W tym wpisie na blogu przyjrzymy się bliżej znaczeniu kolapsu falowego, skupiając się na interpretacji kopenhaskiej oraz interpretacji wieloświatowej, pośród różnych interpretacji mechaniki kwantowej, a także rozważymy cechy i ograniczenia każdej interpretacji.
Od końca XIX do początku XX wieku zaczęły pojawiać się zjawiska, których nie dało się wyjaśnić wyłącznie za pomocą fizyki klasycznej. Maxwell i Einstein odkryli, że światło ma zarówno właściwości falowe, jak i cząsteczkowe. Max Born przewidział, że cząstki również posiadają właściwości falowe. Eksperyment Davissona-Germera z dwiema szczelinami miał rzekomo wykazać, że elektrony mają zachowanie falowe. Dokładniejsze przyjrzenie się eksperymentowi z dwiema szczelinami ujawnia następujące fakty: urządzenie emitujące elektrony, płytka z dwiema szczelinami i ekran są ułożone w kolejności. Elektrony emitowane ze źródła elektronów przechodzą przez dwie szczeliny i docierają do ekranu; gdy obserwuje się przybycie elektronów na ekran, pojawia się wzór interferencyjny. Taki wzór nie pojawi się, gdy jest tylko jedna szczelina. Zatem położenie elektronu należy wyjaśnić jako falę przechodzącą przez obie szczeliny jednocześnie. Aby wyjaśnić te zjawiska, powstała mechanika kwantowa. W mechanice kwantowej fale prawdopodobieństwa są opisywane jako podstawowe elementy składowe natury. Fale prawdopodobieństwa służą do opisu stanu materii. Stan materii obejmuje takie właściwości, jak położenie i spin. Fala prawdopodobieństwa wskazuje, że wartość nie jest ustalona w żadnym pojedynczym punkcie, lecz prawdopodobieństwo jej wystąpienia zmienia się w każdym punkcie. Mechanika kwantowa została opracowana na początku XX wieku, a liczne wyniki eksperymentów z tego okresu i z późniejszych lat potwierdzają słuszność tej teorii. Podstawą tej teorii jest równanie falowe Schrödingera. Równanie falowe Schrödingera jest podstawowym równaniem mechaniki kwantowej i opisuje, w jaki sposób fala prawdopodobieństwa zmienia się w czasie. Nadal jednak nie jest jasne, jaki dokładnie związek mają te fale prawdopodobieństwa z codziennym życiem. W życiu codziennym obserwowane przez nas rezultaty nie są wieloma stanami, lecz jednym, określonym stanem — jak można to wyjaśnić? Czym jest fala prawdopodobieństwa i czy istnieje sposób, aby ją zrozumieć? Aby odpowiedzieć na te pytania, pojawiły się różne interpretacje mechaniki kwantowej. W badaniu przeprowadzonym kiedyś na konferencji poświęconej fizyce kwantowej uczestników zapytano o ich preferencje odnośnie każdej interpretacji. Interpretację kopenhaską preferowało 42% respondentów, perspektywę kwantowo-informacyjną 24%, a interpretację wieloświatową 18%. Jak wynika z badania, interpretacja kopenhaska jest dominującą interpretacją w środowisku fizyków. Interpretacja kopenhaska to interpretacja rozwijana od samego początku mechaniki kwantowej przez naukowców pod przewodnictwem Bohra. Brian Greene przedstawił podstawową zasadę interpretacji kopenhaskiej w następujący sposób: „Ilekroć próbujemy bezpośrednio zaobserwować falę prawdopodobieństwa, sam akt obserwacji ją zakłóca”. Interpretacja kopenhaska wyjaśnia, że w momencie obserwacji fala prawdopodobieństwa nie może już pozostać w tym stanie i załamuje się w pojedynczy punkt. Wyjaśniono, że rezultatem tego zapadnięcia się w pojedynczy punkt jest rzeczywistość, którą znamy. Proces ten nazywa się zapadaniem się fali. Perspektywa informacji kwantowej zakłada, że wszechświat sam w sobie składa się z informacji kwantowej, która stanowi istotę wszechświata. Zakłada ona, że wszystko jest wynikiem obliczeń kwantowych wykorzystujących informacje kwantowe. Z tego punktu widzenia cały wszechświat jest czasami postrzegany jako maszyna wykonująca obliczenia kwantowe. Seth Lloyd napisał książkę, która przekonująco argumentuje na rzecz tego punktu widzenia. W tej książce wyjaśnił rolę informacji i jej związek z rzeczywistymi prawami fizyki. Wyjaśnił na przykład, w jaki sposób obliczenia kwantowe rozprzestrzeniają nieznane informacje i omówił prawa fizyki związane z entropią. Interpretację wieloświatową zaproponował Hugh Everett. Interpretacja ta nie dopuszcza teorii kolapsu funkcji falowej, która stanowi podstawę interpretacji kopenhaskiej. Zamiast tego zakłada, że wszechświat rozgałęzia się na wiele światów i wszystkie możliwości zostają zrealizowane. Wyjaśnia więc, że w każdym świecie obserwator postrzega rzeczywistość, którą znamy. Koncepcja kolapsu funkcji falowej, którą można uznać za sedno interpretacji kopenhaskiej, wydaje mi się nieprzekonująca. Jak zauważył Brian Greene, granica między obserwacją a rzeczywistością jest niejasna. Wyjaśnienie wygląda mniej więcej tak: załamanie funkcji falowej nie następuje, gdy mikroskopijne obiekty oddziałują ze sobą, ale następuje, gdy obserwator dokonuje pomiaru. Trudno jednak zaakceptować to wyjaśnienie.
Naturalnym jest założenie, że prawa fizyki obowiązują uniwersalnie i identycznie w całym wszechświecie. Ponieważ obserwator jest również częścią wszechświata, uważam, że naturalne jest, iż prawa mechaniki kwantowej stosują się w równym stopniu do wszystkich działań, w tym obserwacji. Interpretacja kopenhaska wyjaśnia jednak, że załamanie się fali następuje w wyniku aktu obserwacji dokonywanego przez obserwatora. Z matematycznego punktu widzenia załamanie fali jest operacją odmienną od zwykłych operacji mechaniki kwantowej. Chociaż nie mogę tu szczegółowo wyjaśnić procesu, w wyniku którego zmienia się funkcja falowa prawdopodobieństwa, można go opisać jako operację polegającą na mnożeniu przez odwracalną macierz o pewnych szczególnych właściwościach. „Odwracalny” oznacza, że istnieje jednoznaczna zgodność pomiędzy rezultatem a stanem, który go spowodował. Jednakże, gdy nastąpi kolaps funkcji falowej, korespondencja ta zostaje zerwana. System zostaje zablokowany w jednym stanie, co uniemożliwia przywrócenie stanu pierwotnego. W przypadkach, gdy charakter obserwacji ma kluczowe znaczenie — jak w interpretacji kopenhaskiej — wprowadza się niekiedy koncepcję cięcia Heisenberga. Koncepcja ta zakłada, że prawa mechaniki kwantowej obowiązują do pewnej granicy, a po jej przekroczeniu funkcja falowa ulega załamaniu. Jednakże granica ta nie jest jasno określona. Można go ustalić na poziomie obiektów, takich jak elektrony lub protony, lub na poziomie obiektów makroskopowych, takich jak ludzie. Jest to rozwiązanie niezadowalające, ponieważ nie precyzuje, gdzie dokładnie należy przeprowadzić tę granicę. Dobrze znanym przykładem ilustrującym tę sytuację jest eksperyment myślowy Schrödingera z kotem. W tym eksperymencie myślowym pojawia się cząsteczka mniejsza od atomu oraz kot. Mała cząstka może rozpaść się z pewnym prawdopodobieństwem – proces ten można wyjaśnić za pomocą mechaniki kwantowej. Obok umieszczono urządzenie detekcyjne. Mówi się, że w momencie wykrycia takiego rozkładu uruchamia się mechanizm, który zabija kota. Nasuwa się więc pytanie, czy kot w tym momencie jest żywy, czy martwy. Interpretacja kopenhaska wyjaśnia, że stan kota – czy żyje, czy jest martwy – określa się w chwili jego obserwacji. To wyjaśnienie opiera się na założeniu, że nawet obiekty makroskopowe nie podlegają kolapsowi fal. Sugeruje to, że nawet duże obiekty należy rozpatrywać w kontekście mechaniki kwantowej. W związku z tym przeprowadza się eksperymenty myślowe, które doprowadzają tę sytuację do jeszcze większego ekstremum. W tym eksperymencie myślowym zakładamy, że nasz przyjaciel przeprowadził eksperyment myślowy z kotem Schrödingera i obserwował stan kota. W takim przypadku nie daje to jednoznacznego wyjaśnienia, przy której granicy należy uznać, że funkcja falowa uległa zapadnięciu. Jeśli chodzi o tę granicę, niektórzy uważają, że kluczowy jest zakres wiedzy obserwatora, co ma związek z prawdopodobieństwem. Niemniej jednak interpretacja kopenhaska ma tę zaletę, że w prosty i przejrzysty sposób wyjaśnia wyniki zaobserwowane przez obserwatora. W rzeczywistości bardzo dobrze wyjaśnia wyniki różnych eksperymentów. Wystarczy zastosować kolaps falowy w momencie obserwowania wyników eksperymentu lub w czasie interakcji z obiektami makroskopowymi. Jest to wygodna interpretacja, która nie wymaga uwzględniania stanu kwantowego sprzętu obserwacyjnego. Jednym z powodów jego wielkiego sukcesu, pomimo intuicyjnie trudnego do zaakceptowania wyniku kolapsu fali, jest prawdopodobnie jego zdolność do dobrego wyjaśniania wyników eksperymentów. Właśnie dlatego, że załamanie się fali jest tak nienaturalnym wyjaśnieniem, uważam, że interpretacja wieloświatowa może być realną alternatywą dla interpretacji kopenhaskiej. Interpretacja Wieloświatów nie uwzględnia zjawiska załamywania się fal. Mówi się, że jest to interpretacja wyprowadzona wyłącznie ze skupienia się na równaniu falowym Schrödingera. Ponieważ nie traktuje aktu obserwacji jako podlegającego jakimkolwiek szczególnym prawom, interpretuje proces po prostu jako zmianę stanu fali, widzianą z równania falowego. Innymi słowy, przyjmuje się, że gdy dokonuje się obserwacji, fala nie zapada się, lecz obserwator i obiekt wchodzą w stan splątania kwantowo-mechanicznego. Aby zrozumieć ten stan splątania, przeanalizujmy przykład z perspektywy interpretacji wielu światów, która nie uznaje kolapsu fali. Spin elektronu może być skierowany w górę (↑) lub w dół (↓). Sprzętem obserwacyjnym jest urządzenie mierzące spin elektronu. Załóżmy, że okno wyświetlacza stanu sprzętu obserwacyjnego może mieć trzy możliwe stany: w górę (⟰), w dół (⟱) i puste (). Przyjrzyjmy się sytuacji przed pomiarem. Spin elektronu i okno wyświetlania stanu sprzętu obserwacyjnego można opisać jako wzajemnie niezależne fale prawdopodobieństwa. Elektron nie jest ustalony ani w górę (↑), ani w dół (↓), ale jest reprezentowany przez falę prawdopodobieństwa. Na potrzeby eksperymentu aparat pomiarowy musiał zostać ustawiony w stanie pustym (), a funkcja falowa prawdopodobieństwa miałaby reprezentować tę sytuację. Przyjrzyjmy się sytuacji po dokonaniu pomiaru. W tym momencie nie można już mówić o niezależnych funkcjach falowych prawdopodobieństwa. Ogólny stan jest natomiast opisany pojedynczą funkcją falową prawdopodobieństwa, obejmującą zarówno elektron, jak i aparat pomiarowy.
Dokładniej rzecz biorąc, jest ona reprezentowana przez pojedynczą funkcję falową prawdopodobieństwa, która opisuje tylko dwie możliwe sytuacje: jedną, w której spin elektronu jest skierowany w górę, a okno stanu aparatu obserwacyjnego wskazuje „w górę” (↑⟰), i drugą, w której spin elektronu jest skierowany w dół, a okno stanu aparatu obserwacyjnego wskazuje „w dół” (↓⟱). Zjawisko to, w którym wiele stanów przestaje być niezależnych, określane jest mianem „splątania”. Interpretacja Wieloświatowa idzie o krok dalej. Patrząc na powyższy przykład, możliwe są dwie sytuacje (↑⟰, ↓⟱). Interpretacja wieloświatowa zakłada, że świat jest podzielony na te dwa stany. Oznacza to, że w jednym świecie występuje sytuacja ↑⟰, a w innym świecie występuje sytuacja ↓⟱. Twierdzi się, że po przeanalizowaniu równania Schrödingera nie ma większych problemów matematycznych w takim ujęciu. Jeżeli rozdzielimy możliwe stany na podstawie wyników obserwacji i zinterpretujemy każdy wynik jako odrębny świat, to będzie to właśnie interpretacja wieloświatowa. Zatem każde zdarzenie, które można uznać za obserwację, jest postrzegane jako zdarzenie, w którym światy się rozdzielają. W konsekwencji każda możliwość, która jest możliwa do zrealizowania z punktu widzenia mechaniki kwantowej, jest realizowana w każdym świecie. Aspekt interpretacji wieloświatowej, który uważam za najbardziej atrakcyjny, polega na tym, że nie traktuje ona aktu obserwacji jako czegoś szczególnego. Ponieważ nawet obserwatora postrzegamy jako część świata podlegającego tym samym prawom mechaniki kwantowej, uważam tę interpretację za bardziej uniwersalną. Interpretacja wieloświatowa spotyka się jednak z wieloma krytykami. Nie ma przekonującego wyjaśnienia, co oznacza podział świata na wiele światów. Ponadto twierdzenie, że istnieje wiele światów, jest samo w sobie dziwaczne. Jeśli światy są tworzone w nieskończoność, nie sposób wyjaśnić, w jaki sposób jesteśmy w stanie śledzić tak wiele z nich. Co więcej, jeśli różne światy są zupełnie odrębne i nie mogą na siebie wpływać, można by twierdzić, że z perspektywy obserwatora istnienie innych światów jest całkowicie pozbawione sensu. Z tego punktu widzenia sama interpretacja traci sens. Ponadto istnieje jeszcze wiele wyzwań, które należy rozwiązać w ramach interpretacji wieloświatowej. Po pierwsze, jednym z zadań, które należy wykonać, jest dostarczenie odpowiedniego wyjaśnienia, jaki świat postrzega rzeczywisty obserwator. Musi istnieć również sposób na opisanie zjawisk z perspektywy obserwatora, a nie z perspektywy całości, aby wyjaśnić zjawiska, które obserwujemy w życiu codziennym. Dzieje się tak, ponieważ nie obserwujemy bezpośrednio fal prawdopodobieństwa, lecz jedynie ich wyniki. Interpretacja kopenhaska jasno wyjaśnia ten aspekt. Interpretacja kopenhaska zakłada, że obserwowany przez nas świat powstaje w wyniku załamania się funkcji falowej, a jej wyniki są zgodne z rzeczywistością. Co więcej, interpretacja wieloświatowa powinna być w stanie wyjaśnić interpretację kopenhaską. Jeżeli interpretacja wieloświatowa jest prawidłowa, powinna być w stanie wyjaśnić – z własnej perspektywy – w jaki sposób wszystkie dotychczasowe wyniki eksperymentów pokrywają się z przewidywaniami interpretacji kopenhaskiej. Ponadto musimy ustalić, w jakich okolicznościach mogą pojawić się różnice pomiędzy tymi dwiema interpretacjami. Dlatego też nawiązanie kontaktu z interpretacją kopenhaską stanowi również duże wyzwanie. Nie popieram kopenhaskiej interpretacji koncepcji załamania fali, ponieważ nie jest jasne, kiedy dokładnie należy ją stosować. Uważam też, że praktyka izolowania pomiaru jako osobnego procesu jest problematyczna z punktu widzenia uniwersalności. Zamiast tego uważam, że powinniśmy utrzymać perspektywę, zgodnie z którą cały wszechświat można opisać jako falę probabilistyczną w mechanice kwantowej, a obserwator jest również jej częścią. Dlatego myślę, że interpretacja wieloświatowa i podobne teorie mogą być alternatywą. Jak jednak wspomniano wcześniej, interpretacje te wciąż wiążą się z pewnymi problemami. Jak pokazują wyniki ankiety przeprowadzonej wśród fizyków, nie udało się jeszcze wyciągnąć ostatecznych wniosków odnośnie interpretacji mechaniki kwantowej. Niektóre z dotychczasowych interpretacji zostały już obalone w wyniku eksperymentów. Jednakże tego typu eksperymenty nie zostały jeszcze przeprowadzone w ramach interpretacji kopenhaskiej ani interpretacji wielu światów. Być może pewnego dnia uda się opracować eksperymentalne projekty, które faktycznie pokażą różnice między tymi interpretacjami. Alternatywnie możemy ostatecznie stwierdzić, że wszystkie te interpretacje są równie ważne. Dlatego uważam, że w miarę pogłębiania się naszej wiedzy na temat praw fizyki, otwierają się nowe możliwości interpretacji mechaniki kwantowej. Będzie fascynująco obserwować rozwój tego procesu.
