V tej objavi na blogu bomo preučili, kaj pomeni kolaps valov, s poudarkom na københavnski interpretaciji in interpretaciji mnogih svetov med različnimi interpretacijami kvantne mehanike ter preučili značilnosti in omejitve vsake interpretacije.
Od konca 19. stoletja do začetka 20. stoletja so se začeli pojavljati pojavi, ki jih ni bilo mogoče razložiti zgolj s klasično fiziko. Maxwell in Einstein sta odkrila, da ima svetloba tako valovne kot delcem podobne lastnosti. Max Born je napovedal, da imajo tudi delci valovne lastnosti. Davisson-Germerjev poskus z dvojno režo naj bi eksperimentalno dokazal, da se elektroni obnašajo valovno. Podrobnejši pogled na poskus z dvojno režo razkrije naslednje: Naprava, ki oddaja elektrone, plošča z dvema režama in zaslon so razporejeni zaporedno. Elektroni, ki jih oddaja vir elektronov, prehajajo skozi obe reži in dosežejo zaslon; ko opazimo prihod elektronov na zaslon, se pojavi interferenčni vzorec. Takšen vzorec se ne pojavi, če je samo ena reža. Zato je treba položaj elektrona razložiti kot val, ki hkrati prehaja skozi obe reži. Kvantna mehanika se je pojavila, da bi pojasnila te pojave. V kvantni mehaniki so verjetnostni valovi opisani kot temeljni gradniki narave. Verjetnostni valovi se uporabljajo za opis stanja snovi. Agregatno stanje vključuje lastnosti, kot sta položaj in spin. Val verjetnosti kaže, da vrednost ni fiksna na nobeni točki, temveč se verjetnost pojava na vsaki točki spreminja. Kvantna mehanika je bila ustanovljena v začetku 20. stoletja in številni eksperimentalni rezultati iz tistega obdobja in pozneje podpirajo veljavnost te teorije. V jedru te teorije leži Schrödingerjeva valovna enačba. Schrödingerjev valovni enačba, ki je temeljna enačba kvantne mehanike, opisuje, kako se verjetnostni val spreminja s časom. Vendar pa ostaja nejasno, kako se takšni verjetnostni valovi nanašajo na vsakdanje življenje. V vsakdanjem življenju rezultati, ki jih opažamo, niso več stanj, temveč eno samo, določeno stanje – kako je to mogoče razložiti? Kaj je verjetnostni val in ali obstaja način, da ga razumemo? Za rešitev teh vprašanj so se pojavile različne interpretacije kvantne mehanike. V pretekli anketi, ki je bila izvedena na konferenci o kvantni fiziki, so udeležence vprašali o njihovih preferencah glede posamezne interpretacije. Prednost za københavnsko interpretacijo je bila 42 %, za kvantno-informacijsko perspektivo 24 % in za interpretacijo mnogih svetov 18 %. Kot je razvidno iz ankete, je københavnska interpretacija prevladujoča interpretacija znotraj fizikalne skupnosti. Københavnska interpretacija je tista, ki so jo od zgodnjih dni kvantne mehanike razvili znanstveniki pod vodstvom Bohra. Brian Greene je osrednje načelo københavnske interpretacije predstavil takole: »Kadarkoli poskušamo neposredno opazovati verjetnostni val, ga že samo dejanje opazovanja zmoti.« Københavnska interpretacija pojasnjuje, da v trenutku opazovanja verjetnostni val ne more več ostati v tem stanju in se zruši v eno samo točko. Pojasnjeno je, da je rezultat tega združevanja v eno samo točko resničnost, ki jo poznamo. Ta proces se imenuje kolaps valov. Kvantna informacijska perspektiva pojasnjuje, da je vesolje samo sestavljeno iz kvantnih informacij, ki predstavljajo samo bistvo vesolja. Predpostavlja, da je vse rezultat kvantnih izračunov, ki vključujejo te kvantne informacije. S tega vidika se celotno vesolje včasih obravnava kot stroj, ki izvaja kvantne izračune. Seth Lloyd je napisal knjigo, ki prepričljivo zagovarja to perspektivo. V tej knjigi je pojasnil vlogo informacije in kako je le-ta povezana z dejanskimi fizikalnimi zakoni. Na primer, pojasnil je, kako kvantno računanje teži k širjenju neznanih informacij, in podrobneje predstavil fizikalne zakone, povezane z entropijo. Interpretacijo mnogih svetov je predlagal Hugh Everett. Ta interpretacija ne sprejema kolapsa valovne funkcije, ki je temelj københavnske interpretacije. Namesto tega trdi, da se vesolje razveja v več svetov in da so vse možnosti uresničene. Tako pojasnjuje, da v vsakem svetu opazovalec zaznava resničnost, ki jo poznamo. Koncept kolapsa valovne funkcije – ki ga lahko razumemo kot jedro københavnske interpretacije – se mi zdi neprepričljiv. Kot je poudaril Brian Greene, meja, ki opredeljuje, kaj pomeni »opazovanje«, ni jasna. Razlaga gre nekako takole: do kolapsa valovne funkcije ne pride, ko mikroskopski objekti medsebojno delujejo, vendar se zgodi, ko opazovalec opravi meritev; vendar je to razlago težko sprejeti.
Naravno je domnevati, da zakoni fizike veljajo univerzalno in enako po vsem vesolju. Ker je tudi opazovalec del vesolja, menim, da je naravno, da zakoni kvantne mehanike veljajo enako za vsa dejanja, vključno z opazovanjem. Vendar pa københavnska interpretacija pojasnjuje, da do kolapsa valov pride kot posledica opazovalčevega dejanja opazovanja. Matematično je tudi kolaps valov operacija, ki se razlikuje od običajnih kvantno mehanskih operacij. Čeprav tukaj ne morem podrobno razložiti procesa, s katerim se valovna funkcija verjetnosti spreminja, ga lahko opišemo kot operacijo množenja z reverzibilno matriko z določenimi posebnimi lastnostmi. »Reverzibilno« pomeni, da obstaja ena-na-ena korespondenca med rezultatom in stanjem, ki ga je povzročilo. Ko pa pride do kolapsa valovne funkcije, se ta korespondenca prekine. Sistem se fiksira v enem samem stanju, zaradi česar je nemogoče obnoviti prvotno stanje. V primerih, ko je narava opazovanja ključnega pomena – kot na primer pri københavnski interpretaciji – se včasih uvede koncept Heisenbergovega reza. Ta koncept predpostavlja, da zakoni kvantne mehanike veljajo do določene meje, onkraj te meje pa se valovna funkcija sesede. Vendar ta meja ni jasno opredeljena. Lahko bi ga postavili na raven objektov, kot so elektroni ali protoni, ali pa bi ga lahko postavili na raven makroskopskih objektov, kot so ljudje. To je nezadovoljivo, ker ne določa, kje natančno naj bi bila ta meja potegnjena. Znan primer, ki ponazarja to situacijo, je Schrödingerjev miselni poskus z mačko. V tem miselnem poskusu se pojavita delec, manjši od atoma, in mačka. Majhen delec lahko z določeno verjetnostjo razpade, kar je proces, ki ga je mogoče razložiti s kvantno mehaniko. Zraven je nameščena detekcijska naprava. Pravijo, da se v trenutku, ko se zazna takšna razgradnja, sproži mehanizem, ki mačko ubije. To pa sproža vprašanje, ali je mačka v tistem trenutku mrtva ali živa. Københavnska interpretacija pojasnjuje, da se stanje mačke – ali je živa ali mrtva – določi v trenutku, ko jo opazimo. Ta razlaga temelji na predpostavki, da niti makroskopski objekti ne doživljajo kolapsa valov. To nakazuje, da je treba celo velike objekte obravnavati v okviru kvantne mehanike. Posledično obstajajo miselni eksperimenti, ki to situacijo pripeljejo do še večje skrajnosti. V tem miselnem poskusu predpostavljamo, da je prijatelj izvedel Schrödingerjev miselni poskus z mačko in opazoval stanje mačke. V takem primeru ne ponuja dokončne razlage, na kateri meji naj bi valovna funkcija veljala za kolaps. Glede te meje nekateri menijo, da je obseg opazovalčevega znanja ključnega pomena, kar naj bi bilo povezano z verjetnostjo. Kljub temu ima københavnska interpretacija prednost, da enostavno in jasno pojasni rezultate, ki jih opazuje opazovalec. Pravzaprav zelo dobro pojasnjuje rezultate različnih poskusov. Zadostuje, da se valovni kolaps uporabi v trenutku opazovanja eksperimentalnih rezultatov ali pri interakciji z makroskopskimi objekti. To je priročna interpretacija, ki ne zahteva upoštevanja kvantnega stanja opazovalne opreme. Eden od razlogov za njegov velik uspeh, kljub intuitivno težko sprejemljivemu rezultatu valovnega kolapsa, je verjetno njegova sposobnost dobre razlage eksperimentalnih rezultatov. Prav zato, ker je kolaps valov tako nenaravna razlaga, menim, da bi lahko bila interpretacija mnogih svetov izvedljiva alternativa københavnski interpretaciji. Interpretacija mnogih svetov ne priznava kolapsa valov. Pravijo, da gre za interpretacijo, ki izhaja izključno iz Schrödingerjevega valovnega enačbe. Ker dejanja opazovanja ne obravnava kot podvrženega nobenim posebnim zakonom, proces interpretira preprosto kot spremembo valovnega stanja, kot je razvidno iz valovne enačbe. Z drugimi besedami, razume se, da se ob opazovanju val ne sesede, temveč opazovalec in objekt vstopita v kvantno-mehansko prepleteno stanje. Da bi razumeli to prepleteno stanje, si poglejmo primer z vidika interpretacije mnogih svetov, ki ne priznava kolapsa valov. Spin elektrona je lahko navzgor (↑) ali navzdol (↓). Opazovalna oprema je naprava, ki meri spin elektrona. Predpostavimo, da ima okno za prikaz stanja opazovalne opreme tri možna stanja: gor (⟰), dol (⟱) in prazno (). Poglejmo si situacijo pred meritvijo. Spin elektrona in okno za prikaz stanja opazovalne opreme lahko opišemo kot medsebojno neodvisna verjetnostna valova. Elektron ni fiksen niti navzgor (↑) niti navzdol (↓), temveč je predstavljen z verjetnostnim valom. Merilna naprava bi bila za poskus nastavljena na prazno stanje () in obstajala bi verjetnostna valovna funkcija, ki bi predstavljala to situacijo. Poglejmo si situacijo po meritvi. Na tej točki ga ni več mogoče opisati kot neodvisne verjetnostne valovne funkcije. Celotno stanje namesto tega opisuje ena sama verjetnostna valovna funkcija, ki zajema tako elektron kot merilno napravo.
Natančneje, predstavljena je z eno samo verjetnostno valovno funkcijo, ki opisuje le dva možna položaja: enega, kjer je spin elektrona navzgor in okno stanja opazovalne naprave kaže »gor« (↑⟰), in drugega, kjer je spin elektrona navzdol in okno stanja opazovalne naprave kaže »navzdol« (↓⟱). Ta pojav, pri katerem več držav ni več neodvisnih, je opisan kot »prepletenost«. Interpretacija mnogih svetov gre še korak dlje. Če pogledamo zgornji primer, sta možni dve situaciji (↑⟰, ↓⟱). Interpretacija mnogih svetov vidi svet kot razdeljen na ti dve stanji. To pomeni, da se v enem svetu pojavi situacija ↑⟰, v drugem pa situacija ↓⟱. Pravijo, da pri pregledu Schrödingerjeve enačbe ni večjih matematičnih težav, če jo pogledamo na ta način. Če ločimo možna stanja na podlagi rezultatov opazovanj in vsak rezultat interpretiramo kot ločen svet, je to ravno interpretacija mnogih svetov. Tako se vsak dogodek, ki ga lahko štejemo za opazovanje, obravnava kot dogodek, v katerem se svetovi razcepijo. Posledično se v vsakem svetu uresniči vsaka možnost, ki je kvantno mehansko izvedljiva. Vidik interpretacije mnogih svetov, ki se mi zdi najbolj privlačen, je, da dejanja opazovanja ne obravnava kot nekaj posebnega. Ker se celo opazovalec obravnava kot del sveta, za katerega veljajo isti zakoni kvantne mehanike, menim, da je ta razlaga bolj univerzalno uporabna. Vendar pa se interpretacija mnogih svetov sooča s številnimi kritikami. Ni prepričljive razlage, kaj pomeni, da se svet razdeli na več svetov. Poleg tega je trditev, da obstaja več svetov, sama po sebi bizarna. Če se svetovi ustvarjajo nenehno v nedogled, ni mogoče razložiti, kako jih sploh lahko spremljamo toliko. Poleg tega, če so različni svetovi popolnoma ločeni in ne morejo vplivati drug na drugega, bi lahko trdili, da je z vidika opazovalca obstoj drugih svetov popolnoma nesmiseln. S tega vidika sama interpretacija postane nesmiselna. Poleg tega je pri interpretaciji mnogih svetov še vedno kar nekaj izzivov, ki jih je treba obravnavati. Prvič, ena od nalog, ki jih je treba obravnavati, je zagotoviti ustrezno razlago, kateri svet bo zaznal dejanski opazovalec. Obstajati mora tudi način, kako opisati pojave z vidika opazovalca – in ne z vidika celote – da bi razložili pojave, ki jih opažamo v vsakdanjem življenju. To je zato, ker valov verjetnosti ne opazujemo neposredno, temveč le njihove rezultate. Københavnska razlaga ta vidik jasno pojasnjuje. Københavnska interpretacija trdi, da se svet, ki ga opazujemo, uresniči s kolapsom valovne funkcije in da daje rezultate, ki se ujemajo z realnostjo. Poleg tega bi morala biti interpretacija mnogih svetov sposobna razložiti københavnsko interpretacijo. Če je interpretacija mnogih svetov pravilna, bi morala biti sposobna razložiti – s svojega zornega kota – kako so se vsi dosedanji eksperimentalni rezultati ujemali z napovedmi københavnske interpretacije. Poleg tega moramo ugotoviti, pod kakšnimi okoliščinami lahko pride do razlik med obema razlagama. Zato je vzpostavitev povezave s københavnsko interpretacijo prav tako velik izziv. Ne podpiram koncepta kolapsa valov iz københavnske interpretacije, ker ni jasno, kdaj točno bi ga bilo treba uporabiti, in prakso izolacije meritev kot ločenega procesa smatram za problematično z vidika univerzalnosti. Namesto tega menim, da bi morali ohraniti perspektivo, da lahko celotno vesolje v kvantni mehaniki opišemo kot verjetnostni val in da je tudi opazovalec del tega. Zato menim, da bi lahko interpretacija mnogih svetov in podobne teorije služile kot alternative. Vendar pa, kot je bilo že omenjeno, tudi s temi interpretacijami ostaja več težav. Kot kažejo rezultati ankete, v katero so bili vključeni fiziki, še ni bilo doseženega dokončnega sklepa glede interpretacije kvantne mehanike. Nekatere obstoječe interpretacije so bile v preteklosti že ovržene s poskusi. Vendar pa za københavnsko interpretacijo ali interpretacijo mnogih svetov še niso bili izvedeni takšni poskusi. Možno je, da bodo nekega dne razvite eksperimentalne zasnove, ki bodo dejansko lahko prikazale razlike med temi interpretacijami. Lahko pa sčasoma sklepamo, da so vse te interpretacije enako veljavne. Zato verjamem, da se bodo z poglabljanjem našega razumevanja zakonov fizike odprle nove možnosti za interpretacijo kvantne mehanike. Zanimivo bo opazovati, kako se ta proces odvija.
