Šiame tinklaraščio įraše nagrinėsime, ką reiškia bangų kolapsas, daugiausia dėmesio skirdami Kopenhagos ir daugelio pasaulių interpretacijoms tarp įvairių kvantinės mechanikos interpretacijų, ir atsižvelgsime į kiekvienos interpretacijos ypatybes bei apribojimus.
Nuo XIX amžiaus pabaigos iki XX amžiaus pradžios ėmė ryškėti reiškiniai, kurių nebuvo galima paaiškinti vien klasikine fizika. Maksvelas ir Einšteinas atrado, kad šviesa turi ir bangų, ir dalelių savybių. Maxas Bornas numatė, kad dalelės taip pat turi bangų savybių. Teigiama, kad Davissono-Germerio dvigubo plyšio eksperimentas eksperimentiškai parodė, jog elektronai elgiasi panašiai kaip bangos. Atidžiau panagrinėjus dvigubo plyšio eksperimentą, matyti štai kas: nuosekliai išdėstyti elektronus skleidžiantis įrenginys, plokštė su dviem plyšiais ir ekranas. Iš elektronų šaltinio skleidžiami elektronai praeina pro du plyšius ir pasiekia ekraną; stebint elektronų atvykimą į ekraną, atsiranda interferencinis vaizdas. Toks modelis neatsiranda, kai yra tik vienas plyšys. Todėl elektrono padėtį reikia paaiškinti kaip bangą, vienu metu praeinančią per abu plyšius. Šiems reiškiniams paaiškinti atsirado kvantinė mechanika. Kvantinėje mechanikoje tikimybės bangos apibūdinamos kaip pagrindiniai gamtos statybiniai blokai. Tikimybių bangos naudojamos apibūdinti materijos būseną. Medžiagos agregatinė būsena apima tokias savybes kaip padėtis ir sukimasis. Tikimybių banga rodo, kad reikšmė nėra fiksuota jokiame konkrečiame taške, o jos atsiradimo tikimybė kiekviename taške kinta. Kvantinė mechanika buvo sukurta XX amžiaus pradžioje, ir daugybė to laikotarpio ir vėlesnių eksperimentų rezultatų patvirtina šios teorijos pagrįstumą. Šios teorijos pagrindas yra Šriodingerio bangų lygtis. Kaip pagrindinė kvantinės mechanikos lygtis, Šriodingerio bangų lygtis apibūdina, kaip tikimybės banga kinta laikui bėgant. Tačiau lieka neaišku, kaip tokios tikimybės bangos yra susijusios su kasdieniu gyvenimu. Kasdieniame gyvenime stebimi rezultatai yra ne kelios būsenos, o viena, apibrėžta būsena – kaip tai galima paaiškinti? Kas yra tikimybės banga ir ar yra būdas ją suprasti? Siekiant išspręsti šiuos klausimus, atsirado įvairios kvantinės mechanikos interpretacijos. Ankstesnėje kvantinės fizikos konferencijoje atliktoje apklausoje dalyvių buvo paklausta apie jų pageidavimus dėl kiekvienos interpretacijos. Kopenhagos interpretacijai pirmenybę teikė 42 %, kvantinės informacijos perspektyvai – 24 %, o daugelio pasaulių interpretacijai – 18 %. Kaip matyti iš apklausos, Kopenhagos interpretacija yra pagrindinė fizikų bendruomenės interpretacija. Kopenhagos interpretacija yra ta, kurią nuo pat kvantinės mechanikos pradžios sukūrė mokslininkai, vadovaujami Boro. Brianas Greene'as pristatė pagrindinį Kopenhagos interpretacijos principą taip: „Kai tik bandome tiesiogiai stebėti tikimybės bangą, pats stebėjimo veiksmas ją sutrikdo.“ Kopenhagos interpretacija paaiškina, kad stebėjimo momentu tikimybės banga nebegali išlikti toje būsenoje ir subyra į vieną tašką. Paaiškinama, kad šio subyrėjimo į vieną tašką rezultatas ir yra mums pažįstama realybė. Šis procesas vadinamas bangos kolapsu. Kvantinės informacijos perspektyva aiškina, kad pati Visata yra sudaryta iš kvantinės informacijos, kuri sudaro pačią Visatos esmę. Jame teigiama, kad viskas yra kvantinių skaičiavimų, susijusių su šia kvantine informacija, rezultatas. Šiuo požiūriu visa visata kartais laikoma mašina, atliekančia kvantinius skaičiavimus. Sethas Lloydas parašė knygą, kurioje įtikinamai pagrindžia šią perspektyvą. Toje knygoje jis paaiškino informacijos vaidmenį ir kaip ji susijusi su tikraisiais fizikos dėsniais. Pavyzdžiui, jis paaiškino, kaip kvantiniai skaičiavimai linkę skleisti nežinomą informaciją, ir išsamiai aprašė su entropija susijusius fizikos dėsnius. Daugelio pasaulių interpretaciją pasiūlė Hugh Everett. Ši interpretacija nepripažįsta banginės funkcijos kolapso, kuris yra Kopenhagos interpretacijos kertinis akmuo. Vietoj to, teigiama, kad visata išsišakoja į kelis pasaulius ir visos galimybės yra realizuojamos. Taigi, tai paaiškina, kad kiekviename pasaulyje stebėtojas suvokia mums pažįstamą realybę. Banginės funkcijos kolapso koncepcija, kurią galima laikyti Kopenhagos interpretacijos pagrindu, manęs neįtikina. Kaip pažymėjo Brianas Greene'as, riba, apibrėžianti, kas yra „stebėjimas“, nėra aiški. Paaiškinimas maždaug toks: banginės funkcijos kolapsas neįvyksta, kai mikroskopiniai objektai sąveikauja vienas su kitu, bet jis įvyksta, kai stebėtojas atlieka matavimą; tačiau šį paaiškinimą sunku priimti.
Natūralu manyti, kad fizikos dėsniai galioja visuotinai ir vienodai visoje visatoje. Kadangi stebėtojas taip pat yra visatos dalis, manau, kad natūralu, jog kvantinės mechanikos dėsniai vienodai taikomi visiems veiksmams, įskaitant stebėjimą. Tačiau Kopenhagos interpretacija paaiškina, kad bangų kolapsas įvyksta dėl stebėtojo stebėjimo akto. Matematiškai bangų kolapsas taip pat yra operacija, kuri skiriasi nuo įprastų kvantinės mechanikos operacijų. Nors čia negaliu išsamiai paaiškinti proceso, kurio metu kinta tikimybės banginė funkcija, jį galima apibūdinti kaip operaciją, apimančią daugybą iš grįžtamosios matricos, turinčios tam tikrų ypatingų savybių. „Grįžtamasis“ reiškia, kad yra vienas su vienu atitikimas tarp rezultato ir jį sukėlusios būsenos. Tačiau, kai įvyksta banginės funkcijos kolapsas, šis atitikmuo nutrūksta. Sistema sustoja vienoje būsenoje, todėl neįmanoma atkurti pradinės būsenos. Tais atvejais, kai stebėjimo pobūdis yra labai svarbus, pavyzdžiui, Kopenhagos interpretacijoje, kartais įvedama Heisenbergo pjūvio sąvoka. Ši koncepcija teigia, kad kvantinės mechanikos dėsniai galioja iki tam tikros ribos, o už jos ribų banginė funkcija žlunga. Tačiau ši riba nėra aiškiai apibrėžta. Tai galėtų būti nustatyta objektų, tokių kaip elektronai ar protonai, lygmeniu arba makroskopinių objektų, tokių kaip žmonės, lygmeniu. Tai netenkina, nes nenurodoma, kur tiksliai turėtų būti nubrėžta ši riba. Gerai žinomas šios situacijos pavyzdys yra Šriodingerio katės minties eksperimentas. Šiame mintiniame eksperimente pasirodo dalelė, mažesnė už atomą, ir katė. Maža dalelė gali suskilti su tam tikra tikimybe – šį procesą galima paaiškinti kvantine mechanika. Šalia jo pastatytas aptikimo įrenginys. Sakoma, kad vos tik aptinkamas toks irimas, suveikia mechanizmas, kuris nužudo katę. Tai kelia klausimą, ar katė tuo metu buvo mirusi, ar gyva. Kopenhagos interpretacija paaiškina, kad katės būsena – gyva ar mirusi – nustatoma tą akimirką, kai ji stebima. Šis paaiškinimas pagrįstas prielaida, kad net makroskopiniai objektai nepatiria bangų kolapso. Tai rodo, kad net ir didelius objektus reikia vertinti kvantinės mechanikos rėmuose. Todėl atliekami minties eksperimentai, kurie šią situaciją pakelia į dar didesnį kraštutinumą. Šiame minties eksperimente darome prielaidą, kad draugas atliko Šriodingerio katės minties eksperimentą ir stebėjo katės būseną. Tokiu atveju tai nepateikia galutinio paaiškinimo, ties kuria riba banginė funkcija turėtų būti laikoma sugriuvusia. Kalbant apie šią ribą, kai kurie stebėtojo žinių apimtį laiko labai svarbia, ir sakoma, kad tai susiję su tikimybe. Nepaisant to, Kopenhagos interpretacija turi pranašumą, nes lengvai ir aiškiai paaiškina stebėtojo pastebėtus rezultatus. Iš tiesų, tai labai gerai paaiškina įvairių eksperimentų rezultatus. Pakanka bangų kolapsą taikyti stebint eksperimentinius rezultatus arba sąveikaujant su makroskopiniais objektais. Tai patogus aiškinimas, nereikalaujantis atsižvelgti į stebėjimo įrangos kvantinę būseną. Viena iš didelės sėkmės priežasčių, nepaisant intuityviai sunkiai priimamo bangų kolapso rezultato, greičiausiai yra gebėjimas gerai paaiškinti eksperimentinius rezultatus. Būtent todėl, kad bangų kolapsas yra toks nenatūralus paaiškinimas, manau, kad daugelio pasaulių interpretacija galėtų būti tinkama alternatyva Kopenhagos interpretacijai. Daugelio pasaulių interpretacija nepripažįsta bangų kolapso. Sakoma, kad tai interpretacija, gauta sutelkiant dėmesį vien į Šrėdingerio bangų lygtį. Kadangi stebėjimo veiksmas nelaikomas jokiais specialiais dėsniais, procesas aiškinamas tiesiog kaip bangos būsenos pasikeitimas, matomas iš bangų lygties. Kitaip tariant, suprantama, kad stebėjimo metu banga nesugriūva; veikiau stebėtojas ir objektas patenka į kvantmechaniškai susietą būseną. Norėdami suprasti šią susietą būseną, panagrinėkime pavyzdį iš Daugelio Pasaulių Interpretacijos perspektyvos, kuri nepripažįsta bangų kolapso. Elektrono sukinys gali būti aukštyn (↑) arba žemyn (↓). Stebėjimo įranga yra prietaisas, matuojantis elektrono sukinį. Tarkime, kad stebėjimo įrangos būsenos rodymo langas turi tris galimas būsenas: aukštyn (⟰), žemyn (⟱) ir tuščia (). Pažvelkime į situaciją prieš matavimą. Elektrono sukinį ir stebėjimo įrangos būsenos rodymo langą galima apibūdinti kaip viena nuo kitos nepriklausomas tikimybės bangas. Elektronas nėra fiksuotai nukreiptas nei į viršų (↑), nei į apačią (↓), bet yra vaizduojamas tikimybės banga. Matavimo prietaisas eksperimentui būtų buvęs nustatytas į tuščią būseną (), ir būtų tikimybės banginė funkcija, vaizduojanti šią situaciją. Pažvelkime į situaciją po matavimo. Šiuo metu to nebegalima apibūdinti kaip nepriklausomas tikimybės bangines funkcijas. Bendra būsena aprašoma viena tikimybės bangos funkcija, apimanti ir elektroną, ir matavimo aparatą.
Tiksliau sakant, tai vaizduojama viena tikimybės bangos funkcija, kuri apibūdina tik dvi galimas situacijas: vieną, kai elektrono sukinys yra aukštyn, o stebėjimo aparato būsenos langas rodo „aukštyn“ (↑⟰), ir kitą, kai elektrono sukinys yra žemyn, o stebėjimo aparato būsenos langas rodo „žemyn“ (↓⟱). Šis reiškinys, kai kelios būsenos nebėra nepriklausomos, apibūdinamas kaip „susietis“. Daugelio pasaulių interpretacija žengia dar vieną žingsnį toliau. Žvelgiant į aukščiau pateiktą pavyzdį, galimos dvi situacijos (↑⟰, ↓⟱). Daugelio pasaulių interpretacija pasaulį laiko padalintu į šias dvi būsenas. Tai yra, viename pasaulyje susidaro ↑⟰ situacija, o kitame – ↓⟱ situacija. Sakoma, kad nagrinėjant Šriodingerio lygtį, nėra jokių didelių matematinių problemų ją vertinti tokiu būdu. Jei atskiriame galimas būsenas remdamiesi stebėjimų rezultatais ir kiekvieną rezultatą interpretuojame kaip atskirą pasaulį, tai yra būtent daugelio pasaulių interpretacija. Taigi, kiekvienas įvykis, kurį galima laikyti stebėjimu, yra vertinamas kaip įvykis, kuriame skyla pasauliai. Taigi, kiekviename pasaulyje realizuojama kiekviena kvantinės mechanikos požiūriu įmanoma galimybė. Mane labiausiai patrauklus Daugelio pasaulių interpretacijos aspektas yra tas, kad ji stebėjimo veiksmo nelaiko kažkuo ypatingu. Kadangi net stebėtojas laikomas pasaulio, kuriam taikomi tie patys kvantinės mechanikos dėsniai, dalimi, manau, kad ši interpretacija yra universaliau pritaikoma. Tačiau daugelio pasaulių interpretacija sulaukia daug kritikos. Nėra įtikinamo paaiškinimo, ką reiškia pasaulio suskilimas į kelis pasaulius. Be to, teiginys, kad egzistuoja keli pasauliai, pats savaime yra keistas. Jei pasauliai kuriami be galo, nėra jokio būdo paaiškinti, kaip mes galime susekti tiek daug jų. Be to, jei skirtingi pasauliai yra visiškai atskiri ir negali daryti įtakos vienas kitam, galima teigti, kad stebėtojo požiūriu, kitų pasaulių egzistavimas yra visiškai beprasmis. Iš šios perspektyvos pati interpretacija praranda prasmę. Be to, daugelio pasaulių interpretacijoje vis dar yra nemažai iššūkių, kuriuos reikia spręsti. Pirma, viena iš užduočių, kurias reikia spręsti, yra tinkamai paaiškinti, kokį pasaulį suvoks tikrasis stebėtojas. Taip pat turi būti būdas apibūdinti reiškinius stebėtojo, o ne visumos požiūriu, kad būtų galima paaiškinti kasdieniame gyvenime stebimus reiškinius. Taip yra todėl, kad mes tiesiogiai nestebime tikimybių bangų, o tik jų rezultatus. Kopenhagos interpretacija aiškiai paaiškina šį aspektą. Kopenhagos interpretacija teigia, kad stebimas pasaulis realizuojamas per banginės funkcijos kolapsą ir duoda rezultatus, kurie atitinka realybę. Be to, daugelio pasaulių interpretacija turėtų paaiškinti Kopenhagos interpretaciją. Jei daugelio pasaulių interpretacija yra teisinga, ji turėtų paaiškinti – iš savo perspektyvos – kaip visi iki šiol gauti eksperimentiniai rezultatai atitiko Kopenhagos interpretacijos prognozes. Be to, turime nustatyti, kokiomis aplinkybėmis gali atsirasti skirtumų tarp šių dviejų interpretacijų. Todėl ryšio su Kopenhagos interpretacija nustatymas taip pat yra didelis iššūkis. Nepritariu Kopenhagos interpretacijos bangų kolapso koncepcijai, nes neaišku, kada tiksliai ji turėtų būti taikoma, o matavimo, kaip atskiro proceso, izoliavimo praktiką laikau problemiška universalumo požiūriu. Verčiau manau, kad turėtume išlaikyti požiūrį, jog visa visata kvantinėje mechanikoje gali būti apibūdinama kaip tikimybinė banga ir kad stebėtojas taip pat yra jos dalis. Todėl manau, kad daugelio pasaulių interpretacija ir panašios teorijos galėtų būti alternatyvos. Tačiau, kaip minėta anksčiau, su šiomis interpretacijomis taip pat išlieka keletas problemų. Kaip rodo fizikų apklausos rezultatai, dar nepadaryta galutinė išvada dėl kvantinės mechanikos interpretacijos. Kai kurios esamos interpretacijos anksčiau buvo paneigtos eksperimentais. Tačiau tokių eksperimentų, skirtų Kopenhagos interpretacijai ar Daugelio pasaulių interpretacijai, dar nebuvo atlikta. Gali būti, kad kada nors bus sukurti eksperimentiniai modeliai, galintys iš tikrųjų parodyti šių interpretacijų skirtumus. Arba galiausiai galime daryti išvadą, kad visos šios interpretacijos yra vienodai pagrįstos. Todėl manau, kad gilėjant mūsų supratimui apie fizikos dėsnius, atsivers naujos kvantinės mechanikos interpretavimo galimybės. Bus įdomu stebėti, kaip tas procesas vyksta.
