Ebben a blogbejegyzésben megvizsgáljuk, mit jelent a hullámösszeomlás, a kvantummechanika különböző értelmezései közül a koppenhágai és a sokvilág-értelmezésre összpontosítva, és figyelembe vesszük az egyes értelmezések jellemzőit és korlátait.
A 19. század végétől a 20. század elejéig olyan jelenségek kezdtek megjelenni, amelyeket a klasszikus fizika önmagában nem tudott megmagyarázni. Maxwell és Einstein felfedezték, hogy a fény hullám- és részecsketulajdonságokkal is rendelkezik. Max Born azt jósolta, hogy a részecskék is rendelkeznek hullámszerű tulajdonságokkal. Állítólag a Davisson-Germer kettős résű kísérlet kísérletileg igazolta, hogy az elektronok hullámszerű viselkedéssel rendelkeznek. A kétréses kísérlet alaposabb vizsgálata a következőket mutatja: Egy elektronokat kibocsátó eszköz, egy kétréses lemez és egy képernyő sorba rendeződik. Az elektronforrásból kibocsátott elektronok áthaladnak a két résen, és elérik az ernyőt; amikor az elektronok ernyőre érkezését megfigyelik, interferenciamintázat jelenik meg. Ilyen minta nem jelenik meg, ha csak egy rés van. Ezért egy elektron helyzetét úgy kell magyarázni, hogy egy hullám egyszerre halad át mindkét résen. A kvantummechanika jelent meg ezen jelenségek magyarázatára. A kvantummechanikában a valószínűségi hullámokat a természet alapvető építőköveiként írják le. A valószínűségi hullámokat az anyag halmazállapotának leírására használják. Az anyag halmazállapota olyan tulajdonságokat foglal magában, mint a pozíció és a spin. A valószínűségi hullám azt jelzi, hogy egy érték nem rögzített egyetlen pontban sem, hanem a bekövetkezésének valószínűsége minden pontban változik. A kvantummechanikát a 20. század elején alapították, és számos kísérleti eredmény ebből az időszakból és azt követően alátámasztja ennek az elméletnek az érvényességét. Ennek az elméletnek a középpontjában Schrödinger hullámegyenlete áll. A kvantummechanika alapegyenleteként Schrödinger hullámegyenlete leírja, hogyan változik egy valószínűségi hullám az idő múlásával. Azonban továbbra sem világos, hogy pontosan hogyan kapcsolódnak az ilyen valószínűségi hullámok a mindennapi élethez. A mindennapi életben a megfigyelt eredmények nem több állapotot, hanem egyetlen, meghatározott állapotot jelentenek – hogyan magyarázható ez? Mi a valószínűségi hullám, és van-e mód megérteni? E kérdések megválaszolására a kvantummechanika különféle értelmezései jelentek meg. Egy korábbi kvantumfizikai konferencián végzett felmérésben a résztvevőket megkérdezték az egyes értelmezésekkel kapcsolatos preferenciáikról. A koppenhágai értelmezés 42%-os, a kvantuminformációs perspektíva 24%-os, a sokvilág-értelmezés pedig 18%-os arányban volt előnyös. Amint a felmérésből látható, a koppenhágai értelmezés a fizikus közösség fő értelmezése. A koppenhágai értelmezést a kvantummechanika legkorábbi napjaiban fejlesztették ki a Bohr vezette tudósok. Brian Greene a következőképpen vezette be a koppenhágai interpretáció központi tételét: „Valahányszor megpróbálunk közvetlenül megfigyelni egy valószínűségi hullámot, maga a megfigyelés aktusa zavarja meg azt.” A koppenhágai interpretáció elmagyarázza, hogy a megfigyelés pillanatában a valószínűségi hullám már nem maradhat ebben az állapotban, és egyetlen ponttá omlik össze. Elmagyarázzák, hogy ennek az egyetlen pontba való összeomlásnak az eredménye az a valóság, amelyet ismerünk. Ezt a folyamatot hullámtörésnek nevezik. A kvantuminformáció-perspektíva elmagyarázza, hogy maga az univerzum kvantuminformációból áll, amely magát az univerzum lényegét alkotja. Azt állítja, hogy minden kvantumszámítások eredménye, amelyek ezt a kvantuminformációt használják. Ebből a nézőpontból az egész univerzumot néha kvantumszámításokat végző gépnek tekintik. Seth Lloyd írt egy könyvet, amely meggyőzően érvel e mellett a nézőpont mellett. Ebben a könyvben elmagyarázta az információ szerepét és azt, hogy az hogyan kapcsolódik a tényleges fizikai törvényekhez. Például elmagyarázta, hogyan terjednek ismeretlen információk a kvantumszámítások során, és részletesen ismertette az entrópiához kapcsolódó fizikai törvényeket. A sokvilág-értelmezést Hugh Everett javasolta. Ez az értelmezés nem fogadja el a hullámfüggvény összeomlását, amely a koppenhágai értelmezés sarokköve. Ehelyett azt állítja, hogy a világegyetem több világra ágazik, és minden lehetőség megvalósul. Így magyarázza, hogy minden világban a megfigyelő azt a valóságot érzékeli, amelyet mi ismerünk. A hullámfüggvény-összeomlás koncepcióját – amely a koppenhágai értelmezés magjának tekinthető – nem tartom meggyőzőnek. Ahogy Brian Greene rámutatott, a „megfigyelés” fogalmát meghatározó határ nem egyértelmű. A magyarázat nagyjából így hangzik: a hullámfüggvény összeomlása nem akkor következik be, amikor mikroszkopikus objektumok kölcsönhatásba lépnek egymással, hanem akkor, amikor egy megfigyelő mérést végez; ezt a magyarázatot azonban nehéz elfogadni.
Természetes feltételezni, hogy a fizika törvényei egyetemesen és azonosan érvényesek az egész univerzumban. Mivel a megfigyelő is a világegyetem része, természetesnek tartom, hogy a kvantummechanika törvényei egyformán érvényesek minden cselekvésre, beleértve a megfigyelést is. A koppenhágai értelmezés azonban azt magyarázza, hogy a hullám összeomlása a megfigyelő megfigyelési cselekedetének eredményeként következik be. Matematikailag a hullám összeomlása szintén egy olyan művelet, amely különbözik a szokásos kvantummechanikai műveletektől. Bár itt nem tudom részletesen elmagyarázni azt a folyamatot, amelynek során egy valószínűségi hullámfüggvény változik, leírható egy olyan műveletként, amely egy bizonyos speciális tulajdonságokkal rendelkező, megfordítható mátrixszal való szorzást foglal magában. A „visszafordítható” azt jelenti, hogy egyértelmű megfelelés van az eredmény és az azt kiváltó állapot között. Amikor azonban a hullámfüggvény összeomlik, ez a megfelelés megszakad. A rendszer egyetlen állapotban rögzül, így lehetetlenné válik az eredeti állapot visszaállítása. Azokban az esetekben, amikor a megfigyelés jellege kulcsfontosságú – mint például a koppenhágai interpretációban –, néha bevezetik a Heisenberg-vágás fogalmát. Ez az elmélet azt állítja, hogy a kvantummechanika törvényei egy bizonyos határig érvényesek, és ezen a határon túl a hullámfüggvény összeomlik. Ez a határ azonban nincs egyértelműen meghatározva. Beállítható objektumok, például elektronok vagy protonok szintjén, vagy makroszkopikus objektumokon, például embereken. Ez azért nem kielégítő, mert nem határozza meg pontosan, hogy hol kell meghúzni ezt a határt. Egy jól ismert példa, amely ezt a helyzetet illusztrálja, Schrödinger macska gondolatkísérlete. Ebben a gondolatkísérletben egy atomnál kisebb részecske és egy macska jelenik meg. A kis részecske bizonyos valószínűséggel elbomolhat, ez a folyamat a kvantummechanikával magyarázható. Egy érzékelő eszközt helyeznek el mellette. Azt mondják, hogy abban a pillanatban, amikor ilyen bomlást észlelnek, beindul egy mechanizmus, amely megöli a macskát. Ez felveti a kérdést, hogy a macska él-e vagy halott abban a pillanatban. A koppenhágai értelmezés szerint a macska állapota – legyen az élő vagy halott – abban a pillanatban meghatározásra kerül, amikor megfigyelik. Ez a magyarázat azon a feltételezésen alapul, hogy még a makroszkopikus objektumok sem tapasztalnak hullám-összeomlást. Ez azt sugallja, hogy még a nagy tárgyakat is a kvantummechanika keretein belül kell figyelembe venni. Következésképpen vannak olyan gondolatkísérletek, amelyek ezt a helyzetet még szélsőségesebbé teszik. Ebben a gondolatkísérletben feltételezzük, hogy egy barátunk elvégezte a Schrödinger-macska gondolatkísérletet, és megfigyelte a macska állapotát. Ilyen esetben nem ad végleges magyarázatot arra, hogy melyik határnál kell a hullámfüggvényt összeomlottnak tekinteni. Ezzel a határral kapcsolatban egyesek a megfigyelő tudásának mértékét tartják döntő fontosságúnak, és azt mondják, hogy ez összefügg a valószínűséggel. Mindazonáltal a koppenhágai értelmezésnek megvan az az előnye, hogy könnyen és világosan megmagyarázza a megfigyelő által megfigyelt eredményeket. Valójában nagyon jól magyarázza a különféle kísérletek eredményeit. Elegendő a hullámösszeomlást a kísérleti eredmények megfigyelésének pillanatában vagy makroszkopikus objektumokkal való kölcsönhatáskor alkalmazni. Ez egy kényelmes értelmezés, amely nem igényli a megfigyelőberendezés kvantumállapotának figyelembevételét. A hullámösszeomlás intuitíven nehezen elfogadható eredménye ellenére nagy sikerének egyik oka valószínűleg az, hogy jól magyarázza a kísérleti eredményeket. Pontosan azért, mert a hullámok összeomlása egy ilyen természetellenes magyarázat, úgy vélem, hogy a Sok-Világ Interpretáció életképes alternatívája lehet a koppenhágai értelmezésnek. A Sokvilág-értelmezés nem ismeri el a hullámok összeomlását. Állítólag ez egy olyan értelmezés, amely kizárólag Schrödinger hullámegyenletére összpontosítva származik. Mivel a megfigyelés cselekményét nem tekinti semmilyen különleges törvénynek alávetve, a folyamatot egyszerűen a hullámegyenletből látható hullámállapot-változásként értelmezi. Más szóval, a megfigyelés során a hullám nem omlik össze, hanem a megfigyelő és a tárgy kvantummechanikailag összefonódott állapotba kerül. Ennek az összefonódott állapotnak a megértéséhez vizsgáljunk meg egy példát a Sokvilág-interpretáció szemszögéből, amely nem ismeri el a hullámok összeomlását. Egy elektron spinje lehet felfelé (↑) vagy lefelé (↓) irányuló. A megfigyelőberendezés egy olyan eszköz, amely az elektron spinjét méri. Tegyük fel, hogy a megfigyelőberendezés állapotkijelző ablakának három lehetséges állapota van: fent (⟰), lent (⟱) és üres (). Nézzük meg a mérés előtti helyzetet. Az elektron spinje és a megfigyelőberendezés állapotkijelző ablaka egymástól független valószínűségi hullámokként írható le. Az elektron nincs rögzítve sem felfelé (↑), sem lefelé (↓) irányban, hanem egy valószínűségi hullám ábrázolja. A mérőberendezést a kísérlethez üres állapotba () kellett volna állítani, és egy valószínűségi hullámfüggvény reprezentálta volna ezt a helyzetet. Nézzük meg a helyzetet a mérés után. Ezen a ponton már nem írható le független valószínűségi hullámfüggvényekként. Az általános állapotot ehelyett egyetlen valószínűségi hullámfüggvény írja le, amely magában foglalja mind az elektront, mind a mérőberendezést.
Konkrétan egyetlen valószínűségi hullámfüggvénnyel ábrázolják, amely csak két lehetséges helyzetet ír le: az egyikben az elektron spinje felfelé mutat, és a megfigyelőberendezés állapotablaka „fel”-et jelez (↑⟰), a másikban pedig lefelé mutat, és a megfigyelőberendezés állapotablaka „le”-t jelez (↓⟱). Ezt a jelenséget, amelyben több állapot már nem független egymástól, „összefonódásnak” nevezik. A Sokvilág-értelmezés egy lépéssel tovább megy. A fenti példát tekintve két lehetséges helyzet van (↑⟰, ↓⟱). A Sokvilág-értelmezés a világot e két állapotra osztottnak tekinti. Vagyis az egyik világban a ↑⟰ helyzet áll fenn, a másikban pedig a ↓⟱. Azt mondják, hogy Schrödinger egyenletének vizsgálatakor nincs komoly matematikai probléma ezzel a megközelítéssel. Ha a lehetséges állapotokat a megfigyelések eredményei alapján szétválasztjuk, és minden eredményt különálló világként értelmezünk, akkor pontosan az a Sokvilág-interpretáció. Így minden olyan eseményt, amely megfigyelésnek tekinthető, olyan eseménynek tekintünk, amelyben világok hasadnak szét. Következésképpen minden kvantummechanikailag megvalósítható lehetőség megvalósul minden világban. A Sokvilág-értelmezés számomra leginkább az, hogy a megfigyelés aktusát nem tekinti valami különleges dolognak. Mivel még a megfigyelőt is egy olyan világ részének tekintjük, amelyre a kvantummechanika ugyanazon törvényei vonatkoznak, ezt az értelmezést univerzálisan alkalmazhatónak tartom. A Sokvilág-értelmezést azonban számos kritika éri. Nincs meggyőző magyarázat arra, hogy mit jelent a világ több világra szakadása. Továbbá az az állítás, hogy több világ létezik, önmagában is bizarr. Ha a világok folyamatosan, a végtelenségig jönnek létre, akkor nincs mód megmagyarázni, hogyan tudunk ennyi világot nyomon követni. Továbbá, ha a különböző világok teljesen elkülönülnek, és nem befolyásolhatják egymást, akkor azzal érvelhetünk, hogy a megfigyelő szempontjából a többi világ létezése teljesen értelmetlen. Ebből a szempontból maga az értelmezés értelmetlenné válik. Ezenkívül még mindig számos kihívással kell foglalkozni a Sokvilág-értelmezésben. Először is, az egyik megoldandó feladat annak megfelelő magyarázata, hogy egy tényleges megfigyelő melyik világot fogja érzékelni. Kell lennie egy módnak arra is, hogy a jelenségeket a megfigyelő szemszögéből – az egész szemszögéből – írjuk le, hogy megmagyarázhassuk a mindennapi életben megfigyelt jelenségeket. Ez azért van, mert nem figyeljük meg közvetlenül a valószínűségi hullámokat, hanem csak azok kimenetelét. A koppenhágai értelmezés világosan megmagyarázza ezt a szempontot. A koppenhágai értelmezés szerint a megfigyelt világ a hullámfüggvény összeomlásán keresztül valósul meg, és olyan eredményeket hoz, amelyek összhangban vannak a valósággal. Továbbá a Sokvilág-értelmezésnek képesnek kell lennie a koppenhágai értelmezés magyarázatára. Ha a Sokvilág-interpretáció a helyes, akkor képesnek kell lennie arra, hogy – a saját perspektívájából – megmagyarázza, hogyan egyezett meg az összes eddigi kísérleti eredmény a koppenhágai interpretáció előrejelzéseivel. Továbbá meg kell határoznunk, hogy milyen körülmények között adódhatnak különbségek a két értelmezés között. Ezért a koppenhágai értelmezéssel való kapcsolat megteremtése is komoly kihívást jelent. Nem támogatom a koppenhágai értelmezés hullámösszeomlásról alkotott koncepcióját, mert nem világos, hogy pontosan mikor kell alkalmazni, és a mérés különálló folyamatként való elkülönítésének gyakorlatát az univerzalitás szempontjából problematikusnak tartom. Ehelyett úgy vélem, hogy fenn kell tartanunk azt a perspektívát, hogy az egész univerzum valószínűségi hullámként írható le a kvantummechanikában, és hogy a megfigyelő is ennek a része. Ezért úgy gondolom, hogy a Sokvilág-értelmezés és a hasonló elméletek alternatívaként szolgálhatnak. Azonban, ahogy korábban említettük, számos probléma továbbra is fennáll ezekkel az értelmezésekkel kapcsolatban. Amint azt a fizikusok körében végzett felmérések eredményei is bizonyítják, a kvantummechanika értelmezésével kapcsolatban még nem született végleges következtetés. A meglévő értelmezések némelyikét kísérletek cáfolták meg. A koppenhágai vagy a sokvilág-értelmezés esetében azonban még nem végeztek ilyen kísérleteket. Lehetséges, hogy egy napon olyan kísérleti terveket fejlesztenek ki, amelyek képesek lesznek bemutatni a különbségeket ezen értelmezések között. Vagy arra a következtetésre juthatunk, hogy mindezek az értelmezések egyformán érvényesek. Ezért hiszem, hogy a fizika törvényeinek megértésének elmélyülésével új utak nyílnak meg a kvantummechanika értelmezésében. Izgalmas lesz végignézni, ahogy ez a folyamat kibontakozik.
