I det här blogginlägget kommer vi att undersöka vad vågkollaps innebär, med fokus på Köpenhamnstolkningen och mångvärldstolkningen bland de olika tolkningarna av kvantmekanik, och beakta egenskaperna och begränsningarna hos varje tolkning.
Från slutet av 19-talet till början av 20-talet började fenomen uppstå som inte kunde förklaras enbart med klassisk fysik. Maxwell och Einstein upptäckte att ljus har både vågliknande och partikelliknande egenskaper. Max Born förutspådde att även partiklar har vågliknande egenskaper. Davisson-Germers dubbelspaltsexperiment sägs ha experimentellt visat att elektroner har vågliknande beteende. En närmare titt på dubbelslitsexperimentet avslöjar följande: En anordning som avger elektroner, en platta med två slitsar och en skärm är arrangerade i följd. Elektroner som avges från elektronkällan passerar genom de två slitsarna och når skärmen; när elektronernas ankomst till skärmen observeras uppträder ett interferensmönster. Ett sådant mönster uppträder inte när det bara finns en skåra. Därför måste en elektrons position förklaras som en våg som passerar genom båda spalterna samtidigt. Kvantmekaniken uppstod för att förklara dessa fenomen. Inom kvantmekaniken beskrivs sannolikhetsvågor som naturens grundläggande byggstenar. Sannolikhetsvågor används för att beskriva materiens tillstånd. Materiens tillstånd inkluderar egenskaper som position och spinn. En sannolikhetsvåg indikerar att ett värde inte är fixerat vid någon enskild punkt utan att sannolikheten för förekomst varierar vid varje punkt. Kvantmekaniken etablerades i början av 20-talet, och många experimentella resultat från den perioden och därefter stöder giltigheten av denna teori. Kärnan i denna teori ligger Schrödingers vågekvation. Som kvantmekanikens grundläggande ekvation beskriver Schrödingers vågekvation hur en sannolikhetsvåg förändras över tid. Det är dock fortfarande oklart exakt hur sådana sannolikhetsvågor relaterar till vardagen. I vardagen observerar vi inte flera tillstånd utan ett enda, bestämt tillstånd – hur kan detta förklaras? Vad är en sannolikhetsvåg, och finns det ett sätt att förstå den? För att besvara dessa frågor har olika tolkningar av kvantmekanik framkommit. I en tidigare undersökning som genomfördes vid en kvantfysikkonferens tillfrågades deltagarna om sina preferenser gällande varje tolkning. Preferensen för Köpenhamnstolkningen låg på 42 %, det kvantinformationsmässiga perspektivet på 24 % och mångvärldstolkningen på 18 %. Som framgår av undersökningen är Köpenhamnstolkningen den etablerade tolkningen inom fysikgemenskapen. Köpenhamnstolkningen är den som utvecklats från kvantmekanikens allra första dagar av forskare ledda av Bohr. Brian Greene introducerade kärnprincipen i Köpenhamnstolkningen enligt följande: ”Närhelst vi försöker observera en sannolikhetsvåg direkt, stör själva observationen den.” Köpenhamnstolkningen förklarar att sannolikhetsvågen i observationsögonblicket inte längre kan förbli i det tillståndet och kollapsar till en enda punkt. Det förklaras att resultatet av denna kollaps till en enda punkt är den verklighet vi är bekanta med. Denna process kallas vågkollaps. Kvantinformationsperspektivet förklarar att universum i sig består av kvantinformation, vilket utgör själva universums essens. Den postulerar att allt är resultatet av kvantberäkningar som involverar denna kvantinformation. Ur denna synvinkel ses ibland hela universum som en maskin som utför kvantberäkningar. Seth Lloyd har skrivit en bok som övertygande argumenterar för detta perspektiv. I den boken förklarade han informationens roll och hur den relaterar till faktiska fysikaliska lagar. Till exempel förklarade han hur kvantberäkning tenderar att sprida okänd information och utvecklade de fysikaliska lagar som är relaterade till entropi. Många-världs-tolkningen föreslogs av Hugh Everett. Denna tolkning accepterar inte vågfunktionskollaps, vilket är hörnstenen i Köpenhamnstolkningen. Istället postulerar den att universum förgrenar sig i flera världar, och alla möjligheter förverkligas. Således förklarar det att i varje värld uppfattar en observatör den verklighet vi är bekanta med. Jag finner konceptet med vågfunktionskollaps – vilket kan ses som kärnan i Köpenhamnstolkningen – föga övertygande. Som Brian Greene påpekade är gränsen för vad som utgör en "observation" oklar. Förklaringen lyder ungefär så här: vågfunktionskollaps inträffar inte när mikroskopiska objekt interagerar med varandra, men det inträffar när en observatör gör en mätning; denna förklaring är dock svår att acceptera.
Det är naturligt att anta att fysikens lagar gäller universellt och identiskt i hela universum. Eftersom observatören också är en del av universum, anser jag att det är naturligt att kvantmekanikens lagar gäller lika för alla handlingar, inklusive observation. Köpenhamnstolkningen förklarar dock att vågkollaps inträffar som ett resultat av observatörens observationshandling. Matematiskt sett är vågkollaps också en operation som skiljer sig från vanliga kvantmekaniska operationer. Även om jag inte kan förklara processen genom vilken en sannolikhetsvågfunktion förändras i detalj här, kan den beskrivas som en operation som involverar multiplikation med en reversibel matris med vissa speciella egenskaper. "Reversibel" betyder att det finns en ett-till-ett-korrespondens mellan resultatet och det tillstånd som orsakade det. Men när vågfunktionen kollapsar bryts denna korrespondens. Systemet blir fast i ett enda tillstånd, vilket gör det omöjligt att återställa det ursprungliga tillståndet. I fall där observationens natur är avgörande – som i Köpenhamnstolkningen – introduceras ibland konceptet Heisenbergsnitt. Detta koncept antar att kvantmekanikens lagar gäller upp till en viss gräns, och bortom den gränsen kollapsar vågfunktionen. Denna gräns är dock inte tydligt definierad. Den kan ställas in på nivån av objekt som elektroner eller protoner, eller den kan ställas in på makroskopiska objekt som människor. Detta är otillfredsställande eftersom det inte anger exakt var denna gräns ska dras. Ett välkänt exempel som illustrerar denna situation är Schrödingers tankeexperiment med katten. I detta tankeexperiment dyker en partikel mindre än en atom och en katt upp. Den lilla partikeln kan sönderfalla med en viss sannolikhet, en process som kan förklaras med kvantmekanik. En detektionsanordning är placerad bredvid den. Det sägs att i det ögonblick en sådan förfall upptäcks utlöses en mekanism som dödar katten. Detta väcker frågan om katten är död eller levande i det ögonblicket. Köpenhamnstolkningen förklarar att kattens tillstånd – oavsett om den är levande eller död – bestäms i det ögonblick den observeras. Denna förklaring bygger på förutsättningen att även makroskopiska objekt inte upplever vågkollaps. Det antyder att även stora objekt måste betraktas inom ramen för kvantmekanik. Följaktligen finns det tankeexperiment som tar denna situation till en ännu större extrem. I detta tankeexperiment antar vi att en vän utförde Schrödingers katttankeexperiment och observerade kattens tillstånd. I ett sådant fall ger den inte en definitiv förklaring av vid vilken rand vågfunktionen ska anses ha kollapsat. Beträffande denna gräns anser vissa omfattningen av observatörens kunskap som avgörande, och detta sägs vara relaterat till sannolikhet. Köpenhamnstolkningen har dock fördelen att den enkelt och tydligt förklarar de resultat som observerats av observatören. Det förklarar faktiskt resultaten av olika experiment mycket väl. Det räcker att tillämpa vågkollaps i observationsögonblicket för de experimentella resultaten eller vid interaktion med makroskopiska objekt. Det är en bekväm tolkning som inte kräver att man beaktar observationsutrustningens kvanttillstånd. En anledning till dess stora framgång, trots det intuitivt svåraccepterade resultatet av vågkollaps, är sannolikt dess förmåga att väl förklara experimentella resultat. Just för att vågkollaps är en så onaturlig förklaring, tror jag att Många-världs-tolkningen skulle kunna vara ett gångbart alternativ till Köpenhamnstolkningen. Många-världs-tolkningen erkänner inte vågkollaps. Det sägs vara en tolkning som härletts genom att enbart fokusera på Schrödingers vågekvation. Eftersom den inte ser observationsakten som föremål för några speciella lagar, tolkar den processen helt enkelt som en förändring i vågtillståndet sett från vågekvationen. Med andra ord förstås det att när en observation görs, kollapsar inte vågen; snarare går observatören och objektet in i ett kvantmekaniskt sammanflätat tillstånd. För att förstå detta intrasslade tillstånd, låt oss undersöka ett exempel ur Mångvärldstolkningens perspektiv, som inte erkänner vågkollaps. En elektrons spinn kan vara antingen uppåt (↑) eller nedåt (↓). Observationsutrustningen är en apparat som mäter elektronens spinn. Låt oss anta att observationsutrustningens tillståndsvisningsfönster har tre möjliga tillstånd: upp (⟰), ner (⟱) och tomt (). Låt oss titta på situationen före mätningen. Elektronens spinn och observationsutrustningens tillståndsvisningsfönster kan beskrivas som ömsesidigt oberoende sannolikhetsvågor. Elektronen är inte fixerad som vare sig uppåt (↑) eller nedåt (↓) utan representeras av en sannolikhetsvåg. Mätapparaten skulle ha varit inställd på tomt tillstånd () för experimentet, och det skulle finnas en sannolikhetsvågfunktion som representerar denna situation. Låt oss titta på situationen efter mätningen. Vid denna tidpunkt kan det inte längre beskrivas som oberoende sannolikhetsvågfunktioner. Det övergripande tillståndet beskrivs istället av en enda sannolikhetsvågfunktion som omfattar både elektronen och mätapparaten.
Mer specifikt representeras den av en enda sannolikhetsvågfunktion som endast beskriver två möjliga situationer: en där elektronens spinn är uppåt och observationsapparatens tillståndsfönster indikerar "uppåt" (↑⟰), och en annan där elektronens spinn är neråt och observationsapparatens tillståndsfönster indikerar "neråt" (↓⟱). Detta fenomen, där flera tillstånd inte längre är oberoende, beskrivs som "entanglement". Mångvärldstolkningen tar detta ett steg längre. Om man tittar på exemplet ovan finns det två möjliga situationer (↑⟰, ↓⟱). Många-världs-tolkningen ser världen som uppdelad i dessa två tillstånd. Det vill säga, i en värld inträffar ↑⟰-situationen, och i en annan värld inträffar ↓⟱-situationen. Det sägs att det, vid undersökning av Schrödingers ekvation, inte finns några större matematiska problem med att se den på detta sätt. Om vi separerar de möjliga tillstånden baserat på observationsresultaten och tolkar varje resultat som en distinkt värld, så är det just Mångvärldstolkningen. Således ses varje händelse som kan betraktas som en observation som en händelse där världar splittras. Följaktligen förverkligas varje möjlighet som är kvantmekaniskt genomförbar i varje värld. Den aspekt av Mångvärldstolkningen som jag finner mest tilltalande är att den inte betraktar observationsakten som något speciellt. Eftersom även observatören ses som en del av en värld som är underkastad samma kvantmekaniska lagar, anser jag denna tolkning vara mer universellt tillämplig. Men mångavärldstolkningen möter mycket kritik. Det finns ingen övertygande förklaring till vad det innebär att världen delas upp i flera världar. Dessutom är påståendet att det finns flera världar bisarrt i sig. Om världar skapas kontinuerligt i all oändlighet, finns det inget sätt att förklara hur vi möjligen kan hålla reda på så många av dem. Dessutom, om olika världar är helt separata och inte kan påverka varandra, kan man hävda att, ur observatörens perspektiv, är existensen av andra världar helt meningslös. Ur den synvinkeln blir själva tolkningen meningslös. Dessutom finns det fortfarande en hel del utmaningar som behöver åtgärdas i Mångvärldstolkningen. För det första är en av de uppgifter som måste hanteras att ge en adekvat förklaring av vilken värld en faktisk observatör kommer att uppfatta. Det måste också finnas ett sätt att beskriva fenomen ur observatörens perspektiv – snarare än ur helhetens perspektiv – för att kunna förklara de fenomen vi observerar i vardagen. Detta beror på att vi inte direkt observerar sannolikhetsvågor, utan bara deras resultat. Köpenhamnstolkningen förklarar tydligt denna aspekt. Köpenhamnstolkningen menar att den värld vi observerar förverkligas genom vågfunktionens kollaps, och att den ger resultat som överensstämmer med verkligheten. Dessutom borde Mångavärldstolkningen kunna förklara Köpenhamnstolkningen. Om Mångvärldstolkningen är den korrekta, borde den kunna förklara – ur sitt eget perspektiv – hur alla experimentella resultat hittills har matchat förutsägelserna i Köpenhamnstolkningen. Vidare måste vi avgöra under vilka omständigheter skillnader kan uppstå mellan de två tolkningarna. Därför är det också en stor utmaning att etablera en koppling till Köpenhamnstolkningen. Jag stöder inte Köpenhamnstolkningens koncept med vågkollaps eftersom det är oklart exakt när det ska tillämpas, och jag ser praxisen att isolera mätningar som en separat process som problematisk med tanke på universaliteten. Istället anser jag att vi bör behålla perspektivet att hela universum kan beskrivas som en probabilistisk våg inom kvantmekaniken, och att observatören också är en del av den. Därför tror jag att Mångvärldstolkningen och liknande teorier skulle kunna fungera som alternativ. Men som tidigare nämnts kvarstår även flera problem med dessa tolkningar. Som framgår av undersökningsresultat med fysiker har ingen definitiv slutsats ännu nåtts angående tolkningen av kvantmekanik. Vissa av de befintliga tolkningarna har en historia av att bli motbevisade genom experiment. Emellertid har inga sådana experiment ännu genomförts för Köpenhamnstolkningen eller Many-Worlds-tolkningen. Det är möjligt att experimentella designer som faktiskt kan visa skillnaderna mellan dessa tolkningar kan utvecklas någon dag. Alternativt kan vi så småningom dra slutsatsen att alla dessa tolkningar är lika giltiga. Därför tror jag att i takt med att vår förståelse av fysikens lagar fördjupas, kommer nya vägar att öppnas för att tolka kvantmekaniken. Det ska bli fascinerande att bevittna den processen.
