V tomto blogovom príspevku preskúmame pozadie kvantovej mechaniky, hlavné body kodanskej interpretácie a interpretácie mnohých svetov a to, ako tieto dve interpretácie vnímajú „pozorovanie“, a potom sa zamyslíme nad účelom kvantovej mechaniky.
V dávnej histórii fyziky Max Planck publikoval článok a experimentálne výsledky založené na jeho experimentoch so žiarením čierneho telesa, v ktorom uviedol, že „všetka energia pozostáva z veľmi malých balíčkov s diskrétnymi hodnotami“. Toto otriaslo základmi prevládajúceho názoru medzi fyzikmi v tej dobe, ktorí verili, že všetky javy v makroskopickom svete možno vysvetliť Newtonovou mechanikou. Od tohto bodu, ako sa meracie zariadenia zlepšovali a fyzici získavali schopnosť nahliadnuť do mikroskopického sveta, publikovali rôzne experimentálne výsledky, ktoré odhalili obmedzenia Newtonovej mechaniky. Tieto výsledky, ktoré sa nedali vysvetliť existujúcimi teóriami, čoskoro viedli k uznaniu potreby nového rámca mechaniky – a tak sa zrodila „kvantová mechanika“. Kvantová mechanika si čoskoro upevnila svoju pozíciu tým, že úspešne poskytla odpovede na prírodné javy, ktoré sa nedali vyriešiť existujúcou fyzikou, ako napríklad Einsteinovo vysvetlenie fotoelektrického javu a Bohrov model spektra atómu vodíka. Okrem toho sa vďaka úsiliu nespočetných fyzikov a vývojom, ako je transformačná teória navrhnutá Paulom Diracom a Pascualom Jordanom, etablovala ako samostatná oblasť štúdia.
To však iba znamenalo dokončenie matematickej „formy“ – nástroja používaného na opis obsahu kvantovej mechaniky – a neznamenalo to, že bol stanovený z hľadiska fyzikálnej interpretácie. Aj teraz, o desaťročia neskôr, pretrvávajú medzi poprednými fyzikmi názorové konflikty týkajúce sa „interpretácie“ kvantovo-mechanických javov. Od „kodanskej interpretácie“ – často označovanej ako mainstreamová interpretácia – až po „mnohosvetovú interpretáciu“, ktorá vznikla ako reakcia na obmedzenia prvej, a rôzne ďalšie interpretácie, tieto rôzne prístupy sa naďalej navzájom dopĺňajú tým, že riešia medzery, ktoré žiadna samostatná interpretácia nedokáže úplne vysvetliť. Na konferencii o kvantovej mechanike, ktorá sa v minulosti konala v Rakúsku, sa uskutočnil prieskum medzi 33 svetoznámymi fyzikmi, ktorí sa pýtali, ktorú interpretáciu podporujú; kodaňská interpretácia získala 42 %, informačno-teoretická interpretácia 24 % a mnohosvetová interpretácia 18 %. Vzhľadom na to, že žiadna samostatná interpretácia v tomto prieskume neprekročila 50 %, zdá sa jasné, že každá interpretácia má svoje vlastné obmedzenia. V tomto článku stručne predstavím „kodanskú interpretáciu“ a „interpretáciu mnohých svetov“ – ktoré tvoria významnú časť tejto oblasti a zastávajú protichodné názory na akt „pozorovania“ – a rozoberiem ich obmedzenia. „Informačne-teoretická interpretácia“ je z tejto diskusie vylúčená, pretože vníma kvantovú mechaniku z perspektívy trochu odlišnej od ostatných dvoch.
Základný rámec kodanskej interpretácie, ktorú navrhli Bohr a Heisenberg, je nasledovný: „Pokiaľ pozorovateľ nepoužíva meracie zariadenia, elektrón v atóme sa pohybuje podľa zákonov kauzality. Avšak pri pokuse o opis elektrónu v pevnej polohe a čase v časopriestore zasahujú diskrétne interakcie, ktoré spôsobujú jeho odchýlku od kauzality, a pozorovateľ nemá inú možnosť, ako sa spoliehať na kvantové pravdepodobnosti.“ Newtonovská mechanika tvrdí, že častice pozorované v makroskopickom svete majú pri pohybe špecifické, dobre definované hodnoty polohy a hybnosti. To znamená, že v makroskopickom svete, kde existujú pozorovatelia – teda ľudia – sú poloha a hybnosť pevné. Avšak v mikroskopickom svete elektrón v pohybe existuje v stave, kde tieto fyzikálne veličiny nemožno definitívne určiť ako jednu hodnotu. Skôr súčasne koexistujú rôzne stavy. Napríklad, ak existujú tri možné stavy – 1, 2 a 3 – ktoré môže elektrón zaberať, elektrón existuje vo všetkých troch stavoch súčasne predtým, ako je pozorovaný. Matematicky sa to dá vyjadriť ako súčet vlnových funkcií zodpovedajúcich 1, 2 a 3. Keď pozorovateľ v makroskopickom svete pozoruje elektrón, elektrón sa redukuje na jeden stav spomedzi mnohých možných stavov, určený pravdepodobnosťou spojenou s týmto stavom. Inými slovami, akt „pozorovania“ zmení stav elektrónu. Napríklad v momente, keď sa zistí, že elektrón je v stave 1, možnosť jeho súčasnej existencie v stavoch 2 a 3 mizne. Toto kodanská interpretácia označuje ako „kolaps vlnovej funkcie“. V dôsledku toho má akt „pozorovania“ v kodanskej interpretácii obrovský význam.
Slávni fyzici ako Einstein vyvrátili kodanskú interpretáciu a ako dôkaz uviedli rôzne myšlienkové experimenty. Medzi nimi je najznámejší „Schrödingerova mačka“. Vo vnútri uzavretej krabice je mačka a zariadenie schopné uvoľniť jed v závislosti od kvantovo-mechanicky určeného stavu častice. Či je mačka vo vnútri krabice po určitom čase – ktorý je sám o sebe stavom – živá alebo mŕtva, sa určí až v okamihu, keď sa veko otvorí a mačka sa pozoruje. Tento myšlienkový experiment ilustruje, že aplikácia aktu „pozorovania“, ktorý má veľký význam v mikroskopickom svete, na makroskopický svet vedie k zvláštnym záverom; v dôsledku toho podnietil hlboké zamyslenie sa nad významom pozorovania v kvantovej mechanike. Tu sa začína „interpretácia mnohých svetov“.
Everett III, bývalý zamestnanec Princetonskej univerzity, vyvrátil tvrdenia kodanskej interpretácie a argumentoval, že rozdelenie pravdepodobnosti častice nezmizne samotným pozorovaním, ale že od samého začiatku existovalo viacero možných svetov. Inými slovami, poloha častice nie je pozorovaním určená na jednu hodnotu; skôr už existuje viacero paralelných svetov a my len pozorujeme jeden z nich. Stavy, ktoré priamo nepozorujeme, sa rozvíjajú v iných možných svetoch. Napríklad, ak naše pozorovanie dáva stav 2, ostatné stavy v tom okamihu nezmiznú – rozvíjajú sa v iných svetoch a my ich jednoducho nemôžeme pozorovať.
Interpretácia mnohých svetov má však jednoznačne svoje problémy. Ak sa udalosť, ktorá by mohla nastať vo všetkých možných svetoch, stane vo všetkých možných svetoch, aký význam má vôbec pravdepodobnosť spojená s každým stavom? Everett sa pokúsil tento problém vyriešiť jednoduchým vynásobením každého stavu váhou. Čo však znamená, že jeden svet je dôležitejší ako iný, zostáva predmetom diskusie.
Vzhľadom na tieto dve interpretácie – každá s vlastným významom a obmedzeniami – sa prikláňam ku kodanskej interpretácii. Ak sa vrátime k počiatkom kvantovej mechaniky, vidíme, že sa nakoniec zrodila na vysvetlenie javov v mikroskopickom svete. Inými slovami, keďže bola vytvorená na odhaľovanie javov prostredníctvom pozorovania a výsledných faktov, akt pozorovania pozorovateľom má taký významný význam. Pri skutočnom pozorovaní častíc, aby sme mohli pozorovať stav jednej častice, musíme na ňu vyvíjať určitý stupeň vplyvu. Vo fyzike sa to nazýva „perturbácia“. Inými slovami, pozorovanie stavu častice zahŕňa vyvolanie miernej zmeny v častici a následné pozorovanie jej reakcie. Hoci súvislosť medzi vyvolaním zmeny v častici a kolapsom vlnovej funkcie je z matematického hľadiska trochu nejednoznačná, zhodujú sa v tom, že obe menia pôvodný stav. To znamená, že samotný akt pozorovania je fyzikálne významný.
Kvantová mechanika sa odklonila od deterministického zmýšľania klasickej Newtonovej mechaniky a prijala pravdepodobnostný prístup. Koľko ľudí by ľahko akceptovalo myšlienku, že poloha jablka priamo pred nimi sa mení s rôznou pravdepodobnosťou zakaždým, keď sa naň pozrú? Je pravda, že tak kodanská interpretácia, ako aj interpretácia mnohých svetov majú svoj vlastný význam a obmedzenia, pokiaľ ide o pomoc ľuďom – ktorí sú zvyknutí na určité stavy objektov – pri pochopení javov vyskytujúcich sa v mikroskopickom svete. Som študent inžinierstva a študujem, ako vytvárať nové technológie využívaním vedeckých javov a výsledkov získaných ich pozorovaním. Rozvoj kvantovej mechaniky nám poskytol nástroje na interpretáciu javov v mikroskopickom svete, čo priamo viedlo k technológiám, ktoré sú užitočné pre ľudí. Zariadenie MRI (magnetická rezonancia), ktoré významne prispelo k modernej medicíne, bolo vyvinuté aplikáciou javu NMR (nukleárna magnetická rezonancia) z kvantovej mechaniky; táto technológia sa používa nielen v spektroskopii – ktorá určuje molekulárne štruktúry – ale aj pri prieskume ropy. Na základe toho verím, že interpretácia, ktorá lepšie vysvetľuje javy – čo považujem za účel vedy – bude mať väčší význam.
