У овом блог посту, испитаћемо позадину квантне механике, главне тачке Копенхагенске интерпретације и интерпретације многих светова, и како ове две интерпретације гледају на „посматрање“, а затим ћемо размислити о сврси квантне механике.
Давно у историји физике, Макс Планк је објавио рад и експерименталне резултате засноване на својим експериментима са зрачењем црног тела, наводећи да се „сва енергија састоји од веома малих пакета са дискретним вредностима“. Ово је пољуљало темеље преовлађујућег става међу физичарима у то време, који су веровали да се сви феномени у макроскопском свету могу објаснити Њутновом механиком. Од тог тренутка па надаље, како се мерна опрема развијала и физичари стицали способност да завире у микроскопски свет, објављивали су разне експерименталне резултате који су открили ограничења Њутновске механике. Ови резултати, који се нису могли објаснити постојећим теоријама, убрзо су довели до препознавања потребе за новим оквиром механике – и тако је рођена „квантна механика“. Квантна механика је убрзо учврстила своју позицију успешно пружајући одговоре на природне феномене које се нису могле решити постојећом физиком, као што је Ајнштајново објашњење фотоелектричног ефекта и Боров модел спектра атома водоника. Штавише, захваљујући напорима безбројних физичара и развоју као што је теорија трансформације коју су предложили Пол Дирак и Паскал Жордан, она се етаблирала као посебно поље проучавања.
Међутим, ово је само означило завршетак математичке „форме“ – алата који се користи за описивање садржаја квантне механике – и није имплицирало да је она успостављена из перспективе физичке интерпретације. Чак и сада, деценијама касније, сукоби мишљења се настављају међу истакнутим физичарима у вези са „интерпретацијом“ квантно-механичких феномена. Од „Копенхагенске интерпретације“ – често називане мејнстрим интерпретацијом – до „интерпретације многих светова“, која се појавила као одговор на ограничења прве, и разних других интерпретација, ови различити приступи настављају да се допуњују тако што се баве празнинама које ниједна интерпретација не може у потпуности да објасни. На конференцији о квантној механици одржаној у Аустрији у прошлости, спроведена је анкета међу 33 светски позната физичара у којој се питало коју интерпретацију подржавају; Копенхагенска интерпретација је добила 42%, информационо-теоријска интерпретација 24%, а Интерпретација многих светова 18%. С обзиром да ниједна интерпретација није прешла 50% у овој анкети, чини се јасним да свака интерпретација има своја ограничења. У овом чланку, укратко ћу представити „Копенхагенску интерпретацију“ и „интерпретацију многих светова“ – које чине значајан део области и имају супротстављене ставове о чину „посматрања“ – и размотрити њихова ограничења. „Информационо-теоријска интерпретација“ је искључена из ове дискусије јер посматра квантну механику из перспективе која се донекле разликује од друге две.
Основни оквир Копенхагенске интерпретације, коју су предложили Бор и Хајзенберг, је следећи: „Све док посматрач не користи мерну опрему, електрон унутар атома се креће у складу са законима узрочности. Међутим, када се покушава описати електрон у фиксној позицији и времену унутар простор-времена, интервенишу дискретне интеракције, што доводи до одступања од узрочности, и посматрач нема другог избора него да се ослони на квантне вероватноће.“ Њутнова механика тврди да честице посматране у макроскопском свету поседују специфичне, добро дефинисане вредности за положај и импулс када се крећу. То значи да у макроскопском свету, где постоје посматрачи – то јест, људи, положај и импулс су фиксирани. Међутим, у микроскопском свету, електрон у покрету постоји у стању у којем се ове физичке величине не могу дефинитивно одредити као једна вредност. Уместо тога, различита стања коегзистирају истовремено. На пример, ако постоје три могућа стања – 1, 2 и 3 – која електрон може да заузме, електрон постоји у сва три стања истовремено пре него што се посматра. Математички, ово се може изразити као збир таласних функција које одговарају 1, 2 и 3. Када посматрач у макроскопском свету посматра електрон, електрон се своди на једно стање међу многим могућим стањима, одређено вероватноћом повезаном са тим стањем. Другим речима, чин „посматрања“ мења стање електрона. На пример, у тренутку када се утврди да је електрон у стању 1, могућност да истовремено постоји у стањима 2 и 3 нестаје. То је оно што Копенхагенска интерпретација назива „колапсом таласне функције“. Сходно томе, чин „посматрања“ има огроман значај у Копенхагенској интерпретацији.
Познати физичари попут Ајнштајна оповргли су копенхагенску интерпретацију, наводећи разне мисаоне експерименте као доказ. Међу њима је најпознатији „Шредингерова мачка“. Унутар затворене кутије налази се мачка и уређај способан да испушта отров у зависности од квантно-механички одређеног стања честице. Да ли је мачка унутар кутије жива или мртва након одређеног времена – што је само по себи стање – одређује се само у тренутку када се поклопац отвори и мачка се посматра. Овај мисаони експеримент илуструје да примена чина „посматрања“, који има велики значај у микроскопском свету, на макроскопски свет доводи до чудних закључака; као резултат тога, подстакла је дубоко размишљање о значењу посматрања у квантној механици. Ту почиње „интерпретација многих светова“.
Еверет III, који је раније радио на Универзитету Принстон, оспорио је тврдње Копенхагенске интерпретације, тврдећи да расподела вероватноће честице не нестаје чином посматрања, већ да је више могућих светова постојало од самог почетка. Другим речима, положај честице није одређен једном вредношћу кроз посматрање; већ постоји више паралелних светова, а ми једноставно посматрамо један од њих. Стања која не посматрамо директно се развијају у другим могућим световима. На пример, ако наше посматрање даје стање 2, остала стања не нестају у том тренутку — она се развијају у другим световима, а ми их једноставно не можемо посматрати.
Међутим, интерпретација многих светова очигледно има своје проблеме. Ако се догађај који би могао да се догоди деси у свим могућим световима, какво значење уопште има вероватноћа повезана са сваким стањем? Еверет је покушао да реши ово једноставним множењем сваког стања тежином. Међутим, шта значи да је један свет важнији од другог остаје предмет дебате.
Узимајући у обзир ова два тумачења – свако са својим значајем и ограничењима – склонији сам копенхагенском тумачењу. Ако се вратимо на порекло квантне механике, видимо да је она на крају рођена да објасни феномене у микроскопском свету. Другим речима, пошто је створена да разоткрије феномене кроз посматрање и резултујуће чињенице, чин посматрања од стране посматрача има тако значајно значење. У стварном посматрању честица, да бисмо посматрали стање једне честице, морамо извршити одређени степен утицаја на њу. У физици се то назива „пертурбација“. Другим речима, посматрање стања честице подразумева изазивање мале промене у честици, а затим посматрање њеног одговора. Иако је веза између изазивања промене у честици и колапса таласне функције у математичком смислу донекле двосмислена, слажу се у томе да оба мењају првобитно стање. То значи да је сам чин посматрања физички значајан.
Квантна механика се удаљила од детерминистичког начина размишљања класичне Њутнове механике и усвојила вероватносни приступ. Колико људи би лако могло да прихвати идеју да се положај јабуке испред њих мења са различитим вероватноћама сваки пут када је погледају? Тачно је да и Копенхагенска интерпретација и интерпретација многих светова имају свој значај и ограничења када је у питању помоћ људима – који су навикли на одређена стања објеката – да разумеју феномене који се дешавају у микроскопском свету. Ја сам студент инжењерства који проучава како да створи нове технологије користећи научне феномене и резултате добијене њиховим посматрањем. Развој квантне механике нам је пружио алате за тумачење феномена у микроскопском свету, а то је директно довело до технологија које су корисне људима. Опрема за МРИ (магнетну резонанцу), која је дала значајан допринос савременој медицини, развијена је применом НМР (нуклеарне магнетне резонанце) феномена из квантне механике; ова технологија се користи не само у спектроскопији – која одређује молекуларне структуре – већ чак и у истраживању нафте. На основу овога, верујем да ће тумачење које је боље прилагођено објашњавању феномена – што сматрам сврхом науке – имати већи значај.
