У овом блог посту, испитаћемо шта значи колапс таласа, фокусирајући се на Копенхагенску интерпретацију и интерпретацију многих светова међу различитим интерпретацијама квантне механике, и размотрићемо карактеристике и ограничења сваке интерпретације.
Од краја 19. до почетка 20. века, почели су да се појављују феномени које није могла да објасни само класична физика. Максвел и Ајнштајн су открили да светлост поседује и таласна и честична својства. Макс Борн је предвидео да и честице поседују таласна својства. За Дависонов-Гермеров експеримент са двоструким прорезом се каже да је експериментално показао да електрони поседују таласно понашање. Пажљивији поглед на експеримент са двоструким прорезом открива следеће: Уређај који емитује електроне, плоча са два прореза и екран су распоређени у низу. Електрони емитовани из извора електрона пролазе кроз два прореза и стижу до екрана; када се посматра долазак електрона на екран, појављује се интерференцијски образац. Такав образац се не појављује када постоји само један прорез. Стога се положај електрона мора објаснити као талас који пролази кроз оба прореза истовремено. Квантна механика се појавила да објасни ове феномене. У квантној механици, таласи вероватноће се описују као основни градивни блокови природе. Таласи вероватноће се користе за описивање стања материје. Агрегатно стање укључује својства као што су положај и спин. Талас вероватноће указује на то да вредност није фиксирана у било којој тачки, већ да се вероватноћа појаве мења у свакој тачки. Квантна механика је основана почетком 20. века, а бројни експериментални резултати из тог периода и накнадних периода подржавају валидност ове теорије. У сржи ове теорије лежи Шредингерова таласна једначина. Као фундаментална једначина квантне механике, Шредингерова таласна једначина описује како се талас вероватноће мења током времена. Међутим, остаје нејасно како се такви таласи вероватноће односе на свакодневни живот. У свакодневном животу, исходи које посматрамо нису вишеструка стања већ једно, дефинисано стање – како се то може објаснити? Шта је талас вероватноће и постоји ли начин да се то разуме? Да би се решила ова питања, појавила су се различита тумачења квантне механике. У претходној анкети спроведеној на конференцији о квантној физици, учесници су питани о својим преференцијама у вези са сваком интерпретацијом. Преференција за Копенхагенску интерпретацију износила је 42%, квантно-информациону перспективу 24%, а интерпретацију многих светова 18%. Као што се види у истраживању, Копенхагенска интерпретација је главна интерпретација унутар физичке заједнице. Копенхагенска интерпретација је она коју су од самих раних дана квантне механике развили научници предвођени Бором. Брајан Грин је представио основни принцип Копенхагенске интерпретације на следећи начин: „Кад год покушамо да директно посматрамо талас вероватноће, сам чин посматрања га ремети.“ Копенхагенска интерпретација објашњава да у тренутку посматрања, талас вероватноће више не може да остане у том стању и колабира у једну тачку. Објашњава се да је резултат овог колапса у једну тачку стварност која нам је позната. Овај процес се назива колапс таласа. Квантна информациона перспектива објашњава да је сам универзум састављен од квантних информација, које чине саму суштину универзума. Она тврди да је све резултат квантних прорачуна који укључују ове квантне информације. Са ове тачке гледишта, цео универзум се понекад посматра као машина која извршава квантне прорачуне. Сет Лојд је написао књигу која убедљиво заступа ову перспективу. У тој књизи је објаснио улогу информације и како се она односи на стварне физичке законе. На пример, објаснио је како квантно рачунање тежи ширењу непознатих информација и детаљније објаснио физичке законе везане за ентропију. Многосветско тумачење предложио је Хју Еверет. Ова интерпретација не прихвата колапс таласне функције, што је темељ Копенхагенске интерпретације. Уместо тога, она претпоставља да се универзум грана у више светова и да су све могућности остварене. Дакле, то објашњава да у сваком свету посматрач опажа стварност са којом смо упознати. Концепт колапса таласне функције – који се може посматрати као суштина Копенхагенске интерпретације – сматрам неубедљивим. Као што је Брајан Грин истакао, граница која дефинише шта представља „посматрање“ није јасна. Објашњење иде отприлике овако: колапс таласне функције се не дешава када микроскопски објекти међусобно интерагују, али се дешава када посматрач врши мерење; међутим, ово објашњење је тешко прихватити.
Природно је претпоставити да закони физике важе универзално и идентично у целом универзуму. Пошто је посматрач такође део универзума, верујем да је природно да се закони квантне механике подједнако примењују на све радње, укључујући и посматрање. Међутим, Копенхагенска интерпретација објашњава да се колапс таласа дешава као резултат посматрачког чина посматрања. Математички, колапс таласа је такође операција која се разликује од обичних квантно-механичких операција. Иако овде не могу детаљно да објасним процес којим се таласна функција вероватноће мења, она се може описати као операција множења реверзибилном матрицом са одређеним посебним својствима. „Реверзибилно“ значи да постоји једнозначна кореспонденција између резултата и стања које га је изазвало. Међутим, када дође до колапса таласне функције, ова кореспонденција је прекинута. Систем се фиксира у једном стању, што онемогућава враћање у првобитно стање. У случајевима када је природа посматрања кључна — као што је то случај у Копенхагенској интерпретацији — понекад се уводи концепт Хајзенберговог реза. Овај концепт постулира да закони квантне механике важе до одређене границе, а иза те границе таласна функција се урушава. Међутим, ова граница није јасно дефинисана. Могло би се поставити на нивоу објеката као што су електрони или протони, или би се могло поставити на макроскопске објекте попут људи. Ово је незадовољавајуће јер не прецизира где тачно треба повући ову границу. Добро познати пример који илуструје ову ситуацију је Шредингеров мисаони експеримент са мачком. У овом мисаоном експерименту појављују се честица мања од атома и мачка. Мала честица може да се распадне са одређеном вероватноћом, процес који се може објаснити квантном механиком. Уређај за детекцију је постављен поред њега. Каже се да у тренутку када се открије такво распадање, покреће се механизам који убија мачку. Ово поставља питање да ли је мачка у том тренутку мртва или жива. Копенхагенска интерпретација објашњава да се стање мачке - да ли је жива или мртва - одређује у тренутку када се посматра. Ово објашњење се заснива на претпоставци да чак ни макроскопски објекти не доживљавају колапс таласа. То сугерише да се чак и велики објекти морају разматрати у оквиру квантне механике. Сходно томе, постоје мисаони експерименти који ову ситуацију доводе до још веће екстремности. У овом мисаоном експерименту, претпостављамо да је пријатељ спровео Шредингеров мисаони експеримент са мачком и посматрао стање мачке. У таквом случају, не пружа дефинитивно објашњење на којој граници треба сматрати да је таласна функција колабирала. Што се тиче ове границе, неки сматрају обим знања посматрача кључним, а за то се каже да је повезано са вероватноћом. Ипак, Копенхагенска интерпретација има предност што лако и јасно објашњава резултате које је посматрач приметио. У ствари, то веома добро објашњава резултате разних експеримената. Довољно је применити колапс таласа у тренутку посматрања експерименталних резултата или при интеракцији са макроскопским објектима. То је погодна интерпретација која не захтева разматрање квантног стања опреме за посматрање. Један од разлога за његов велики успех, упркос интуитивно тешко прихватљивом резултату колапса таласа, вероватно је његова способност да добро објасни експерименталне резултате. Управо зато што је колапс таласа тако неприродно објашњење, верујем да би интерпретација многих светова могла бити одржива алтернатива копенхагенској интерпретацији. Многосветска интерпретација не признаје колапс таласа. Каже се да је то интерпретација изведена фокусирањем искључиво на Шредингерову таласну једначину. Пошто не посматра чин посматрања као предмет било каквих посебних закона, она тумачи процес као једноставну промену стања таласа како се види из таласне једначине. Другим речима, разуме се да када се врши посматрање, талас се не колабира; већ посматрач и објекат улазе у квантно-механички испреплетено стање. Да бисмо разумели ово испреплетено стање, хајде да испитамо пример из перспективе интерпретације многих светова, која не признаје колапс таласа. Спин електрона може бити или нагоре (↑) или наниже (↓). Опрема за посматрање је уређај који мери спин електрона. Претпоставимо да прозор за приказ стања опреме за посматрање има три могућа стања: горе (⟰), доле (⟱) и празно (). Погледајмо ситуацију пре мерења. Спин електрона и прозор за приказ стања опреме за посматрање могу се описати као међусобно независни таласи вероватноће. Електрон није фиксиран ни као горе (↑) ни као доле (↓), већ је представљен таласом вероватноће. Мерни апарат би био подешен на празно стање () за експеримент, и постојала би таласна функција вероватноће која представља ову ситуацију. Погледајмо ситуацију након мерења. У овом тренутку, више се не може описати као независна таласна функција вероватноће. Уместо тога, целокупно стање је описано једном таласном функцијом вероватноће која обухвата и електрон и мерни апарат.
Конкретно, представљена је једном таласном функцијом вероватноће која описује само две могуће ситуације: једну где је спин електрона нагоре и прозор стања апарата за посматрање показује „горе“ (↑⟰), и другу где је спин електрона надоле и прозор стања апарата за посматрање показује „доле“ (↓⟱). Овај феномен, у којем више држава више није независно, описан је као „испреплетеност“. Тумачење многих светова иде корак даље. Посматрајући горњи пример, постоје две могуће ситуације (↑⟰, ↓⟱). Многосветска интерпретација посматра свет као подељен на ова два стања. То јест, у једном свету се јавља ситуација ↑⟰, а у другом свету се јавља ситуација ↓⟱. Каже се да, након испитивања Шредингерове једначине, нема већег математичког проблема са овим посматрањем. Ако раздвојимо могућа стања на основу резултата посматрања и сваки резултат интерпретирамо као засебан свет, то је управо интерпретација многих светова. Дакле, сваки догађај који се може сматрати посматрањем посматра се као догађај у којем се светови раздвајају. Сходно томе, свака могућност која је квантно механички изводљива остварује се у сваком свету. Аспект Многосветске интерпретације који ми се чини најпривлачнијим јесте то што она не сматра чин посматрања нечим посебним. Пошто се чак и посматрач посматра као део света који подлеже истим законима квантне механике, сматрам да је ово тумачење универзално применљивије. Међутим, тумачење многих светова суочава се са многим критикама. Не постоји убедљиво објашњење шта значи да се свет дели на више светова. Штавише, тврдња да постоји више светова је сама по себи бизарна. Ако се светови континуирано стварају до бесконачности, не постоји начин да се објасни како уопште можемо пратити толико њих. Штавише, ако су различити светови потпуно одвојени и не могу утицати један на други, могло би се тврдити да је, из перспективе посматрача, постојање других светова потпуно бесмислено. Са те тачке гледишта, само тумачење постаје бесмислено. Поред тога, још увек постоји доста изазова које треба решити у тумачењу многих светова. Прво, пружање адекватног објашњења о томе који свет ће стварни посматрач перципирати један је од задатака који се морају решити. Такође мора постојати начин да се опишу феномени из перспективе посматрача — а не из перспективе целине — како би се објаснили феномени које посматрамо у свакодневном животу. То је зато што не посматрамо директно таласе вероватноће, већ само њихове исходе. Копенхагенско тумачење јасно објашњава овај аспект. Копенхагенска интерпретација тврди да се свет који посматрамо остварује кроз колапс таласне функције и даје резултате који су у складу са стварношћу. Штавише, интерпретација многих светова требало би да буде у стању да објасни Копенхагенску интерпретацију. Ако је интерпретација многих светова исправна, требало би да буде у стању да објасни – из сопствене перспективе – како су сви експериментални резултати до сада одговарали предвиђањима копенхагенске интерпретације. Штавише, морамо утврдити под којим околностима могу настати разлике између два тумачења. Стога је успостављање везе са Копенхагенским тумачењем такође велики изазов. Не подржавам концепт колапса таласа из Копенхагенске интерпретације јер није јасно када га тачно треба применити, а праксу изоловања мерења као посебног процеса сматрам проблематичном у смислу универзалности. Уместо тога, верујем да би требало да задржимо перспективу да се цео универзум може описати као вероватносни талас у квантној механици и да је посматрач такође део њега. Стога, мислим да би интерпретација многих светова и сличне теорије могле послужити као алтернативе. Међутим, као што је раније поменуто, и са овим тумачењима остаје неколико проблема. Као што показују резултати истраживања у којем су учествовали физичари, још увек није донет коначан закључак у вези са тумачењем квантне механике. Нека од постојећих тумачења имају историју да буду оповргнута експериментима. Међутим, такви експерименти још нису спроведени за Копенхагенску интерпретацију или интерпретацију многих светова. Могуће је да ће једног дана бити развијени експериментални дизајни способни да заправо демонстрирају разлике између ових интерпретација. Алтернативно, можемо на крају закључити да су сва ова тумачења подједнако валидна. Стога, верујем да ће се, како се наше разумевање закона физике буде продубљивало, отворити нови путеви за тумачење квантне механике. Биће фасцинантно пратити како се тај процес одвија.
