Dalam catatan blog ini, kita akan mengkaji maksud keruntuhan gelombang, dengan memberi tumpuan kepada tafsiran Copenhagen dan tafsiran pelbagai dunia antara pelbagai tafsiran mekanik kuantum, dan mempertimbangkan ciri-ciri dan batasan setiap tafsiran.
Dari akhir abad ke-19 hingga awal abad ke-20, fenomena mula muncul yang tidak dapat dijelaskan oleh fizik klasik sahaja. Maxwell dan Einstein mendapati bahawa cahaya mempunyai sifat seperti gelombang dan seperti zarah. Max Born meramalkan bahawa zarah juga mempunyai sifat seperti gelombang. Eksperimen celah berganda Davisson-Germer dikatakan telah menunjukkan secara eksperimen bahawa elektron mempunyai sifat seperti gelombang. Kajian lebih dekat pada eksperimen celah dua mendedahkan perkara berikut: Sebuah peranti yang memancarkan elektron, plat dengan dua celah, dan skrin disusun mengikut urutan. Elektron yang dipancarkan dari sumber elektron melalui dua celah dan sampai ke skrin; apabila ketibaan elektron di skrin diperhatikan, corak gangguan akan muncul. Corak sedemikian tidak muncul apabila hanya terdapat satu celah. Oleh itu, kedudukan elektron mesti dijelaskan sebagai gelombang yang melalui kedua-dua celah secara serentak. Mekanik kuantum muncul untuk menjelaskan fenomena ini. Dalam mekanik kuantum, gelombang kebarangkalian digambarkan sebagai blok binaan asas alam semula jadi. Gelombang kebarangkalian digunakan untuk menggambarkan keadaan jirim. Keadaan jirim merangkumi sifat-sifat seperti kedudukan dan putaran. Gelombang kebarangkalian menunjukkan bahawa sesuatu nilai tidak tetap pada mana-mana titik tunggal tetapi sebaliknya kebarangkalian kejadian berbeza-beza pada setiap titik. Mekanik kuantum telah ditubuhkan pada awal abad ke-20, dan pelbagai hasil eksperimen dari tempoh itu dan selepas itu menyokong kesahihan teori ini. Teras teori ini terletaknya persamaan gelombang Schrödinger. Sebagai persamaan asas mekanik kuantum, persamaan gelombang Schrödinger menerangkan bagaimana gelombang kebarangkalian berubah dari semasa ke semasa. Walau bagaimanapun, masih tidak jelas bagaimana gelombang kebarangkalian tersebut berkaitan dengan kehidupan seharian. Dalam kehidupan seharian, hasil yang kita perhatikan bukanlah berbilang keadaan tetapi satu keadaan yang pasti—bagaimanakah ini dapat dijelaskan? Apakah itu gelombang kebarangkalian, dan adakah terdapat cara untuk memahaminya? Untuk menyelesaikan persoalan-persoalan ini, pelbagai tafsiran mekanik kuantum telah muncul. Dalam tinjauan lepas yang dijalankan di persidangan fizik kuantum, para peserta ditanya tentang pilihan mereka mengenai setiap tafsiran. Keutamaan untuk tafsiran Copenhagen berada pada 42%, perspektif kuantum-maklumat pada 24%, dan tafsiran banyak dunia pada 18%. Seperti yang dilihat dalam tinjauan, tafsiran Copenhagen merupakan tafsiran arus perdana dalam komuniti fizik. Tafsiran Copenhagen adalah yang dibangunkan sejak awal mekanik kuantum oleh para sarjana yang diketuai oleh Bohr. Brian Greene memperkenalkan prinsip teras tafsiran Copenhagen seperti berikut: “Apabila kita cuba memerhatikan gelombang kebarangkalian secara langsung, tindakan pemerhatian itu sendiri akan mengganggunya.” Tafsiran Copenhagen menjelaskan bahawa pada saat pemerhatian, gelombang kebarangkalian tidak lagi boleh kekal dalam keadaan itu dan runtuh menjadi satu titik. Dijelaskan bahawa hasil daripada keruntuhan ini menjadi satu titik adalah realiti yang kita biasai. Proses ini dipanggil keruntuhan gelombang. Perspektif maklumat kuantum menjelaskan bahawa alam semesta itu sendiri terdiri daripada maklumat kuantum, yang membentuk intipati alam semesta. Ia berpendapat bahawa segala-galanya adalah hasil pengiraan kuantum yang melibatkan maklumat kuantum ini. Dari sudut pandangan ini, seluruh alam semesta kadangkala dilihat sebagai mesin yang melakukan pengiraan kuantum. Seth Lloyd telah menulis sebuah buku yang secara persuasif memperjuangkan perspektif ini. Dalam buku itu, beliau menjelaskan peranan maklumat dan bagaimana ia berkaitan dengan hukum fizik sebenar. Sebagai contoh, beliau menjelaskan bagaimana pengiraan kuantum cenderung menyebarkan maklumat yang tidak diketahui dan menghuraikan hukum fizikal yang berkaitan dengan entropi. Tafsiran Banyak Dunia telah dicadangkan oleh Hugh Everett. Tafsiran ini tidak menerima keruntuhan fungsi gelombang, yang merupakan asas tafsiran Copenhagen. Sebaliknya, ia berpendapat bahawa alam semesta bercabang menjadi pelbagai dunia, dan semua kemungkinan direalisasikan. Oleh itu, ia menjelaskan bahawa dalam setiap dunia, seorang pemerhati melihat realiti yang kita kenali. Saya dapati konsep keruntuhan fungsi gelombang—yang boleh dilihat sebagai teras tafsiran Copenhagen—tidak meyakinkan. Seperti yang ditunjukkan oleh Brian Greene, sempadan yang menentukan apa yang merupakan "pemerhatian" adalah tidak jelas. Penjelasannya seperti ini: keruntuhan fungsi gelombang tidak berlaku apabila objek mikroskopik berinteraksi antara satu sama lain, tetapi ia berlaku apabila pemerhati membuat pengukuran; walau bagaimanapun, penjelasan ini sukar diterima.
Adalah wajar untuk menganggap bahawa hukum fizik terpakai secara universal dan identik di seluruh alam semesta. Oleh kerana pemerhati juga merupakan sebahagian daripada alam semesta, saya percaya adalah wajar bahawa hukum mekanik kuantum terpakai sama rata kepada semua tindakan, termasuk pemerhatian. Walau bagaimanapun, tafsiran Copenhagen menjelaskan bahawa keruntuhan ombak berlaku akibat tindakan pemerhatian pemerhati. Secara matematik, keruntuhan gelombang juga merupakan operasi yang berbeza daripada operasi mekanik kuantum biasa. Walaupun saya tidak dapat menjelaskan proses perubahan fungsi gelombang kebarangkalian secara terperinci di sini, ia boleh digambarkan sebagai operasi yang melibatkan pendaraban dengan matriks boleh balik dengan sifat khas tertentu. "Boleh diterbalikkan" bermaksud terdapat kesepadanan satu sama satu antara hasil dan keadaan yang menyebabkannya. Walau bagaimanapun, apabila keruntuhan fungsi gelombang berlaku, kesepadanan ini rosak. Sistem menjadi tetap dalam satu keadaan, menjadikannya mustahil untuk memulihkan keadaan asal. Dalam kes di mana sifat pemerhatian adalah penting—seperti dalam tafsiran Copenhagen—konsep potongan Heisenberg kadangkala diperkenalkan. Konsep ini mengemukakan bahawa hukum mekanik kuantum terpakai sehingga sempadan tertentu, dan di luar sempadan itu, fungsi gelombang akan runtuh. Walau bagaimanapun, sempadan ini tidak ditakrifkan dengan jelas. Ia boleh ditetapkan pada aras objek seperti elektron atau proton, atau ia boleh ditetapkan pada objek makroskopik seperti manusia. Ini tidak memuaskan kerana ia tidak menyatakan di mana sebenarnya sempadan ini harus dilukis. Satu contoh terkenal yang menggambarkan situasi ini ialah eksperimen pemikiran kucing Schrödinger. Dalam eksperimen pemikiran ini, zarah yang lebih kecil daripada atom dan seekor kucing muncul. Zarah kecil itu boleh mereput dengan kebarangkalian tertentu, satu proses yang boleh dijelaskan oleh mekanik kuantum. Sebuah alat pengesan diletakkan di sebelahnya. Dikatakan bahawa sebaik sahaja pereputan sedemikian dikesan, satu mekanisme yang membunuh kucing akan dicetuskan. Ini menimbulkan persoalan sama ada kucing itu mati atau hidup pada ketika itu. Tafsiran Copenhagen menjelaskan bahawa keadaan kucing—sama ada hidup atau mati—ditentukan pada saat ia diperhatikan. Penjelasan ini berdasarkan premis bahawa objek makroskopik pun tidak mengalami keruntuhan gelombang. Ia menunjukkan bahawa objek besar pun mesti dipertimbangkan dalam kerangka mekanik kuantum. Akibatnya, terdapat eksperimen pemikiran yang membawa situasi ini ke tahap yang lebih ekstrem. Dalam eksperimen pemikiran ini, kita menganggap bahawa seorang rakan telah menjalankan eksperimen pemikiran kucing Schrödinger dan memerhatikan keadaan kucing tersebut. Dalam kes sedemikian, ia tidak memberikan penjelasan yang muktamad tentang sempadan mana fungsi gelombang harus dianggap telah runtuh. Berkenaan sempadan ini, sesetengah pihak memandang sejauh mana pengetahuan pemerhati sebagai penting, dan ini dikatakan berkaitan dengan kebarangkalian. Walau bagaimanapun, tafsiran Copenhagen mempunyai kelebihan untuk menerangkan hasil yang diperhatikan oleh pemerhati dengan mudah dan jelas. Malah, ia menerangkan keputusan pelbagai eksperimen dengan sangat baik. Ia memadai untuk menggunakan keruntuhan gelombang pada saat memerhatikan keputusan eksperimen atau semasa berinteraksi dengan objek makroskopik. Ia merupakan tafsiran mudah yang tidak memerlukan mempertimbangkan keadaan kuantum peralatan pemerhatian. Satu sebab kejayaannya yang hebat, meskipun secara intuitifnya sukar diterima akibat keruntuhan ombak, kemungkinan besar adalah keupayaannya untuk menjelaskan hasil eksperimen dengan baik. Oleh kerana keruntuhan ombak merupakan penjelasan yang tidak wajar, saya percaya Tafsiran Banyak Dunia boleh menjadi alternatif yang berdaya maju kepada tafsiran Copenhagen. Tafsiran Banyak Dunia tidak mengakui keruntuhan ombak. Ia dikatakan sebagai tafsiran yang diperoleh dengan memberi tumpuan semata-mata kepada persamaan gelombang Schrödinger. Oleh kerana ia tidak melihat tindakan pemerhatian sebagai tertakluk kepada sebarang hukum khas, ia mentafsirkan proses tersebut sebagai sekadar perubahan dalam keadaan gelombang seperti yang dilihat daripada persamaan gelombang. Dalam erti kata lain, difahami bahawa apabila pemerhatian dibuat, gelombang tidak runtuh; sebaliknya, pemerhati dan objek memasuki keadaan terikat secara mekanik kuantum. Untuk memahami keadaan terjerat ini, mari kita kaji satu contoh dari perspektif Tafsiran Banyak Dunia, yang tidak mengakui keruntuhan ombak. Spin elektron boleh sama ada ke atas (↑) atau ke bawah (↓). Peralatan pemerhatian ialah peranti yang mengukur spin elektron. Katakan tetingkap paparan keadaan peralatan pemerhatian mempunyai tiga keadaan yang mungkin: atas (⟰), bawah (⟱), dan kosong (). Mari kita lihat situasi sebelum pengukuran. Spin elektron dan tetingkap paparan keadaan peralatan pemerhatian boleh digambarkan sebagai gelombang kebarangkalian yang saling bebas. Elektron tidak tetap sama ada atas (↑) atau bawah (↓) tetapi diwakili oleh gelombang kebarangkalian. Alat pengukur akan ditetapkan kepada keadaan kosong () untuk eksperimen ini, dan akan terdapat fungsi gelombang kebarangkalian yang mewakili situasi ini. Mari kita lihat situasi selepas pengukuran. Pada ketika ini, ia tidak lagi boleh digambarkan sebagai fungsi gelombang kebarangkalian bebas. Keadaan keseluruhan sebaliknya digambarkan oleh fungsi gelombang kebarangkalian tunggal yang merangkumi kedua-dua elektron dan alat pengukur.
Secara khususnya, ia diwakili oleh fungsi gelombang kebarangkalian tunggal yang hanya menggambarkan dua situasi yang mungkin: satu di mana spin elektron ke atas dan tetingkap keadaan radas pemerhatian menunjukkan "naik" (↑⟰), dan satu lagi di mana spin elektron ke bawah dan tetingkap keadaan radas pemerhatian menunjukkan "turun" (↓⟱). Fenomena ini, di mana berbilang negeri tidak lagi bebas, digambarkan sebagai "keterbelitan." Tafsiran Banyak Dunia mengambil langkah ini lebih jauh. Melihat contoh di atas, terdapat dua situasi yang mungkin (↑⟰, ↓⟱). Tafsiran Banyak Dunia memandang dunia sebagai berpecah kepada dua keadaan ini. Iaitu, dalam satu dunia, situasi ↑⟰ berlaku, dan di dunia lain, situasi ↓⟱ berlaku. Dikatakan bahawa, setelah meneliti persamaan Schrödinger, tiada masalah matematik utama dengan melihatnya dengan cara ini. Jika kita memisahkan keadaan yang mungkin berdasarkan hasil pemerhatian dan mentafsir setiap hasil sebagai dunia yang berbeza, itulah sebenarnya Tafsiran Banyak Dunia. Oleh itu, setiap peristiwa yang boleh dianggap sebagai pemerhatian dilihat sebagai peristiwa di mana dunia berpecah. Akibatnya, setiap kemungkinan yang boleh dilaksanakan secara mekanikal kuantum direalisasikan di setiap dunia. Aspek Tafsiran Banyak Dunia yang saya dapati paling menarik ialah ia tidak menganggap tindakan pemerhatian sebagai sesuatu yang istimewa. Oleh kerana pemerhati pun dilihat sebagai sebahagian daripada dunia yang tertakluk kepada hukum mekanik kuantum yang sama, saya menganggap tafsiran ini lebih sesuai digunakan secara universal. Walau bagaimanapun, Tafsiran Banyak Dunia menghadapi banyak kritikan. Tiada penjelasan yang meyakinkan tentang apa ertinya dunia berpecah kepada pelbagai dunia. Tambahan pula, dakwaan bahawa terdapat pelbagai dunia adalah pelik. Jika dunia dicipta secara berterusan tanpa henti, tidak ada cara untuk menjelaskan bagaimana kita boleh menjejaki begitu banyak daripadanya. Tambahan pula, jika dunia yang berbeza benar-benar berasingan dan tidak dapat mempengaruhi satu sama lain, seseorang boleh berpendapat bahawa, dari perspektif pemerhati, kewujudan dunia lain sama sekali tidak bermakna. Dari sudut pandangan itu, tafsiran itu sendiri menjadi tidak bermakna. Di samping itu, masih terdapat beberapa cabaran yang perlu ditangani dalam Tafsiran Banyak Dunia. Pertama, memberikan penjelasan yang mencukupi tentang dunia mana yang akan dilihat oleh pemerhati sebenar adalah salah satu tugas yang mesti ditangani. Mesti ada juga cara untuk menggambarkan fenomena dari perspektif pemerhati—dan bukannya dari perspektif keseluruhan—untuk menjelaskan fenomena yang kita perhatikan dalam kehidupan seharian. Ini kerana kita tidak memerhatikan gelombang kebarangkalian secara langsung, tetapi hanya hasilnya. Tafsiran Copenhagen menjelaskan aspek ini dengan jelas. Tafsiran Copenhagen berpendapat bahawa dunia yang kita perhatikan direalisasikan melalui keruntuhan fungsi gelombang, dan ia menghasilkan hasil yang sejajar dengan realiti. Tambahan pula, Tafsiran Banyak Dunia sepatutnya dapat menjelaskan tafsiran Copenhagen. Jika Tafsiran Banyak Dunia adalah yang betul, ia sepatutnya dapat menjelaskan—dari perspektifnya sendiri—bagaimana semua keputusan eksperimen setakat ini telah sepadan dengan ramalan tafsiran Copenhagen. Tambahan pula, kita mesti menentukan dalam keadaan apa perbezaan mungkin timbul antara kedua-dua tafsiran tersebut. Oleh itu, mewujudkan hubungan dengan tafsiran Copenhagen juga merupakan satu cabaran utama. Saya tidak menyokong konsep keruntuhan gelombang tafsiran Copenhagen kerana tidak jelas bila ia sepatutnya digunakan, dan saya melihat amalan mengasingkan pengukuran sebagai proses yang berasingan sebagai bermasalah dari segi universaliti. Sebaliknya, saya percaya kita harus mengekalkan perspektif bahawa seluruh alam semesta boleh digambarkan sebagai gelombang probabilistik dalam mekanik kuantum, dan pemerhati juga merupakan sebahagian daripadanya. Oleh itu, saya fikir Tafsiran Banyak Dunia dan teori-teori yang serupa boleh menjadi alternatif. Walau bagaimanapun, seperti yang dinyatakan sebelum ini, beberapa masalah masih wujud dengan tafsiran ini. Seperti yang dibuktikan oleh keputusan tinjauan yang melibatkan ahli fizik, tiada kesimpulan muktamad yang dicapai mengenai tafsiran mekanik kuantum. Sebahagian daripada tafsiran sedia ada mempunyai sejarah yang disangkal oleh eksperimen. Walau bagaimanapun, tiada eksperimen sedemikian telah dijalankan untuk tafsiran Copenhagen atau tafsiran Banyak Dunia. Ada kemungkinan reka bentuk eksperimen yang mampu menunjukkan perbezaan antara tafsiran ini akan dibangunkan suatu hari nanti. Secara alternatifnya, kita akhirnya boleh menyimpulkan bahawa semua tafsiran ini sama sahnya. Oleh itu, saya percaya bahawa apabila pemahaman kita tentang hukum fizik semakin mendalam, jalan baharu untuk mentafsir mekanik kuantum akan terbuka. Ia akan menjadi menarik untuk menyaksikan proses itu berlaku.
