U ovom blog postu ispitat ćemo pozadinu kvantne mehanike, glavne točke Kopenhagenske interpretacije i interpretacije mnogih svjetova te kako ove dvije interpretacije gledaju na „promatranje“, a zatim ćemo razmisliti o svrsi kvantne mehanike.
Davno u povijesti fizike, Max Planck objavio je rad i eksperimentalne rezultate temeljene na svojim eksperimentima zračenja crnog tijela, navodeći da se „sva energija sastoji od vrlo malih paketića s diskretnim vrijednostima“. To je uzdrmalo temelje prevladavajućeg stava među fizičarima u to vrijeme, koji su vjerovali da se sve pojave u makroskopskom svijetu mogu objasniti Newtonovom mehanikom. Od tog trenutka nadalje, kako se mjerna oprema razvijala i fizičari stjecali sposobnost zavirivanja u mikroskopski svijet, objavljivali su razne eksperimentalne rezultate koji su otkrili ograničenja Newtonove mehanike. Ti rezultati, koje postojeće teorije nisu mogle objasniti, ubrzo su doveli do prepoznavanja potrebe za novim okvirom mehanike - i tako je rođena „kvantna mehanika“. Kvantna mehanika ubrzo je učvrstila svoju poziciju uspješno pružajući odgovore na prirodne pojave koje postojeća fizika nije mogla riješiti, poput Einsteinovog objašnjenja fotoelektričnog efekta i Bohrovog modela spektra atoma vodika. Nadalje, naporima bezbrojnih fizičara i razvojima poput teorije transformacije koju su predložili Paul Dirac i Pascual Jordan, etablirala se kao zasebno područje istraživanja.
Međutim, to je samo označavalo dovršetak matematičkog „oblika“ – alata koji se koristi za opis sadržaja kvantne mehanike – i nije impliciralo da je on uspostavljen iz perspektive fizičke interpretacije. Čak i sada, desetljećima kasnije, među istaknutim fizičarima i dalje postoje sukobi mišljenja u vezi s „interpretacijom“ kvantno-mehaničkih fenomena. Od „Kopenhagenske interpretacije“ – često nazivane glavnom interpretacijom – do „interpretacije mnogih svjetova“, koja se pojavila kao odgovor na ograničenja prve, i raznih drugih interpretacija, ovi različiti pristupi nastavljaju se međusobno nadopunjavati rješavajući praznine koje nijedna interpretacija ne može u potpunosti objasniti. Na konferenciji o kvantnoj mehanici održanoj u Austriji u prošlosti, provedena je anketa među 33 svjetski poznata fizičara u kojoj se pitalo koju interpretaciju podržavaju; Kopenhagenska interpretacija dobila je 42%, informacijsko-teorijska interpretacija 24%, a Interpretacija mnogih svjetova 18%. S obzirom na to da nijedna interpretacija nije premašila 50% u ovoj anketi, čini se jasnim da svaka interpretacija ima svoja ograničenja. U ovom članku ukratko ću predstaviti „Kopenhagensku interpretaciju“ i „interpretaciju mnogih svjetova“ – koje čine značajan dio područja i imaju suprotstavljena gledišta o činu „promatranja“ – te raspraviti o njihovim ograničenjima. „Informacijsko-teorijska interpretacija“ isključena je iz ove rasprave jer kvantnu mehaniku promatra iz perspektive donekle drugačije od druge dvije.
Osnovni okvir kopenhagenske interpretacije, koju su predložili Bohr i Heisenberg, glasi: „Sve dok promatrač ne koristi mjernu opremu, elektron unutar atoma kreće se prema zakonima kauzalnosti. Međutim, pri pokušaju opisivanja elektrona u fiksnom položaju i vremenu unutar prostor-vremena, interveniraju diskretne interakcije, uzrokujući odstupanje od kauzalnosti, a promatrač nema drugog izbora nego se osloniti na kvantne vjerojatnosti.“ Newtonova mehanika tvrdi da čestice promatrane u makroskopskom svijetu posjeduju specifične, dobro definirane vrijednosti za položaj i moment kada se kreću. To znači da su u makroskopskom svijetu, gdje postoje promatrači - odnosno ljudi - položaj i moment fiksni. Međutim, u mikroskopskom svijetu, elektron u pokretu postoji u stanju u kojem se te fizičke veličine ne mogu definitivno odrediti kao jedna vrijednost. Umjesto toga, istovremeno koegzistiraju različita stanja. Na primjer, ako postoje tri moguća stanja - 1, 2 i 3 - koja elektron može zauzeti, elektron postoji u sva tri stanja istovremeno prije nego što se promatra. Matematički, to se može izraziti kao zbroj valnih funkcija koje odgovaraju 1, 2 i 3. Kada promatrač u makroskopskom svijetu promatra elektron, elektron se svodi na jedno stanje među mnogim mogućim stanjima, određeno vjerojatnošću povezanom s tim stanjem. Drugim riječima, čin "promatranja" mijenja stanje elektrona. Na primjer, u trenutku kada se utvrdi da je elektron u stanju 1, nestaje mogućnost da istovremeno postoji u stanjima 2 i 3. To je ono što Kopenhagenska interpretacija naziva "kolapsom valne funkcije". Posljedično, čin "promatranja" ima ogroman značaj u Kopenhagenskoj interpretaciji.
Poznati fizičari poput Einsteina opovrgnuli su kopenhagensku interpretaciju, navodeći razne misaone eksperimente kao dokaz. Među njima je najpoznatiji „Schrödingerov mačak“. Unutar zatvorene kutije nalazi se mačka i uređaj sposoban ispuštati otrov ovisno o kvantno-mehanički određenom stanju čestice. Je li mačka unutar kutije živa ili mrtva nakon određenog vremena - što je samo po sebi stanje - određuje se tek u trenutku kada se poklopac otvori i mačka se promatra. Ovaj misaoni eksperiment ilustrira da primjena čina „promatranja“, koji ima veliko značenje u mikroskopskom svijetu, na makroskopski svijet dovodi do čudnih zaključaka; kao rezultat toga, potaknuo je duboko razmišljanje o značenju promatranja u kvantnoj mehanici. Tu počinje „interpretacija mnogih svjetova“.
Everett III, bivši student Sveučilišta Princeton, opovrgnuo je tvrdnje kopenhagenske interpretacije, tvrdeći da raspodjela vjerojatnosti čestice ne nestaje činom promatranja, već da su više mogućih svjetova postojali od samog početka. Drugim riječima, položaj čestice nije određen na jednu vrijednost promatranjem; već postoji više paralelnih svjetova, a mi jednostavno promatramo jedan od njih. Stanja koja ne promatramo izravno odvijaju se u drugim mogućim svjetovima. Na primjer, ako naše promatranje daje stanje 2, ostala stanja ne nestaju u tom trenutku - ona se odvijaju u drugim svjetovima, a mi ih jednostavno ne možemo promatrati.
Međutim, Interpretacija mnogih svjetova očito ima svoje probleme. Ako se događaj koji bi se mogao dogoditi dogodi u svim mogućim svjetovima, kakvo značenje uopće ima vjerojatnost povezana sa svakim stanjem? Everett je pokušao riješiti to jednostavnim množenjem svakog stanja s težinom. Međutim, što znači da je jedan svijet važniji od drugog ostaje predmet rasprave.
Uzimajući u obzir ova dva tumačenja - svako sa svojim značajem i ograničenjima - sklon sam favorizirati Kopenhagensko tumačenje. Ako se vratimo na podrijetlo kvantne mehanike, vidimo da je ona u konačnici rođena kako bi objasnila pojave u mikroskopskom svijetu. Drugim riječima, budući da je stvorena kako bi razotkrila pojave putem promatranja i rezultirajućih činjenica, čin promatranja od strane promatrača ima toliko značajno značenje. U stvarnom promatranju čestica, kako bismo promatrali stanje jedne čestice, moramo na nju izvršiti određeni stupanj utjecaja. U fizici se to naziva "perturbacija". Drugim riječima, promatranje stanja čestice uključuje izazivanje male promjene u čestici, a zatim promatranje njezinog odgovora. Iako je veza između izazivanja promjene u čestici i kolapsa valne funkcije u matematičkim terminima donekle dvosmislena, slažu se u tome da oba mijenjaju izvorno stanje. To znači da je sam čin promatranja fizički značajan.
Kvantna mehanika se odmaknula od determinističkog načina razmišljanja klasične Newtonove mehanike i usvojila probabilistički pristup. Koliko bi ljudi lako moglo prihvatiti ideju da se položaj jabuke točno ispred njih mijenja s različitim vjerojatnostima svaki put kada je pogledaju? Istina je da i Kopenhagenska interpretacija i interpretacija mnogih svjetova imaju svoj značaj i ograničenja kada je u pitanju pomaganje ljudima - koji su navikli na određena stanja objekata - da razumiju fenomene koji se događaju u mikroskopskom svijetu. Ja sam student inženjerstva koji proučava kako stvoriti nove tehnologije koristeći znanstvene fenomene i rezultate dobivene njihovim promatranjem. Razvoj kvantne mehanike pružio nam je alate za tumačenje fenomena u mikroskopskom svijetu, a to je izravno dovelo do tehnologija koje su korisne ljudima. Oprema za MRI (magnetsku rezonancu), koja je dala značajan doprinos modernoj medicini, razvijena je primjenom NMR (nuklearne magnetske rezonancije) fenomena iz kvantne mehanike; ova se tehnologija koristi ne samo u spektroskopiji - koja određuje molekularne strukture - već i u istraživanju nafte. Na temelju toga, vjerujem da će interpretacija koja je bolje prilagođena objašnjavanju fenomena - što smatram svrhom znanosti - imati veće značenje.
