Ebben a blogbejegyzésben megvizsgáljuk a kvantummechanika hátterét, a koppenhágai és a sokvilág-értelmezés főbb pontjait, valamint azt, hogy ez a két értelmezés hogyan tekint a „megfigyelésre”, majd elmélkedünk a kvantummechanika célján.
A fizika történetének réges-régen Max Planck publikált egy cikket és kísérleti eredményeit feketetest-sugárzási kísérletei alapján, kijelentve, hogy „minden energia nagyon apró, diszkrét értékű csomagokból áll”. Ez alapjaiban rengette meg a fizikusok körében uralkodó nézetet, akik úgy hitték, hogy a makroszkopikus világ minden jelensége megmagyarázható a newtoni mechanikával. Ettől a ponttól kezdve, ahogy a mérőeszközök fejlődtek, és a fizikusok képesek lettek bepillantani a mikroszkopikus világba, különféle kísérleti eredményeket publikáltak, amelyek feltárták a newtoni mechanika korlátait. Ezek az eredmények, amelyeket a meglévő elméletek nem tudtak megmagyarázni, hamarosan elvezettek egy új mechanikai keretrendszer szükségességének felismeréséhez – és így született meg a „kvantummechanika”. A kvantummechanika hamarosan megszilárdította pozícióját azáltal, hogy sikeresen adott válaszokat olyan természeti jelenségekre, amelyeket a meglévő fizika nem tudott megoldani, mint például Einstein fotoelektromos hatásának magyarázata és Bohr hidrogénatom spektrumának modellje. Továbbá számtalan fizikus erőfeszítéseinek és olyan fejlesztéseknek köszönhetően, mint Paul Dirac és Pascual Jordan által javasolt transzformációs elmélet, önálló tanulmányi területté vált.
Ez azonban csupán a matematikai „forma” – a kvantummechanika tartalmának leírására használt eszköz – kiteljesedését jelentette, és nem jelentette azt, hogy azt fizikai értelmezés szempontjából állapították meg. Még most, évtizedekkel később is, véleményütközés folyik a neves fizikusok között a kvantummechanikai jelenségek „értelmezésével” kapcsolatban. A „koppenhágai értelmezéstől” – amelyet gyakran a mainstream értelmezésként emlegetnek – a „sokvilágos értelmezésig”, amely az előbbi korlátaira válaszul született, és számos más értelmezésig, ezek a különböző megközelítések továbbra is kiegészítik egymást azáltal, hogy áthidalják azokat a hiányosságokat, amelyeket egyetlen értelmezés sem tud teljes mértékben megmagyarázni. Egy ausztriai kvantummechanikai konferencián a múltban közvélemény-kutatást végeztek 33 világhírű fizikus körében, amelyben megkérdezték, hogy melyik értelmezést támogatják; a koppenhágai értelmezés 42%-ot, az információelméleti értelmezés 24%-ot, a sokvilágos értelmezés pedig 18%-ot kapott. Tekintettel arra, hogy egyetlen értelmezés sem haladta meg az 50%-ot ebben a közvélemény-kutatásban, egyértelműnek tűnik, hogy minden értelmezésnek megvannak a maga korlátai. Ebben a cikkben röviden bemutatom a „koppenhágai interpretációt” és a „sokvilág-értelmezést” – amelyek a terület jelentős részét teszik ki, és ellentétes nézeteket vallanak a „megfigyelés” aktusáról –, és tárgyalom korlátaikat. Az „információelméleti értelmezést” kizárom ebből a vitából, mert a kvantummechanikát a másik kettőtől némileg eltérő perspektívából vizsgálja.
A koppenhágai értelmezés alapvető keretrendszere, amelyet Bohr és Heisenberg javasolt, a következő: „Amíg a megfigyelő nem alkalmaz mérőeszközöket, az atomon belüli elektron az oksági törvények szerint mozog. Amikor azonban megpróbáljuk leírni az elektront egy rögzített helyzetben és időben a téridőn belül, diszkrét kölcsönhatások avatkoznak közbe, amelyek eltérítik az oksági viszonytól, és a megfigyelőnek nincs más választása, mint a kvantumvalószínűségekre hagyatkozni.” A newtoni mechanika kimondja, hogy a makroszkopikus világban megfigyelt részecskék mozgásuk során specifikus, jól definiált pozíció- és lendületértékekkel rendelkeznek. Ez azt jelenti, hogy a makroszkopikus világban, ahol megfigyelők – azaz emberek – léteznek, a pozíció és a lendület rögzített. A mikroszkopikus világban azonban egy mozgásban lévő elektron olyan állapotban létezik, ahol ezeket a fizikai mennyiségeket nem lehet véglegesen egyetlen értékként meghatározni. Ehelyett különböző állapotok léteznek egyszerre. Például, ha egy elektron három lehetséges állapotot – 1, 2 és 3 – foglalhat el, akkor az elektron mindhárom állapotban egyidejűleg létezik, mielőtt megfigyelik. Matematikailag ez az 1, 2 és 3-hoz tartozó hullámfüggvények összegeként fejezhető ki. Amikor egy megfigyelő a makroszkopikus világban megfigyeli az elektront, az elektron a sok lehetséges állapot közül egyetlen állapotra redukálódik, amelyet az adott állapothoz tartozó valószínűség határoz meg. Más szóval, a „megfigyelés” cselekedete megváltoztatja az elektron állapotát. Például abban a pillanatban, amikor az elektronról megállapítják, hogy az 1. állapotban van, a 2. és 3. állapotban való létezésének lehetősége egyidejűleg megszűnik. Ezt nevezi a koppenhágai értelmezés a „hullámfüggvény összeomlásának”. Következésképpen a „megfigyelés” cselekedete óriási jelentőséggel bír a koppenhágai értelmezésben.
Híres fizikusok, mint például Einstein, cáfolták a koppenhágai értelmezést, különféle gondolatkísérletekre hivatkozva bizonyítékként. Ezek közül a legismertebb a „Schrödinger macskája”. Egy lezárt dobozban egy macska és egy olyan eszköz található, amely képes mérget kibocsátani a részecske kvantummechanikailag meghatározott állapotától függően. Azt, hogy a dobozban lévő macska egy bizonyos idő elteltével – ami maga is egy állapot – él-e vagy halott, csak a fedél kinyitásának és a macská megfigyelésének pillanatában döntik el. Ez a gondolatkísérlet azt szemlélteti, hogy a mikroszkopikus világban nagy jelentőséggel bíró „megfigyelés” cselekedetének a makroszkopikus világra való alkalmazása furcsa következtetésekhez vezet; ennek eredményeként mélyreható elmélkedésre késztetett a megfigyelés kvantummechanikában betöltött jelentőségéről. Itt kezdődik a „sokvilág-értelmezés”.
Everett III, a Princetoni Egyetem korábbi munkatársa cáfolta a koppenhágai interpretáció állításait, azzal érvelve, hogy egy részecske valószínűségi eloszlása nem tűnik el a megfigyelés aktusa révén, hanem több lehetséges világ létezett a kezdetektől fogva. Más szóval, egy részecske helyzetét nem egyetlen értékre határozzák meg a megfigyelés; hanem több párhuzamos világ már létezik, és mi egyszerűen megfigyelünk egyet közülük. Azok az állapotok, amelyeket nem figyelünk meg közvetlenül, más lehetséges világokban bontakoznak ki. Például, ha a megfigyelésünk a 2. állapotot eredményezi, a többi állapot nem tűnik el abban a pillanatban – más világokban bontakoznak ki, és egyszerűen nem tudjuk megfigyelni őket.
A sokvilág-értelmezésnek azonban egyértelműen megvannak a maga problémái. Ha egy esemény, ami minden lehetséges világban bekövetkezhetne, akkor mi értelme van az egyes állapotokhoz tartozó valószínűségnek? Everett úgy próbálta megoldani ezt, hogy egyszerűen megszorozta az egyes állapotokat egy súllyal. Az azonban továbbra is vita tárgya, hogy mit jelent az, hogy az egyik világ fontosabb, mint a másik.
E két értelmezést figyelembe véve – mindegyiknek megvan a maga jelentősége és korlátai –, hajlamos vagyok a koppenhágai értelmezést előnyben részesíteni. Ha visszamegyünk a kvantummechanika eredetéhez, látjuk, hogy végső soron a mikroszkopikus világ jelenségeinek magyarázatára született. Más szóval, mivel a kvantummechanika célja a jelenségek megfigyelésen és az ebből eredő tényeken keresztüli feltárása, a megfigyelő megfigyelési aktusa ilyen jelentős jelentéssel bír. A részecskék tényleges megfigyelése során, ahhoz, hogy megfigyeljük egyetlen részecske állapotát, bizonyos mértékű befolyást kell gyakorolnunk rá. A fizikában ezt „perturbációnak” nevezik. Más szóval, egy részecske állapotának megfigyelése magában foglalja a részecske enyhe változásának előidézését, majd a válaszának megfigyelését. Bár a részecske változásának előidézése és a hullámfüggvény összeomlása közötti kapcsolat matematikai értelemben némileg kétértelmű, abban egyetértenek, hogy mindkettő megváltoztatja az eredeti állapotot. Ez azt jelenti, hogy maga a megfigyelési aktus fizikailag jelentős.
A kvantummechanika eltávolodott a klasszikus newtoni mechanika determinisztikus gondolkodásmódjától, és valószínűségi megközelítést alkalmazott. Hányan tudnák könnyen elfogadni azt az elképzelést, hogy egy alma helyzete közvetlenül előttük változó valószínűséggel változik minden alkalommal, amikor ránéznek? Igaz, hogy mind a koppenhágai értelmezésnek, mind a sokvilág-értelmezésnek megvannak a maga jelentősége és korlátai, amikor arról van szó, hogy segítsenek az embereknek – akik hozzászoktak a tárgyak meghatározott állapotaihoz – megérteni a mikroszkopikus világban zajló jelenségeket. Mérnökhallgató vagyok, és azt tanulmányozom, hogyan lehet új technológiákat létrehozni a tudományos jelenségek és a megfigyelésükből származó eredmények felhasználásával. A kvantummechanika fejlődése eszközöket biztosított számunkra a mikroszkopikus világ jelenségeinek értelmezéséhez, és ez közvetlenül olyan technológiákhoz vezetett, amelyek hasznosak az emberek számára. Az MRI (mágneses rezonancia képalkotó) berendezés, amely jelentősen hozzájárult a modern orvostudományhoz, a kvantummechanika NMR (magmágneses rezonancia) jelenségének alkalmazásával fejlődött ki; ezt a technológiát nemcsak a spektroszkópiában – amely a molekulaszerkezeteket határozza meg –, hanem az olajkutatásban is használják. Ennek alapján úgy vélem, hogy az az értelmezés, amely jobban megfelel a jelenségek magyarázatának – amit a tudomány céljának tekintek –, nagyobb jelentőséggel bír majd.
