Šajā emuāra ierakstā mēs aplūkosim kvantu mehānikas pamatus, Kopenhāgenas interpretācijas un daudzu pasauļu interpretācijas galvenos punktus un to, kā šīs divas interpretācijas uztver “novērojumu”, un pēc tam pārdomāsim kvantu mehānikas mērķi.
Sen atpakaļ fizikas vēsturē Makss Planks publicēja rakstu un eksperimentālus rezultātus, kas balstīti uz viņa melnā ķermeņa starojuma eksperimentiem, apgalvojot, ka "visa enerģija sastāv no ļoti mazām paketēm ar diskrētām vērtībām". Tas satricināja tā laika fiziķu vidū valdošo uzskatu pamatus, kuri uzskatīja, ka visas makroskopiskās pasaules parādības var izskaidrot ar Ņūtona mehāniku. Kopš šī brīža, attīstoties mērīšanas iekārtām un fiziķiem iegūstot spēju ieskatīties mikroskopiskajā pasaulē, viņi publicēja dažādus eksperimentālus rezultātus, kas atklāja Ņūtona mehānikas ierobežojumus. Šie rezultāti, ko nevarēja izskaidrot ar esošajām teorijām, drīz vien noveda pie atziņas par nepieciešamību pēc jauna mehānikas ietvara, un tā radās "kvantu mehānika". Kvantu mehānika drīz vien nostiprināja savas pozīcijas, veiksmīgi sniedzot atbildes uz dabas parādībām, kuras nevarēja atrisināt ar esošo fiziku, piemēram, Einšteina fotoelektriskā efekta skaidrojumu un Bora ūdeņraža atoma spektra modeli. Turklāt, pateicoties neskaitāmu fiziķu centieniem un tādiem sasniegumiem kā Pola Diraka un Paskāla Džordana piedāvātā transformācijas teorija, tā nostiprinājās kā atsevišķa pētījumu joma.
Tomēr tas tikai apzīmēja matemātiskās “formas” — rīka, ko izmanto, lai aprakstītu kvantu mehānikas saturu — pabeigšanu un nenozīmēja, ka tā ir izveidota no fizikālās interpretācijas viedokļa. Pat tagad, gadu desmitiem vēlāk, ievērojamu fiziķu vidū turpinās viedokļu konflikti par kvantu mehānikas parādību “interpretāciju”. Sākot ar “Kopenhāgenas interpretāciju” — ko bieži dēvē par galveno interpretāciju —, līdz “daudzu pasauļu interpretācijai”, kas radās, reaģējot uz pirmās ierobežojumiem, un dažādām citām interpretācijām, šīs dažādās pieejas turpina viena otru papildināt, novēršot nepilnības, ko neviena atsevišķa interpretācija nevar pilnībā izskaidrot. Agrāk Austrijā notikušajā kvantu mehānikas konferencē tika veikta aptauja starp 33 pasaulslaveniem fiziķiem, jautājot, kuru interpretāciju viņi atbalsta; Kopenhāgenas interpretācija saņēma 42%, informācijas teorētiskā interpretācija — 24% un daudzu pasauļu interpretācija — 18%. Ņemot vērā, ka šajā aptaujā neviena interpretācija nepārsniedza 50%, šķiet skaidrs, ka katrai interpretācijai ir savi ierobežojumi. Šajā rakstā es īsumā iepazīstināšu ar "Kopenhāgenas interpretāciju" un "daudzu pasauļu interpretāciju", kas veido ievērojamu šīs jomas daļu un pauž pretējus viedokļus par "novērošanas" aktu, un apspriedīšu to ierobežojumus. "Informācijas teorētiskā interpretācija" šajā diskusijā nav iekļauta, jo tā aplūko kvantu mehāniku no nedaudz atšķirīgas perspektīvas nekā pārējās divas.
Bora un Heizenberga piedāvātās Kopenhāgenas interpretācijas pamatprincips ir šāds: "Kamēr novērotājs nepielieto mērierīces, elektrons atoma ietvaros pārvietojas saskaņā ar cēloņsakarības likumiem. Tomēr, mēģinot aprakstīt elektronu fiksētā pozīcijā un laikā laiktelpā, iejaucas diskrētas mijiedarbības, kas liek tam novirzīties no cēloņsakarības, un novērotājam neatliek nekas cits kā paļauties uz kvantu varbūtībām." Ņūtona mehānika apgalvo, ka makroskopiskajā pasaulē novērotajām daļiņām, pārvietojoties, ir noteiktas, precīzi definētas pozīcijas un impulsa vērtības. Tas nozīmē, ka makroskopiskajā pasaulē, kur pastāv novērotāji, tas ir, cilvēki, pozīcija un impulss ir fiksēti. Tomēr mikroskopiskajā pasaulē kustībā esošs elektrons atrodas stāvoklī, kurā šos fiziskos lielumus nevar galīgi noteikt kā vienu vērtību. Drīzāk vienlaikus pastāv dažādi stāvokļi. Piemēram, ja ir trīs iespējamie stāvokļi — 1, 2 un 3 —, ko elektrons var ieņemt, elektrons pastāv visos trijos stāvokļos vienlaicīgi, pirms tas tiek novērots. Matemātiski to var izteikt kā viļņu funkciju summu, kas atbilst 1, 2 un 3. Kad novērotājs makroskopiskajā pasaulē novēro elektronu, elektrons tiek reducēts uz vienu stāvokli starp daudzajiem iespējamiem stāvokļiem, ko nosaka ar šo stāvokli saistītā varbūtība. Citiem vārdiem sakot, "novērošanas" akts maina elektrona stāvokli. Piemēram, brīdī, kad tiek noteikts, ka elektrons atrodas 1. stāvoklī, tā atrašanās iespējamība 2. un 3. stāvoklī vienlaikus izzūd. Kopenhāgenas interpretācija to sauc par "viļņu funkcijas sabrukumu". Līdz ar to "novērošanas" aktam Kopenhāgenas interpretācijā ir milzīga nozīme.
Slaveni fiziķi, piemēram, Einšteins, atspēkoja Kopenhāgenas interpretāciju, kā pierādījumu minot dažādus domu eksperimentus. Starp tiem vispazīstamākais ir "Šrēdingera kaķis". Noslēgtā kastē atrodas kaķis un ierīce, kas spēj izdalīt indi atkarībā no daļiņas kvantu mehāniski noteiktā stāvokļa. Tas, vai kaķis kastes iekšpusē ir dzīvs vai miris pēc noteikta laika, kas pats par sevi ir stāvoklis, tiek noteikts tikai brīdī, kad tiek atvērts vāks un kaķis tiek novērots. Šis domu eksperiments ilustrē, ka "novērošanas" akta, kam ir liela nozīme mikroskopiskajā pasaulē, piemērošana makroskopiskajai pasaulei noved pie dīvainiem secinājumiem; rezultātā tas ir rosinājis dziļas pārdomas par novērošanas nozīmi kvantu mehānikā. Šeit sākas "daudzu pasauļu interpretācija".
Everets III, bijušais Prinstonas Universitātes darbinieks, atspēkoja Kopenhāgenas interpretācijas apgalvojumus, apgalvojot, ka daļiņas varbūtības sadalījums nepazūd novērošanas akta rezultātā, bet gan to, ka vairākas iespējamās pasaules pastāv jau no paša sākuma. Citiem vārdiem sakot, daļiņas pozīcija netiek noteikta ar vienu vērtību, veicot novērojumu; drīzāk jau pastāv vairākas paralēlas pasaules, un mēs vienkārši novērojam vienu no tām. Stāvokļi, kurus mēs tieši nenovērojam, atklājas citās iespējamās pasaulēs. Piemēram, ja mūsu novērojums dod 2. stāvokli, pārējie stāvokļi tajā brīdī nepazūd — tie atklājas citās pasaulēs, un mēs tos vienkārši nevaram novērot.
Tomēr daudzu pasauļu interpretācijai ir savas problēmas. Ja notikums, kas varētu notikt, notiek visās iespējamās pasaulēs, kāda vispār ir ar katru stāvokli saistītā varbūtība? Everets mēģināja to atrisināt, vienkārši reizinot katru stāvokli ar svaru. Tomēr tas, ko nozīmē vienai pasaulei būt svarīgākai par citu, joprojām ir diskusiju objekts.
Ņemot vērā šīs divas interpretācijas — katrai ar savu nozīmi un ierobežojumiem —, es sliecos dot priekšroku Kopenhāgenas interpretācijai. Ja atgriežamies pie kvantu mehānikas pirmsākumiem, mēs redzam, ka tā galu galā radās, lai izskaidrotu parādības mikroskopiskajā pasaulē. Citiem vārdiem sakot, tā kā tā tika radīta, lai atšķetinātu parādības, izmantojot novērojumus un no tiem izrietošos faktus, novērotāja novērošanas aktam ir tik nozīmīga nozīme. Daļiņu faktiskajā novērošanā, lai novērotu vienas daļiņas stāvokli, mums ir jāietekmē uz to zināmā mērā. Fizikā to sauc par "perturbāciju". Citiem vārdiem sakot, daļiņas stāvokļa novērošana ietver nelielu izmaiņu izraisīšanu daļiņā un pēc tam tās reakcijas novērošanu. Lai gan saistība starp izmaiņu izraisīšanu daļiņā un viļņu funkcijas sabrukšanu matemātiskā izteiksmē ir nedaudz neskaidra, tās ir vienisprātis, ka abas maina sākotnējo stāvokli. Tas nozīmē, ka pati novērošanas darbība ir fiziski nozīmīga.
Kvantu mehānika ir attālinājusies no klasiskās Ņūtona mehānikas deterministiskās domāšanas un pieņēmusi varbūtības pieeju. Cik cilvēku varētu viegli pieņemt domu, ka ābola pozīcija tieši viņu priekšā mainās ar dažādu varbūtību katru reizi, kad viņi uz to paskatās? Ir taisnība, ka gan Kopenhāgenas interpretācijai, gan Daudzu pasauļu interpretācijai ir sava nozīme un ierobežojumi, palīdzot cilvēkiem, kuri ir pieraduši pie noteiktiem objektu stāvokļiem, izprast mikroskopiskajā pasaulē notiekošās parādības. Esmu inženierzinātņu students, kas studē, kā radīt jaunas tehnoloģijas, izmantojot zinātniskas parādības un to novērošanas rezultātus. Kvantu mehānikas attīstība ir sniegusi mums instrumentus mikroskopiskās pasaules parādību interpretēšanai, un tas ir tieši novedis pie tehnoloģijām, kas ir noderīgas cilvēkiem. MRI (magnētiskās rezonanses attēlveidošanas) iekārtas, kas ir devušas nozīmīgu ieguldījumu mūsdienu medicīnā, tika izstrādātas, izmantojot kvantu mehānikas NMR (kodolu magnētiskās rezonanses) parādību; šī tehnoloģija tiek izmantota ne tikai spektroskopijā, kas nosaka molekulārās struktūras, bet pat naftas izpētē. Pamatojoties uz to, es uzskatu, ka interpretācija, kas labāk izskaidro parādības, ko es uzskatu par zinātnes mērķi, būs nozīmīgāka.
