У цій публікації блогу ми розглянемо, що означає колапс хвиль, зосередившись на копенгагенській інтерпретації та багатосвітовій інтерпретації серед різних інтерпретацій квантової механіки, а також розглянемо характеристики та обмеження кожної інтерпретації.
З кінця 19 століття до початку 20 століття почали з'являтися явища, які не можна було пояснити лише класичною фізикою. Максвелл та Ейнштейн виявили, що світло має як хвильові, так і корпускулярні властивості. Макс Борн передбачив, що частинки також мають хвильові властивості. Кажуть, що експеримент Девіссона-Гермера з подвійною щілиною експериментально продемонстрував, що електрони мають хвилеподібну поведінку. Детальніше розглядаючи експеримент з двома щілинами, можна побачити наступне: пристрій, що випромінює електрони, пластина з двома щілинами та екран розташовані послідовно. Електрони, що випромінюються джерелом електронів, проходять через дві щілини та досягають екрана; коли спостерігається прибуття електронів на екран, виникає інтерференційна картина. Такий візерунок не з'являється, коли є лише одна щілина. Отже, положення електрона слід пояснювати як хвилю, що проходить через обидві щілини одночасно. Квантова механіка з'явилася для пояснення цих явищ. У квантовій механіці хвилі ймовірності описуються як фундаментальні будівельні блоки природи. Хвилі ймовірності використовуються для опису стану речовини. Агрегатний стан речовини включає такі властивості, як положення та спін. Хвиля ймовірності вказує на те, що значення не фіксоване в жодній окремій точці, а радше на те, що ймовірність його виникнення змінюється в кожній точці. Квантова механіка була заснована на початку 20 століття, і численні експериментальні результати того періоду та подальших досліджень підтверджують справедливість цієї теорії. В основі цієї теорії лежить хвильове рівняння Шредінгера. Як фундаментальне рівняння квантової механіки, хвильове рівняння Шредінгера описує, як хвиля ймовірності змінюється з часом. Однак залишається незрозумілим, як саме такі хвилі ймовірності пов'язані з повсякденним життям. У повсякденному житті результати, які ми спостерігаємо, – це не кілька станів, а єдиний, певний стан – як це можна пояснити? Що таке хвиля ймовірності, і чи є спосіб її зрозуміти? Щоб вирішити ці питання, з'явилися різні інтерпретації квантової механіки. У попередньому опитуванні, проведеному на конференції з квантової фізики, учасників запитали про їхні вподобання щодо кожної інтерпретації. Перевага копенгагенській інтерпретації становила 42%, квантово-інформаційній перспективі – 24%, а багатосвітовій інтерпретації – 18%. Як видно з опитування, Копенгагенська інтерпретація є основною інтерпретацією у фізичній спільноті. Копенгагенська інтерпретація — це та, що розроблялася з найдавніших днів квантової механіки вченими на чолі з Бором. Браян Грін представив основний принцип Копенгагенської інтерпретації наступним чином: «Щоразу, коли ми намагаємося безпосередньо спостерігати хвилю ймовірності, сам акт спостереження порушує її». Копенгагенська інтерпретація пояснює, що в момент спостереження хвиля ймовірності більше не може залишатися в цьому стані та зливається в одну точку. Пояснюється, що результатом цього злиття в одну точку є реальність, з якою ми звикли. Цей процес називається колапсом хвилі. Квантова інформаційна перспектива пояснює, що сам Всесвіт складається з квантової інформації, яка становить саму сутність Всесвіту. Він постулює, що все є результатом квантових обчислень, що включають цю квантову інформацію. З цієї точки зору, весь Всесвіт іноді розглядається як машина, що виконує квантові обчислення. Сет Ллойд написав книгу, яка переконливо обґрунтовує цю точку зору. У цій книзі він пояснив роль інформації та її зв'язок з фактичними фізичними законами. Наприклад, він пояснив, як квантові обчислення мають тенденцію поширювати невідому інформацію, та детальніше розкрив фізичні закони, пов'язані з ентропією. Багатосвітову інтерпретацію запропонував Х'ю Еверетт. Ця інтерпретація не приймає колапс хвильової функції, який є наріжним каменем Копенгагенської інтерпретації. Натомість, воно постулює, що Всесвіт розгалужується на численні світи, і всі можливості реалізуються. Таким чином, це пояснює, що в кожному світі спостерігач сприймає реальність, з якою ми знайомі. Я вважаю концепцію колапсу хвильової функції, яку можна розглядати як основу Копенгагенської інтерпретації, непереконливою. Як зазначав Браян Грін, межа, що визначає, що таке «спостереження», є нечіткою. Пояснення виглядає приблизно так: колапс хвильової функції не відбувається, коли мікроскопічні об'єкти взаємодіють один з одним, але відбувається, коли спостерігач проводить вимірювання; однак, це пояснення важко прийняти.
Цілком природно припустити, що закони фізики застосовуються універсально та однаково у всьому Всесвіті. Оскільки спостерігач також є частиною Всесвіту, я вважаю природним, що закони квантової механіки однаково застосовуються до всіх дій, включаючи спостереження. Однак, Копенгагенська інтерпретація пояснює, що колапс хвилі відбувається в результаті акту спостереження спостерігачем. Математично, колапс хвиль також є операцією, відмінною від звичайних квантово-механічних операцій. Хоча я не можу тут детально пояснити процес зміни хвильової функції ймовірності, її можна описати як операцію множення на оборотну матрицю з певними спеціальними властивостями. «Оборотний» означає, що існує взаємно однозначна відповідність між результатом та станом, який його спричинив. Однак, коли відбувається колапс хвильової функції, ця відповідність порушується. Система фіксується в одному стані, що унеможливлює відновлення початкового стану. У випадках, коли характер спостереження є вирішальним, як-от у Копенгагенській інтерпретації, іноді вводиться поняття розрізу Гейзенберга. Ця концепція постулює, що закони квантової механіки застосовуються до певної межі, а за цією межею хвильова функція колапсує. Однак ця межа не є чітко визначеною. Це може бути встановлено на рівні таких об'єктів, як електрони чи протони, або ж на рівні макроскопічних об'єктів, таких як люди. Це незадовільно, оскільки не уточнює, де саме має бути проведена ця межа. Відомим прикладом, що ілюструє цю ситуацію, є уявний експеримент Шредінгера з котом. У цьому уявному експерименті з'являються частинка менша за атом і кішка. Мала частинка може розпадатися з певною ймовірністю, процес, який можна пояснити квантовою механікою. Поруч з ним розміщено детекторний пристрій. Кажуть, що в момент виявлення такого розпаду спрацьовує механізм, який вбиває кота. Це піднімає питання, чи кіт мертвий, чи живий у цей момент. Копенгагенська інтерпретація пояснює, що стан кота — живий він чи мертвий — визначається в момент спостереження за ним. Це пояснення ґрунтується на передумові, що навіть макроскопічні об'єкти не зазнають колапсу хвиль. Це говорить про те, що навіть великі об'єкти необхідно розглядати в рамках квантової механіки. Відповідно, існують уявні експерименти, які доводять цю ситуацію до ще більшої крайності. У цьому уявному експерименті ми припускаємо, що друг провів уявний експеримент Шредінгера з котом і спостерігав за станом кота. У такому випадку це не дає остаточного пояснення того, на якій межі хвильову функцію слід вважати такою, що колапсувала. Щодо цієї межі, деякі вважають обсяг знань спостерігача вирішальним, і кажуть, що це пов'язано з ймовірністю. Тим не менш, копенгагенська інтерпретація має перевагу в тому, що вона легко та чітко пояснює результати, що спостерігаються спостерігачем. Насправді, це дуже добре пояснює результати різних експериментів. Достатньо застосувати колапс хвиль у момент спостереження експериментальних результатів або під час взаємодії з макроскопічними об'єктами. Це зручна інтерпретація, яка не вимагає врахування квантового стану спостережного обладнання. Одна з причин його великого успіху, незважаючи на інтуїтивно важкий для сприйняття результат колапсу хвиль, ймовірно, полягає в його здатності добре пояснювати експериментальні результати. Саме тому, що колапс хвиль є таким неприродним поясненням, я вважаю, що Інтерпретація багатьох світів може бути життєздатною альтернативою Копенгагенській інтерпретації. Багатосвітова інтерпретація не визнає колапсу хвиль. Кажуть, що це інтерпретація, отримана виключно шляхом зосередження на хвильовому рівнянні Шредінгера. Оскільки вона не розглядає акт спостереження як підпорядкований будь-яким особливим законам, вона інтерпретує процес як просту зміну стану хвилі, як видно з хвильового рівняння. Іншими словами, розуміється, що під час спостереження хвиля не колапсує; радше спостерігач і об'єкт входять у квантово-механічно заплутаний стан. Щоб зрозуміти цей заплутаний стан, давайте розглянемо приклад з точки зору Інтерпретації Багато Світів, яка не визнає колапсу хвиль. Спін електрона може бути як вгору (↑), так і вниз (↓). Спостережувальне обладнання — це пристрій, який вимірює спін електрона. Припустимо, що вікно відображення стану обладнання для спостереження має три можливі стани: верхній (⟰), нижній (⟱) та порожній (). Давайте розглянемо ситуацію перед вимірюванням. Спін електрона та вікно відображення стану спостережувального обладнання можна описати як взаємонезалежні хвилі ймовірності. Електрон не фіксований ні вгорі (↑), ні внизу (↓), а представлений хвилею ймовірності. Вимірювальний апарат був би встановлений у порожній стан () для експерименту, і існувала б хвильова функція ймовірності, яка б представляла цю ситуацію. Давайте розглянемо ситуацію після вимірювання. На цьому етапі його вже не можна описувати як незалежні хвильові функції ймовірності. Загальний стан натомість описується однією хвильовою функцією ймовірності, яка охоплює як електрон, так і вимірювальний апарат.
Зокрема, вона представлена однією хвильовою функцією ймовірності, яка описує лише дві можливі ситуації: одну, коли спін електрона спрямований вгору, а вікно станів апаратури спостереження вказує «вгору» (↑⟰), і іншу, коли спін електрона спрямований вниз, а вікно станів апаратури спостереження вказує «вниз» (↓⟱). Це явище, коли кілька станів більше не є незалежними, описується як «заплутаність». Інтерпретація багатьох світів йде ще далі. Дивлячись на наведений вище приклад, можливі дві ситуації (↑⟰, ↓⟱). Багатосвітова інтерпретація розглядає світ як розділений на ці два стани. Тобто, в одному світі виникає ситуація ↑⟰, а в іншому світі — ситуація ↓⟱. Кажуть, що після розгляду рівняння Шредінгера немає жодної серйозної математичної проблеми з таким його тлумаченням. Якщо ми розділимо можливі стани на основі результатів спостережень та інтерпретуємо кожен результат як окремий світ, це саме інтерпретація багатьох світів. Таким чином, кожна подія, яку можна вважати спостереженням, розглядається як подія, в якій світи розколюються. Отже, кожна можливість, яка є квантово-механічно доцільною, реалізується в кожному світі. Аспект Багатосвітової Інтерпретації, який мені здається найбільш привабливим, полягає в тому, що вона не розглядає акт спостереження як щось особливе. Оскільки навіть спостерігач розглядається як частина світу, що підпорядковується тим самим законам квантової механіки, я вважаю цю інтерпретацію більш універсально застосовною. Однак, Інтерпретація багатьох світів стикається з багатьма критиками. Немає переконливого пояснення того, що означає поділ світу на кілька світів. Крім того, твердження про існування кількох світів саме по собі є дивним. Якщо світи створюються безперервно до нескінченності, то немає жодного способу пояснити, як ми можемо відстежувати таку їх кількість. Крім того, якщо різні світи повністю розділені та не можуть впливати один на одного, можна стверджувати, що з точки зору спостерігача існування інших світів є абсолютно безглуздим. З цієї точки зору сама інтерпретація втрачає сенс. Крім того, в Інтерпретації багатьох світів все ще існує чимало проблем, які потребують вирішення. По-перше, одне із завдань, яке необхідно вирішити, — це надання адекватного пояснення того, який світ сприйматиме реальний спостерігач. Також має бути спосіб опису явищ з точки зору спостерігача, а не з точки зору цілого, щоб пояснити явища, які ми спостерігаємо у повсякденному житті. Це тому, що ми безпосередньо не спостерігаємо хвилі ймовірності, а лише їхні результати. Копенгагенська інтерпретація чітко пояснює цей аспект. Копенгагенська інтерпретація стверджує, що світ, який ми спостерігаємо, реалізується через колапс хвильової функції, і це дає результати, що узгоджуються з реальністю. Крім того, багатосвітова інтерпретація повинна бути здатною пояснити копенгагенську інтерпретацію. Якщо Багатосвітова інтерпретація є правильною, вона повинна мати змогу пояснити — зі своєї власної точки зору — як усі експериментальні результати на сьогоднішній день відповідають прогнозам Копенгагенської інтерпретації. Крім того, нам потрібно визначити, за яких обставин можуть виникнути розбіжності між двома інтерпретаціями. Тому встановлення зв'язку з Копенгагенською інтерпретацією також є серйозним викликом. Я не підтримую концепцію колапсу хвиль, запропоновану в Копенгагенській інтерпретації, оскільки незрозуміло, коли саме її слід застосовувати, і я вважаю практику ізоляції вимірювання як окремого процесу проблематичною з точки зору універсальності. Натомість, я вважаю, що нам слід дотримуватися точки зору, що весь Всесвіт можна описати як ймовірнісну хвилю в квантовій механіці, і що спостерігач також є її частиною. Тому я вважаю, що Інтерпретація багатьох світів та подібні теорії можуть слугувати альтернативами. Однак, як згадувалося раніше, з цими інтерпретаціями також залишається кілька проблем. Як свідчать результати опитування фізиків, остаточного висновку щодо інтерпретації квантової механіки ще не зроблено. Деякі з існуючих інтерпретацій мають історію спростування експериментами. Однак, жодних таких експериментів ще не проводилося для Копенгагенської інтерпретації або інтерпретації багатьох світів. Можливо, колись будуть розроблені експериментальні плани, здатні фактично продемонструвати відмінності між цими інтерпретаціями. Або ж ми можемо зрештою дійти висновку, що всі ці інтерпретації однаково справедливі. Тому я вважаю, що з поглибленням нашого розуміння законів фізики відкриються нові шляхи для інтерпретації квантової механіки. Буде цікаво спостерігати за розвитком цього процесу.
