I dette blogginnlegget skal vi undersøke bakgrunnen for kvantemekanikk, hovedpoengene i Københavnstolkningen og mangeverdenstolkningen, og hvordan disse to tolkningene ser på «observasjon», og deretter reflektere over formålet med kvantemekanikk.
For lenge siden i fysikkens historie publiserte Max Planck en artikkel og eksperimentelle resultater basert på hans eksperimenter med svartlegemestråling, der han slo fast at «all energi består av svært små pakker med diskrete verdier». Dette rystet grunnvollene til den rådende oppfatningen blant fysikere på den tiden, som hadde trodd at alle fenomener i den makroskopiske verden kunne forklares med Newtonsk mekanikk. Fra dette tidspunktet og utover, etter hvert som måleutstyret avanserte og fysikere fikk muligheten til å kikke inn i den mikroskopiske verden, publiserte de forskjellige eksperimentelle resultater som avslørte begrensningene i Newtonsk mekanikk. Disse resultatene, som ikke kunne forklares med eksisterende teorier, førte snart til erkjennelsen av behovet for et nytt rammeverk for mekanikk – og dermed ble «kvantemekanikk» født. Kvantemekanikken befestet snart sin posisjon ved å gi svar på naturfenomener som ikke kunne løses med eksisterende fysikk, som Einsteins forklaring av den fotoelektriske effekten og Bohrs modell av hydrogenatomspekteret. Videre, gjennom innsatsen til utallige fysikere og utviklinger som transformasjonsteorien foreslått av Paul Dirac og Pascual Jordan, etablerte den seg som et eget studiefelt.
Dette betydde imidlertid bare fullføringen av den matematiske «formen» – verktøyet som brukes til å beskrive innholdet i kvantemekanikken – og antydet ikke at den var etablert fra et fysisk tolkningsperspektiv. Selv nå, flere tiår senere, fortsetter meningskonflikter blant fremtredende fysikere angående «tolkningen» av kvantemekaniske fenomener. Fra «København-tolkningen» – ofte referert til som den vanlige tolkningen – til «mangeverdenstolkningen», som oppsto som svar på begrensningene til førstnevnte, og diverse andre tolkninger, fortsetter disse ulike tilnærmingene å utfylle hverandre ved å adressere hullene som ingen enkelt tolkning fullt ut kan forklare. På en kvantemekanikkkonferanse som ble holdt i Østerrike tidligere, ble det gjennomført en meningsmåling blant 33 verdenskjente fysikere som spurte hvilken tolkning de støttet; København-tolkningen fikk 42 %, den informasjonsteoretiske tolkningen 24 % og Mangeverdenstolkningen 18 %. Gitt at ingen enkelt tolkning oversteg 50 % i denne meningsmålingen, virker det klart at hver tolkning har sine egne begrensninger. I denne artikkelen vil jeg kort introdusere «København-tolkningen» og «mangeverdenstolkningen» – som utgjør en betydelig del av feltet og har motstridende synspunkter på selve «observasjonen» – og diskutere deres begrensninger. Den «informasjonsteoretiske tolkningen» er ekskludert fra denne diskusjonen fordi den ser på kvantemekanikk fra et perspektiv som er noe annerledes enn de to andre.
Det grunnleggende rammeverket for Københavnstolkningen, foreslått av Bohr og Heisenberg, er som følger: «Så lenge observatøren ikke bruker måleutstyr, beveger elektronet i et atom seg i henhold til kausalitetslovene. Men når man prøver å beskrive elektronet i en fast posisjon og tid innenfor romtiden, griper diskrete interaksjoner inn, noe som får det til å avvike fra kausaliteten, og observatøren har ikke noe annet valg enn å stole på kvantesannsynligheter.» Newtonsk mekanikk sier at partikler observert i den makroskopiske verden har spesifikke, veldefinerte verdier for posisjon og momentum når de beveger seg. Dette betyr at i den makroskopiske verden, der observatører – det vil si mennesker – eksisterer, er posisjon og momentum faste. I den mikroskopiske verden eksisterer imidlertid et elektron i bevegelse i en tilstand der disse fysiske størrelsene ikke kan bestemmes definitivt som en enkelt verdi. Snarere sameksisterer forskjellige tilstander samtidig. For eksempel, hvis det er tre mulige tilstander – 1, 2 og 3 – som et elektron kan innta, eksisterer elektronet i alle tre tilstander samtidig før det observeres. Matematisk kan dette uttrykkes som summen av bølgefunksjonene som korresponderer med 1, 2 og 3. Når en observatør i den makroskopiske verden observerer elektronet, reduseres elektronet til én tilstand blant de mange mulige tilstandene, bestemt av sannsynligheten knyttet til den tilstanden. Med andre ord endrer «observasjons»-handlingen elektronets tilstand. For eksempel, i det øyeblikket elektronet bestemmes å være i tilstand 1, forsvinner muligheten for at det eksisterer i tilstand 2 og 3 samtidig. Dette er det Københavnertolkningen refererer til som «bølgefunksjonens kollaps». Følgelig har «observasjons»-handlingen enorm betydning i Københavnertolkningen.
Kjente fysikere som Einstein tilbakeviste Københavnstolkningen og viste til diverse tankeeksperimenter som bevis. Blant disse er den mest kjente «Schrödingers katt». Inne i en forseglet boks er det en katt og en innretning som er i stand til å frigjøre gift avhengig av den kvantemekanisk bestemte tilstanden til en partikkel. Om katten inne i boksen er levende eller død etter en viss tid – som i seg selv er en tilstand – avgjøres først i det øyeblikket lokket åpnes og katten observeres. Dette tankeeksperimentet illustrerer at det å anvende handlingen «observasjon», som har stor betydning i den mikroskopiske verden, på den makroskopiske verden fører til merkelige konklusjoner; som et resultat har det ført til dyp refleksjon over betydningen av observasjon i kvantemekanikk. Det er her «mangeverdenstolkningen» begynner.
Everett III, tidligere ved Princeton University, tilbakeviste påstandene i Københavnstolkningen og argumenterte for at sannsynlighetsfordelingen til en partikkel ikke forsvinner gjennom observasjonen, men snarere at flere mulige verdener eksisterte helt fra begynnelsen. Med andre ord bestemmes ikke en partikkels posisjon til én verdi gjennom observasjon; snarere eksisterer allerede flere parallelle verdener, og vi observerer ganske enkelt én av dem. Tilstandene vi ikke observerer direkte utfolder seg i andre mulige verdener. Hvis for eksempel observasjonen vår gir tilstand 2, forsvinner ikke de andre tilstandene i det øyeblikket – de utfolder seg i andre verdener, og vi kan rett og slett ikke observere dem.
Mangeverdenstolkningen har imidlertid sine problemer. Hvis en hendelse som kan inntreffe skjer i alle mulige verdener, hvilken betydning har sannsynligheten knyttet til hver tilstand egentlig? Everett forsøkte å løse dette ved ganske enkelt å multiplisere hver tilstand med en vekt. Hva det betyr at én verden er viktigere enn en annen, er imidlertid fortsatt et debattemne.
Med tanke på disse to tolkningene – hver med sin egen betydning og begrensninger – tenderer jeg mot Københavnertolkningen. Hvis vi går tilbake til kvantemekanikkens opprinnelse, ser vi at den til syvende og sist ble født for å forklare fenomener i den mikroskopiske verden. Med andre ord, siden den ble skapt for å avdekke fenomener gjennom observasjon og de resulterende fakta, har observatørens observasjonshandling en så betydelig betydning. I selve observasjonen av partikler, for å observere tilstanden til en enkelt partikkel, må vi utøve en viss grad av innflytelse på den. I fysikk kalles dette en "forstyrrelse". Med andre ord innebærer det å observere en partikkels tilstand å indusere en liten endring i partikkelen og deretter observere dens respons. Selv om sammenhengen mellom å indusere en endring i partikkelen og kollapsen av bølgefunksjonen i matematiske termer er noe tvetydig, er de enige om at begge endrer den opprinnelige tilstanden. Dette betyr at selve observasjonshandlingen er fysisk betydningsfull.
Kvantemekanikken har beveget seg bort fra den deterministiske tankegangen i klassisk newtonsk mekanikk og tatt i bruk en probabilistisk tilnærming. Hvor mange mennesker kan lett akseptere ideen om at posisjonen til et eple rett foran dem endrer seg med varierende sannsynligheter hver gang de ser på det? Det er sant at både Københavnstolkningen og Many-Worlds-tolkningen har sin egen betydning og begrensninger når det gjelder å hjelpe folk – som er vant til objekters bestemte tilstander – å forstå fenomenene som oppstår i den mikroskopiske verden. Jeg er en ingeniørstudent som studerer hvordan man kan lage nye teknologier ved å bruke vitenskapelige fenomener og resultatene som oppnås ved å observere dem. Utviklingen av kvantemekanikk har gitt oss verktøy for å tolke fenomener i den mikroskopiske verden, og dette har direkte ført til teknologier som er nyttige for mennesker. MR-utstyr (magnetisk resonansavbildning), som har gitt et betydelig bidrag til moderne medisin, ble utviklet ved å anvende NMR-fenomenet (kjernemagnetisk resonans) fra kvantemekanikk. Denne teknologien brukes ikke bare i spektroskopi – som bestemmer molekylstrukturer – men til og med i oljeleting. Basert på dette tror jeg at den tolkningen som er bedre egnet til å forklare fenomener – som jeg anser som vitenskapens formål – vil ha større betydning.
