בפוסט זה בבלוג, נבחן מהי קריסת גלים, תוך התמקדות בפרשנות קופנהגן ובפרשנות העולמות הרבים מבין הפרשנויות השונות של מכניקת הקוונטים, ונבחן את המאפיינים והמגבלות של כל פרשנות.
מסוף המאה ה-19 ועד תחילת המאה ה-20 החלו לצוץ תופעות שלא ניתן היה להסבירן על ידי פיזיקה קלאסית בלבד. מקסוול ואיינשטיין גילו שלאור יש תכונות דמויות גל וגם תכונות דמויות חלקיקים. מקס בורן ניבא שגם לחלקיקים יש תכונות דמויות גל. נאמר כי ניסוי הסדק הכפול של דייוויסון-גרמר הוכיח באופן ניסיוני כי אלקטרונים בעלי התנהגות דמוית גל. מבט מקרוב על ניסוי החריץ הכפול מגלה את הדברים הבאים: מכשיר הפולט אלקטרונים, לוחית עם שני חריצים ומסך מסודרים ברצף. אלקטרונים הנפלטים ממקור האלקטרונים עוברים דרך שני החריצים ומגיעים למסך; כאשר נצפית הגעתם של האלקטרונים למסך, מופיעה תבנית התאבכות. דפוס כזה אינו מופיע כאשר יש רק חריץ אחד. לכן, יש להסביר את מיקומו של אלקטרון כגל העובר דרך שני החריצים בו זמנית. מכניקת הקוונטים צצה כדי להסביר תופעות אלו. במכניקת הקוונטים, גלי הסתברות מתוארים כאבני הבניין הבסיסיות של הטבע. גלי הסתברות משמשים לתיאור מצב החומר. מצב החומר כולל תכונות כגון מיקום וספין. גל הסתברות מציין שערך מסוים אינו קבוע בנקודה אחת, אלא שההסתברות להתרחשותו משתנה בכל נקודה. מכניקת הקוונטים נוסדה בתחילת המאה ה-20, ותוצאות ניסוייות רבות מאותה תקופה ואילך תומכות בתקפותה של תיאוריה זו. בלב תיאוריה זו טמונה משוואת הגל של שרדינגר. כמשוואה הבסיסית של מכניקת הקוונטים, משוואת הגל של שרדינגר מתארת כיצד גל הסתברותי משתנה לאורך זמן. עם זאת, עדיין לא ברור כיצד גלי הסתברות כאלה קשורים לחיי היומיום. בחיי היומיום, התוצאות שאנו צופים אינן מצבים מרובים אלא מצב יחיד ומוגדר - כיצד ניתן להסביר זאת? מהו גל הסתברות, והאם יש דרך להבין אותו? כדי לפתור שאלות אלו, צצו פרשנויות שונות למכניקת הקוונטים. בסקר שנערך בעבר בכנס לפיזיקה קוונטית, נשאלו המשתתפים על העדפותיהם בנוגע לכל פרשנות. ההעדפה לפרשנות קופנהגן עמדה על 42%, לפרספקטיבה הקוונטית-אינפורמטיבית על 24%, ולפרשנות העולמות הרבים על 18%. כפי שניתן לראות בסקר, פרשנות קופנהגן היא הפרשנות המרכזית בקהילת הפיזיקה. פרשנות קופנהגן היא זו שפותחה מימיה הראשונים של מכניקת הקוונטים על ידי חוקרים בראשות בוהר. בריאן גרין הציג את העיקרון המרכזי של פרשנות קופנהגן כדלקמן: "בכל פעם שאנו מנסים לצפות בגל הסתברותי ישירות, פעולת התצפית עצמה משבשת אותו." פרשנות קופנהגן מסבירה שברגע התצפית, גל ההסתברותי אינו יכול עוד להישאר במצב זה וקורס לנקודה אחת. מוסבר כי התוצאה של קריסה זו לנקודה אחת היא המציאות המוכרת לנו. תהליך זה נקרא קריסת גלים. פרספקטיבת המידע הקוונטי מסבירה שהיקום עצמו מורכב ממידע קוונטי, המהווה את מהותו של היקום. היא טוענת שהכל הוא תוצאה של חישובים קוונטיים הכוללים מידע קוונטי זה. מנקודת מבט זו, היקום כולו נתפס לעיתים כמכונה המבצעת חישובים קוונטיים. סת' לויד כתב ספר הטוען בצורה משכנעת לפרספקטיבה זו. בספר זה, הוא הסביר את תפקיד המידע וכיצד הוא קשור לחוקים פיזיקליים ממשיים. לדוגמה, הוא הסביר כיצד חישוב קוונטי נוטה להפיץ מידע לא ידוע ופירט על החוקים הפיזיקליים הקשורים לאנטרופיה. פרשנות העולמות המרובים הוצעה על ידי יו אוורט. פרשנות זו אינה מקבלת את קריסת פונקציית הגל, שהיא אבן הפינה של פרשנות קופנהגן. במקום זאת, היא טוענת שהיקום מתפצל לעולמות מרובים, וכל האפשרויות מתממשות. לפיכך, זה מסביר שבכל עולם, צופה תופס את המציאות שאנו מכירים. אני מוצא את מושג קריסת פונקציית הגל - שניתן לראותו כבליבה של פרשנות קופנהגן - לא משכנע. כפי שציין בריאן גרין, הגבול המגדיר מה מהווה "תצפית" אינו ברור. ההסבר הולך בערך כך: קריסת פונקציית גל אינה מתרחשת כאשר עצמים מיקרוסקופיים מקיימים אינטראקציה זה עם זה, אך היא מתרחשת כאשר צופה מבצע מדידה; עם זאת, קשה לקבל הסבר זה.
טבעי להניח שחוקי הפיזיקה חלים באופן אוניברסלי וזהה בכל רחבי היקום. מאחר והצופה הוא גם חלק מהיקום, אני מאמין שזה טבעי שחוקי מכניקת הקוונטים יחולו באופן שווה על כל הפעולות, כולל תצפית. עם זאת, פרשנות קופנהגן מסבירה שקריסת גלים מתרחשת כתוצאה מפעולת התצפית של הצופה. מבחינה מתמטית, קריסת גלים היא גם פעולה שונה מפעולות מכניות קוונטיות רגילות. למרות שאיני יכול להסביר כאן בפירוט את התהליך שבו פונקציית גל הסתברות משתנה, ניתן לתאר אותה כפעולה הכוללת כפל במטריצה הפיכה בעלת תכונות מיוחדות מסוימות. "הפיך" פירושו שיש התאמה של אחד לאחד בין התוצאה למצב שגרם לה. עם זאת, כאשר מתרחשת קריסת פונקציית גל, התאמה זו נשברת. המערכת מתקבעת במצב יחיד, מה שהופך את שחזור המצב המקורי לבלתי אפשרי. במקרים בהם אופי התצפית הוא קריטי - כמו בפרשנות קופנהגן - מוצג לעיתים מושג חיתוך הייזנברג. תפיסה זו טוענת שחוקי מכניקת הקוונטים חלים עד גבול מסוים, ומעבר לגבול זה, פונקציית הגל קורסת. עם זאת, גבול זה אינו מוגדר בבירור. ניתן להגדיר זאת ברמה של עצמים כמו אלקטרונים או פרוטונים, או שניתן להגדיר זאת בעצמים מקרוסקופיים כמו בני אדם. זה לא מספק משום שזה לא מציין היכן בדיוק צריך להימתח הגבול הזה. דוגמה ידועה הממחישה מצב זה היא ניסוי המחשבה של שרדינגר על החתול. בניסוי מחשבתי זה, מופיעים חלקיק קטן יותר מאטום וחתול. החלקיק הקטן יכול להתפרק בהסתברות מסוימת, תהליך שניתן להסבירו על ידי מכניקת הקוונטים. לידו מוצב מכשיר גילוי. נאמר שברגע שמגלים ריקבון כזה, מופעל מנגנון שהורג את החתול. זה מעלה את השאלה האם החתול מת או חי באותו רגע. פרשנות קופנהגן מסבירה שמצבו של החתול - בין אם הוא חי או מת - נקבע ברגע שהוא נצפה. הסבר זה מבוסס על ההנחה שגם עצמים מקרוסקופיים אינם חווים קריסת גלים. זה מצביע על כך שאפילו עצמים גדולים חייבים להיחשב במסגרת מכניקת הקוונטים. כתוצאה מכך, ישנם ניסויי מחשבה שלוקחים את המצב הזה לקיצוניות אף יותר. בניסוי מחשבתי זה, אנו מניחים שחבר ערך את ניסוי המחשבה של שרדינגר על חתול וצפה במצבו של החתול. במקרה כזה, הוא אינו מספק הסבר סופי באיזה גבול יש לראות את פונקציית הגל כקריסה. בנוגע לגבול זה, יש הרואים בהיקף הידע של הצופה חשיבות מכרעת, ונאמר שזה קשור להסתברות. אף על פי כן, לפרשנות קופנהגן יש יתרון בכך שהיא מסבירה בקלות ובבהירות את התוצאות הנצפות על ידי הצופה. למעשה, זה מסביר היטב את תוצאות הניסויים השונים. די להחיל קריסת גלים ברגע התצפית על תוצאות הניסוי או בעת אינטראקציה עם עצמים מקרוסקופיים. זוהי פרשנות נוחה שאינה דורשת התחשבות במצב הקוונטי של ציוד התצפית. אחת הסיבות להצלחתו הרבה, למרות התוצאה של קריסת גלים, שקשה לקבל באופן אינטואיטיבי, היא ככל הנראה יכולתו להסביר היטב תוצאות ניסוייות. דווקא משום שקריסת גלים היא הסבר כל כך לא טבעי, אני מאמין שפרשנות העולמות המרובים יכולה להיות אלטרנטיבה בת קיימא לפרשנות קופנהגן. פרשנות העולמות הרבים אינה מכירה בקריסת גלים. אומרים שזוהי פרשנות הנגזרת מהתמקדות אך ורק במשוואת הגל של שרדינגר. מכיוון שהיא אינה רואה את פעולת התצפית ככפופה לחוקים מיוחדים כלשהם, היא מפרשת את התהליך פשוט כשינוי במצב הגל כפי שניתן לראות ממשוואת הגל. במילים אחרות, מובן שכאשר מתבצעת תצפית, הגל אינו קורס; במקום זאת, הצופה והאובייקט נכנסים למצב של שזירה קוונטית-מכנית. כדי להבין את המצב הסבוך הזה, בואו נבחן דוגמה מנקודת מבטה של פרשנות העולמות המרובים, שאינה מכירה בקריסת גלים. ספין של אלקטרון יכול להיות למעלה (↑) או למטה (↓). ציוד התצפית הוא מכשיר המודד את הספין של האלקטרון. נניח שלחלון תצוגת המצבים של ציוד התצפית יש שלושה מצבים אפשריים: למעלה (⟰), למטה (⟱) וריק (). בואו נבחן את המצב לפני המדידה. ניתן לתאר את ספין האלקטרון ואת חלון תצוגת המצב של ציוד התצפית כגלי הסתברות בלתי תלויים זה בזה. האלקטרון אינו קבוע כלפי מעלה (↑) או כלפי מטה (↓), אלא מיוצג על ידי גל הסתברות. מכשיר המדידה היה מוגדר למצב ריק () עבור הניסוי, ותהיה פונקציית גל הסתברות המייצגת מצב זה. בואו נבחן את המצב לאחר המדידה. בשלב זה, לא ניתן עוד לתאר זאת כפונקציות גל הסתברות בלתי תלויות. המצב הכללי מתואר במקום זאת על ידי פונקציית גל הסתברות יחידה הכוללת גם את האלקטרון וגם את מנגנון המדידה.
באופן ספציפי, היא מיוצגת על ידי פונקציית גל הסתברות יחידה המתארת רק שני מצבים אפשריים: אחד שבו ספין האלקטרון נמצא למעלה וחלון המצב של מנגנון התצפית מציין "למעלה" (↑⟰), ואחד שבו ספין האלקטרון נמצא למטה וחלון המצב של מנגנון התצפית מציין "למטה" (↓⟱). תופעה זו, שבה מספר מצבים אינם עוד עצמאיים, מתוארת כ"הסתבכות". פרשנות העולמות המרובים לוקחת זאת צעד קדימה. אם מסתכלים על הדוגמה לעיל, ישנם שני מצבים אפשריים (↑⟰, ↓⟱). פרשנות העולמות הרבים רואה את העולם כמחולק לשני מצבים אלה. כלומר, בעולם אחד, מתרחשת הסיטואציה ↑⟰, ובעולם אחר, מתרחשת הסיטואציה ↓⟱. נאמר כי בבחינת משוואת שרדינגר, אין בעיה מתמטית משמעותית בבחינתה בדרך זו. אם נפריד בין המצבים האפשריים על סמך תוצאות התצפיות ונפרש כל תוצאה כעולם נפרד, זוהי בדיוק פרשנות העולמות הרבים. לפיכך, כל אירוע שניתן להתייחס אליו כתצפית נתפס כאירוע שבו עולמות מתפצלים. כתוצאה מכך, כל אפשרות שהיא אפשרית מבחינה קוונטית-מכנית מתממשת בכל עולם. ההיבט המושך ביותר של פרשנות העולמות המרובים הוא שהיא אינה רואה במעשה ההתבוננות משהו מיוחד. מאחר שגם הצופה נתפס כחלק מעולם הכפוף לאותם חוקי מכניקת הקוונטים, אני רואה בפרשנות זו פרשנות ישימה יותר באופן אוניברסלי. עם זאת, פרשנות העולמות המרובים מתמודדת עם ביקורות רבות. אין הסבר משכנע למה המשמעות של פיצול העולם למספר עולמות. יתר על כן, הטענה שקיימים עולמות מרובים היא ביזארית כשלעצמה. אם עולמות נוצרים ללא הרף עד אינסוף, אין דרך להסביר כיצד נוכל לעקוב אחר כל כך הרבה מהם. יתר על כן, אם עולמות שונים נפרדים לחלוטין ואינם יכולים להשפיע זה על זה, ניתן לטעון שמנקודת מבטו של הצופה, קיומם של עולמות אחרים הוא חסר משמעות לחלוטין. מנקודת מבט זו, הפרשנות עצמה הופכת לחסרת משמעות. בנוסף, עדיין ישנם לא מעט אתגרים שיש לטפל בהם בפרשנות העולמות המרובים. ראשית, מתן הסבר הולם לגבי איזה עולם יתפוס צופה בפועל היא אחת המשימות שיש לטפל בהן. חייבת להיות גם דרך לתאר תופעות מנקודת מבטו של הצופה - ולא מנקודת מבטו של השלם - על מנת להסביר את התופעות שאנו צופים בהן בחיי היומיום. הסיבה לכך היא שאנחנו לא צופים ישירות בגלי הסתברות, אלא רק בתוצאות שלהם. פרשנות קופנהגן מסבירה בבירור היבט זה. פרשנות קופנהגן גורסת שהעולם שאנו צופים בו מתממש באמצעות קריסת פונקציית הגל, והיא מניבה תוצאות המתאימות למציאות. יתר על כן, פרשנות העולמות הרבים אמורה להיות מסוגלת להסביר את פרשנות קופנהגן. אם פירוש העולמות המרובים הוא הנכון, הוא אמור להיות מסוגל להסביר - מנקודת מבטו שלו - כיצד כל תוצאות הניסויים עד כה תאמו את תחזיות פירוש קופנהגן. יתר על כן, עלינו לקבוע באילו נסיבות עשויים להתעורר הבדלים בין שתי הפרשנויות. לכן, יצירת קשר עם פרשנות קופנהגן היא גם אתגר מרכזי. אני לא תומך במושג קריסת הגלים של פרשנות קופנהגן משום שלא ברור מתי בדיוק יש ליישם אותו, ואני רואה את הנוהג של בידוד המדידה כתהליך נפרד כבעייתי מבחינת אוניברסליות. במקום זאת, אני מאמין שעלינו לשמור על הפרספקטיבה לפיה ניתן לתאר את היקום כולו כגל הסתברותי במכניקת הקוונטים, ושגם הצופה הוא חלק ממנו. לכן, אני חושב שפרשנות העולמות המרובים ותיאוריות דומות יכולות לשמש כחלופות. עם זאת, כפי שצוין קודם לכן, גם עם פרשנויות אלה נותרו מספר בעיות. כפי שמעידים תוצאות סקר בהשתתפות פיזיקאים, טרם הושגה מסקנה חד משמעית בנוגע לפרשנות מכניקת הקוונטים. לחלק מהפרשנויות הקיימות יש היסטוריה של הופרכות על ידי ניסויים. עם זאת, טרם נערכו ניסויים כאלה עבור פרשנות קופנהגן או פרשנות העולמות הרבים. ייתכן שיום אחד יפותחו עיצובים ניסיוניים המסוגלים להדגים בפועל את ההבדלים בין פרשנויות אלה. לחלופין, ייתכן שבסופו של דבר נגיע למסקנה שכל הפרשנויות הללו תקפות באותה מידה. לכן, אני מאמין שככל שהבנתנו את חוקי הפיזיקה תעמיק, ייפתחו אפיקים חדשים לפירוש מכניקת הקוונטים. יהיה מרתק לחזות בתהליך הזה להתפתח.
