या ब्लॉग पोस्टमध्ये, आपण क्वांटम मेकॅनिक्सची पार्श्वभूमी, कोपनहेगन इंटरप्रिटेशन आणि मेनी-वर्ल्ड्स इंटरप्रिटेशनचे मुख्य मुद्दे, आणि हे दोन्ही इंटरप्रिटेशन्स “निरीक्षणाकडे” कसे पाहतात याचे परीक्षण करू, आणि त्यानंतर क्वांटम मेकॅनिक्सच्या उद्देशावर चिंतन करू.
भौतिकशास्त्राच्या इतिहासात फार पूर्वी, मॅक्स प्लांकने आपल्या कृष्णवस्तू प्रारण प्रयोगांवर आधारित एक शोधनिबंध आणि प्रायोगिक निष्कर्ष प्रकाशित केले, ज्यात असे म्हटले होते की, "सर्व ऊर्जा ही विशिष्ट मूल्यांच्या अतिसूक्ष्म पुंजक्यांची बनलेली असते." यामुळे त्या काळातील भौतिकशास्त्रज्ञांच्या प्रचलित मताचा पाया हादरला, ज्यांचा असा विश्वास होता की स्थूल जगातील सर्व घटना न्यूटनच्या यांत्रिकीद्वारे स्पष्ट केल्या जाऊ शकतात. यानंतर, जसजशी मापन उपकरणे प्रगत झाली आणि भौतिकशास्त्रज्ञांना सूक्ष्म जगात डोकावण्याची क्षमता प्राप्त झाली, तसतसे त्यांनी न्यूटनच्या यांत्रिकीच्या मर्यादा उघड करणारे विविध प्रायोगिक निष्कर्ष प्रकाशित केले. हे निष्कर्ष, जे विद्यमान सिद्धांतांद्वारे स्पष्ट केले जाऊ शकत नव्हते, त्यामुळे लवकरच यांत्रिकीच्या एका नवीन चौकटीची गरज ओळखली गेली—आणि अशा प्रकारे, "क्वांटम यांत्रिकी"चा जन्म झाला. क्वांटम यांत्रिकीने लवकरच आपले स्थान मजबूत केले, कारण त्याने अशा नैसर्गिक घटनांची यशस्वीपणे उत्तरे दिली, ज्यांचे निराकरण विद्यमान भौतिकशास्त्राद्वारे होऊ शकत नव्हते; जसे की आइन्स्टाईनचे प्रकाशविद्युत परिणामाचे स्पष्टीकरण आणि बोहरचे हायड्रोजन अणूच्या वर्णपटाचे मॉडेल. शिवाय, असंख्य भौतिकशास्त्रज्ञांच्या प्रयत्नांमुळे आणि पॉल डिरॅक व पास्कल जॉर्डन यांनी मांडलेल्या रूपांतरण सिद्धांतासारख्या घडामोडींमुळे, ते अभ्यासाचे एक वेगळे क्षेत्र म्हणून प्रस्थापित झाले.
तथापि, याचा अर्थ केवळ गणितीय 'स्वरूपा'ची—म्हणजेच क्वांटम मेकॅनिक्सच्या आशयाचे वर्णन करण्यासाठी वापरल्या जाणाऱ्या साधनाची—पूर्तता होती, आणि भौतिक स्पष्टीकरणाच्या दृष्टिकोनातून ते स्थापित झाले होते असा त्याचा अर्थ होत नाही. अनेक दशकांनंतरही, क्वांटम मेकॅनिकल घटनांच्या 'स्पष्टीकरणा'बाबत प्रमुख भौतिकशास्त्रज्ञांमध्ये मतभेद कायम आहेत. 'कोपनहेगन स्पष्टीकरणा'पासून—ज्याला अनेकदा मुख्य प्रवाहातील स्पष्टीकरण म्हटले जाते—ते पूर्वीच्या स्पष्टीकरणाच्या मर्यादांना प्रतिसाद म्हणून उदयास आलेल्या 'अनेक-विश्व स्पष्टीकरणा'पर्यंत, आणि इतर विविध स्पष्टीकरणांपर्यंत, हे वेगवेगळे दृष्टिकोन एकमेकांना पूरक ठरत आहेत, कारण ते अशा उणिवा दूर करतात ज्या कोणतेही एक स्पष्टीकरण पूर्णपणे स्पष्ट करू शकत नाही. पूर्वी ऑस्ट्रियामध्ये आयोजित एका क्वांटम मेकॅनिक्स परिषदेत, ३३ जगप्रसिद्ध भौतिकशास्त्रज्ञांमध्ये एक सर्वेक्षण करण्यात आले, ज्यात त्यांना विचारण्यात आले की ते कोणत्या स्पष्टीकरणाचे समर्थन करतात; कोपनहेगन स्पष्टीकरणाला ४२%, माहिती-सैद्धांतिक स्पष्टीकरणाला २४%, आणि अनेक-विश्व स्पष्टीकरणाला १८% मते मिळाली. या सर्वेक्षणात कोणत्याही एका स्पष्टीकरणाला ५०% पेक्षा जास्त मते मिळाली नाहीत, यावरून हे स्पष्ट होते की प्रत्येक स्पष्टीकरणाच्या स्वतःच्या मर्यादा आहेत. या लेखात, मी “कोपनहेगन इंटरप्रिटेशन” आणि “मेनी-वर्ल्ड्स इंटरप्रिटेशन” यांचा थोडक्यात परिचय करून देईन—जे या क्षेत्राचा एक महत्त्वपूर्ण भाग व्यापतात आणि “निरीक्षण” करण्याच्या कृतीबद्दल परस्परविरोधी दृष्टिकोन बाळगतात—आणि त्यांच्या मर्यादांवर चर्चा करेन. “इन्फॉर्मेशन-थिओरेटिक इंटरप्रिटेशन” या चर्चेतून वगळण्यात आले आहे, कारण ते क्वांटम मेकॅनिक्सकडे इतर दोन दृष्टिकोनांपेक्षा काहीशा वेगळ्या दृष्टिकोनातून पाहते.
बोर आणि हायझेनबर्ग यांनी मांडलेल्या कोपनहेगन सिद्धांताची मूलभूत चौकट खालीलप्रमाणे आहे: “जोपर्यंत निरीक्षक मोजमाप करणारी उपकरणे वापरत नाही, तोपर्यंत अणूमधील इलेक्ट्रॉन कार्यकारणभावाच्या नियमांनुसार फिरतो. तथापि, जेव्हा अवकाश-काळात (spacetime) इलेक्ट्रॉनचे एका निश्चित स्थितीत आणि वेळेत वर्णन करण्याचा प्रयत्न केला जातो, तेव्हा विविक्त आंतरक्रिया (discrete interactions) आड येतात, ज्यामुळे तो कार्यकारणभावापासून विचलित होतो, आणि निरीक्षकाकडे क्वांटम संभाव्यतेवर अवलंबून राहण्याशिवाय पर्याय उरत नाही.” न्यूटनच्या यांत्रिकीनुसार, स्थूल जगात (macroscopic world) निरीक्षण केलेल्या कणांमध्ये गतिमान असताना स्थिती आणि संवेगासाठी विशिष्ट, सु-परिभाषित मूल्ये असतात. याचा अर्थ असा की, स्थूल जगात, जिथे निरीक्षक—म्हणजेच मानव—अस्तित्वात आहेत, तिथे स्थिती आणि संवेग निश्चित असतात. तथापि, सूक्ष्म जगात (microscopic world), गतिमान इलेक्ट्रॉन अशा स्थितीत अस्तित्वात असतो जिथे या भौतिक राशी एकाच मूल्याच्या रूपात निश्चितपणे ठरवता येत नाहीत. उलट, विविध भिन्न स्थिती एकाच वेळी सह-अस्तित्वात असतात. उदाहरणार्थ, जर इलेक्ट्रॉनसाठी १, २, आणि ३ अशा तीन संभाव्य स्थिती असतील, तर निरीक्षण होण्यापूर्वी इलेक्ट्रॉन एकाच वेळी तिन्ही स्थितींमध्ये अस्तित्वात असतो. गणितीयदृष्ट्या, हे १, २, आणि ३ शी संबंधित तरंग फलनांची बेरीज म्हणून व्यक्त केले जाऊ शकते. जेव्हा स्थूल जगातील एखादा निरीक्षक इलेक्ट्रॉनचे निरीक्षण करतो, तेव्हा इलेक्ट्रॉन अनेक संभाव्य अवस्थांपैकी एकाच अवस्थेत येतो, जी त्या अवस्थेशी संबंधित संभाव्यतेनुसार निश्चित होते. दुसऱ्या शब्दांत, 'निरीक्षण' करण्याची क्रिया इलेक्ट्रॉनची अवस्था बदलते. उदाहरणार्थ, ज्या क्षणी इलेक्ट्रॉन अवस्था १ मध्ये असल्याचे निश्चित होते, त्याच क्षणी त्याचे अवस्था २ आणि ३ मध्ये एकाच वेळी अस्तित्वात असण्याची शक्यता नाहीशी होते. यालाच कोपनहेगन अन्वयार्थ 'तरंग फलनाचा संकोच' असे संबोधतो. परिणामी, कोपनहेगन अन्वयार्थामध्ये 'निरीक्षण' करण्याच्या क्रियेला प्रचंड महत्त्व आहे.
आइन्स्टाईनसारख्या प्रसिद्ध भौतिकशास्त्रज्ञांनी विविध वैचारिक प्रयोगांचा पुरावा म्हणून हवाला देऊन कोपनहेगन सिद्धांताचे खंडन केले. यांपैकी, ‘श्रोडिंगरची मांजर’ हा सर्वात प्रसिद्ध आहे. एका बंद पेटीत एक मांजर आणि एक असे उपकरण आहे, जे कणाच्या क्वांटम-यांत्रिकीनुसार निर्धारित स्थितीनुसार विष सोडू शकते. ठराविक वेळेनंतर (जी स्वतःच एक स्थिती आहे) पेटीतील मांजर जिवंत आहे की मृत, हे केवळ त्याच क्षणी ठरते, ज्या क्षणी पेटीचे झाकण उघडले जाते आणि मांजराचे निरीक्षण केले जाते. हा वैचारिक प्रयोग हे स्पष्ट करतो की, सूक्ष्म जगात अत्यंत महत्त्वाचे असलेले ‘निरीक्षण’ हे कार्य स्थूल जगाला लागू केल्यास विचित्र निष्कर्ष निघतात; परिणामी, या प्रयोगाने क्वांटम मेकॅनिक्समधील निरीक्षणाच्या अर्थावर सखोल चिंतन करण्यास प्रवृत्त केले आहे. येथूनच ‘अनेक-विश्व सिद्धांता’ची सुरुवात होते.
प्रिन्स्टन विद्यापीठाचे माजी प्राध्यापक एव्हरेट III यांनी कोपनहेगन इंटरप्रिटेशनच्या दाव्यांचे खंडन केले. त्यांनी असा युक्तिवाद केला की, कणाचे संभाव्यता वितरण निरीक्षणाच्या क्रियेमुळे नाहीसे होत नाही, उलट सुरुवातीपासूनच अनेक संभाव्य विश्वे अस्तित्वात होती. दुसऱ्या शब्दांत सांगायचे तर, निरीक्षणाद्वारे कणाची स्थिती एकाच मूल्यावर निश्चित होत नाही; उलट, अनेक समांतर विश्वे आधीपासूनच अस्तित्वात आहेत आणि आपण त्यापैकी फक्त एकाचे निरीक्षण करतो. ज्या अवस्थांचे आपण थेट निरीक्षण करत नाही, त्या इतर संभाव्य विश्वांमध्ये उलगडत असतात. उदाहरणार्थ, जर आपल्या निरीक्षणातून अवस्था २ मिळाली, तर इतर अवस्था त्याच क्षणी नाहीशा होत नाहीत—त्या दुसऱ्या विश्वांमध्ये उलगडत असतात आणि आपण त्यांचे निरीक्षण करू शकत नाही.
तथापि, अनेक-विश्व सिद्धांतामध्ये स्पष्टपणे काही समस्या आहेत. जर घडू शकणारी एखादी घटना सर्व संभाव्य विश्वांमध्ये घडत असेल, तर प्रत्येक स्थितीशी संबंधित संभाव्यतेला अर्थ तरी काय उरतो? एव्हरेटने प्रत्येक स्थितीला एका भाराने गुणून ही समस्या सोडवण्याचा प्रयत्न केला. तथापि, एक विश्व दुसऱ्यापेक्षा अधिक महत्त्वाचे असण्याचा अर्थ काय, हा अजूनही वादाचा विषय आहे.
या दोन व्याख्यांचा विचार करता—ज्या प्रत्येकाचे स्वतःचे महत्त्व आणि मर्यादा आहेत—माझा कल कोपनहेगन व्याख्येला अधिक पसंती देण्याकडे आहे. जर आपण क्वांटम मेकॅनिक्सच्या उगमाकडे परत गेलो, तर आपल्याला दिसते की त्याचा जन्म सूक्ष्म जगातील घटनांचे स्पष्टीकरण देण्यासाठी झाला होता. दुसऱ्या शब्दांत, निरीक्षण आणि त्यातून मिळणाऱ्या तथ्यांद्वारे घटना उलगडण्यासाठी त्याची निर्मिती झाली असल्याने, निरीक्षकाच्या निरीक्षणाच्या कृतीला खूप महत्त्वपूर्ण अर्थ प्राप्त होतो. कणांच्या प्रत्यक्ष निरीक्षणात, एका कणाची स्थिती पाहण्यासाठी, आपल्याला त्यावर काही प्रमाणात प्रभाव टाकावा लागतो. भौतिकशास्त्रात याला 'पर्टर्बेशन' (perturbation) म्हणतात. दुसऱ्या शब्दांत, कणाच्या स्थितीचे निरीक्षण करणे म्हणजे कणामध्ये एक लहानसा बदल घडवून आणणे आणि नंतर त्याच्या प्रतिसादाचे निरीक्षण करणे. जरी कणामध्ये बदल घडवून आणणे आणि वेव्ह फंक्शनचे कोसळणे यांमधील संबंध गणिताच्या भाषेत काहीसा संदिग्ध असला तरी, दोन्ही मूळ स्थितीत बदल करतात यावर त्यांचे एकमत आहे. याचा अर्थ असा की निरीक्षणाची कृती स्वतःच भौतिकदृष्ट्या महत्त्वपूर्ण आहे.
क्वांटम मेकॅनिक्सने अभिजात न्यूटनियन मेकॅनिक्सच्या नियतिवादी विचारसरणीपासून फारकत घेऊन संभाव्यतावादी दृष्टिकोन स्वीकारला आहे. किती लोक ही कल्पना सहजपणे स्वीकारू शकतील की, त्यांच्या अगदी समोर असलेल्या सफरचंदाची स्थिती प्रत्येक वेळी पाहिल्यावर वेगवेगळ्या संभाव्यतेनुसार बदलते? हे खरे आहे की, वस्तूंच्या निश्चित स्थितीची सवय असलेल्या लोकांना सूक्ष्म जगात घडणाऱ्या घटना समजून घेण्यास मदत करण्याच्या बाबतीत, कोपनहेगन इंटरप्रिटेशन आणि मेनी-वर्ल्ड्स इंटरप्रिटेशन या दोन्हींचे स्वतःचे महत्त्व आणि मर्यादा आहेत. मी एक अभियांत्रिकीचा विद्यार्थी आहे, जो वैज्ञानिक घटना आणि त्यांच्या निरीक्षणातून मिळालेल्या परिणामांचा उपयोग करून नवीन तंत्रज्ञान कसे तयार करायचे याचा अभ्यास करत आहे. क्वांटम मेकॅनिक्सच्या विकासामुळे आपल्याला सूक्ष्म जगातील घटनांचा अर्थ लावण्यासाठी साधने मिळाली आहेत आणि यामुळे थेट लोकांसाठी उपयुक्त तंत्रज्ञान निर्माण झाले आहे. एमआरआय (मॅग्नेटिक रेझोनन्स इमेजिंग) उपकरण, ज्याने आधुनिक वैद्यकशास्त्रात महत्त्वपूर्ण योगदान दिले आहे, ते क्वांटम मेकॅनिक्समधील एनएमआर (न्यूक्लियर मॅग्नेटिक रेझोनन्स) घटनेचा उपयोग करून विकसित केले गेले; हे तंत्रज्ञान केवळ स्पेक्ट्रोस्कोपीमध्येच नव्हे, तर तेल उत्खननातही वापरले जाते. या आधारावर, मला विश्वास आहे की घटनांचे स्पष्टीकरण देण्यासाठी अधिक योग्य असलेला अन्वयार्थ—जो मी विज्ञानाचा उद्देश मानतो—अधिक महत्त्वपूर्ण ठरेल.
