In dit blogbericht onderzoeken we wat golfcollaps inhoudt, met de nadruk op de Kopenhagense interpretatie en de meerwereldeninterpretatie binnen de verschillende interpretaties van de kwantummechanica, en bekijken we de kenmerken en beperkingen van elke interpretatie.
Vanaf het einde van de 19e eeuw tot het begin van de 20e eeuw begonnen er verschijnselen op te duiken die niet alleen door de klassieke natuurkunde verklaard konden worden. Maxwell en Einstein ontdekten dat licht zowel golfachtige als deeltjesachtige eigenschappen bezit. Max Born voorspelde dat deeltjes ook golfachtige eigenschappen bezitten. Het Davisson-Germer-dubbelspleexperiment zou experimenteel hebben aangetoond dat elektronen golfachtig gedrag vertonen. Bij nadere beschouwing van het dubbelspleexperiment blijkt het volgende: een apparaat dat elektronen uitzendt, een plaat met twee spleten en een scherm zijn achter elkaar geplaatst. Elektronen die door de elektronenbron worden uitgezonden, passeren de twee spleten en bereiken het scherm; wanneer de aankomst van de elektronen op het scherm wordt waargenomen, verschijnt een interferentiepatroon. Een dergelijk patroon verschijnt niet wanneer er slechts één spleet is. De positie van een elektron moet daarom worden verklaard als een golf die gelijktijdig door beide spleten gaat. De kwantummechanica is ontstaan om deze verschijnselen te verklaren. In de kwantummechanica worden waarschijnlijkheidsgolven beschreven als de fundamentele bouwstenen van de natuur. Waarschijnlijkheidsgolven worden gebruikt om de toestand van materie te beschrijven. De toestand van materie omvat eigenschappen zoals positie en spin. Een waarschijnlijkheidsgolf geeft aan dat een waarde niet vastligt op één enkel punt, maar dat de waarschijnlijkheid van het voorkomen ervan varieert op elk punt. De kwantummechanica werd in het begin van de 20e eeuw ontwikkeld, en talrijke experimentele resultaten uit die periode en daarna ondersteunen de geldigheid van deze theorie. De kern van deze theorie wordt gevormd door de golfvergelijking van Schrödinger. De golfvergelijking van Schrödinger, de fundamentele vergelijking van de kwantummechanica, beschrijft hoe een waarschijnlijkheidsgolf in de loop van de tijd verandert. Het blijft echter onduidelijk hoe dergelijke waarschijnlijkheidsgolven zich precies verhouden tot het dagelijks leven. In het dagelijks leven zien we geen meerdere toestanden, maar één enkele, eenduidige toestand – hoe valt dit te verklaren? Wat is een waarschijnlijkheidsgolf, en is er een manier om die te begrijpen? Om deze vragen te beantwoorden, zijn er verschillende interpretaties van de kwantummechanica ontstaan. In een eerder onderzoek dat werd uitgevoerd tijdens een conferentie over kwantumfysica, werd deelnemers gevraagd naar hun voorkeuren met betrekking tot elke interpretatie. De voorkeur ging uit naar de Kopenhagense interpretatie van 42%, naar het kwantum-informationele perspectief van 24% en naar de meerwereldeninterpretatie van 18%. Zoals uit het onderzoek blijkt, is de Kopenhagense interpretatie de meest gangbare interpretatie binnen de natuurkundige gemeenschap. De Kopenhagense interpretatie is de interpretatie die al in de beginjaren van de kwantummechanica is ontwikkeld door wetenschappers onder leiding van Bohr. Brian Greene introduceerde het kernprincipe van de Kopenhagense interpretatie als volgt: "Wanneer we proberen een waarschijnlijkheidsgolf direct te observeren, verstoort de observatie zelf deze." De Kopenhagense interpretatie verklaart dat de waarschijnlijkheidsgolf op het moment van observatie niet langer in die toestand kan blijven en instort tot één enkel punt. Er wordt uitgelegd dat het resultaat van deze samensmelting tot één enkel punt de realiteit is die wij kennen. Dit proces wordt golfcollaps genoemd. Het kwantuminformatieperspectief verklaart dat het universum zelf is opgebouwd uit kwantuminformatie, die de essentie van het universum vormt. Het stelt dat alles het resultaat is van kwantumcomputaties waarbij deze kwantuminformatie betrokken is. Vanuit dit perspectief wordt het hele universum soms gezien als een machine die kwantumberekeningen uitvoert. Seth Lloyd heeft een boek geschreven waarin hij dit standpunt op overtuigende wijze beargumenteert. In dat boek legde hij de rol van informatie uit en hoe die zich verhoudt tot feitelijke natuurwetten. Hij legde bijvoorbeeld uit hoe kwantumcomputing de neiging heeft om onbekende informatie te verspreiden en ging dieper in op de natuurkundige wetten die verband houden met entropie. De meerwereldeninterpretatie werd voorgesteld door Hugh Everett. Deze interpretatie accepteert de ineenstorting van de golffunctie niet, wat de hoeksteen is van de Kopenhagense interpretatie. Het stelt daarentegen dat het universum zich vertakt in meerdere werelden en dat alle mogelijkheden werkelijkheid worden. Dit verklaart dus dat een waarnemer in elke wereld de realiteit waarneemt waarmee wij vertrouwd zijn. Ik vind het concept van de ineenstorting van de golffunctie – dat gezien kan worden als de kern van de Kopenhagense interpretatie – niet overtuigend. Zoals Brian Greene al opmerkte, is de grens die definieert wat een "observatie" precies inhoudt, onduidelijk. De verklaring luidt ongeveer als volgt: de golffunctie stort niet in wanneer microscopische objecten met elkaar in wisselwerking treden, maar wel wanneer een waarnemer een meting verricht; deze verklaring is echter moeilijk te accepteren.
Het is vanzelfsprekend om aan te nemen dat de natuurwetten universeel en identiek in het hele universum gelden. Omdat de waarnemer ook deel uitmaakt van het universum, is het mijns inziens vanzelfsprekend dat de wetten van de kwantummechanica op alle handelingen van toepassing zijn, inclusief waarneming. De Kopenhagense interpretatie verklaart echter dat golfcollaps optreedt als gevolg van de waarneming door de waarnemer. Wiskundig gezien is golfcollaps ook een bewerking die verschilt van gewone kwantummechanische bewerkingen. Hoewel ik het proces waarmee een waarschijnlijkheidsgolffunctie verandert hier niet in detail kan uitleggen, kan het worden beschreven als een bewerking waarbij vermenigvuldiging plaatsvindt met een omkeerbare matrix met bepaalde bijzondere eigenschappen. "Omkeerbaar" betekent dat er een één-op-één-correspondentie bestaat tussen het resultaat en de toestand die eraan ten grondslag ligt. Wanneer de golffunctie echter instort, wordt deze correspondentie verbroken. Het systeem raakt vast in één enkele toestand, waardoor het onmogelijk is de oorspronkelijke toestand te herstellen. In gevallen waarin de aard van de waarneming cruciaal is – zoals bij de Kopenhagense interpretatie – wordt soms het concept van de Heisenberg-snede geïntroduceerd. Dit concept stelt dat de wetten van de kwantummechanica tot een bepaalde grens gelden, en dat de golffunctie voorbij die grens instort. Deze grens is echter niet duidelijk gedefinieerd. Het zou kunnen worden ingesteld op het niveau van objecten zoals elektronen of protonen, of op macroscopisch niveau zoals mensen. Dit is onbevredigend omdat niet wordt gespecificeerd waar deze grens precies getrokken moet worden. Een bekend voorbeeld dat deze situatie illustreert, is het gedachte-experiment van Schrödingers kat. In dit gedachte-experiment verschijnen een deeltje kleiner dan een atoom en een kat. Het kleine deeltje kan met een bepaalde waarschijnlijkheid vervallen, een proces dat verklaard kan worden door de kwantummechanica. Er wordt een detectieapparaat naast geplaatst. Er wordt gezegd dat zodra een dergelijk verval wordt geconstateerd, een mechanisme in werking treedt dat de kat doodt. Dit roept de vraag op of de kat op dat moment dood of levend is. De Kopenhagense interpretatie legt uit dat de toestand van de kat – levend of dood – wordt bepaald op het moment dat deze wordt waargenomen. Deze verklaring is gebaseerd op de aanname dat zelfs macroscopische objecten geen golfinstorting ondergaan. Dit suggereert dat zelfs grote objecten binnen het kader van de kwantummechanica moeten worden beschouwd. Er bestaan dan ook gedachte-experimenten die deze situatie tot een nog extremere vorm doorvoeren. In dit gedachte-experiment gaan we ervan uit dat een vriend het gedachte-experiment van Schrödingers kat heeft uitgevoerd en de toestand van de kat heeft geobserveerd. In een dergelijk geval biedt het geen definitieve verklaring voor de grens waarop de golffunctie geacht wordt te zijn ingestort. Wat deze grens betreft, beschouwen sommigen de mate van kennis van de waarnemer als cruciaal, en dit zou verband houden met waarschijnlijkheid. Niettemin heeft de Kopenhagense interpretatie het voordeel dat de door de waarnemer waargenomen resultaten eenvoudig en duidelijk worden verklaard. Het verklaart de resultaten van diverse experimenten namelijk zeer goed. Het volstaat om golfcollaps toe te passen op het moment dat de experimentele resultaten worden waargenomen of bij interactie met macroscopische objecten. Het is een handige interpretatie die geen rekening hoeft te houden met de kwantumtoestand van de observatieapparatuur. Een van de redenen voor het grote succes, ondanks het intuïtief moeilijk te accepteren resultaat van golfcollaps, is waarschijnlijk het vermogen om experimentele resultaten goed te verklaren. Juist omdat golfcollaps zo'n onnatuurlijke verklaring is, denk ik dat de meerwereldeninterpretatie een haalbaar alternatief zou kunnen zijn voor de Kopenhagense interpretatie. De meerwereldeninterpretatie erkent de golfcollaps niet. Het wordt beschouwd als een interpretatie die is afgeleid door zich uitsluitend te richten op de golfvergelijking van Schrödinger. Omdat het de waarneming zelf niet als onderworpen aan speciale wetten beschouwt, interpreteert het het proces simpelweg als een verandering in de golftoestand zoals die wordt weergegeven in de golfvergelijking. Met andere woorden, het is de bedoeling dat wanneer een waarneming wordt gedaan, de golf niet instort; in plaats daarvan komen de waarnemer en het object in een kwantummechanisch verstrengelde toestand terecht. Om deze verstrengelde toestand te begrijpen, laten we een voorbeeld bekijken vanuit het perspectief van de meerwereldeninterpretatie, die geen rekening houdt met golfcollaps. De spin van een elektron kan omhoog (↑) of omlaag (↓) zijn. De observatieapparatuur is een apparaat dat de spin van het elektron meet. Laten we aannemen dat het statusweergavevenster van de observatieapparatuur drie mogelijke standen heeft: omhoog (⟰), omlaag (⟱) en leeg (). Laten we de situatie vóór de meting eens bekijken. De spin van het elektron en het toestandsweergavevenster van de observatieapparatuur kunnen worden beschreven als onderling onafhankelijke waarschijnlijkheidsgolven. Het elektron is niet vastgelegd als omhoog (↑) of omlaag (↓), maar wordt weergegeven door een waarschijnlijkheidsgolf. Voor het experiment zou het meetapparaat in de lege toestand () zijn ingesteld, en er zou een waarschijnlijkheidsgolffunctie zijn die deze situatie vertegenwoordigt. Laten we de situatie na de meting eens bekijken. Op dit punt kan het niet langer worden beschreven als onafhankelijke waarschijnlijkheidsgolffuncties. De algehele toestand wordt in plaats daarvan beschreven door een enkele waarschijnlijkheidsgolffunctie die zowel het elektron als het meetapparaat omvat.
Concreet wordt het weergegeven door een enkele waarschijnlijkheidsgolffunctie die slechts twee mogelijke situaties beschrijft: een waarbij de spin van het elektron omhoog is en het statusvenster van het observatieapparaat "omhoog" aangeeft (↑⟰), en een andere waarbij de spin van het elektron omlaag is en het statusvenster van het observatieapparaat "omlaag" aangeeft (↓⟱). Dit fenomeen, waarbij meerdere toestanden niet langer onafhankelijk van elkaar zijn, wordt beschreven als 'verstrengeling'. De meerwereldeninterpretatie gaat nog een stap verder. Kijkend naar het bovenstaande voorbeeld zijn er twee mogelijke situaties (↑⟰, ↓⟱). De meerwereldeninterpretatie beschouwt de wereld als verdeeld in deze twee toestanden. Dat wil zeggen, in de ene wereld doet zich de ↑⟰-situatie voor, en in een andere wereld de ↓⟱-situatie. Men zegt dat er, bij nadere beschouwing van de Schrödingervergelijking, geen groot wiskundig probleem is met deze manier van kijken. Als we de mogelijke toestanden scheiden op basis van de resultaten van observaties en elk resultaat interpreteren als een afzonderlijke wereld, dan spreken we precies van de meerwereldeninterpretatie. Zo wordt elke gebeurtenis die als een observatie kan worden beschouwd, gezien als een gebeurtenis waarbij werelden zich splitsen. Bijgevolg wordt elke mogelijkheid die kwantummechanisch haalbaar is, in elke wereld gerealiseerd. Het aspect van de meerwereldeninterpretatie dat mij het meest aanspreekt, is dat het de handeling van het observeren niet als iets bijzonders beschouwt. Omdat zelfs de waarnemer wordt gezien als onderdeel van een wereld die onderworpen is aan dezelfde wetten van de kwantummechanica, beschouw ik deze interpretatie als een meer universeel toepasbare. De meerwereldeninterpretatie staat echter op veel kritiek. Er bestaat geen overtuigende verklaring voor wat het betekent dat de wereld zich opsplitst in meerdere werelden. Bovendien is de bewering dat er meerdere werelden bestaan op zichzelf al bizar. Als er continu, tot in het oneindige, werelden worden gecreëerd, is er geen manier om te verklaren hoe we er zoveel zouden kunnen bijhouden. Bovendien, als verschillende werelden volledig gescheiden zijn en elkaar niet kunnen beïnvloeden, zou men kunnen stellen dat, vanuit het perspectief van de waarnemer, het bestaan van andere werelden volkomen betekenisloos is. Vanuit dat standpunt bezien, verliest de interpretatie zelf haar betekenis. Daarnaast zijn er nog heel wat uitdagingen die moeten worden aangepakt binnen de meerwereldeninterpretatie. Ten eerste is het geven van een adequate verklaring van welke wereld een daadwerkelijke waarnemer zal waarnemen een van de taken die moeten worden aangepakt. Er moet ook een manier zijn om verschijnselen vanuit het perspectief van de waarnemer te beschrijven – in plaats van vanuit het perspectief van het geheel – om de verschijnselen die we in het dagelijks leven waarnemen te kunnen verklaren. Dit komt doordat we waarschijnlijkheidsgolven niet rechtstreeks waarnemen, maar alleen hun uitkomsten. De Kopenhagense interpretatie legt dit aspect duidelijk uit. De Kopenhagense interpretatie stelt dat de wereld die we waarnemen tot stand komt door de ineenstorting van de golffunctie, en dat dit resultaten oplevert die overeenkomen met de realiteit. Bovendien zou de meerwereldeninterpretatie de Kopenhagense interpretatie moeten kunnen verklaren. Als de meerwereldeninterpretatie de juiste is, zou deze vanuit haar eigen perspectief moeten kunnen verklaren hoe alle experimentele resultaten tot nu toe overeenkomen met de voorspellingen van de Kopenhagense interpretatie. Bovendien moeten we vaststellen onder welke omstandigheden er verschillen kunnen ontstaan tussen de twee interpretaties. Het leggen van een verband met de Kopenhagense interpretatie is daarom ook een grote uitdaging. Ik onderschrijf het concept van golfcollaps in de Kopenhagense interpretatie niet, omdat het onduidelijk is wanneer dit precies moet worden toegepast. Bovendien beschouw ik de praktijk om metingen als een afzonderlijk proces te isoleren als problematisch wat betreft universaliteit. Ik ben echter van mening dat we het perspectief moeten behouden dat het hele universum kan worden beschreven als een probabilistische golf in de kwantummechanica, en dat de waarnemer daar ook deel van uitmaakt. Daarom denk ik dat de meerwereldeninterpretatie en soortgelijke theorieën als alternatieven zouden kunnen dienen. Zoals eerder vermeld, blijven er echter ook aan deze interpretaties diverse problemen kleven. Zoals blijkt uit enquêteresultaten onder natuurkundigen, is er nog geen definitieve conclusie bereikt over de interpretatie van de kwantummechanica. Sommige van de bestaande interpretaties zijn in het verleden door experimenten weerlegd. Er zijn echter nog geen dergelijke experimenten uitgevoerd voor de Kopenhagense interpretatie of de Vele-Werelden-interpretatie. Het is mogelijk dat er ooit experimentele opstellingen worden ontwikkeld die daadwerkelijk de verschillen tussen deze interpretaties kunnen aantonen. Een andere mogelijkheid is dat we uiteindelijk tot de conclusie komen dat al deze interpretaties even geldig zijn. Daarom geloof ik dat naarmate ons begrip van de natuurwetten zich verdiept, er nieuwe mogelijkheden zullen ontstaan om de kwantummechanica te interpreteren. Het zal fascinerend zijn om dat proces te zien ontvouwen.
