V tej objavi na blogu bomo preučili ozadje kvantne mehanike, glavne točke københavnske interpretacije in interpretacije mnogih svetov ter kako ti dve interpretaciji gledata na »opazovanje«, nato pa bomo razmislili o namenu kvantne mehanike.
Davno v zgodovini fizike je Max Planck objavil članek in eksperimentalne rezultate, ki so temeljili na njegovih poskusih sevanja črnega telesa, v katerem je trdil, da »vsa energija je sestavljena iz zelo majhnih paketov z diskretnimi vrednostmi«. To je pretreslo temelje prevladujočega mnenja med fiziki tistega časa, ki so verjeli, da je vse pojave v makroskopskem svetu mogoče razložiti z Newtonovo mehaniko. Od takrat naprej, ko se je merilna oprema izboljševala in so fiziki pridobili sposobnost vpogleda v mikroskopski svet, so objavljali različne eksperimentalne rezultate, ki so razkrili omejitve Newtonove mehanike. Ti rezultati, ki jih obstoječe teorije niso mogle razložiti, so kmalu privedli do spoznanja potrebe po novem okviru mehanike – in tako se je rodila »kvantna mehanika«. Kvantna mehanika je kmalu utrdila svoj položaj, saj je uspešno ponudila odgovore na naravne pojave, ki jih obstoječa fizika ni mogla razrešiti, kot sta Einsteinova razlaga fotoelektričnega učinka in Bohrov model spektra atoma vodika. Poleg tega se je s prizadevanji neštetih fizikov in razvojem, kot je teorija transformacije, ki sta jo predlagala Paul Dirac in Pascual Jordan, uveljavila kot samostojno področje študija.
Vendar je to zgolj pomenilo dokončanje matematične »oblike« – orodja, ki se uporablja za opis vsebine kvantne mehanike – in ni pomenilo, da je bila ta vzpostavljena z vidika fizikalne interpretacije. Še danes, desetletja pozneje, se med uglednimi fiziki nadaljujejo nasprotujoča si mnenja glede »interpretacije« kvantno mehanskih pojavov. Od »københavnske interpretacije« – pogosto imenovane prevladujoča interpretacija – do »interpretacije mnogih svetov«, ki se je pojavila kot odgovor na omejitve prve, in različnih drugih interpretacij, se ti različni pristopi še naprej dopolnjujejo z odpravljanjem vrzeli, ki jih nobena posamezna interpretacija ne more v celoti pojasniti. Na konferenci o kvantni mehaniki, ki je bila v preteklosti v Avstriji, je bila med 33 svetovno znanimi fiziki izvedena anketa, v kateri so vprašali, katero interpretacijo podpirajo; københavnska interpretacija je prejela 42 %, informacijsko-teoretična interpretacija 24 % in interpretacija mnogih svetov 18 %. Glede na to, da nobena posamezna interpretacija v tej anketi ni presegla 50 %, se zdi jasno, da ima vsaka interpretacija svoje omejitve. V tem članku bom na kratko predstavil »københavnsko interpretacijo« in »interpretacijo mnogih svetov« – ki predstavljata pomemben del področja in imata nasprotujoča si stališča o dejanju »opazovanja« – ter razpravljal o njunih omejitvah. »Informacijsko-teoretična interpretacija« je iz te razprave izključena, ker kvantno mehaniko obravnava z nekoliko drugačne perspektive kot drugi dve.
Osnovni okvir københavnske interpretacije, ki sta jo predlagala Bohr in Heisenberg, je naslednji: »Dokler opazovalec ne uporablja merilne opreme, se elektron znotraj atoma giblje v skladu z zakoni vzročnosti. Vendar pa pri poskusu opisa elektrona v fiksnem položaju in času znotraj prostor-časa pride do diskretnih interakcij, zaradi katerih odstopa od vzročnosti, in opazovalec nima druge izbire, kot da se zanese na kvantne verjetnosti.« Newtonova mehanika trdi, da imajo delci, opazovani v makroskopskem svetu, specifične, dobro definirane vrednosti za položaj in gibalno količino, ko se gibljejo. To pomeni, da sta v makroskopskem svetu, kjer obstajajo opazovalci – torej ljudje – položaj in gibalna količina fiksna. Vendar pa v mikroskopskem svetu elektron v gibanju obstaja v stanju, kjer teh fizikalnih količin ni mogoče dokončno določiti kot eno samo vrednost. Namesto tega hkrati sobivajo različna različna stanja. Če na primer obstajajo tri možna stanja – 1, 2 in 3 –, elektron obstaja v vseh treh stanjih hkrati, preden ga opazimo. Matematično lahko to izrazimo kot vsoto valovnih funkcij, ki ustrezajo 1, 2 in 3. Ko opazovalec v makroskopskem svetu opazuje elektron, se elektron reducira na eno samo stanje med številnimi možnimi stanji, ki ga določa verjetnost, povezana s tem stanjem. Z drugimi besedami, dejanje "opazovanja" spremeni stanje elektrona. Na primer, v trenutku, ko se ugotovi, da je elektron v stanju 1, izgine možnost, da bi hkrati obstajal v stanjih 2 in 3. To københavnska interpretacija imenuje "kolaps valovne funkcije". Posledično ima dejanje "opazovanja" v københavnski interpretaciji velik pomen.
Znani fiziki, kot je Einstein, so ovrgli københavnsko interpretacijo in kot dokaz navedli različne miselne eksperimente. Med njimi je najbolj znan »Schrödingerjev maček«. V zaprti škatli je mačka in naprava, ki lahko sprošča strup, odvisno od kvantno-mehansko določenega stanja delca. Ali je mačka v škatli po določenem času – ki je že samo po sebi stanje – živa ali mrtva, se ugotovi šele v trenutku, ko se pokrov odpre in se mačka opazuje. Ta miselni eksperiment ponazarja, da uporaba dejanja »opazovanja«, ki ima velik pomen v mikroskopskem svetu, v makroskopskem svetu vodi do nenavadnih zaključkov; posledično je spodbudila globok razmislek o pomenu opazovanja v kvantni mehaniki. Tu se začne »interpretacija mnogih svetov«.
Everett III, nekdanji študent na Univerzi Princeton, je ovrgel trditve københavnske interpretacije in trdil, da porazdelitev verjetnosti delca ne izgine z dejanjem opazovanja, temveč da je več možnih svetov obstajalo že od samega začetka. Z drugimi besedami, položaj delca ni določen z eno samo vrednostjo z opazovanjem; temveč že obstaja več vzporednih svetov in mi preprosto opazujemo enega od njih. Stanja, ki jih ne opazujemo neposredno, se odvijajo v drugih možnih svetovih. Če na primer naše opazovanje da stanje 2, druga stanja v tistem trenutku ne izginejo – odvijajo se v drugih svetovih in jih preprosto ne moremo opazovati.
Vendar pa ima interpretacija mnogih svetov očitno svoje težave. Če se dogodek, ki bi se lahko zgodil v vseh možnih svetovih, kakšen pomen ima sploh verjetnost, povezana z vsakim stanjem? Everett je to poskušal rešiti tako, da je vsako stanje preprosto pomnožil z utežjo. Vendar pa ostaja vprašanje, kaj pomeni, da je en svet pomembnejši od drugega, predmet razprave.
Glede na ti dve interpretaciji – vsaka s svojim pomenom in omejitvami – se nagibam k københavnski interpretaciji. Če se vrnemo k izvorom kvantne mehanike, vidimo, da se je navsezadnje rodila za razlago pojavov v mikroskopskem svetu. Z drugimi besedami, ker je bila ustvarjena za razkrivanje pojavov z opazovanjem in posledičnimi dejstvi, ima opazovalčevo dejanje opazovanja tako pomemben pomen. Pri dejanskem opazovanju delcev moramo za opazovanje stanja posameznega delca nanj izvajati določeno stopnjo vpliva. V fiziki se to imenuje »motnja«. Z drugimi besedami, opazovanje stanja delca vključuje povzročanje rahle spremembe v delcu in nato opazovanje njegovega odziva. Čeprav je povezava med povzročanjem spremembe v delcu in kolapsom valovne funkcije v matematičnem smislu nekoliko dvoumna, se strinjata, da obe spremenita prvotno stanje. To pomeni, da je samo dejanje opazovanja fizično pomembno.
Kvantna mehanika se je oddaljila od deterministične miselnosti klasične Newtonove mehanike in sprejela verjetnostni pristop. Koliko ljudi bi zlahka sprejelo idejo, da se položaj jabolka tik pred njimi spreminja z različnimi verjetnostmi vsakič, ko ga pogledajo? Res je, da imata tako københavnska interpretacija kot interpretacija mnogih svetov svoj pomen in omejitve, ko gre za pomoč ljudem – ki so vajeni določenih stanj predmetov – pri razumevanju pojavov, ki se dogajajo v mikroskopskem svetu. Sem študent inženirstva, ki študira, kako ustvariti nove tehnologije z uporabo znanstvenih pojavov in rezultatov, pridobljenih z njihovim opazovanjem. Razvoj kvantne mehanike nam je zagotovil orodja za interpretacijo pojavov v mikroskopskem svetu, kar je neposredno privedlo do tehnologij, ki so koristne za ljudi. Oprema za slikanje z magnetno resonanco (MRI), ki je pomembno prispevala k sodobni medicini, je bila razvita z uporabo pojava NMR (jedrske magnetne resonance) iz kvantne mehanike; ta tehnologija se uporablja ne le v spektroskopiji – ki določa molekularne strukture – ampak tudi pri raziskovanju nafte. Na podlagi tega verjamem, da bo imela večji pomen interpretacija, ki je bolj primerna za razlago pojavov – kar menim, da je namen znanosti.
