W tym wpisie na blogu przyjrzymy się podstawom mechaniki kwantowej, głównym założeniom interpretacji kopenhaskiej i interpretacji wieloświatowej oraz temu, jak te dwie interpretacje postrzegają „obserwację”, a następnie zastanowimy się nad celem mechaniki kwantowej.
Dawno temu w historii fizyki Max Planck opublikował artykuł i wyniki eksperymentów oparte na swoich eksperymentach z promieniowaniem ciała doskonale czarnego, stwierdzając, że „cała energia składa się z bardzo małych pakietów o dyskretnych wartościach”. Zachwiało to fundamentami dominującego wówczas poglądu wśród fizyków, którzy wierzyli, że wszystkie zjawiska w świecie makroskopowym można wyjaśnić za pomocą mechaniki Newtona. Od tego momentu, w miarę rozwoju sprzętu pomiarowego i uzyskiwania przez fizyków możliwości wglądu w świat mikroskopowy, publikowali oni różne wyniki eksperymentów, które ujawniały ograniczenia mechaniki Newtona. Wyniki te, których nie można było wyjaśnić za pomocą istniejących teorii, wkrótce doprowadziły do uznania potrzeby stworzenia nowych ram mechaniki – i tak narodziła się „mechanika kwantowa”. Mechanika kwantowa wkrótce ugruntowała swoją pozycję, skutecznie dostarczając odpowiedzi na zjawiska naturalne, których nie można było wyjaśnić za pomocą istniejącej fizyki, takie jak wyjaśnienie efektu fotoelektrycznego przez Einsteina i model widma atomu wodoru Bohra. Co więcej, dzięki wysiłkom niezliczonej liczby fizyków i takim osiągnięciom, jak teoria transformacji zaproponowana przez Paula Diraca i Pascuala Jordana, stała się ona odrębną dziedziną badań.
Jednakże oznaczało to jedynie ukończenie matematycznej „formy” – narzędzia używanego do opisu treści mechaniki kwantowej – i nie implikowało jej ustanowienia z perspektywy interpretacji fizycznej. Nawet teraz, dekady później, wśród wybitnych fizyków wciąż trwają konflikty opinii dotyczące „interpretacji” zjawisk mechaniki kwantowej. Od „interpretacji kopenhaskiej” – często nazywanej interpretacją głównego nurtu – po „interpretację wieloświatową”, która pojawiła się w odpowiedzi na ograniczenia tej pierwszej, i różne inne interpretacje, te różne podejścia nadal się uzupełniają, wypełniając luki, których żadna pojedyncza interpretacja nie jest w stanie w pełni wyjaśnić. Na konferencji mechaniki kwantowej, która odbyła się w przeszłości w Austrii, przeprowadzono ankietę wśród 33 światowej sławy fizyków, pytając, którą interpretację popierają; interpretacja kopenhaska uzyskała 42% poparcia, interpretacja informacyjno-teoretyczna 24%, a interpretacja wieloświatowa 18%. Biorąc pod uwagę, że żadna pojedyncza interpretacja nie przekroczyła 50% w tym sondażu, wydaje się oczywiste, że każda interpretacja ma swoje ograniczenia. W tym artykule pokrótce przedstawię „interpretację kopenhaską” i „interpretację wieloświatów” – które stanowią znaczną część tej dziedziny i prezentują przeciwstawne poglądy na temat aktu „obserwacji” – oraz omówię ich ograniczenia. „Interpretacja informacyjno-teoretyczna” jest wykluczona z tej dyskusji, ponieważ ujmuje mechanikę kwantową z nieco innej perspektywy niż pozostałe dwie.
Podstawowe ramy interpretacji kopenhaskiej, zaproponowanej przez Bohra i Heisenberga, przedstawiają się następująco: „Dopóki obserwator nie stosuje urządzeń pomiarowych, elektron w atomie porusza się zgodnie z prawami przyczynowości. Jednakże, gdy próbuje się opisać elektron w ustalonym położeniu i czasie w czasoprzestrzeni, interweniują dyskretne oddziaływania, powodując, że odbiega on od przyczynowości, a obserwator nie ma innego wyboru, jak tylko polegać na prawdopodobieństwach kwantowych”. Mechanika Newtona głosi, że cząstki obserwowane w świecie makroskopowym posiadają określone, dobrze zdefiniowane wartości położenia i pędu podczas ruchu. Oznacza to, że w świecie makroskopowym, gdzie istnieją obserwatorzy – czyli ludzie – położenie i pęd są stałe. Jednak w świecie mikroskopowym elektron w ruchu znajduje się w stanie, w którym tych wielkości fizycznych nie można definitywnie określić jako pojedynczej wartości. Przeciwnie, różne stany współistnieją jednocześnie. Na przykład, jeśli elektron może znajdować się w trzech możliwych stanach – 1, 2 i 3 – to elektron ten znajduje się we wszystkich trzech stanach jednocześnie, zanim zostanie zaobserwowany. Matematycznie można to wyrazić jako sumę funkcji falowych odpowiadających 1, 2 i 3. Kiedy obserwator w świecie makroskopowym obserwuje elektron, elektron zostaje zredukowany do jednego stanu spośród wielu możliwych stanów, określonego przez prawdopodobieństwo związane z tym stanem. Innymi słowy, akt „obserwacji” zmienia stan elektronu. Na przykład, w momencie, gdy elektron zostanie określony jako znajdujący się w stanie 1, możliwość jednoczesnego występowania w stanach 2 i 3 znika. To właśnie interpretacja kopenhaska nazywa „kolapsem funkcji falowej”. W konsekwencji akt „obserwacji” ma ogromne znaczenie w interpretacji kopenhaskiej.
Znani fizycy, tacy jak Einstein, obalili interpretację kopenhaską, powołując się na różne eksperymenty myślowe jako dowód. Jednym z najbardziej znanych jest „Kot Schrödingera”. Wewnątrz zamkniętego pudełka znajduje się kot i urządzenie zdolne do uwalniania trucizny w zależności od stanu cząstki, określonego kwantowo-mechanicznie. To, czy kot w pudełku żyje, czy nie żyje po pewnym czasie – który sam w sobie jest stanem – jest ustalane dopiero w momencie otwarcia pokrywy i obserwacji kota. Ten eksperyment myślowy pokazuje, że zastosowanie aktu „obserwacji”, który ma ogromne znaczenie w świecie mikroskopowym, do świata makroskopowego prowadzi do dziwnych wniosków; w rezultacie skłoniło to do głębokiej refleksji nad znaczeniem obserwacji w mechanice kwantowej. Tu zaczyna się „interpretacja wieloświatowa”.
Everett III, były pracownik Uniwersytetu Princeton, obalił twierdzenia interpretacji kopenhaskiej, argumentując, że rozkład prawdopodobieństwa cząstki nie znika w wyniku obserwacji, lecz że od samego początku istniało wiele możliwych światów. Innymi słowy, położenie cząstki nie jest ustalane na podstawie pojedynczej wartości poprzez obserwację; przeciwnie, istnieje wiele równoległych światów, a my po prostu obserwujemy jeden z nich. Stany, których bezpośrednio nie obserwujemy, rozwijają się w innych możliwych światach. Na przykład, jeśli nasza obserwacja wskazuje stan 2, pozostałe stany nie znikają w tym momencie – rozwijają się w innych światach, a my po prostu nie możemy ich obserwować.
Interpretacja Wieloświatów ma jednak swoje wady. Jeśli zdarzenie, które mogłoby wystąpić we wszystkich możliwych światach, ma w ogóle znaczenie prawdopodobieństwo związane z każdym stanem? Everett próbował rozwiązać ten problem, po prostu mnożąc każdy stan przez wagę. Jednak to, co oznacza, że jeden świat jest ważniejszy od innego, pozostaje przedmiotem debaty.
Biorąc pod uwagę te dwie interpretacje – każda z własnym znaczeniem i ograniczeniami – skłaniam się ku interpretacji kopenhaskiej. Jeśli cofniemy się do początków mechaniki kwantowej, zobaczymy, że ostatecznie narodziła się ona po to, by wyjaśniać zjawiska w świecie mikroskopowym. Innymi słowy, ponieważ została stworzona, by rozwikływać zjawiska poprzez obserwację i wynikające z niej fakty, akt obserwacji obserwatora ma tak istotne znaczenie. W rzeczywistej obserwacji cząstek, aby zaobserwować stan pojedynczej cząstki, musimy wywrzeć na nią pewien stopień wpływu. W fizyce nazywa się to „perturbacją”. Innymi słowy, obserwacja stanu cząstki polega na wywołaniu niewielkiej zmiany w cząstce, a następnie obserwacji jej reakcji. Chociaż związek między wywołaniem zmiany w cząstce a załamaniem funkcji falowej w terminach matematycznych jest nieco niejednoznaczny, zgadzają się co do tego, że oba zmieniają stan pierwotny. Oznacza to, że sam akt obserwacji ma znaczenie fizyczne.
Mechanika kwantowa odeszła od deterministycznego sposobu myślenia klasycznej mechaniki Newtona i przyjęła podejście probabilistyczne. Ile osób mogłoby łatwo zaakceptować ideę, że pozycja jabłka tuż przed nimi zmienia się z różnym prawdopodobieństwem za każdym razem, gdy na nie spojrzą? Prawdą jest, że zarówno interpretacja kopenhaska, jak i interpretacja wieloświatów mają swoje znaczenie i ograniczenia, jeśli chodzi o pomoc ludziom – przyzwyczajonym do określonych stanów obiektów – w zrozumieniu zjawisk zachodzących w świecie mikroskopowym. Jestem studentem inżynierii, który bada, jak tworzyć nowe technologie, wykorzystując zjawiska naukowe i wyniki uzyskane z ich obserwacji. Rozwój mechaniki kwantowej dostarczył nam narzędzi do interpretacji zjawisk w świecie mikroskopowym, co bezpośrednio doprowadziło do powstania technologii, które są użyteczne dla ludzi. Sprzęt do obrazowania metodą rezonansu magnetycznego (MRI), który wniósł znaczący wkład do współczesnej medycyny, został opracowany poprzez zastosowanie zjawiska NMR (jądrowego rezonansu magnetycznego) z mechaniki kwantowej; Technologia ta jest wykorzystywana nie tylko w spektroskopii – która określa struktury molekularne – ale nawet w poszukiwaniach ropy naftowej. Na tej podstawie uważam, że interpretacja lepiej dostosowana do wyjaśniania zjawisk – co uważam za cel nauki – będzie miała większe znaczenie.
