В этой статье мы рассмотрим предпосылки квантовой механики, основные положения копенгагенской интерпретации и интерпретации множества миров, а также то, как эти две интерпретации рассматривают «наблюдение», и затем поразмышляем о цели квантовой механики.
Давным-давно в истории физики Макс Планк опубликовал статью и экспериментальные результаты, основанные на его экспериментах с черным телом, заявив, что «вся энергия состоит из очень малых пакетов с дискретными значениями». Это поколебало основы господствующего в то время мнения физиков, которые считали, что все явления в макроскопическом мире можно объяснить ньютоновской механикой. С этого момента, по мере развития измерительного оборудования и получения физиками возможности заглянуть в микроскопический мир, они опубликовали различные экспериментальные результаты, которые выявили ограничения ньютоновской механики. Эти результаты, которые не могли быть объяснены существующими теориями, вскоре привели к признанию необходимости новой концептуальной основы механики — и так родилась «квантовая механика». Квантовая механика вскоре укрепила свои позиции, успешно предоставив ответы на природные явления, которые не могли быть объяснены существующей физикой, такие как объяснение Эйнштейном фотоэлектрического эффекта и модель Бора спектра атома водорода. Более того, благодаря усилиям бесчисленных физиков и таким разработкам, как теория преобразований, предложенная Полем Дираком и Паскуалем Джорданом, она утвердилась как самостоятельная область исследований.
Однако это лишь означало завершение математической «формы» — инструмента, используемого для описания содержания квантовой механики, — и не подразумевало, что она была установлена с точки зрения физической интерпретации. Даже сейчас, спустя десятилетия, среди видных физиков продолжаются споры относительно «интерпретации» квантово-механических явлений. От «копенгагенской интерпретации» — часто называемой основной интерпретацией — до «многомировой интерпретации», возникшей в ответ на ограничения первой, и различных других интерпретаций, эти разные подходы продолжают дополнять друг друга, устраняя пробелы, которые ни одна отдельная интерпретация не может полностью объяснить. На конференции по квантовой механике, проходившей в Австрии, был проведен опрос среди 33 всемирно известных физиков, которых спрашивали, какую интерпретацию они поддерживают; копенгагенская интерпретация получила 42%, информационно-теоретическая интерпретация — 24%, а многомировая интерпретация — 18%. Учитывая, что ни одна отдельная интерпретация не превысила 50% в этом опросе, становится ясно, что каждая интерпретация имеет свои ограничения. В этой статье я кратко представлю «копенгагенскую интерпретацию» и «многомировую интерпретацию», которые составляют значительную часть области исследований и придерживаются противоположных взглядов на акт «наблюдения», а также обсужу их ограничения. «Информационно-теоретическая интерпретация» исключена из этого обсуждения, поскольку она рассматривает квантовую механику с несколько иной точки зрения, чем две другие.
Основная концепция копенгагенской интерпретации, предложенная Бором и Гейзенбергом, звучит следующим образом: «Пока наблюдатель не использует измерительное оборудование, электрон внутри атома движется в соответствии с законами причинности. Однако при попытке описать электрон в фиксированном положении и времени в пространстве-времени вмешиваются дискретные взаимодействия, заставляющие его отклоняться от причинности, и наблюдателю ничего не остается, кроме как полагаться на квантовые вероятности». Ньютоновская механика утверждает, что частицы, наблюдаемые в макроскопическом мире, обладают определенными, четко заданными значениями положения и импульса при движении. Это означает, что в макроскопическом мире, где существуют наблюдатели — то есть люди, — положение и импульс фиксированы. Однако в микроскопическом мире движущийся электрон существует в состоянии, где эти физические величины не могут быть однозначно определены как единое значение. Скорее, одновременно сосуществуют различные состояния. Например, если существует три возможных состояния — 1, 2 и 3 — которые может занимать электрон, то он существует во всех трех состояниях одновременно до того, как его можно будет наблюдать. Математически это можно выразить как сумму волновых функций, соответствующих состояниям 1, 2 и 3. Когда наблюдатель в макроскопическом мире наблюдает электрон, электрон сводится к одному из множества возможных состояний, определяемых вероятностью, связанной с этим состоянием. Другими словами, акт «наблюдения» изменяет состояние электрона. Например, в момент, когда определяется, что электрон находится в состоянии 1, возможность его одновременного существования в состояниях 2 и 3 исчезает. Это то, что в копенгагенской интерпретации называется «коллапсом волновой функции». Следовательно, акт «наблюдения» имеет огромное значение в копенгагенской интерпретации.
Известные физики, такие как Эйнштейн, опровергли копенгагенскую интерпретацию, приводя в качестве доказательства различные мысленные эксперименты. Среди них наиболее известен «кот Шрёдингера». Внутри герметичного ящика находится кот и устройство, способное выпускать яд в зависимости от квантово-механически определенного состояния частицы. Жив кот внутри ящика или мертв через определенное время — которое само по себе является состоянием — определяется только в момент открытия крышки и наблюдения за котом. Этот мысленный эксперимент иллюстрирует, что применение акта «наблюдения», имеющего большое значение в микроскопическом мире, к макроскопическому миру приводит к странным выводам; в результате он побудил к глубоким размышлениям о значении наблюдения в квантовой механике. Именно здесь начинается «многомировая интерпретация».
Эверетт III, ранее работавший в Принстонском университете, опроверг утверждения копенгагенской интерпретации, утверждая, что распределение вероятностей частицы не исчезает в результате наблюдения, а скорее, что с самого начала существовало множество возможных миров. Другими словами, положение частицы не определяется одним значением посредством наблюдения; скорее, уже существует множество параллельных миров, и мы просто наблюдаем один из них. Состояния, которые мы не наблюдаем непосредственно, разворачиваются в других возможных мирах. Например, если наше наблюдение дает состояние 2, другие состояния в этот момент не исчезают — они разворачиваются в других мирах, и мы просто не можем их наблюдать.
Однако многомировая интерпретация, безусловно, имеет свои проблемы. Если событие, которое может произойти, происходит во всех возможных мирах, то какой смысл вообще имеет вероятность, связанная с каждым состоянием? Эверетт попытался решить эту проблему, просто умножив каждое состояние на вес. Однако вопрос о том, что означает более важное значение одного мира по сравнению с другим, остается предметом дискуссий.
Рассматривая эти две интерпретации — каждая со своим значением и ограничениями — я склоняюсь к копенгагенской интерпретации. Если мы вернемся к истокам квантовой механики, мы увидим, что она в конечном итоге была создана для объяснения явлений в микроскопическом мире. Другими словами, поскольку она была создана для раскрытия явлений посредством наблюдения и вытекающих из этого фактов, акт наблюдения со стороны наблюдателя имеет такое важное значение. При фактическом наблюдении за частицами, чтобы наблюдать состояние отдельной частицы, мы должны оказать на нее определенное воздействие. В физике это называется «возмущением». Иными словами, наблюдение за состоянием частицы включает в себя внесение небольшого изменения в частицу, а затем наблюдение за ее реакцией. Хотя связь между внесением изменения в частицу и коллапсом волновой функции в математическом плане несколько неоднозначна, они сходятся в том, что оба изменяют исходное состояние. Это означает, что сам акт наблюдения имеет физическое значение.
Квантовая механика отошла от детерминистического мышления классической ньютоновской механики и приняла вероятностный подход. Многие ли люди легко примут идею о том, что положение яблока прямо перед ними меняется с разной вероятностью каждый раз, когда они на него смотрят? Действительно, как копенгагенская интерпретация, так и интерпретация множественных миров имеют свои собственные значения и ограничения, когда речь идёт о помощи людям, привыкшим к определённым состояниям объектов, в понимании явлений, происходящих в микроскопическом мире. Я студент инженерного факультета, изучающий создание новых технологий с использованием научных явлений и результатов, полученных при их наблюдении. Развитие квантовой механики предоставило нам инструменты для интерпретации явлений в микроскопическом мире, и это напрямую привело к созданию технологий, полезных для людей. Оборудование МРТ (магнитно-резонансная томография), внесшее значительный вклад в современную медицину, было разработано с применением явления ЯМР (ядерного магнитного резонанса) из квантовой механики; Эта технология используется не только в спектроскопии, которая определяет молекулярные структуры, но даже в разведке нефти. Исходя из этого, я считаю, что интерпретация, лучше подходящая для объяснения явлений, что, на мой взгляд, является целью науки, будет иметь большее значение.
