In dit blogbericht onderzoeken we de achtergrond van de kwantummechanica, de belangrijkste punten van de Kopenhagense interpretatie en de meerwereldeninterpretatie, en hoe deze twee interpretaties "observatie" beschouwen. Vervolgens reflecteren we op het doel van de kwantummechanica.
Lang geleden, in de geschiedenis van de natuurkunde, publiceerde Max Planck een artikel en experimentele resultaten gebaseerd op zijn experimenten met zwarte straling, waarin hij stelde dat "alle energie bestaat uit zeer kleine pakketjes met discrete waarden". Dit schudde de fundamenten van de heersende opvatting onder natuurkundigen van die tijd, die geloofden dat alle verschijnselen in de macroscopische wereld verklaard konden worden door de Newtoniaanse mechanica. Vanaf dat moment, naarmate meetapparatuur zich ontwikkelde en natuurkundigen in staat werden gesteld de microscopische wereld te bestuderen, publiceerden ze diverse experimentele resultaten die de beperkingen van de Newtoniaanse mechanica aan het licht brachten. Deze resultaten, die niet verklaard konden worden door bestaande theorieën, leidden al snel tot de erkenning van de noodzaak voor een nieuw mechanisch kader – en zo werd de "kwantummechanica" geboren. De kwantummechanica verstevigde al snel haar positie door met succes antwoorden te bieden op natuurlijke verschijnselen die niet verklaard konden worden door de bestaande natuurkunde, zoals Einsteins verklaring van het foto-elektrisch effect en Bohrs model van het waterstofatoomspectrum. Bovendien heeft het zich, dankzij de inspanningen van talloze natuurkundigen en ontwikkelingen zoals de transformatietheorie van Paul Dirac en Pascual Jordan, gevestigd als een apart vakgebied.
Dit betekende echter slechts de voltooiing van de wiskundige "vorm"—het instrument dat gebruikt wordt om de inhoud van de kwantummechanica te beschrijven—en impliceerde niet dat deze vanuit het perspectief van een fysische interpretatie was vastgesteld. Zelfs nu, decennia later, blijven er meningsverschillen bestaan tussen vooraanstaande fysici over de "interpretatie" van kwantummechanische verschijnselen. Van de "Kopenhagen-interpretatie"—vaak aangeduid als de gangbare interpretatie—tot de "veelwerelden-interpretatie", die ontstond als reactie op de beperkingen van de eerste, en diverse andere interpretaties, vullen deze verschillende benaderingen elkaar aan door de lacunes op te vullen die geen enkele interpretatie volledig kan verklaren. Op een kwantummechanica-conferentie die in het verleden in Oostenrijk werd gehouden, werd een enquête gehouden onder 33 wereldberoemde fysici met de vraag welke interpretatie zij steunden; de Kopenhagen-interpretatie kreeg 42%, de informatietheoretische interpretatie 24% en de veelwerelden-interpretatie 18%. Aangezien geen enkele interpretatie in deze enquête de 50% overschreed, lijkt het duidelijk dat elke interpretatie zijn eigen beperkingen heeft. In dit artikel zal ik kort de "Kopenhagen-interpretatie" en de "veelwerelden-interpretatie" introduceren – die een aanzienlijk deel van het vakgebied bestrijken en tegengestelde opvattingen hebben over de handeling van "observatie" – en hun beperkingen bespreken. De "informatietheoretische interpretatie" wordt in deze discussie buiten beschouwing gelaten, omdat deze de kwantummechanica vanuit een enigszins ander perspectief bekijkt dan de andere twee.
Het basiskader van de Kopenhagense interpretatie, voorgesteld door Bohr en Heisenberg, is als volgt: "Zolang de waarnemer geen meetapparatuur gebruikt, beweegt het elektron in een atoom volgens de wetten van causaliteit. Wanneer men echter probeert het elektron te beschrijven op een vaste positie en tijd binnen de ruimtetijd, treden discrete interacties op, waardoor het afwijkt van causaliteit, en de waarnemer geen andere keuze heeft dan te vertrouwen op kwantumwaarschijnlijkheden." De Newtoniaanse mechanica stelt dat deeltjes die in de macroscopische wereld worden waargenomen, specifieke, goed gedefinieerde waarden voor positie en impuls hebben wanneer ze bewegen. Dit betekent dat in de macroscopische wereld, waar waarnemers – dat wil zeggen mensen – bestaan, positie en impuls vastliggen. In de microscopische wereld bevindt een bewegend elektron zich echter in een toestand waarin deze fysische grootheden niet definitief als één enkele waarde kunnen worden bepaald. Verschillende toestanden bestaan eerder gelijktijdig naast elkaar. Als er bijvoorbeeld drie mogelijke toestanden zijn – 1, 2 en 3 – die een elektron kan innemen, bestaat het elektron in alle drie de toestanden tegelijkertijd voordat het wordt waargenomen. Mathematisch gezien kan dit worden uitgedrukt als de som van de golffuncties die corresponderen met 1, 2 en 3. Wanneer een waarnemer in de macroscopische wereld het elektron observeert, wordt het elektron gereduceerd tot één enkele toestand uit de vele mogelijke toestanden, bepaald door de waarschijnlijkheid die aan die toestand is verbonden. Met andere woorden, de handeling van "observatie" verandert de toestand van het elektron. Op het moment dat bijvoorbeeld wordt vastgesteld dat het elektron zich in toestand 1 bevindt, verdwijnt de mogelijkheid dat het tegelijkertijd in toestand 2 en 3 bestaat. Dit is wat de Kopenhagense interpretatie de "instorting van de golffunctie" noemt. Bijgevolg is de handeling van "observatie" van enorm belang in de Kopenhagense interpretatie.
Beroemde natuurkundigen zoals Einstein verwierpen de Kopenhagense interpretatie en voerden daarbij verschillende gedachte-experimenten aan als bewijs. Het bekendste hiervan is "Schrödingers kat". In een afgesloten doos bevindt zich een kat en een apparaat dat gif kan vrijgeven, afhankelijk van de kwantummechanisch bepaalde toestand van een deeltje. Of de kat in de doos na een bepaalde tijd – die zelf een toestand is – nog leeft of dood is, wordt pas bepaald op het moment dat het deksel wordt geopend en de kat wordt geobserveerd. Dit gedachte-experiment illustreert dat het toepassen van de handeling van "observatie", die van groot belang is in de microscopische wereld, op de macroscopische wereld tot vreemde conclusies leidt; het heeft dan ook aanleiding gegeven tot diepgaande reflectie over de betekenis van observatie in de kwantummechanica. Dit is waar de "veelwereldeninterpretatie" begint.
Everett III, voorheen verbonden aan Princeton University, weerlegde de beweringen van de Kopenhagense interpretatie en betoogde dat de waarschijnlijkheidsverdeling van een deeltje niet verdwijnt door de waarneming zelf, maar dat er vanaf het begin meerdere mogelijke werelden bestonden. Met andere woorden, de positie van een deeltje wordt niet door waarneming tot één enkele waarde bepaald; er bestaan al meerdere parallelle werelden, waarvan we er slechts één waarnemen. De toestanden die we niet direct waarnemen, ontvouwen zich in andere mogelijke werelden. Als onze waarneming bijvoorbeeld toestand 2 oplevert, verdwijnen de andere toestanden op dat moment niet – ze ontvouwen zich in andere werelden en we kunnen ze simpelweg niet waarnemen.
De meerwereldeninterpretatie kent echter duidelijk problemen. Als een gebeurtenis die zou kunnen plaatsvinden in alle mogelijke werelden plaatsvindt, welke betekenis heeft de waarschijnlijkheid die aan elke toestand is gekoppeld dan nog? Everett probeerde dit op te lossen door simpelweg elke toestand met een gewicht te vermenigvuldigen. Wat het betekent dat de ene wereld belangrijker is dan de andere, blijft echter een onderwerp van discussie.
Gezien deze twee interpretaties – elk met zijn eigen betekenis en beperkingen – neig ik naar de Kopenhagense interpretatie. Als we teruggaan naar de oorsprong van de kwantummechanica, zien we dat deze uiteindelijk is ontstaan om fenomenen in de microscopische wereld te verklaren. Met andere woorden, omdat ze is ontwikkeld om fenomenen te ontrafelen door middel van observatie en de daaruit voortvloeiende feiten, is de observatiehandeling van de waarnemer van grote betekenis. Bij de daadwerkelijke observatie van deeltjes moeten we, om de toestand van een enkel deeltje te observeren, een zekere mate van invloed op het deeltje uitoefenen. In de natuurkunde noemen we dit een "perturbatie". Anders gezegd, het observeren van de toestand van een deeltje houdt in dat we een kleine verandering in het deeltje teweegbrengen en vervolgens de reactie daarop observeren. Hoewel het verband tussen het teweegbrengen van een verandering in het deeltje en de ineenstorting van de golffunctie in wiskundige termen enigszins ambigu is, zijn ze het erover eens dat beide de oorspronkelijke toestand veranderen. Dit betekent dat de observatiehandeling zelf fysiek significant is.
De kwantummechanica heeft de deterministische denkwijze van de klassieke Newtoniaanse mechanica achter zich gelaten en een probabilistische benadering omarmd. Hoeveel mensen zouden gemakkelijk kunnen accepteren dat de positie van een appel recht voor hun neus verandert met wisselende waarschijnlijkheden elke keer dat ze ernaar kijken? Het is waar dat zowel de Kopenhagense interpretatie als de meerwereldeninterpretatie hun eigen betekenis en beperkingen hebben als het gaat om mensen – die gewend zijn aan de definite toestanden van objecten – te helpen de verschijnselen in de microscopische wereld te begrijpen. Ik ben een student ingenieurswetenschappen die onderzoekt hoe nieuwe technologieën kunnen worden ontwikkeld door gebruik te maken van wetenschappelijke verschijnselen en de resultaten die daaruit voortkomen. De ontwikkeling van de kwantummechanica heeft ons instrumenten verschaft om verschijnselen in de microscopische wereld te interpreteren, en dit heeft direct geleid tot technologieën die nuttig zijn voor mensen. MRI-apparatuur (Magnetic Resonance Imaging), die een belangrijke bijdrage heeft geleverd aan de moderne geneeskunde, is ontwikkeld door het NMR-fenomeen (Nuclear Magnetic Resonance) uit de kwantummechanica toe te passen; deze technologie wordt niet alleen gebruikt in spectroscopie – waarmee moleculaire structuren worden bepaald – maar zelfs bij olie-exploratie. Op basis hiervan ben ik van mening dat de interpretatie die beter geschikt is om fenomenen te verklaren – wat ik beschouw als het doel van de wetenschap – van grotere betekenis zal zijn.
