je sve rezultat kvantnih izračuna koji uključuju ovu kvantnu informaciju. S ove točke gledišta, cijeli svemir se ponekad promatra kao stroj koji izvodi kvantne izračune. Seth Lloyd je napisao knjigu koja uvjerljivo zagovara ovu perspektivu. U toj knjizi objasnio je ulogu informacije i kako se ona odnosi na stvarne fizikalne zakone. Na primjer, objasnio je kako kvantno računanje teži širenju nepoznatih informacija i detaljnije opisao fizičke zakone povezane s entropijom. Interpretaciju mnogih svjetova predložio je Hugh Everett. Ova interpretacija ne prihvaća kolaps valne funkcije, što je temelj Kopenhagenske interpretacije. Umjesto toga, pretpostavlja da se svemir grana u više svjetova i da su sve mogućnosti ostvarene. Dakle, to objašnjava da u svakom svijetu promatrač percipira stvarnost s kojom smo upoznati. Koncept kolapsa valne funkcije - koji se može smatrati jezgrom kopenhagenske interpretacije - smatram neuvjerljivim. Kao što je Brian Greene istaknuo, granica koja definira što predstavlja „promatranje“ nije jasna. Objašnjenje ide otprilike ovako: kolaps valne funkcije ne događa se kada mikroskopski objekti međusobno djeluju, ali se događa kada promatrač izvrši mjerenje; međutim, ovo objašnjenje je teško prihvatiti.
Prirodno je pretpostaviti da zakoni fizike vrijede univerzalno i identično u cijelom svemiru. Budući da je promatrač također dio svemira, vjerujem da je prirodno da se zakoni kvantne mehanike podjednako primjenjuju na sve radnje, uključujući i promatranje. Međutim, Kopenhagenska interpretacija objašnjava da se kolaps vala događa kao rezultat promatračevog čina promatranja. Matematički, kolaps vala je također operacija različita od običnih kvantno-mehaničkih operacija. Iako ovdje ne mogu detaljno objasniti proces kojim se valna funkcija vjerojatnosti mijenja, može se opisati kao operacija množenja reverzibilnom matricom s određenim posebnim svojstvima. „Reverzibilno“ znači da postoji jednoznačna korespondencija između rezultata i stanja koje ga je uzrokovalo. Međutim, kada dođe do kolapsa valne funkcije, ta korespondencija se prekida. Sustav se fiksira u jednom stanju, što onemogućuje vraćanje u prvobitno stanje. U slučajevima gdje je priroda opažanja ključna - kao što je to slučaj u Kopenhagenskoj interpretaciji - ponekad se uvodi koncept Heisenbergovog reza. Ovaj koncept pretpostavlja da zakoni kvantne mehanike vrijede do određene granice, a iza te granice valna funkcija se urušava. Međutim, ta granica nije jasno definirana. Moglo bi se postaviti na razinu objekata poput elektrona ili protona, ili bi se moglo postaviti na makroskopske objekte poput ljudi. To je nezadovoljavajuće jer ne precizira gdje točno treba povući tu granicu. Poznati primjer koji ilustrira ovu situaciju je Schrödingerov misaoni eksperiment s mačkom. U ovom misaonom eksperimentu pojavljuju se čestica manja od atoma i mačka. Mala čestica može se raspasti s određenom vjerojatnošću, proces koji se može objasniti kvantnom mehanikom. Uređaj za detekciju postavljen je pored njega. Kaže se da se u trenutku kada se otkrije takvo propadanje pokreće mehanizam koji ubija mačku. To postavlja pitanje je li mačka u tom trenutku mrtva ili živa. Kopenhagenska interpretacija objašnjava da se stanje mačke - je li živa ili mrtva - određuje u trenutku kada se promatra. Ovo objašnjenje temelji se na pretpostavci da čak ni makroskopski objekti ne doživljavaju kolaps valova. To sugerira da se čak i veliki objekti moraju razmatrati u okviru kvantne mehanike. Posljedično, postoje misaoni eksperimenti koji ovu situaciju dovode do još veće krajnosti. U ovom misaonom eksperimentu pretpostavljamo da je prijatelj proveo Schrödingerov misaoni eksperiment s mačkom i promatrao stanje mačke. U takvom slučaju, ne pruža konačno objašnjenje na kojoj granici treba smatrati da je valna funkcija kolabirala. Što se tiče ove granice, neki smatraju da je opseg znanja promatrača ključan, a kaže se da je to povezano s vjerojatnošću. Ipak, Kopenhagenska interpretacija ima prednost što lako i jasno objašnjava rezultate koje je promatrač uočio. Zapravo, vrlo dobro objašnjava rezultate raznih eksperimenata. Dovoljno je primijeniti kolaps valova u trenutku promatranja eksperimentalnih rezultata ili pri interakciji s makroskopskim objektima. To je prikladna interpretacija koja ne zahtijeva razmatranje kvantnog stanja opreme za promatranje. Jedan od razloga njegovog velikog uspjeha, unatoč intuitivno teško prihvatljivom rezultatu kolapsa valova, vjerojatno je njegova sposobnost dobrog objašnjenja eksperimentalnih rezultata. Upravo zato što je kolaps valova tako neprirodno objašnjenje, vjerujem da bi Interpretacija mnogih svjetova mogla biti održiva alternativa Kopenhagenskoj interpretaciji. Interpretacija mnogih svjetova ne priznaje kolaps valova. Kaže se da je to interpretacija izvedena fokusiranjem isključivo na Schrödingerovu valnu jednadžbu. Budući da ne smatra čin promatranja podložnim nikakvim posebnim zakonima, interpretira proces kao jednostavnu promjenu valnog stanja kako se vidi iz valne jednadžbe. Drugim riječima, shvaća se da kada se promatra, val se ne urušava; već promatrač i objekt ulaze u kvantno-mehanički isprepleteno stanje. Kako bismo razumjeli ovo isprepleteno stanje, ispitajmo primjer iz perspektive Interpretacije mnogih svjetova, koja ne priznaje kolaps valova. Spin elektrona može biti prema gore (↑) ili prema dolje (↓). Oprema za promatranje je uređaj koji mjeri spin elektrona. Pretpostavimo da prozor za prikaz stanja opreme za promatranje ima tri moguća stanja: gore (⟰), dolje (⟱) i prazno (). Pogledajmo situaciju prije mjerenja. Spin elektrona i prozor za prikaz stanja na opremi za promatranje mogu se opisati kao međusobno neovisni valovi vjerojatnosti. Elektron nije fiksiran ni gore (↑) ni dolje (↓), već je predstavljen valom vjerojatnosti. Mjerni aparat bi bio postavljen u prazno stanje () za eksperiment, a postojala bi valna funkcija vjerojatnosti koja predstavlja tu situaciju. Pogledajmo situaciju nakon mjerenja. U ovom trenutku, više se ne može opisati kao neovisna valna funkcija vjerojatnosti. Ukupno stanje je umjesto toga opisano jednom valnom funkcijom vjerojatnosti koja obuhvaća i elektron i mjerni aparat.
Točnije, predstavljena je jednom valnom funkcijom vjerojatnosti koja opisuje samo dvije moguće situacije: jednu u kojoj je spin elektrona prema gore i prozor stanja promatračkog uređaja pokazuje „gore“ (↑⟰), i drugu u kojoj je spin elektrona prema dolje i prozor stanja promatračkog uređaja pokazuje „dolje“ (↓⟱). Ovaj fenomen, u kojem više stanja više nije neovisno, opisuje se kao „isprepletenost“. Interpretacija mnogih svjetova ide korak dalje. Gledajući gornji primjer, postoje dvije moguće situacije (↑⟰, ↓⟱). Interpretacija mnogih svjetova svijet vidi kao podijeljen na ova dva stanja. To jest, u jednom svijetu se događa situacija ↑⟰, a u drugom svijetu situacija ↓⟱. Kaže se da, nakon ispitivanja Schrödingerove jednadžbe, nema većeg matematičkog problema s tim da se to promatra. Ako odvojimo moguća stanja na temelju rezultata opažanja i svaki rezultat interpretiramo kao zaseban svijet, to je upravo Interpretacija mnogih svjetova. Dakle, svaki događaj koji se može smatrati opažanjem promatra se kao događaj u kojem se svjetovi cijepaju. Posljedično, svaka mogućnost koja je kvantno mehanički izvediva ostvaruje se u svakom svijetu. Aspekt Interpretacije mnogih svjetova koji mi se čini najprivlačnijim jest to što ne smatra čin promatranja nečim posebnim. Budući da se čak i promatrač promatra kao dio svijeta podložnog istim zakonima kvantne mehanike, smatram da je ovo tumačenje univerzalno primjenjivije. Međutim, Interpretacija mnogih svjetova suočava se s mnogim kritikama. Ne postoji uvjerljivo objašnjenje što znači da se svijet dijeli na više svjetova. Nadalje, tvrdnja da postoji više svjetova je sama po sebi bizarna. Ako se svjetovi neprestano stvaraju ad infinitum, ne postoji način da se objasni kako uopće možemo pratiti toliko njih. Nadalje, ako su različiti svjetovi potpuno odvojeni i ne mogu utjecati jedan na drugi, moglo bi se tvrditi da je, iz perspektive promatrača, postojanje drugih svjetova potpuno besmisleno. S te točke gledišta, samo tumačenje postaje besmisleno. Osim toga, još uvijek postoji popriličan broj izazova koje treba riješiti u Interpretaciji mnogih svjetova. Prvo, pružanje adekvatnog objašnjenja o tome koji će svijet stvarni promatrač percipirati jedan je od zadataka kojima se treba pozabaviti. Također mora postojati način opisivanja fenomena iz perspektive promatrača - a ne iz perspektive cjeline - kako bi se objasnili fenomeni koje promatramo u svakodnevnom životu. To je zato što ne promatramo valove vjerojatnosti izravno, već samo njihove ishode. Kopenhagenska interpretacija jasno objašnjava ovaj aspekt. Kopenhagenska interpretacija tvrdi da se svijet koji promatramo ostvaruje kroz kolaps valne funkcije i daje rezultate koji su u skladu sa stvarnošću. Nadalje, Interpretacija mnogih svjetova trebala bi biti u stanju objasniti Kopenhagensku interpretaciju. Ako je Interpretacija mnogih svjetova ispravna, trebala bi biti u stanju objasniti - iz vlastite perspektive - kako su se svi dosadašnji eksperimentalni rezultati podudarali s predviđanjima Kopenhagenske interpretacije. Nadalje, moramo utvrditi pod kojim okolnostima mogu nastati razlike između dvaju tumačenja. Stoga je uspostavljanje veze s Kopenhagenskom interpretacijom također veliki izazov. Ne podržavam koncept kolapsa valova iz Kopenhagenske interpretacije jer nije jasno kada ga točno treba primijeniti, a praksu izoliranja mjerenja kao zasebnog procesa smatram problematičnom u smislu univerzalnosti. Umjesto toga, vjerujem da bismo trebali zadržati perspektivu da se cijeli svemir može opisati kao probabilistički val u kvantnoj mehanici i da je promatrač također dio njega. Stoga mislim da bi Interpretacija mnogih svjetova i slične teorije mogle poslužiti kao alternative. Međutim, kao što je ranije spomenuto, i s ovim tumačenjima ostaje nekoliko problema. Kao što pokazuju rezultati ankete među fizičarima, još nije donesen konačan zaključak u vezi s tumačenjem kvantne mehanike. Neka od postojećih tumačenja imaju povijest opovrgavanja eksperimentima. Međutim, takvi eksperimenti još nisu provedeni za Kopenhagensku interpretaciju ili interpretaciju mnogih svjetova. Moguće je da će se jednog dana razviti eksperimentalni dizajni koji će zapravo moći pokazati razlike između tih interpretacija. Alternativno, možemo na kraju zaključiti da su sva ova tumačenja jednako valjana. Stoga vjerujem da će se, kako se naše razumijevanje zakona fizike bude produbljivalo, otvoriti novi putevi za tumačenje kvantne mehanike. Bit će fascinantno svjedočiti odvijanju tog procesa.
