Šajā emuāra ierakstā mēs aplūkosim, ko nozīmē viļņu sabrukums, koncentrējoties uz Kopenhāgenas interpretāciju un daudzu pasauļu interpretāciju starp dažādajām kvantu mehānikas interpretācijām, un apsvērsim katras interpretācijas īpašības un ierobežojumus.
No 19. gadsimta beigām līdz 20. gadsimta sākumam sāka parādīties parādības, kuras nevarēja izskaidrot tikai ar klasisko fiziku. Maksvels un Einšteins atklāja, ka gaismai piemīt gan viļņveidīgas, gan daļiņu līdzīgas īpašības. Makss Borns paredzēja, ka arī daļiņām piemīt viļņveidīgas īpašības. Tiek apgalvots, ka Deivisona-Germera dubultspraugas eksperiments eksperimentāli pierādīja elektronu viļņveidīgo uzvedību. Rūpīgāk aplūkojot divu spraugu eksperimentu, atklājas sekojošais: secīgi ir izvietota ierīce, kas izstaro elektronus, plāksne ar divām spraugām un ekrāns. No elektronu avota izstarotie elektroni iziet cauri divām spraugām un sasniedz ekrānu; kad tiek novērota elektronu nonākšana ekrānā, parādās interferences raksts. Šāds modelis neparādās, ja ir tikai viena sprauga. Tāpēc elektrona pozīcija ir jāskaidro kā vilnis, kas vienlaikus iet caur abām spraugām. Lai izskaidrotu šīs parādības, radās kvantu mehānika. Kvantu mehānikā varbūtības viļņi tiek raksturoti kā dabas pamatelementi. Varbūtības viļņus izmanto, lai aprakstītu vielas stāvokli. Vielas stāvoklis ietver tādas īpašības kā pozīcija un spins. Varbūtības vilnis norāda, ka vērtība nav fiksēta nevienā atsevišķā punktā, bet gan to, ka tās rašanās varbūtība katrā punktā mainās. Kvantu mehānika tika izveidota 20. gadsimta sākumā, un daudzi eksperimentāli rezultāti no šī perioda un turpmāk apstiprina šīs teorijas pamatotību. Šīs teorijas pamatā ir Šrēdingera viļņu vienādojums. Kā kvantu mehānikas pamatvienādojums, Šrēdingera viļņu vienādojums apraksta, kā varbūtības vilnis mainās laika gaitā. Tomēr joprojām nav skaidrs, kā šādi varbūtības viļņi ir saistīti ar ikdienas dzīvi. Ikdienas dzīvē novērojamie rezultāti nav vairāki stāvokļi, bet gan viens, noteikts stāvoklis — kā to var izskaidrot? Kas ir varbūtības vilnis, un vai ir kāds veids, kā to saprast? Lai atbildētu uz šiem jautājumiem, ir radušās dažādas kvantu mehānikas interpretācijas. Iepriekšējā aptaujā, kas tika veikta kvantu fizikas konferencē, dalībniekiem tika jautāts par viņu vēlmēm attiecībā uz katru interpretāciju. Kopenhāgenas interpretācijai priekšroku deva 42%, kvantu informācijas perspektīvai — 24% un daudzu pasauļu interpretācijai — 18%. Kā redzams aptaujā, Kopenhāgenas interpretācija ir galvenā interpretācija fizikas aprindās. Kopenhāgenas interpretācija ir tā, ko kvantu mehānikas pašos pirmsākumos izstrādāja zinātnieki Bora vadībā. Braiens Grīns iepazīstināja ar Kopenhāgenas interpretācijas pamatprincipu šādi: "Ikreiz, kad mēs mēģinām tieši novērot varbūtības vilni, pats novērošanas akts to izjauc." Kopenhāgenas interpretācija skaidro, ka novērošanas brīdī varbūtības vilnis vairs nevar palikt šajā stāvoklī un sabrūk vienā punktā. Tiek skaidrots, ka šīs sabrukšanas vienā punktā rezultāts ir realitāte, ar kuru mēs esam pazīstami. Šo procesu sauc par viļņu sabrukumu. Kvantu informācijas perspektīva skaidro, ka pats Visums sastāv no kvantu informācijas, kas veido Visuma būtību. Tas postulē, ka viss ir kvantu aprēķinu rezultāts, kas ietver šo kvantu informāciju. No šī viedokļa visu Visumu dažreiz uzskata par mašīnu, kas veic kvantu aprēķinus. Sets Loids ir uzrakstījis grāmatu, kurā pārliecinoši aizstāv šo perspektīvu. Šajā grāmatā viņš paskaidroja informācijas lomu un tās saistību ar faktiskajiem fizikas likumiem. Piemēram, viņš paskaidroja, kā kvantu aprēķini mēdz izplatīt nezināmu informāciju, un izstrādāja ar entropiju saistītos fizikas likumus. Daudzu pasauļu interpretāciju ierosināja Hjū Everets. Šī interpretācija nepieņem viļņu funkcijas sabrukumu, kas ir Kopenhāgenas interpretācijas stūrakmens. Tā vietā tiek postulēts, ka Visums sadalās vairākās pasaulēs, un visas iespējas tiek realizētas. Tādējādi tas izskaidro, ka katrā pasaulē novērotājs uztver realitāti, kas mums ir pazīstama. Viļņu funkcijas sabrukšanas koncepcija, ko var uzskatīt par Kopenhāgenas interpretācijas kodolu, mani nepārliecina. Kā norādīja Braiens Grīns, robeža, kas nosaka, kas ir “novērojums”, nav skaidra. Izskaidrojums ir apmēram šāds: viļņu funkcijas sabrukums nenotiek, kad mikroskopiski objekti mijiedarbojas viens ar otru, bet tas notiek, kad novērotājs veic mērījumu; tomēr šo skaidrojumu ir grūti pieņemt.
Ir dabiski pieņemt, ka fizikas likumi ir universāli un identiski visā Visumā. Tā kā novērotājs arī ir daļa no Visuma, es uzskatu, ka ir dabiski, ka kvantu mehānikas likumi vienādi attiecas uz visām darbībām, tostarp novērošanu. Tomēr Kopenhāgenas interpretācija skaidro, ka viļņu sabrukums notiek novērotāja novērošanas akta rezultātā. Matemātiski viļņu sabrukšana ir arī operācija, kas atšķiras no parastajām kvantu mehāniskajām operācijām. Lai gan es šeit nevaru detalizēti izskaidrot procesu, kurā mainās varbūtības viļņu funkcija, to var raksturot kā darbību, kas ietver reizināšanu ar atgriezenisku matricu ar noteiktām īpašām īpašībām. “Atgriezenisks” nozīmē, ka pastāv viennozīmīga atbilstība starp rezultātu un stāvokli, kas to izraisīja. Tomēr, kad notiek viļņu funkcijas sabrukums, šī atbilstība tiek pārtraukta. Sistēma tiek fiksēta vienā stāvoklī, padarot neiespējamu atjaunot sākotnējo stāvokli. Gadījumos, kad novērojuma raksturs ir izšķirošs, piemēram, Kopenhāgenas interpretācijā, dažreiz tiek ieviests Heizenberga griezuma jēdziens. Šī koncepcija postulē, ka kvantu mehānikas likumi darbojas līdz noteiktai robežai, un aiz šīs robežas viļņu funkcija sabrūk. Tomēr šī robeža nav skaidri noteikta. To varētu iestatīt tādu objektu līmenī kā elektroni vai protoni, vai arī to varētu iestatīt makroskopiskiem objektiem, piemēram, cilvēkiem. Tas ir neapmierinoši, jo tajā nav norādīts, kur tieši šī robeža būtu jānovelk. Labi zināms piemērs, kas ilustrē šo situāciju, ir Šrēdingera kaķa domu eksperiments. Šajā domu eksperimentā parādās daļiņa, kas ir mazāka par atomu, un kaķis. Mazā daļiņa var sabrukt ar noteiktu varbūtību, un šo procesu var izskaidrot ar kvantu mehāniku. Blakus tam ir novietota detektora ierīce. Tiek uzskatīts, ka brīdī, kad tiek atklāta šāda sabrukšana, tiek iedarbināts mehānisms, kas nogalina kaķi. Tas rada jautājumu, vai kaķis tajā brīdī ir miris vai dzīvs. Kopenhāgenas interpretācija skaidro, ka kaķa stāvoklis — dzīvs vai miris — tiek noteikts brīdī, kad tas tiek novērots. Šis skaidrojums ir balstīts uz pieņēmumu, ka pat makroskopiski objekti nepiedzīvo viļņu sabrukumu. Tas liek domāt, ka pat lieli objekti ir jāapsver kvantu mehānikas ietvaros. Līdz ar to pastāv domu eksperimenti, kas šo situāciju noved vēl lielākā galējībā. Šajā domu eksperimentā mēs pieņemam, ka draugs veica Šrēdingera kaķa domu eksperimentu un novēroja kaķa stāvokli. Šādā gadījumā tas nesniedz precīzu skaidrojumu par to, pie kuras robežas viļņu funkcija jāuzskata par sabrukušu. Attiecībā uz šo robežu daži uzskata novērotāja zināšanu apjomu par izšķirošu, un tiek uzskatīts, ka tas ir saistīts ar varbūtību. Tomēr Kopenhāgenas interpretācijai ir tāda priekšrocība, ka tā viegli un skaidri izskaidro novērotāja novērotos rezultātus. Patiesībā tas ļoti labi izskaidro dažādu eksperimentu rezultātus. Pietiek pielietot viļņu sabrukumu eksperimentālo rezultātu novērošanas brīdī vai mijiedarbojoties ar makroskopiskiem objektiem. Tā ir ērta interpretācija, kas neprasa ņemt vērā novērošanas iekārtu kvantu stāvokli. Viens no iemesliem tā lielajiem panākumiem, neskatoties uz intuitīvi grūti pieņemamo viļņu sabrukuma rezultātu, iespējams, ir tā spēja labi izskaidrot eksperimentālos rezultātus. Tieši tāpēc, ka viļņu sabrukums ir tik nedabisks skaidrojums, es uzskatu, ka Daudzu pasauļu interpretācija varētu būt dzīvotspējīga alternatīva Kopenhāgenas interpretācijai. Daudzu pasauļu interpretācija neatzīst viļņu sabrukumu. Tiek uzskatīts, ka tā ir interpretācija, kas iegūta, koncentrējoties tikai uz Šrēdingera viļņu vienādojumu. Tā kā tā neuzskata novērošanas aktu par pakļautu nekādiem īpašiem likumiem, tā interpretē procesu vienkārši kā viļņu stāvokļa izmaiņas, kā redzams no viļņu vienādojuma. Citiem vārdiem sakot, tiek saprasts, ka novērojuma laikā vilnis nesabrūk; drīzāk novērotājs un objekts nonāk kvantu mehāniski sapītā stāvoklī. Lai izprastu šo sapinušos stāvokli, aplūkosim piemēru no Daudzu pasauļu interpretācijas perspektīvas, kas neatzīst viļņu sabrukumu. Elektrona spins var būt vai nu uz augšu (↑), vai uz leju (↓). Novērošanas iekārta ir ierīce, kas mēra elektrona spinu. Pieņemsim, ka novērošanas iekārtas stāvokļa displeja logam ir trīs iespējamie stāvokļi: uz augšu (⟰), uz leju (⟱) un tukšs (). Apskatīsim situāciju pirms mērīšanas. Elektrona spinu un novērošanas iekārtas stāvokļa displeja logu var raksturot kā savstarpēji neatkarīgus varbūtības viļņus. Elektrons nav fiksēts ne augšup (↑), ne lejup (↓) vērsts, bet gan tiek attēlots ar varbūtības vilni. Mērīšanas ierīce eksperimenta laikā būtu iestatīta tukšā stāvoklī (), un pastāvētu varbūtības viļņu funkcija, kas attēlotu šo situāciju. Apskatīsim situāciju pēc mērījuma veikšanas. Šajā brīdī to vairs nevar raksturot kā neatkarīgas varbūtības viļņu funkcijas. Kopējo stāvokli tā vietā apraksta viena varbūtības viļņu funkcija, kas aptver gan elektronu, gan mērīšanas ierīci.
Konkrētāk, to attēlo viena varbūtības viļņu funkcija, kas apraksta tikai divas iespējamās situācijas: vienu, kur elektrona spins ir uz augšu un novērošanas aparāta stāvokļa logs norāda “uz augšu” (↑⟰), un otru, kur elektrona spins ir uz leju un novērošanas aparāta stāvokļa logs norāda “uz leju” (↓⟱). Šo parādību, kurā vairāki stāvokļi vairs nav neatkarīgi, raksturo kā “sapīšanos”. Daudzu pasauļu interpretācija sper soli tālāk. Aplūkojot iepriekš minēto piemēru, ir divas iespējamas situācijas (↑⟰, ↓⟱). Daudzu pasauļu interpretācija uzskata pasauli par sadalītu šajos divos stāvokļos. Tas ir, vienā pasaulē rodas situācija ↑⟰, bet citā pasaulē - situācija ↓⟱. Tiek uzskatīts, ka, aplūkojot Šrēdingera vienādojumu šādā veidā, nav būtisku matemātisku problēmu. Ja mēs atdalām iespējamos stāvokļus, pamatojoties uz novērojumu rezultātiem, un katru rezultātu interpretējam kā atsevišķu pasauli, tā ir tieši daudzu pasauļu interpretācija. Tādējādi katrs notikums, ko var uzskatīt par novērojumu, tiek uzskatīts par notikumu, kurā pasaules sašķeļas. Līdz ar to katrā pasaulē tiek realizēta katra iespēja, kas ir kvantu mehāniski iespējama. Daudzu pasauļu interpretācijas aspekts, kas man šķiet vispievilcīgākais, ir tas, ka tā neuzskata novērošanas aktu par kaut ko īpašu. Tā kā pat novērotājs tiek uzskatīts par daļu no pasaules, kas pakļauta tiem pašiem kvantu mehānikas likumiem, es uzskatu, ka šī interpretācija ir universālāk piemērojama. Tomēr Daudzu pasauļu interpretācija saskaras ar daudzām kritikām. Nav pārliecinoša skaidrojuma tam, ko nozīmē pasaules sadalīšanās vairākās pasaulēs. Turklāt apgalvojums, ka pastāv vairākas pasaules, pats par sevi ir dīvains. Ja pasaules tiek nepārtraukti radītas bezgalīgi, nav iespējams izskaidrot, kā mēs vispār varam izsekot tik daudzām no tām. Turklāt, ja dažādas pasaules ir pilnīgi atsevišķas un nevar ietekmēt viena otru, varētu apgalvot, ka no novērotāja viedokļa citu pasauļu eksistence ir pilnīgi bezjēdzīga. No šī viedokļa pati interpretācija zaudē savu nozīmi. Turklāt daudzu pasauļu interpretācijā joprojām ir diezgan daudz izaicinājumu, kas jārisina. Pirmkārt, viens no uzdevumiem, kas jārisina, ir sniegt atbilstošu skaidrojumu par to, kuru pasauli faktiskais novērotājs uztvers. Lai izskaidrotu parādības, ko novērojam ikdienas dzīvē, ir jābūt arī veidam, kā aprakstīt parādības no novērotāja perspektīvas, nevis no kopuma perspektīvas. Tas ir tāpēc, ka mēs tieši nenovērojam varbūtības viļņus, bet tikai to rezultātus. Kopenhāgenas interpretācija skaidri izskaidro šo aspektu. Kopenhāgenas interpretācija apgalvo, ka pasaule, ko mēs novērojam, tiek realizēta, sabrūkot viļņu funkcijai, un tā dod rezultātus, kas atbilst realitātei. Turklāt Daudzu pasauļu interpretācijai vajadzētu būt iespējai izskaidrot Kopenhāgenas interpretāciju. Ja Daudzu pasauļu interpretācija ir pareiza, tai vajadzētu būt iespējai no savas perspektīvas izskaidrot, kā visi līdzšinējie eksperimentālie rezultāti ir sakrituši ar Kopenhāgenas interpretācijas prognozēm. Turklāt mums jānosaka, kādos apstākļos varētu rasties atšķirības starp abām interpretācijām. Tāpēc saiknes izveidošana ar Kopenhāgenas interpretāciju ir arī liels izaicinājums. Es neatbalstu Kopenhāgenas interpretācijas viļņu sabrukšanas koncepciju, jo nav skaidrs, kad tieši tā būtu jāpiemēro, un es uzskatu, ka mērījumu izolēšanas prakse kā atsevišķs process ir problemātiska no universalitātes viedokļa. Tā vietā es uzskatu, ka mums vajadzētu saglabāt perspektīvu, ka visu Visumu kvantu mehānikā var raksturot kā varbūtības vilni un ka novērotājs arī ir tā daļa. Tāpēc es domāju, ka Daudzu pasauļu interpretācija un līdzīgas teorijas varētu kalpot kā alternatīvas. Tomēr, kā jau minēts iepriekš, arī ar šīm interpretācijām joprojām pastāv vairākas problēmas. Kā liecina fiziķu aptaujas rezultāti, par kvantu mehānikas interpretāciju vēl nav panākts galīgs secinājums. Dažas no esošajām interpretācijām ir bijušas atspēkotas ar eksperimentiem. Tomēr šādi eksperimenti Kopenhāgenas interpretācijai vai Daudzu pasauļu interpretācijai vēl nav veikti. Iespējams, ka kādu dienu tiks izstrādāti eksperimentāli modeļi, kas spēs faktiski parādīt atšķirības starp šīm interpretācijām. Alternatīvi, mēs varam galu galā secināt, ka visas šīs interpretācijas ir vienlīdz pamatotas. Tāpēc es uzskatu, ka, padziļinoties mūsu izpratnei par fizikas likumiem, pavērsies jaunas iespējas kvantu mehānikas interpretācijai. Būs aizraujoši vērot, kā šis process risinās.
