בפוסט זה בבלוג, נבחן את הרקע של מכניקת הקוונטים, את הנקודות העיקריות של פרשנות קופנהגן ופרשנות העולמות הרבים, וכיצד שתי פרשנויות אלו תופסות "תצפית", ולאחר מכן נבחן את מטרתה של מכניקת הקוונטים.
לפני זמן רב בהיסטוריה של הפיזיקה, פרסם מקס פלאנק מאמר ותוצאות ניסויים המבוססות על ניסויי קרינת הגוף השחור שלו, וקבע כי "כל האנרגיה מורכבת ממנות קטנות מאוד בעלות ערכים בדידים". דבר זה זעזע את יסודות התפיסה הרווחת בקרב פיזיקאים באותה תקופה, שהאמינו שכל התופעות בעולם המקרוסקופי ניתנות להסבר על ידי מכניקה ניוטונית. מנקודה זו ואילך, ככל שציוד המדידה התקדם ופיזיקאים זכו ליכולת להציץ לעולם המיקרוסקופי, הם פרסמו תוצאות ניסוייות שונות שחשפו את מגבלות המכניקה הניוטונית. תוצאות אלו, שלא ניתן היה להסבירן על ידי תיאוריות קיימות, הובילו במהרה להכרה בצורך במסגרת חדשה של מכניקה - וכך נולדה "מכניקת הקוונטים". מכניקת הקוונטים ביססה במהרה את מעמדה על ידי מתן תשובות מוצלחות לתופעות טבע שלא ניתן היה לפתור על ידי הפיזיקה הקיימת, כגון ההסבר של איינשטיין לאפקט הפוטואלקטרי ומודל הספקטרום של אטום המימן של בוהר. יתר על כן, באמצעות מאמציהם של אינספור פיזיקאים ופיתוחים כמו תורת הטרנספורמציה שהוצעה על ידי פול דיראק ופסקואל ג'ורדן, היא ביססה את עצמה כתחום מחקר נפרד.
עם זאת, הדבר סימל רק את השלמת ה"צורה" המתמטית - הכלי המשמש לתיאור תוכן מכניקת הקוונטים - ולא רמז שהיא נקבעה מנקודת מבט של פרשנות פיזיקלית. אפילו עכשיו, עשרות שנים מאוחר יותר, נמשכים מחלוקות דעות בקרב פיזיקאים בולטים בנוגע ל"פרשנות" של תופעות מכניות קוונטיות. החל מ"פרשנות קופנהגן" - המכונה לעתים קרובות הפרשנות המרכזית - ועד ל"פרשנות העולמות הרבים", שצמחה בתגובה למגבלותיה של הראשונה, ופרשנויות שונות אחרות, גישות שונות אלו ממשיכות להשלים זו את זו על ידי התייחסות לפערים שאף פרשנות אחת אינה יכולה להסביר במלואם. בכנס מכניקת קוונטים שנערך באוסטריה בעבר, נערך סקר בקרב 33 פיזיקאים בעלי שם עולמי ששאלו באיזו פרשנות הם תומכים; פרשנות קופנהגן קיבלה 42%, פרשנות תיאורטית המידע 24% ופרשנות העולמות הרבים 18%. בהינתן שאף פרשנות אחת לא עברה את 50% בסקר זה, נראה ברור שלכל פרשנות יש מגבלות משלה. במאמר זה אציג בקצרה את "פרשנות קופנהגן" ואת "פרשנות העולמות הרבים" - המהוות חלק משמעותי מהתחום ומחזיקות בדעות מנוגדות לגבי פעולת ה"תצפית" - ואדון במגבלותיהן. "הפרשנות התיאורטית של המידע" אינה נכללת בדיון זה משום שהיא רואה את מכניקת הקוונטים מנקודת מבט שונה במקצת משתי האחרות.
המסגרת הבסיסית של פרשנות קופנהגן, שהוצעה על ידי בוהר והייזנברג, היא כדלקמן: "כל עוד הצופה אינו משתמש בציוד מדידה, האלקטרון בתוך אטום נע לפי חוקי הסיבתיות. עם זאת, כאשר מנסים לתאר את האלקטרון במיקום ובזמן קבועים בתוך המרחב-זמן, מתערבות אינטראקציות דיסקרטיות, וגורמות לו לסטות מהסיבתיות, ולצופה אין ברירה אלא להסתמך על הסתברויות קוונטיות." מכניקת ניוטונית קובעת כי חלקיקים הנצפים בעולם המקרוסקופי הם בעלי ערכים ספציפיים ומוגדרים היטב למיקום ולתנע כאשר הם נעים. משמעות הדבר היא שבעולם המקרוסקופי, שבו קיימים צופים - כלומר, בני אדם - המיקום והתנע קבועים. עם זאת, בעולם המיקרוסקופי, אלקטרון בתנועה קיים במצב שבו לא ניתן לקבוע באופן סופי כמויות פיזיקליות אלו כערך יחיד. במקום זאת, מצבים שונים שונים מתקיימים בו זמנית. לדוגמה, אם ישנם שלושה מצבים אפשריים - 1, 2 ו-3 - שאלקטרון יכול לתפוס, האלקטרון קיים בכל שלושת המצבים בו זמנית לפני שהוא נצפה. מבחינה מתמטית, ניתן לבטא זאת כסכום פונקציות הגל המתאימות ל-1, 2 ו-3. כאשר צופה בעולם המקרוסקופי צופה באלקטרון, האלקטרון מצטמצם למצב יחיד מבין המצבים האפשריים הרבים, הנקבע על ידי ההסתברות הקשורה למצב זה. במילים אחרות, פעולת ה"תצפית" משנה את מצב האלקטרון. לדוגמה, ברגע שהאלקטרון נקבע כמצב 1, האפשרות שהוא קיים בו זמנית במצבים 2 ו-3 נעלמת. זה מה שפרשנות קופנהגן מכנה "קריסת פונקציית הגל". כתוצאה מכך, לפעולת ה"תצפית" יש משמעות עצומה בפרשנות קופנהגן.
פיזיקאים מפורסמים כמו איינשטיין הפריכו את פרשנות קופנהגן, תוך שהם מצטטים ניסויים מחשבתיים שונים כראיה. ביניהם, הידוע ביותר הוא "חתול שרדינגר". בתוך קופסה אטומה נמצאים חתול ומכשיר המסוגל לשחרר רעל בהתאם למצב הקוונטי-מכני של חלקיק. האם החתול שבתוך הקופסה חי או מת לאחר פרק זמן מסוים - שהוא עצמו מצב - נקבע רק ברגע פתיחת המכסה והחתול נצפה. ניסוי מחשבתי זה ממחיש כי יישום פעולת ה"תצפית", שיש לה משמעות רבה בעולם המיקרוסקופי, על העולם המקרוסקופי מוביל למסקנות מוזרות; כתוצאה מכך, הוא עורר הרהור מעמיק על משמעות התצפית במכניקת הקוונטים. כאן מתחילה "פרשנות העולמות הרבים".
אוורט השלישי, לשעבר סטודנט באוניברסיטת פרינסטון, הפריך את טענות פרשנות קופנהגן, וטען כי התפלגות ההסתברות של חלקיק אינה נעלמת באמצעות פעולת התצפית, אלא שעולמות אפשריים מרובים התקיימו כבר מההתחלה. במילים אחרות, מיקומו של חלקיק אינו נקבע לערך יחיד באמצעות תצפית; במקום זאת, עולמות מקבילים מרובים כבר קיימים, ואנו פשוט צופים באחד מהם. המצבים שאיננו צופים בהם ישירות מתפתחים בעולמות אפשריים אחרים. לדוגמה, אם התצפית שלנו מניבה מצב 2, המצבים האחרים אינם נעלמים באותו רגע - הם מתפתחים בעולמות אחרים, ואנחנו פשוט לא יכולים לצפות בהם.
עם זאת, לפרשנות ריבוי העולמות יש בבירור בעיות. אם אירוע שיכול להתרחש קורה בכל העולמות האפשריים, איזו משמעות יש בכלל להסתברות הקשורה לכל מצב? אוורט ניסה לפתור זאת פשוט על ידי הכפלת כל מצב במשקל. עם זאת, מה המשמעות של עולם אחד להיות חשוב יותר מאחר נותר נושא לוויכוח.
בהתחשב בשתי הפרשנויות הללו - לכל אחת מהן משמעות ומגבלות משלה - אני נוטה להעדיף את פרשנות קופנהגן. אם נחזור למקורות מכניקת הקוונטים, נראה שהיא נולדה בסופו של דבר כדי להסביר תופעות בעולם המיקרוסקופי. במילים אחרות, מכיוון שהיא נוצרה כדי לפענח תופעות באמצעות תצפית והעובדות הנובעות מכך, לפעולת התצפית של הצופה יש משמעות כה משמעותית. בתצפית בפועל על חלקיקים, כדי להתבונן במצבו של חלקיק בודד, עלינו להפעיל עליו מידה מסוימת של השפעה. בפיזיקה, זה נקרא "הפרעה". במילים אחרות, התבוננות במצבו של חלקיק כרוכה בגרימת שינוי קל בחלקיק ולאחר מכן התבוננות בתגובתו. למרות שהקשר בין גרימת שינוי בחלקיק לבין קריסת פונקציית הגל במונחים מתמטיים הוא מעורפל במקצת, הן מסכימות בכך ששניהם משנים את המצב המקורי. משמעות הדבר היא שפעולת התצפית עצמה היא משמעותית פיזיקלית.
מכניקת הקוונטים התרחקה מהגישה הדטרמיניסטית של המכניקה הניוטונית הקלאסית ואימצה גישה הסתברותית. כמה אנשים יוכלו לקבל בקלות את הרעיון שמיקום התפוח ממש מולם משתנה בהסתברויות משתנות בכל פעם שהם מסתכלים עליו? נכון שגם לפרשנות קופנהגן וגם לפרשנות העולמות הרבים יש משמעות ומגבלות משלהם בכל הנוגע לסיוע לאנשים - המורגלים למצבים מוגדרים של עצמים - להבין את התופעות המתרחשות בעולם המיקרוסקופי. אני סטודנט להנדסה הלומד כיצד ליצור טכנולוגיות חדשות על ידי שימוש בתופעות מדעיות ובתוצאות המתקבלות מתצפית בהן. התפתחות מכניקת הקוונטים סיפקה לנו כלים לפרש תופעות בעולם המיקרוסקופי, וזה הוביל ישירות לטכנולוגיות שימושיות לאנשים. ציוד MRI (הדמיית תהודה מגנטית), שתרם תרומה משמעותית לרפואה המודרנית, פותח על ידי יישום תופעת ה-NMR (תהודה מגנטית גרעינית) ממכניקת הקוונטים; טכנולוגיה זו משמשת לא רק בספקטרוסקופיה - הקובעת מבנים מולקולריים - אלא אפילו בחיפושי נפט. בהתבסס על כך, אני מאמין שהפרשנות המתאימה יותר להסבר תופעות - שאני רואה בהן את מטרת המדע - תהיה בעלת משמעות רבה יותר.
