I det här blogginlägget ska vi undersöka bakgrunden till kvantmekanik, huvudpunkterna i Köpenhamnstolkningen och mångvärldstolkningen, och hur dessa två tolkningar ser på "observation", och sedan reflektera över syftet med kvantmekanik.
För länge sedan i fysikens historia publicerade Max Planck en artikel och experimentella resultat baserade på hans experiment med svartkroppsstrålning, där han konstaterade att "all energi består av mycket små paket med diskreta värden". Detta skakade om grunden för den rådande uppfattningen bland fysiker vid den tiden, som hade trott att alla fenomen i den makroskopiska världen kunde förklaras med Newtonsk mekanik. Från och med denna tidpunkt, i takt med att mätutrustning utvecklades och fysiker fick möjlighet att kika in i den mikroskopiska världen, publicerade de olika experimentella resultat som avslöjade begränsningarna i Newtonsk mekanik. Dessa resultat, som inte kunde förklaras med befintliga teorier, ledde snart till insikten om behovet av ett nytt ramverk för mekanik – och därmed föddes "kvantmekanik". Kvantmekaniken befäste snart sin position genom att framgångsrikt ge svar på naturfenomen som inte kunde lösas med befintlig fysik, såsom Einsteins förklaring av den fotoelektriska effekten och Bohrs modell av väteatomspektrumet. Dessutom, genom otaliga fysikers ansträngningar och utvecklingar som transformationsteorin som föreslagits av Paul Dirac och Pascual Jordan, etablerade den sig som ett separat studieområde.
Detta innebar emellertid bara fullbordandet av den matematiska "formen" – verktyget som används för att beskriva innehållet i kvantmekanik – och antydde inte att den hade etablerats ur ett fysiskt tolkningsperspektiv. Även nu, årtionden senare, fortsätter meningsskiljaktigheter bland framstående fysiker angående "tolkningen" av kvantmekaniska fenomen. Från "Köpenhamnstolkningen" – ofta kallad den etablerade tolkningen – till "många världarstolkningen", som uppstod som svar på begränsningarna hos den förra, och olika andra tolkningar, fortsätter dessa olika tillvägagångssätt att komplettera varandra genom att åtgärda de luckor som ingen enskild tolkning helt kan förklara. Vid en kvantmekanikkonferens som hölls i Österrike tidigare genomfördes en undersökning bland 33 världskända fysiker där man frågade vilken tolkning de stödde; Köpenhamnstolkningen fick 42 %, den informationsteoretiska tolkningen 24 % och Många världarstolkningen 18 %. Med tanke på att ingen enskild tolkning översteg 50 % i denna undersökning, verkar det tydligt att varje tolkning har sina egna begränsningar. I den här artikeln kommer jag kortfattat att introducera "Köpenhamnstolkningen" och "mångavärldstolkningen" – vilka utgör en betydande del av området och har motsatta åsikter om "observationens" handling – och diskutera deras begränsningar. Den "informationsteoretiska tolkningen" är exkluderad från denna diskussion eftersom den betraktar kvantmekaniken ur ett perspektiv som skiljer sig något från de andra två.
Den grundläggande ramen för Köpenhamnstolkningen, föreslagen av Bohr och Heisenberg, är följande: "Så länge observatören inte använder mätutrustning rör sig elektronen i en atom enligt kausalitetslagarna. Men när man försöker beskriva elektronen i en fast position och tid inom rumtiden, uppstår diskreta interaktioner, vilket får den att avvika från kausaliteten, och observatören har inget annat val än att förlita sig på kvantsannolikheter." Newtonsk mekanik säger att partiklar som observeras i den makroskopiska världen har specifika, väldefinierade värden för position och momentum när de rör sig. Detta innebär att i den makroskopiska världen, där observatörer – det vill säga människor – existerar, är position och momentum fasta. Men i den mikroskopiska världen existerar en elektron i rörelse i ett tillstånd där dessa fysiska kvantiteter inte definitivt kan bestämmas som ett enda värde. Snarare samexisterar olika tillstånd samtidigt. Till exempel, om det finns tre möjliga tillstånd – 1, 2 och 3 – som en elektron kan inta, existerar elektronen i alla tre tillstånd samtidigt innan den observeras. Matematiskt kan detta uttryckas som summan av vågfunktionerna som motsvarar 1, 2 och 3. När en observatör i den makroskopiska världen observerar elektronen, reduceras elektronen till ett enda tillstånd bland de många möjliga tillstånden, bestämt av sannolikheten förknippad med det tillståndet. Med andra ord förändrar "observationen" elektronens tillstånd. Till exempel, i det ögonblick elektronen bestäms vara i tillstånd 1, försvinner möjligheten att den existerar i tillstånd 2 och 3 samtidigt. Detta är vad Köpenhamnstolkningen kallar "vågfunktionens kollaps". Följaktligen har "observationen" enorm betydelse i Köpenhamnstolkningen.
Kända fysiker som Einstein motbevisade Köpenhamnstolkningen och hänvisade till olika tankeexperiment som bevis. Bland dessa är det mest kända "Schrödingers katt". Inuti en förseglad låda finns en katt och en anordning som kan frigöra gift beroende på partikelns kvantmekaniskt bestämda tillstånd. Huruvida katten inuti lådan är levande eller död efter en viss tid – vilket i sig är ett tillstånd – avgörs först i det ögonblick då locket öppnas och katten observeras. Detta tankeexperiment illustrerar att tillämpningen av "observation", som har stor betydelse i den mikroskopiska världen, på den makroskopiska världen leder till märkliga slutsatser; som ett resultat har det lett till djup reflektion över betydelsen av observation inom kvantmekanik. Det är här "många världars tolkning" börjar.
Everett III, tidigare vid Princeton University, tillbakavisade påståendena i Köpenhamnstolkningen och hävdade att sannolikhetsfördelningen för en partikel inte försvinner genom observationen, utan snarare att flera möjliga världar existerade från allra första början. Med andra ord bestäms en partikels position inte till ett enda värde genom observation; snarare existerar redan flera parallella världar, och vi observerar helt enkelt en av dem. De tillstånd vi inte direkt observerar utvecklas i andra möjliga världar. Om till exempel vår observation ger tillstånd 2, försvinner inte de andra tillstånden i det ögonblicket – de utvecklas i andra världar, och vi kan helt enkelt inte observera dem.
Men mångvärldstolkningen har helt klart sina problem. Om en händelse som skulle kunna inträffa inträffar i alla möjliga världar, vilken betydelse har då sannolikheten som är förknippad med varje tillstånd ens? Everett försökte lösa detta genom att helt enkelt multiplicera varje tillstånd med en vikt. Vad det innebär att en värld är viktigare än en annan är dock fortfarande ett debattämne.
Med tanke på dessa två tolkningar – var och en med sin egen betydelse och sina begränsningar – tenderar jag att föredra Köpenhamnstolkningen. Om vi går tillbaka till kvantmekanikens ursprung ser vi att den ytterst föddes för att förklara fenomen i den mikroskopiska världen. Med andra ord, eftersom den skapades för att reda ut fenomen genom observation och de resulterande fakta, har observatörens observationshandling en så betydande betydelse. Vid själva observationen av partiklar måste vi, för att observera tillståndet hos en enskild partikel, utöva en viss grad av inflytande på den. Inom fysiken kallas detta en "störning". Med andra ord innebär observation av en partikels tillstånd att man inducerar en liten förändring i partikeln och sedan observerar dess svar. Även om sambandet mellan att inducera en förändring i partikeln och vågfunktionens kollaps i matematiska termer är något tvetydigt, är de överens om att båda förändrar det ursprungliga tillståndet. Detta innebär att själva observationshandlingen är fysiskt betydelsefull.
Kvantmekaniken har rört sig bort från det deterministiska tankesättet i klassisk Newtonsk mekanik och anammat ett probabilistiskt tillvägagångssätt. Hur många människor skulle lätt kunna acceptera idén att positionen för ett äpple precis framför dem ändras med varierande sannolikheter varje gång de tittar på det? Det är sant att både Köpenhamnstolkningen och Många-Världarstolkningen har sin egen betydelse och begränsningar när det gäller att hjälpa människor – som är vana vid objekts bestämda tillstånd – att förstå de fenomen som uppstår i den mikroskopiska världen. Jag är en ingenjörsstudent som studerar hur man skapar nya teknologier genom att använda vetenskapliga fenomen och resultaten från att observera dem. Utvecklingen av kvantmekaniken har gett oss verktyg för att tolka fenomen i den mikroskopiska världen, och detta har direkt lett till teknologier som är användbara för människor. MR-utrustning (Magnetic Resonance Imaging), som har bidragit betydande till modern medicin, utvecklades genom att tillämpa NMR-fenomenet (Nuclear Magnetic Resonance) från kvantmekaniken; denna teknik används inte bara inom spektroskopi – som bestämmer molekylstrukturer – utan även inom oljeprospektering. Baserat på detta tror jag att den tolkning som är bättre lämpad för att förklara fenomen – vilket jag anser vara vetenskapens syfte – kommer att ha större betydelse.
