În această postare pe blog, vom examina ce înseamnă colapsul undelor, concentrându-ne pe interpretarea de la Copenhaga și interpretarea multi-lumilor printre diversele interpretări ale mecanicii cuantice și vom lua în considerare caracteristicile și limitele fiecărei interpretări.
De la sfârșitul secolului al XIX-lea până la începutul secolului al XX-lea, au început să apară fenomene care nu puteau fi explicate doar de fizica clasică. Maxwell și Einstein au descoperit că lumina posedă atât proprietăți ondulatorii, cât și proprietăți particulelor. Max Born a prezis că și particulele posedă proprietăți ondulatorii. Se spune că experimentul cu dublă fante Davisson-Germer a demonstrat experimental că electronii posedă un comportament ondulatoriu. O analiză mai atentă a experimentului cu dublă fante relevă următoarele: un dispozitiv care emite electroni, o placă cu două fante și un ecran sunt aranjate în secvență. Electronii emiși de sursa de electroni trec prin cele două fante și ajung la ecran; când se observă sosirea electronilor la ecran, apare un model de interferență. Un astfel de model nu apare atunci când există o singură fantă. Prin urmare, poziția unui electron trebuie explicată ca o undă care trece simultan prin ambele fante. Mecanica cuantică a apărut pentru a explica aceste fenomene. În mecanica cuantică, undele de probabilitate sunt descrise ca fiind elementele fundamentale ale naturii. Undele de probabilitate sunt folosite pentru a descrie starea materiei. Starea materiei include proprietăți precum poziția și spinul. O undă de probabilitate indică faptul că o valoare nu este fixă într-un singur punct, ci mai degrabă că probabilitatea de apariție variază în fiecare punct. Mecanica cuantică a fost stabilită la începutul secolului al XX-lea, iar numeroase rezultate experimentale din acea perioadă și ulterioare susțin validitatea acestei teorii. În centrul acestei teorii se află ecuația undelor a lui Schrödinger. Fiind ecuația fundamentală a mecanicii cuantice, ecuația de undă a lui Schrödinger descrie modul în care o undă de probabilitate se modifică în timp. Cu toate acestea, rămâne neclar exact cum se leagă astfel de unde de probabilitate de viața de zi cu zi. În viața de zi cu zi, rezultatele pe care le observăm nu sunt stări multiple, ci o singură stare, definită - cum poate fi explicat acest lucru? Ce este o undă de probabilitate și există o modalitate de a o înțelege? Pentru a răspunde la aceste întrebări, au apărut diverse interpretări ale mecanicii cuantice. Într-un sondaj anterior realizat la o conferință de fizică cuantică, participanții au fost întrebați despre preferințele lor cu privire la fiecare interpretare. Preferința pentru interpretarea de la Copenhaga a fost de 42%, perspectiva informațională cuantică de 24%, iar interpretarea lumilor multiple de 18%. După cum se observă în sondaj, interpretarea de la Copenhaga este interpretarea principală în comunitatea fizicii. Interpretarea de la Copenhaga este cea dezvoltată încă din primele zile ale mecanicii cuantice de către cercetători conduși de Bohr. Brian Greene a introdus principiul fundamental al interpretării de la Copenhaga după cum urmează: „Ori de câte ori încercăm să observăm direct o undă de probabilitate, actul de observare în sine o perturbă.” Interpretarea de la Copenhaga explică faptul că, în momentul observației, unda de probabilitate nu mai poate rămâne în acea stare și se prăbușește într-un singur punct. Se explică faptul că rezultatul acestei prăbușiri într-un singur punct este realitatea cu care suntem familiarizați. Acest proces se numește colapsul valurilor. Perspectiva informației cuantice explică faptul că universul însuși este compus din informație cuantică, care constituie însăși esența universului. Aceasta postulează că totul este rezultatul unor calcule cuantice care implică această informație cuantică. Din acest punct de vedere, întregul univers este uneori văzut ca o mașină care efectuează calcule cuantice. Seth Lloyd a scris o carte care susține convingător această perspectivă. În acea carte, el a explicat rolul informației și modul în care aceasta se raportează la legile fizicii reale. De exemplu, el a explicat modul în care calculul cuantic tinde să răspândească informații necunoscute și a elaborat legile fizicii legate de entropie. Interpretarea lumilor multiple a fost propusă de Hugh Everett. Această interpretare nu acceptă colapsul funcției de undă, care este piatra de temelie a interpretării de la Copenhaga. În schimb, ea postulează că universul se ramifică în mai multe lumi și toate posibilitățile sunt realizate. Astfel, se explică faptul că în fiecare lume, un observator percepe realitatea cu care suntem familiarizați. Conceptul de colaps al funcției de undă – care poate fi văzut ca nucleul interpretării de la Copenhaga – mi se pare neconvingător. Așa cum a subliniat Brian Greene, limita care definește ce constituie o „observație” este neclară. Explicația este cam așa: colapsul funcției de undă nu are loc atunci când obiectele microscopice interacționează unele cu altele, dar are loc atunci când un observator efectuează o măsurătoare; cu toate acestea, această explicație este greu de acceptat.
Este firesc să presupunem că legile fizicii se aplică universal și identic în întregul univers. Întrucât observatorul face și el parte din univers, cred că este firesc ca legile mecanicii cuantice să se aplice în mod egal tuturor acțiunilor, inclusiv observației. Totuși, interpretarea de la Copenhaga explică faptul că prăbușirea undei are loc ca urmare a actului de observare al observatorului. Matematic, colapsul undelor este, de asemenea, o operație distinctă de operațiile mecanicii cuantice obișnuite. Deși nu pot explica în detaliu aici procesul prin care o funcție de undă de probabilitate se modifică, acesta poate fi descris ca o operație care implică înmulțirea cu o matrice reversibilă cu anumite proprietăți speciale. „Reversibil” înseamnă că există o corespondență biunivocă între rezultat și starea care l-a cauzat. Totuși, când are loc colapsul funcției de undă, această corespondență este ruptă. Sistemul devine fix într-o singură stare, ceea ce face imposibilă restaurarea stării inițiale. În cazurile în care natura observației este crucială - cum ar fi în interpretarea de la Copenhaga - uneori se introduce conceptul de tăiere Heisenberg. Acest concept postulează că legile mecanicii cuantice se aplică până la o anumită limită, iar dincolo de această limită, funcția de undă se prăbușește. Totuși, această graniță nu este clar definită. Ar putea fi setat la nivelul obiectelor precum electronii sau protonii sau ar putea fi setat la obiecte macroscopice, cum ar fi oamenii. Acest lucru este nesatisfăcător deoarece nu specifică unde exact ar trebui trasată această limită. Un exemplu binecunoscut care ilustrează această situație este experimentul mental al pisicii lui Schrödinger. În acest experiment mental, apar o particulă mai mică decât un atom și o pisică. Mica particulă se poate dezintegra cu o anumită probabilitate, proces care poate fi explicat prin mecanica cuantică. Un dispozitiv de detectare este plasat lângă el. Se spune că în momentul în care este detectată o astfel de degradare, se declanșează un mecanism care ucide pisica. Aceasta ridică întrebarea dacă pisica este moartă sau vie în acel moment. Interpretarea de la Copenhaga explică faptul că starea pisicii - fie ea vie sau moartă - este determinată în momentul în care este observată. Această explicație se bazează pe premisa că nici măcar obiectele macroscopice nu experimentează colapsul undelor. Aceasta sugerează că până și obiectele mari trebuie considerate în cadrul mecanicii cuantice. Prin urmare, există experimente mentale care duc această situație la o extremă și mai mare. În acest experiment mental, presupunem că un prieten a realizat experimentul mental al pisicii lui Schrödinger și a observat starea pisicii. Într-un astfel de caz, nu oferă o explicație definitivă a limitei la care funcție de undă ar trebui considerată ca s-a colapsat. În ceea ce privește această limită, unii consideră că gradul de cunoaștere al observatorului este crucial, iar acest lucru se spune că este legat de probabilitate. Cu toate acestea, interpretarea de la Copenhaga are avantajul de a explica ușor și clar rezultatele observate de către observator. De fapt, explică foarte bine rezultatele diferitelor experimente. Este suficient să se aplice colapsul undelor în momentul observării rezultatelor experimentale sau la interacțiunea cu obiecte macroscopice. Este o interpretare convenabilă care nu necesită luarea în considerare a stării cuantice a echipamentului de observare. Un motiv pentru marele său succes, în ciuda rezultatului intuitiv dificil de acceptat al colapsului valurilor, este probabil capacitatea sa de a explica bine rezultatele experimentale. Tocmai pentru că prăbușirea valurilor este o explicație atât de nefirească, cred că Interpretarea Lumilor Multiple ar putea fi o alternativă viabilă la interpretarea de la Copenhaga. Interpretarea Lumilor Multiple nu recunoaște colapsul valurilor. Se spune că este o interpretare derivată concentrându-se exclusiv pe ecuația undelor lui Schrödinger. Întrucât nu consideră actul de observare ca fiind supus vreunei legi speciale, interpretează procesul pur și simplu ca o schimbare a stării undei, așa cum se vede din ecuația undei. Cu alte cuvinte, se înțelege că atunci când se face o observație, unda nu se prăbușește; mai degrabă, observatorul și obiectul intră într-o stare de inseparabilitate mecanic-cuantică. Pentru a înțelege această stare încurcată, să examinăm un exemplu din perspectiva Interpretarii Lumilor Multiple, care nu recunoaște colapsul valurilor. Spinul unui electron poate fi fie ascendent (↑), fie descendent (↓). Echipamentul de observare este un dispozitiv care măsoară spinul electronului. Să presupunem că fereastra de afișare a stării echipamentului de observare are trei stări posibile: sus (⟰), jos (⟱) și gol (). Să analizăm situația de dinaintea măsurătorii. Spinul electronului și fereastra de afișare a stării echipamentului de observare pot fi descrise ca unde de probabilitate reciproc independente. Electronul nu este fixat nici în sus (↑) nici în jos (↓), ci este reprezentat de o undă de probabilitate. Aparatul de măsurare ar fi fost setat în starea gol () pentru experiment și ar exista o funcție de undă de probabilitate care să reprezinte această situație. Să analizăm situația după măsurare. În acest moment, nu mai poate fi descrisă ca funcții de undă de probabilitate independente. Starea generală este descrisă în schimb de o singură funcție de undă de probabilitate care cuprinde atât electronul, cât și aparatul de măsurare.
Mai exact, este reprezentată de o singură funcție de undă de probabilitate care descrie doar două situații posibile: una în care spinul electronului este ascendent, iar fereastra de stare a aparatului de observare indică „sus” (↑⟰), și o alta în care spinul electronului este descendent, iar fereastra de stare a aparatului de observare indică „jos” (↓⟱). Acest fenomen, în care mai multe state nu mai sunt independente, este descris ca „înlănțuire”. Interpretarea lumilor multiple duce acest lucru cu un pas mai departe. Privind exemplul de mai sus, există două situații posibile (↑⟰, ↓⟱). Interpretarea lumilor multiple privește lumea ca fiind împărțită în aceste două stări. Adică, într-o lume, are loc situația ↑⟰, iar în altă lume, are loc situația ↓⟱. Se spune că, examinând ecuația lui Schrödinger, nu există nicio problemă matematică majoră în a o privi în acest fel. Dacă separăm stările posibile pe baza rezultatelor observațiilor și interpretăm fiecare rezultat ca o lume distinctă, aceasta este tocmai Interpretarea Lumilor Multiple. Astfel, fiecare eveniment care poate fi considerat o observație este privit ca un eveniment în care lumi se divizează. Prin urmare, fiecare posibilitate fezabilă din punct de vedere mecanic cuantic este realizată în fiecare lume. Aspectul cel mai atrăgător al Interpretarii Lumilor Multiple este acela că nu consideră actul observației ca fiind ceva special. Întrucât chiar și observatorul este considerat parte a unei lumi supusă acelorași legi ale mecanicii cuantice, consider că această interpretare este una mai universal aplicabilă. Cu toate acestea, Interpretarea Lumilor Multiple se confruntă cu numeroase critici. Nu există o explicație convingătoare a ceea ce înseamnă divizarea lumii în mai multe lumi. Mai mult, afirmația că există mai multe lumi este bizară în sine. Dacă lumile sunt create continuu la infinit, nu există nicio modalitate de a explica cum putem ține evidența atâtor dintre ele. Mai mult, dacă lumi diferite sunt complet separate și nu se pot influența reciproc, s-ar putea argumenta că, din perspectiva observatorului, existența altor lumi este complet lipsită de sens. Din acest punct de vedere, interpretarea în sine devine lipsită de sens. În plus, există încă o serie de provocări care trebuie abordate în Interpretarea Lumilor Multiple. În primul rând, furnizarea unei explicații adecvate a lumii pe care o va percepe un observator real este una dintre sarcinile care trebuie abordate. Trebuie să existe, de asemenea, o modalitate de a descrie fenomenele din perspectiva observatorului - mai degrabă decât din perspectiva întregului - pentru a explica fenomenele pe care le observăm în viața de zi cu zi. Acest lucru se datorează faptului că nu observăm direct undele de probabilitate, ci doar rezultatele lor. Interpretarea de la Copenhaga explică clar acest aspect. Interpretarea de la Copenhaga susține că lumea pe care o observăm este realizată prin colapsul funcției de undă și produce rezultate care se aliniază cu realitatea. În plus, Interpretarea Lumilor Multiple ar trebui să poată explica interpretarea de la Copenhaga. Dacă Interpretarea Lumilor Multiple este cea corectă, ar trebui să poată explica - din propria perspectivă - cum toate rezultatele experimentale de până în prezent s-au potrivit cu predicțiile interpretării de la Copenhaga. În plus, trebuie să stabilim în ce circumstanțe ar putea apărea diferențe între cele două interpretări. Prin urmare, stabilirea unei legături cu interpretarea de la Copenhaga este, de asemenea, o provocare majoră. Nu susțin conceptul de colaps al valurilor din interpretarea de la Copenhaga, deoarece nu este clar când anume ar trebui aplicat și consider practica izolării măsurării ca proces separat ca fiind problematică din punct de vedere al universalității. În schimb, cred că ar trebui să menținem perspectiva conform căreia întregul univers poate fi descris ca o undă probabilistică în mecanica cuantică și că observatorul face, de asemenea, parte din el. Prin urmare, cred că Interpretarea Lumilor Multiple și teorii similare ar putea servi ca alternative. Totuși, așa cum am menționat anterior, rămân și câteva probleme legate de aceste interpretări. După cum reiese din rezultatele sondajelor efectuate cu fizicieni, nu s-a ajuns încă la o concluzie definitivă cu privire la interpretarea mecanicii cuantice. Unele dintre interpretările existente au un istoric de a fi infirmate prin experimente. Cu toate acestea, nu au fost încă efectuate astfel de experimente pentru interpretarea de la Copenhaga sau interpretarea lumilor multiple. Este posibil ca într-o zi să fie dezvoltate modele experimentale capabile să demonstreze efectiv diferențele dintre aceste interpretări. Alternativ, am putea concluziona în cele din urmă că toate aceste interpretări sunt la fel de valide. Prin urmare, cred că, pe măsură ce înțelegerea noastră asupra legilor fizicii se aprofundează, se vor deschide noi căi pentru interpretarea mecanicii cuantice. Va fi fascinant să asist la desfășurarea acestui proces.
