Dalam catatan blog ini, kita akan mengkaji latar belakang mekanik kuantum, perkara utama tafsiran Copenhagen dan tafsiran pelbagai dunia, dan bagaimana kedua-dua tafsiran ini melihat "pemerhatian", dan kemudian merenungkan tujuan mekanik kuantum.
Dahulu kala dalam sejarah fizik, Max Planck menerbitkan sebuah kertas kerja dan hasil eksperimen berdasarkan eksperimen sinaran jasad hitamnya, yang menyatakan bahawa "semua tenaga terdiri daripada paket yang sangat kecil dengan nilai diskret." Ini menggoncang asas pandangan lazim di kalangan ahli fizik pada masa itu, yang percaya bahawa semua fenomena dalam dunia makroskopik boleh dijelaskan oleh mekanik Newton. Mulai saat ini dan seterusnya, apabila peralatan pengukuran maju dan ahli fizik memperoleh keupayaan untuk melihat ke dalam dunia mikroskopik, mereka menerbitkan pelbagai hasil eksperimen yang mendedahkan batasan mekanik Newton. Keputusan ini, yang tidak dapat dijelaskan oleh teori sedia ada, tidak lama kemudian membawa kepada pengiktirafan keperluan untuk rangka kerja mekanik baharu—dan dengan itu, "mekanik kuantum" dilahirkan. Mekanik kuantum tidak lama kemudian mengukuhkan kedudukannya dengan berjaya memberikan jawapan kepada fenomena semula jadi yang tidak dapat diselesaikan oleh fizik sedia ada, seperti penjelasan Einstein tentang kesan fotoelektrik dan model spektrum atom hidrogen Bohr. Tambahan pula, melalui usaha ahli fizik yang tidak terkira banyaknya dan perkembangan seperti teori transformasi yang dicadangkan oleh Paul Dirac dan Pascual Jordan, ia mengukuhkan dirinya sebagai bidang pengajian yang tersendiri.
Walau bagaimanapun, ini hanya menandakan penyempurnaan "bentuk" matematik—alat yang digunakan untuk menggambarkan kandungan mekanik kuantum—dan tidak menyiratkan bahawa ia telah diwujudkan dari perspektif tafsiran fizikal. Walaupun sekarang, beberapa dekad kemudian, konflik pendapat berterusan di kalangan ahli fizik terkemuka mengenai "tafsiran" fenomena mekanikal kuantum. Daripada "tafsiran Copenhagen"—sering dirujuk sebagai tafsiran arus perdana—kepada "tafsiran banyak dunia," yang muncul sebagai tindak balas kepada batasan yang terdahulu, dan pelbagai tafsiran lain, pendekatan yang berbeza ini terus melengkapi satu sama lain dengan menangani jurang yang tidak dapat dijelaskan sepenuhnya oleh mana-mana tafsiran tunggal. Pada persidangan mekanik kuantum yang diadakan di Austria pada masa lalu, satu tinjauan pendapat telah dijalankan di kalangan 33 ahli fizik terkenal di dunia yang bertanya tafsiran mana yang mereka sokong; tafsiran Copenhagen menerima 42%, tafsiran teori maklumat 24%, dan tafsiran Banyak Dunia 18%. Memandangkan tiada tafsiran tunggal yang melebihi 50% dalam tinjauan pendapat ini, nampaknya jelas bahawa setiap tafsiran mempunyai batasannya sendiri. Dalam artikel ini, saya akan memperkenalkan secara ringkas "tafsiran Copenhagen" dan "tafsiran banyak dunia"—yang merangkumi sebahagian besar bidang ini dan mempunyai pandangan yang bertentangan tentang tindakan "pemerhatian"—dan membincangkan batasannya. "Tafsiran teori maklumat" dikecualikan daripada perbincangan ini kerana ia melihat mekanik kuantum dari perspektif yang agak berbeza daripada dua yang lain.
Kerangka asas tafsiran Copenhagen, yang dicadangkan oleh Bohr dan Heisenberg, adalah seperti berikut: “Selagi pemerhati tidak menggunakan peralatan pengukur, elektron dalam atom bergerak mengikut hukum kausalitas. Walau bagaimanapun, apabila cuba menggambarkan elektron dalam kedudukan dan masa yang tetap dalam ruang masa, interaksi diskret akan campur tangan, menyebabkannya menyimpang daripada kausalitas, dan pemerhati tidak mempunyai pilihan selain bergantung pada kebarangkalian kuantum.” Mekanik Newton menyatakan bahawa zarah yang diperhatikan dalam dunia makroskopik mempunyai nilai khusus dan jelas untuk kedudukan dan momentum apabila ia bergerak. Ini bermakna bahawa dalam dunia makroskopik, di mana pemerhati—iaitu, manusia—wujud, kedudukan dan momentum adalah tetap. Walau bagaimanapun, dalam dunia mikroskopik, elektron yang bergerak wujud dalam keadaan di mana kuantiti fizikal ini tidak dapat ditentukan secara muktamad sebagai satu nilai. Sebaliknya, pelbagai keadaan berbeza wujud bersama secara serentak. Contohnya, jika terdapat tiga keadaan yang mungkin—1, 2, dan 3—yang boleh diduduki oleh elektron, elektron wujud dalam ketiga-tiga keadaan secara serentak sebelum ia diperhatikan. Secara matematik, ini boleh dinyatakan sebagai jumlah fungsi gelombang yang sepadan dengan 1, 2, dan 3. Apabila seorang pemerhati dalam dunia makroskopik memerhatikan elektron, elektron tersebut dikurangkan kepada satu keadaan di antara banyak keadaan yang mungkin, ditentukan oleh kebarangkalian yang berkaitan dengan keadaan tersebut. Dalam erti kata lain, tindakan "pemerhatian" mengubah keadaan elektron. Contohnya, sebaik sahaja elektron ditentukan berada dalam keadaan 1, kemungkinan ia wujud dalam keadaan 2 dan 3 secara serentak hilang. Inilah yang dirujuk oleh tafsiran Copenhagen sebagai "keruntuhan fungsi gelombang." Akibatnya, tindakan "pemerhatian" mempunyai kepentingan yang sangat besar dalam tafsiran Copenhagen.
Ahli fizik terkenal seperti Einstein menyangkal tafsiran Copenhagen, memetik pelbagai eksperimen pemikiran sebagai bukti. Antaranya, yang paling terkenal ialah “Kucing Schrödinger.” Di dalam kotak yang tertutup rapat terdapat seekor kucing dan peranti yang mampu melepaskan racun bergantung pada keadaan zarah yang ditentukan secara mekanikal kuantum. Sama ada kucing di dalam kotak itu hidup atau mati selepas tempoh masa tertentu—yang merupakan satu keadaan—hanya ditentukan pada saat penutupnya dibuka dan kucing itu diperhatikan. Eksperimen pemikiran ini menggambarkan bahawa penerapan tindakan “pemerhatian,” yang mempunyai kepentingan yang besar dalam dunia mikroskopik, kepada dunia makroskopik membawa kepada kesimpulan yang pelik; hasilnya, ia telah mendorong refleksi mendalam tentang makna pemerhatian dalam mekanik kuantum. Di sinilah “tafsiran banyak dunia” bermula.
Everett III, bekas pelajar Universiti Princeton, menyangkal dakwaan tafsiran Copenhagen, dengan alasan bahawa taburan kebarangkalian sesuatu zarah tidak hilang melalui tindakan pemerhatian, tetapi sebaliknya pelbagai dunia yang mungkin wujud sejak awal lagi. Dalam erti kata lain, kedudukan zarah tidak ditentukan kepada satu nilai melalui pemerhatian; sebaliknya, pelbagai dunia selari sudah wujud, dan kita hanya memerhati salah satunya. Keadaan yang tidak kita perhatikan secara langsung sedang berlaku di dunia lain yang mungkin. Contohnya, jika pemerhatian kita menghasilkan keadaan 2, keadaan lain tidak hilang pada saat itu—ia sedang berlaku di dunia lain, dan kita tidak dapat memerhatikannya.
Walau bagaimanapun, Tafsiran Banyak Dunia jelas mempunyai masalahnya. Jika peristiwa yang boleh berlaku berlaku di semua dunia yang mungkin, apakah makna kebarangkalian yang berkaitan dengan setiap keadaan? Everett cuba menyelesaikannya dengan hanya mendarabkan setiap keadaan dengan pemberat. Walau bagaimanapun, apa maksudnya bagi satu dunia untuk menjadi lebih penting daripada yang lain masih menjadi subjek perdebatan.
Memandangkan kedua-dua tafsiran ini—masing-masing dengan kepentingan dan batasannya yang tersendiri—saya cenderung untuk menyokong tafsiran Copenhagen. Jika kita kembali kepada asal-usul mekanik kuantum, kita melihat bahawa ia akhirnya dilahirkan untuk menjelaskan fenomena dalam dunia mikroskopik. Dalam erti kata lain, memandangkan ia dicipta untuk merungkai fenomena melalui pemerhatian dan fakta yang terhasil, tindakan pemerhatian pemerhati mempunyai makna yang begitu penting. Dalam pemerhatian sebenar zarah, untuk memerhatikan keadaan zarah tunggal, kita mesti mengenakan tahap pengaruh tertentu ke atasnya. Dalam fizik, ini dipanggil "perturbasi." Dalam erti kata lain, memerhatikan keadaan zarah melibatkan mendorong sedikit perubahan dalam zarah dan kemudian memerhatikan tindak balasnya. Walaupun hubungan antara mendorong perubahan dalam zarah dan keruntuhan fungsi gelombang dalam istilah matematik agak samar-samar, mereka bersetuju bahawa kedua-duanya mengubah keadaan asal. Ini bermakna tindakan pemerhatian itu sendiri adalah penting secara fizikal.
Mekanik kuantum telah beralih daripada pemikiran deterministik mekanik Newton klasik dan menerima pakai pendekatan probabilistik. Berapa ramai orang yang boleh menerima idea bahawa kedudukan sebiji epal di hadapan mereka berubah dengan kebarangkalian yang berbeza-beza setiap kali mereka melihatnya? Memang benar bahawa kedua-dua tafsiran Copenhagen dan tafsiran Banyak Dunia mempunyai kepentingan dan batasannya sendiri dalam membantu orang ramai—yang sudah biasa dengan keadaan objek yang pasti—memahami fenomena yang berlaku dalam dunia mikroskopik. Saya seorang pelajar kejuruteraan yang mempelajari cara mencipta teknologi baharu dengan menggunakan fenomena saintifik dan hasil yang diperoleh daripada pemerhatiannya. Perkembangan mekanik kuantum telah menyediakan kita dengan alat untuk mentafsir fenomena dalam dunia mikroskopik, dan ini secara langsung telah membawa kepada teknologi yang berguna kepada manusia. Peralatan MRI (Pengimejan Resonans Magnetik), yang telah memberikan sumbangan yang besar kepada perubatan moden, telah dibangunkan dengan menggunakan fenomena NMR (Resonans Magnetik Nuklear) daripada mekanik kuantum; teknologi ini bukan sahaja digunakan dalam spektroskopi—yang menentukan struktur molekul—tetapi juga dalam penerokaan minyak. Berdasarkan ini, saya percaya bahawa tafsiran yang lebih sesuai untuk menjelaskan fenomena—yang saya anggap sebagai tujuan sains—akan mempunyai kepentingan yang lebih besar.
