I dette blogginnlegget skal vi undersøke hva bølgekollaps betyr, med fokus på Københavnertolkningen og mangeverdenstolkningen blant de ulike tolkningene av kvantemekanikk, og vurdere egenskapene og begrensningene til hver tolkning.
Fra slutten av 19-tallet til begynnelsen av 20-tallet begynte fenomener å dukke opp som ikke kunne forklares med klassisk fysikk alene. Maxwell og Einstein oppdaget at lys har både bølgelignende og partikkellignende egenskaper. Max Born forutså at partikler også har bølgelignende egenskaper. Davisson-Germers dobbeltspalteeksperiment sies å ha eksperimentelt vist at elektroner har bølgelignende oppførsel. En nærmere titt på dobbeltspalteeksperimentet avslører følgende: En enhet som sender ut elektroner, en plate med to spalter og en skjerm er arrangert i rekkefølge. Elektroner som sendes ut fra elektronkilden passerer gjennom de to spaltene og når skjermen; når elektronenes ankomst til skjermen observeres, vises et interferensmønster. Et slikt mønster vises ikke når det bare er én spalte. Derfor må elektronets posisjon forklares som en bølge som passerer gjennom begge spaltene samtidig. Kvantemekanikken dukket opp for å forklare disse fenomenene. I kvantemekanikk beskrives sannsynlighetsbølger som naturens grunnleggende byggesteiner. Sannsynlighetsbølger brukes til å beskrive materiens tilstand. Materietilstanden inkluderer egenskaper som posisjon og spinn. En sannsynlighetsbølge indikerer at en verdi ikke er fast på et enkelt punkt, men at sannsynligheten for forekomst varierer på hvert punkt. Kvantemekanikken ble etablert tidlig på 20-tallet, og en rekke eksperimentelle resultater fra den perioden og deretter støtter gyldigheten av denne teorien. Kjernen i denne teorien ligger Schrödingers bølgeligning. Som den grunnleggende ligningen i kvantemekanikk beskriver Schrödingers bølgeligning hvordan en sannsynlighetsbølge endrer seg over tid. Det er imidlertid fortsatt uklart nøyaktig hvordan slike sannsynlighetsbølger forholder seg til hverdagen. I hverdagen er ikke resultatene vi observerer flere tilstander, men én enkelt, definert tilstand – hvordan kan dette forklares? Hva er en sannsynlighetsbølge, og finnes det en måte å forstå den på? For å svare på disse spørsmålene har det dukket opp ulike tolkninger av kvantemekanikk. I en tidligere undersøkelse utført på en kvantefysikkkonferanse ble deltakerne spurt om deres preferanser angående hver tolkning. Preferansen for København-tolkningen var 42 %, det kvanteinformasjonelle perspektivet på 24 % og mangeverdensfortolkningen på 18 %. Som det fremgår av undersøkelsen, er Københavnstolkningen den vanlige tolkningen innen fysikkmiljøet. Københavnertolkningen er den som ble utviklet fra kvantemekanikkens aller første dager av forskere ledet av Bohr. Brian Greene introduserte kjerneprinsippet i Københavnstolkningen slik: «Hver gang vi prøver å observere en sannsynlighetsbølge direkte, forstyrrer selve observasjonshandlingen den.» Københavnstolkningen forklarer at i observasjonsøyeblikket kan sannsynlighetsbølgen ikke lenger forbli i den tilstanden og kollapser til et enkelt punkt. Det forklares at resultatet av dette sammenbruddet til ett enkelt punkt er den virkeligheten vi er kjent med. Denne prosessen kalles bølgekollaps. Kvanteinformasjonsperspektivet forklarer at selve universet er sammensatt av kvanteinformasjon, som utgjør selve essensen av universet. Den postulerer at alt er et resultat av kvanteberegninger som involverer denne kvanteinformasjonen. Fra dette synspunktet blir hele universet noen ganger sett på som en maskin som utfører kvanteberegninger. Seth Lloyd har skrevet en bok som overbevisende argumenterer for dette perspektivet. I den boken forklarte han informasjonens rolle og hvordan den forholder seg til faktiske fysiske lover. For eksempel forklarte han hvordan kvanteberegning har en tendens til å spre ukjent informasjon og utdypet de fysiske lovene knyttet til entropi. Mangeverdenstolkningen ble foreslått av Hugh Everett. Denne tolkningen aksepterer ikke bølgefunksjonskollaps, som er hjørnesteinen i København-tolkningen. I stedet postulerer den at universet forgrener seg i flere verdener, og alle muligheter realiseres. Dermed forklarer det at i hver verden oppfatter en observatør virkeligheten vi er kjent med. Jeg synes konseptet med bølgefunksjonskollaps – som kan sees på som kjernen i København-tolkningen – er lite overbevisende. Som Brian Greene påpekte, er grensen som definerer hva som utgjør en «observasjon» uklar. Forklaringen går omtrent slik: bølgefunksjonskollaps forekommer ikke når mikroskopiske objekter samhandler med hverandre, men det forekommer når en observatør foretar en måling; denne forklaringen er imidlertid vanskelig å akseptere.
Det er naturlig å anta at fysikkens lover gjelder universelt og identisk i hele universet. Siden observatøren også er en del av universet, mener jeg det er naturlig at kvantemekanikkens lover gjelder likt for alle handlinger, inkludert observasjon. Københavnstolkningen forklarer imidlertid at bølgekollaps oppstår som et resultat av observatørens observasjonshandling. Matematisk sett er bølgekollaps også en operasjon som er forskjellig fra vanlige kvantemekaniske operasjoner. Selv om jeg ikke kan forklare prosessen der en sannsynlighetsbølgefunksjon endres i detalj her, kan den beskrives som en operasjon som involverer multiplikasjon med en reversibel matrise med visse spesielle egenskaper. «Reversibel» betyr at det er en én-til-én-korrespondanse mellom resultatet og tilstanden som forårsaket det. Men når bølgefunksjonskollaps oppstår, brytes denne korrespondansen. Systemet blir fastlåst i én tilstand, noe som gjør det umulig å gjenopprette den opprinnelige tilstanden. I tilfeller der observasjonens art er avgjørende – som i Københavnstolkningen – introduseres konseptet med Heisenberg-snittet noen ganger. Dette konseptet antar at kvantemekanikkens lover gjelder opp til en viss grense, og utover denne grensen kollapser bølgefunksjonen. Denne grensen er imidlertid ikke klart definert. Den kan settes på nivået av objekter som elektroner eller protoner, eller den kan settes på makroskopiske objekter som mennesker. Dette er utilfredsstillende fordi det ikke spesifiserer nøyaktig hvor denne grensen skal trekkes. Et kjent eksempel som illustrerer denne situasjonen er Schrödingers tankeeksperiment med katten. I dette tankeeksperimentet dukker det opp en partikkel mindre enn et atom og en katt. Den lille partikkelen kan henfalle med en viss sannsynlighet, en prosess som kan forklares med kvantemekanikk. En deteksjonsenhet er plassert ved siden av. Det sies at i det øyeblikket et slikt forråtnelse oppdages, utløses en mekanisme som dreper katten. Dette reiser spørsmålet om katten er død eller levende i det øyeblikket. Københavnertolkningen forklarer at kattens tilstand – enten den er levende eller død – bestemmes i det øyeblikket den observeres. Denne forklaringen er basert på premisset om at selv makroskopiske objekter ikke opplever bølgekollaps. Det antyder at selv store objekter må vurderes innenfor rammen av kvantemekanikk. Følgelig finnes det tankeeksperimenter som tar denne situasjonen til en enda større ekstrem. I dette tankeeksperimentet antar vi at en venn utførte Schrödingers tankeeksperiment med katt og observerte kattens tilstand. I et slikt tilfelle gir den ikke en endelig forklaring på ved hvilken grense bølgefunksjonen bør anses å ha kollapset. Når det gjelder denne grensen, ser noen omfanget av observatørens kunnskap som avgjørende, og dette sies å være relatert til sannsynlighet. Likevel har Københavnstolkningen fordelen av å enkelt og tydelig forklare resultatene som observeres av observatøren. Faktisk forklarer det resultatene av ulike eksperimenter veldig godt. Det er tilstrekkelig å anvende bølgekollaps i det øyeblikket man observerer de eksperimentelle resultatene eller når man interagerer med makroskopiske objekter. Det er en praktisk tolkning som ikke krever at man tar hensyn til kvantetilstanden til observasjonsutstyret. En grunn til den store suksessen, til tross for det intuitivt vanskelig akseptable resultatet av bølgekollaps, er sannsynligvis dens evne til å forklare eksperimentelle resultater godt. Nettopp fordi bølgekollaps er en så unaturlig forklaring, tror jeg Mangeverdenstolkningen kan være et levedyktig alternativ til Københavnstolkningen. Mangeverdenstolkningen anerkjenner ikke bølgekollaps. Det sies å være en tolkning utledet ved å fokusere utelukkende på Schrödingers bølgeligning. Siden den ikke ser observasjonshandlingen som underlagt noen spesielle lover, tolker den prosessen som ganske enkelt en endring i bølgetilstanden sett fra bølgeligningen. Med andre ord forstås det at når en observasjon gjøres, kollapser ikke bølgen; snarere går observatøren og objektet inn i en kvantemekanisk sammenfiltret tilstand. For å forstå denne sammenfiltrede tilstanden, la oss undersøke et eksempel fra perspektivet til Mange-Verdens-tolkningen, som ikke anerkjenner bølgekollaps. Et elektrons spinn kan enten være opp (↑) eller ned (↓). Observasjonsutstyret er en enhet som måler elektronets spinn. La oss anta at tilstandsvinduet til observasjonsutstyret har tre mulige tilstander: opp (⟰), ned (⟱) og blank (). La oss se på situasjonen før målingen. Elektronets spinn og tilstandsvisningsvinduet til observasjonsutstyret kan beskrives som gjensidig uavhengige sannsynlighetsbølger. Elektronet er ikke fiksert som enten opp (↑) eller ned (↓), men er representert av en sannsynlighetsbølge. Måleapparatet ville blitt satt til tom tilstand () for eksperimentet, og det ville være en sannsynlighetsbølgefunksjon som representerer denne situasjonen. La oss se på situasjonen etter målingen. På dette tidspunktet kan det ikke lenger beskrives som uavhengige sannsynlighetsbølgefunksjoner. Den generelle tilstanden beskrives i stedet av en enkelt sannsynlighetsbølgefunksjon som omfatter både elektronet og måleapparatet.
Mer spesifikt er den representert av en enkelt sannsynlighetsbølgefunksjon som bare beskriver to mulige situasjoner: en der elektronets spinn er opp og observasjonsapparatets tilstandsvindu indikerer «opp» (↑⟰), og en annen der elektronets spinn er nede og observasjonsapparatets tilstandsvindu indikerer «ned» (↓⟱). Dette fenomenet, der flere tilstander ikke lenger er uavhengige, beskrives som «forviklinger». Mangeverdenstolkningen tar dette et skritt videre. Hvis vi ser på eksemplet ovenfor, finnes det to mulige situasjoner (↑⟰, ↓⟱). Mangeverdenstolkningen ser på verden som delt inn i disse to tilstandene. Det vil si at i én verden oppstår ↑⟰-situasjonen, og i en annen verden oppstår ↓⟱-situasjonen. Det sies at det ikke er noe stort matematisk problem med å se Schrödingers ligning på denne måten når man undersøker den. Hvis vi skiller de mulige tilstandene basert på resultatene av observasjoner og tolker hvert resultat som en distinkt verden, er det nettopp mangeverdenstolkningen. Dermed blir enhver hendelse som kan betraktes som en observasjon sett på som en hendelse der verdener splittes. Følgelig realiseres enhver mulighet som er kvantemekanisk gjennomførbar i hver verden. Det aspektet ved mangeverdentolkningen som jeg synes er mest tiltalende, er at den ikke anser observasjonshandlingen som noe spesielt. Siden selv observatøren blir sett på som en del av en verden som er underlagt de samme lovene i kvantemekanikken, anser jeg denne tolkningen for å være mer universelt anvendelig. Mangeverdenstolkningen møter imidlertid mye kritikk. Det finnes ingen overbevisende forklaring på hva det betyr at verden splittes i flere verdener. Dessuten er påstanden om at det finnes flere verdener bisarr i seg selv. Hvis verdener skapes kontinuerlig i det uendelige, finnes det ingen måte å forklare hvordan vi muligens kan holde oversikt over så mange av dem. Videre, hvis forskjellige verdener er helt separate og ikke kan påvirke hverandre, kan man hevde at eksistensen av andre verdener, fra observatørens perspektiv, er fullstendig meningsløs. Fra det synspunktet blir selve tolkningen meningsløs. I tillegg er det fortsatt ganske mange utfordringer som må tas tak i mangeverdentolkningen. For det første er det en av oppgavene som må tas tak i å gi en tilstrekkelig forklaring på hvilken verden en faktisk observatør vil oppfatte. Det må også finnes en måte å beskrive fenomener fra observatørens perspektiv – snarere enn fra helhetens perspektiv – for å kunne forklare fenomenene vi observerer i hverdagen. Dette er fordi vi ikke observerer sannsynlighetsbølger direkte, men bare utfallene deres. Københavnertolkningen forklarer dette aspektet tydelig. Københavnertolkningen hevder at verden vi observerer realiseres gjennom bølgefunksjonens kollaps, og den gir resultater som stemmer overens med virkeligheten. Videre burde Mangeverdenstolkningen kunne forklare Københavnertolkningen. Hvis mangeverdentolkningen er den riktige, burde den kunne forklare – fra sitt eget perspektiv – hvordan alle eksperimentelle resultater hittil har samsvart med forutsigelsene fra København-tolkningen. Videre må vi avgjøre under hvilke omstendigheter det kan oppstå forskjeller mellom de to tolkningene. Derfor er det også en stor utfordring å etablere en forbindelse med Københavnertolkningen. Jeg støtter ikke København-tolkningens konsept om bølgekollaps fordi det er uklart når det nøyaktig skal anvendes, og jeg ser på praksisen med å isolere måling som en separat prosess som problematisk med tanke på universalitet. I stedet mener jeg vi bør opprettholde perspektivet om at hele universet kan beskrives som en probabilistisk bølge i kvantemekanikken, og at observatøren også er en del av den. Derfor tror jeg at mangeverdenstolkningen og lignende teorier kan tjene som alternativer. Men som nevnt tidligere, gjenstår det også flere problemer med disse tolkningene. Som det fremgår av spørreundersøkelser som involverer fysikere, er det ennå ikke nådd noen endelig konklusjon angående tolkningen av kvantemekanikk. Noen av de eksisterende tolkningene har en historie med å bli motbevist av eksperimenter. Imidlertid har ingen slike eksperimenter blitt utført for København-tolkningen eller Many-Worlds-tolkningen ennå. Det er mulig at det en dag kan utvikles eksperimentelle design som faktisk kan demonstrere forskjellene mellom disse tolkningene. Alternativt kan vi til slutt konkludere med at alle disse tolkningene er like gyldige. Derfor tror jeg at etter hvert som vår forståelse av fysikkens lover blir dypere, vil nye veier for å tolke kvantemekanikken åpne seg. Det blir fascinerende å se den prosessen utfolde seg.
