Šiame tinklaraščio įraše nagrinėsime kvantinės mechanikos ištakas, pagrindinius Kopenhagos interpretacijos ir daugiapasaulės interpretacijos aspektus, kaip šios dvi interpretacijos vertina „stebėjimą“, o tada apmąstysime kvantinės mechanikos paskirtį.
Seniai fizikos istorijoje Maxas Planckas paskelbė straipsnį ir eksperimentinius rezultatus, pagrįstus jo juodojo kūno spinduliuotės eksperimentais, teigdamas, kad „visa energija susideda iš labai mažų paketų su diskrečiomis vertėmis“. Tai supurtė tuo metu vyravusį fizikų požiūrį, kurie manė, kad visus makroskopinio pasaulio reiškinius galima paaiškinti Niutono mechanika. Nuo šio momento, tobulėjant matavimo įrangai ir fizikams įgyjant galimybę pažvelgti į mikroskopinį pasaulį, jie paskelbė įvairius eksperimentinius rezultatus, kurie atskleidė Niutono mechanikos apribojimus. Šie rezultatai, kurių nebuvo galima paaiškinti esamomis teorijomis, netrukus paskatino pripažinti naujos mechanikos sistemos poreikį – ir taip gimė „kvantinė mechanika“. Kvantinė mechanika netrukus įtvirtino savo pozicijas sėkmingai pateikdama atsakymus į gamtos reiškinius, kurių negalėjo išspręsti esama fizika, pavyzdžiui, Einšteino fotoelektrinio efekto paaiškinimą ir Boro vandenilio atomo spektro modelį. Be to, daugybės fizikų pastangomis ir tokiais pasiekimais kaip Paulo Diraco ir Pascualio Jordano pasiūlyta transformacijų teorija, ji tapo atskira studijų sritimi.
Tačiau tai tik reiškė matematinės „formos“ – įrankio, naudojamo kvantinės mechanikos turiniui apibūdinti – užbaigimą ir nereiškė, kad ji buvo nustatyta fizikinės interpretacijos požiūriu. Net ir dabar, po dešimtmečių, tarp žymių fizikų tęsiasi nuomonių konfliktai dėl kvantinės mechanikos reiškinių „interpretacijos“. Nuo „Kopenhagos interpretacijos“ – dažnai vadinamos pagrindine interpretacija – iki „daugelio pasaulių interpretacijos“, kuri atsirado reaguojant į pirmosios ir įvairių kitų interpretacijų apribojimus, šie skirtingi požiūriai ir toliau vienas kitą papildo, spręsdami spragas, kurių jokia viena interpretacija negali iki galo paaiškinti. Anksčiau Austrijoje vykusioje kvantinės mechanikos konferencijoje buvo atlikta apklausa tarp 33 pasaulyje žinomų fizikų, kurios klausė, kurią interpretaciją jie palaiko; Kopenhagos interpretacija surinko 42 %, informacijos teorijos interpretacija – 24 %, o daugelio pasaulių interpretacija – 18 %. Atsižvelgiant į tai, kad šioje apklausoje nė viena interpretacija neperžengė 50 %, atrodo akivaizdu, kad kiekviena interpretacija turi savo apribojimų. Šiame straipsnyje trumpai pristatysiu „Kopenhagos interpretaciją“ ir „daugelio pasaulių interpretaciją“ – kurios sudaro didelę šios srities dalį ir laikosi priešingų požiūrių į „stebėjimo“ veiksmą – ir aptarsiu jų apribojimus. „Informacijos teorijos interpretacija“ šioje diskusijoje neįtraukta, nes ji kvantinę mechaniką žvelgia kiek kitaip nei kitos dvi.
Pagrindinė Boro ir Heisenbergo pasiūlytos Kopenhagos interpretacijos sistema yra tokia: „Kol stebėtojas nenaudoja matavimo įrangos, elektronas atomo viduje juda pagal priežastingumo dėsnius. Tačiau bandant apibūdinti elektroną fiksuotoje padėtyje ir laike erdvėlaikyje, įsiterpia diskrečios sąveikos, dėl kurių jis nukrypsta nuo priežastingumo, ir stebėtojas neturi kito pasirinkimo, kaip tik pasikliauti kvantinėmis tikimybėmis.“ Niutono mechanika teigia, kad makroskopiniame pasaulyje stebimos dalelės judančios turi specifines, tiksliai apibrėžtas padėties ir judesio kiekio vertes. Tai reiškia, kad makroskopiniame pasaulyje, kuriame egzistuoja stebėtojai, t. y. žmonės, padėtis ir judesio kiekis yra fiksuoti. Tačiau mikroskopiniame pasaulyje judantis elektronas egzistuoja būsenoje, kurioje šių fizikinių dydžių negalima tiksliai nustatyti kaip vienos vertės. Priešingai, įvairios skirtingos būsenos egzistuoja vienu metu. Pavyzdžiui, jei yra trys galimos būsenos – 1, 2 ir 3 – kurias elektronas gali užimti, elektronas egzistuoja visose trijose būsenose vienu metu, kol yra stebimas. Matematiškai tai galima išreikšti kaip banginių funkcijų, atitinkančių 1, 2 ir 3, sumą. Kai stebėtojas makroskopiniame pasaulyje stebi elektroną, elektronas yra redukuojamas į vieną iš daugelio galimų būsenų, kurias lemia su ta būsena susijusi tikimybė. Kitaip tariant, „stebėjimo“ veiksmas pakeičia elektrono būseną. Pavyzdžiui, kai nustatoma, kad elektronas yra 1 būsenoje, jo egzistavimo 2 ir 3 būsenose galimybė vienu metu išnyksta. Kopenhagos interpretacija tai vadina „banginės funkcijos kolapsu“. Todėl „stebėjimo“ veiksmas Kopenhagos interpretacijoje turi didžiulę reikšmę.
Garsūs fizikai, tokie kaip Einšteinas, paneigė Kopenhagos interpretaciją, remdamiesi įvairiais minties eksperimentais kaip įrodymais. Iš jų geriausiai žinomas yra „Šriodingerio katė“. Uždaroje dėžėje yra katė ir prietaisas, galintis išskirti nuodus, priklausomai nuo kvantmechaniškai nustatytos dalelės būsenos. Ar katė dėžės viduje yra gyva, ar mirusi po tam tikro laiko – kuris pats savaime yra būsena – nustatoma tik atidarius dangtį ir stebint katę. Šis minties eksperimentas iliustruoja, kad „stebėjimo“ veiksmo, kuris turi didelę reikšmę mikroskopiniame pasaulyje, taikymas makroskopiniame pasaulyje veda prie keistų išvadų; dėl to tai paskatino gilius apmąstymus apie stebėjimo reikšmę kvantinėje mechanikoje. Čia prasideda „daugelio pasaulių interpretacija“.
Everettas III, buvęs Prinstono universiteto studentas, paneigė Kopenhagos interpretacijos teiginius, teigdamas, kad dalelės tikimybės pasiskirstymas neišnyksta stebėjimo metu, o veikiau kad nuo pat pradžių egzistavo keli galimi pasauliai. Kitaip tariant, dalelės padėtis nėra nustatoma pagal vieną reikšmę stebėjimo metu; veikiau jau egzistuoja keli lygiagretūs pasauliai, ir mes tiesiog stebime vieną iš jų. Būsenos, kurių tiesiogiai nestebime, skleidžiasi kituose galimuose pasauliuose. Pavyzdžiui, jei mūsų stebėjimas rodo 2 būseną, kitos būsenos tuo metu neišnyksta – jos skleidžiasi kituose pasauliuose, ir mes tiesiog negalime jų stebėti.
Tačiau daugelio pasaulių interpretacija akivaizdžiai turi savo problemų. Jei įvykis, kuris galėtų įvykti, įvyksta visuose įmanomuose pasauliuose, kokią reikšmę apskritai turi su kiekviena būsena susijusi tikimybė? Everettas bandė tai išspręsti tiesiog padaugindamas kiekvieną būseną iš svorio. Tačiau ką reiškia, kad vienas pasaulis yra svarbesnis už kitą, lieka diskusijų objektu.
Atsižvelgdamas į šias dvi interpretacijas – kiekviena su savo reikšme ir apribojimais – esu linkęs teikti pirmenybę Kopenhagos interpretacijai. Grįžtant prie kvantinės mechanikos ištakų, matome, kad ji galiausiai gimė tam, kad paaiškintų mikroskopinio pasaulio reiškinius. Kitaip tariant, kadangi ji buvo sukurta tam, kad išaiškintų reiškinius stebėjimo ir iš to kylančių faktų pagalba, stebėtojo stebėjimo veiksmas turi tokią reikšmingą reikšmę. Stebint daleles, norint stebėti vienos dalelės būseną, turime daryti jai tam tikrą įtaką. Fizikoje tai vadinama „perturbacija“. Kitaip tariant, stebint dalelės būseną, reikia sukelti nedidelį dalelės pokytį ir tada stebėti jos atsaką. Nors ryšys tarp dalelės pokyčio sukėlimo ir banginės funkcijos kolapso matematiniu požiūriu yra šiek tiek dviprasmiškas, jie sutaria tuo, kad abu keičia pradinę būseną. Tai reiškia, kad pats stebėjimo veiksmas yra fiziškai reikšmingas.
Kvantinė mechanika nutolo nuo klasikinės Niutono mechanikos deterministinio mąstymo ir perėmė tikimybinį požiūrį. Kiek žmonių galėtų lengvai susitaikyti su mintimi, kad obuolio, esančio priešais juos, padėtis keičiasi su skirtinga tikimybe kiekvieną kartą, kai jie į jį žiūri? Tiesa, kad tiek Kopenhagos interpretacija, tiek Daugelio pasaulių interpretacija turi savo reikšmę ir apribojimus, kai kalbama apie pagalbą žmonėms, kurie yra įpratę prie konkrečių objektų būsenų, suprasti mikroskopiniame pasaulyje vykstančius reiškinius. Esu inžinerijos studentas, studijuojantis, kaip kurti naujas technologijas, panaudojant mokslinius reiškinius ir juos stebint gautus rezultatus. Kvantinės mechanikos raida suteikė mums įrankių mikroskopinio pasaulio reiškiniams interpretuoti, ir tai tiesiogiai lėmė žmonėms naudingas technologijas. MRT (magnetinio rezonanso tomografijos) įranga, kuri reikšmingai prisidėjo prie šiuolaikinės medicinos, buvo sukurta pritaikius kvantinės mechanikos BMR (branduolinio magnetinio rezonanso) reiškinį; ši technologija naudojama ne tik spektroskopijoje, kuri nustato molekulines struktūras, bet ir naftos žvalgyboje. Remdamasis tuo, manau, kad interpretacija, geriau tinkanti paaiškinti reiškinius – kuriuos laikau mokslo tikslu – bus svarbesnė.
