У цій публікації блогу ми розглянемо передумови квантової механіки, основні положення Копенгагенської інтерпретації та інтерпретації багатьох світів, а також те, як ці дві інтерпретації розглядають «спостереження», а потім поміркуємо над метою квантової механіки.
Давним-давно в історії фізики Макс Планк опублікував статтю та експериментальні результати, засновані на його експериментах з випромінюванням абсолютно чорного тіла, стверджуючи, що «вся енергія складається з дуже малих пакетів з дискретними значеннями». Це похитнуло основи панівної точки зору серед фізиків того часу, які вважали, що всі явища в макроскопічному світі можна пояснити ньютонівською механікою. З цього моменту, коли вимірювальне обладнання розвивалося, а фізики отримували можливість зазирнути в мікроскопічний світ, вони публікували різні експериментальні результати, які виявили обмеження ньютонівської механіки. Ці результати, які не можна було пояснити існуючими теоріями, незабаром призвели до усвідомлення потреби в новій основі механіки — і таким чином народилася «квантова механіка». Квантова механіка незабаром зміцнила свої позиції, успішно надаючи відповіді на природні явища, які не можна було вирішити існуючою фізикою, такі як пояснення фотоелектричного ефекту Ейнштейном та модель спектра атома водню Бором. Крім того, завдяки зусиллям незліченних фізиків та розробкам, таким як теорія перетворення, запропонована Полем Діраком та Паскуалем Жорданом, вона утвердилася як окрема галузь досліджень.
Однак це лише означало завершення математичної «форми» — інструменту, що використовується для опису змісту квантової механіки — і не означало, що вона була встановлена з точки зору фізичної інтерпретації. Навіть зараз, десятиліття потому, серед видатних фізиків тривають суперечки щодо «інтерпретації» квантово-механічних явищ. Від «Копенгагенської інтерпретації» — яку часто називають основною інтерпретацією — до «багатосвітової інтерпретації», що виникла у відповідь на обмеження першої, та різних інших інтерпретацій, ці різні підходи продовжують доповнювати один одного, усуваючи прогалини, які жодна окрема інтерпретація не може повністю пояснити. На конференції з квантової механіки, що відбулася в Австрії раніше, було проведено опитування серед 33 всесвітньо відомих фізиків, в якому запитували, яку інтерпретацію вони підтримують; Копенгагенська інтерпретація отримала 42%, інформаційно-теоретична інтерпретація — 24%, а багатосвітова інтерпретація — 18%. Враховуючи, що жодна окрема інтерпретація не перевищила 50% у цьому опитуванні, здається очевидним, що кожна інтерпретація має свої обмеження. У цій статті я коротко представлю «Копенгагенську інтерпретацію» та «багатосвітову інтерпретацію», які складають значну частину цієї галузі та мають протилежні погляди на акт «спостереження», а також обговорю їхні обмеження. «Інформаційно-теоретичну інтерпретацію» виключено з цього обговорення, оскільки вона розглядає квантову механіку з точки зору, дещо відмінної від двох інших.
Базова структура Копенгагенської інтерпретації, запропонованої Бором і Гейзенбергом, така: «Доки спостерігач не застосовує вимірювальне обладнання, електрон в атомі рухається відповідно до законів причинності. Однак, при спробі описати електрон у фіксованому положенні та часі в просторі-часі втручаються дискретні взаємодії, що змушують його відхилятися від причинності, і спостерігач не має іншого вибору, окрім як покладатися на квантові ймовірності». Ньютонівська механіка стверджує, що частинки, що спостерігаються в макроскопічному світі, мають специфічні, чітко визначені значення положення та імпульсу під час їх руху. Це означає, що в макроскопічному світі, де існують спостерігачі, тобто люди, положення та імпульс фіксовані. Однак у мікроскопічному світі електрон, що рухається, існує в стані, де ці фізичні величини не можуть бути остаточно визначені як одне значення. Швидше, одночасно співіснують різні стани. Наприклад, якщо є три можливі стани — 1, 2 та 3, — які може займати електрон, електрон існує в усіх трьох станах одночасно, перш ніж його спостерігають. Математично це можна виразити як суму хвильових функцій, що відповідають 1, 2 та 3. Коли спостерігач у макроскопічному світі спостерігає електрон, він переходить до одного стану серед багатьох можливих, що визначається ймовірністю, пов'язаною з цим станом. Іншими словами, акт «спостереження» змінює стан електрона. Наприклад, у момент, коли визначається, що електрон знаходиться у стані 1, можливість його одночасного існування у станах 2 та 3 зникає. Саме це копенгагенська інтерпретація називає «колапсом хвильової функції». Отже, акт «спостереження» має величезне значення в копенгагенській інтерпретації.
Такі відомі фізики, як Ейнштейн, спростовували копенгагенську інтерпретацію, посилаючись на різні уявні експерименти як докази. Серед них найвідоміший — «Кіт Шредінгера». Усередині запечатаної коробки знаходиться кіт і пристрій, здатний виділяти отруту залежно від квантово-механічно визначеного стану частинки. Чи буде кіт усередині коробки живим чи мертвим через певний проміжок часу, який сам по собі є станом, визначається лише в момент відкриття кришки та спостереження за котом. Цей уявний експеримент ілюструє, що застосування акту «спостереження», який має велике значення в мікроскопічному світі, до макроскопічного світу призводить до дивних висновків; в результаті це спонукало до глибоких роздумів про значення спостереження в квантовій механіці. Саме тут починається «багатосвітова інтерпретація».
Еверетт III, колишній працівник Принстонського університету, спростував твердження Копенгагенської інтерпретації, стверджуючи, що розподіл ймовірностей частинки не зникає в результаті спостереження, а радше те, що кілька можливих світів існували з самого початку. Іншими словами, положення частинки не визначається одним значенням шляхом спостереження; радше, кілька паралельних світів вже існують, і ми просто спостерігаємо один з них. Стани, які ми безпосередньо не спостерігаємо, розгортаються в інших можливих світах. Наприклад, якщо наше спостереження дає стан 2, інші стани не зникають у цей момент — вони розгортаються в інших світах, і ми просто не можемо їх спостерігати.
Однак, багатосвітова інтерпретація явно має свої проблеми. Якщо подія, яка може статися, відбувається у всіх можливих світах, то яке значення взагалі має ймовірність, пов'язана з кожним станом? Еверетт спробував вирішити це питання, просто помноживши кожен стан на вагу. Однак, що означає, коли один світ є важливішим за інший, залишається предметом дискусій.
Розглядаючи ці дві інтерпретації — кожна зі своїм значенням та обмеженнями — я схиляюся до копенгагенської інтерпретації. Якщо ми повернемося до витоків квантової механіки, ми побачимо, що вона зрештою народилася для пояснення явищ у мікроскопічному світі. Іншими словами, оскільки вона була створена для розгадування явищ через спостереження та результуючі факти, акт спостереження спостерігача має таке важливе значення. Під час фактичного спостереження за частинками, щоб спостерігати стан окремої частинки, ми повинні певним чином впливати на неї. У фізиці це називається «збуренням». Іншими словами, спостереження за станом частинки передбачає виклик незначної зміни в частинці, а потім спостереження за її реакцією. Хоча зв'язок між викликанням зміни в частинці та колапсом хвильової функції в математичних термінах дещо неоднозначний, вони погоджуються в тому, що обидва змінюють початковий стан. Це означає, що сам акт спостереження є фізично значущим.
Квантова механіка відійшла від детерміністичного мислення класичної ньютонівської механіки та прийняла ймовірнісний підхід. Скільки людей могли б легко прийняти ідею про те, що положення яблука прямо перед ними змінюється з різною ймовірністю щоразу, коли вони на нього дивляться? Це правда, що як Копенгагенська інтерпретація, так і Багатосвітова інтерпретація мають своє власне значення та обмеження, коли йдеться про допомогу людям, які звикли до певних станів об'єктів, у розумінні явищ, що відбуваються в мікроскопічному світі. Я студент-інженер, який вивчає, як створювати нові технології, використовуючи наукові явища та результати, отримані в результаті їх спостереження. Розвиток квантової механіки надав нам інструменти для інтерпретації явищ у мікроскопічному світі, і це безпосередньо призвело до технологій, корисних для людей. Обладнання МРТ (магнітно-резонансної томографії), яке зробило значний внесок у сучасну медицину, було розроблено шляхом застосування явища ЯМР (ядерного магнітного резонансу) з квантової механіки; ця технологія використовується не лише в спектроскопії, яка визначає молекулярні структури, але навіть у розвідці нафти. Виходячи з цього, я вважаю, що інтерпретація, яка краще підходить для пояснення явищ, що я вважаю метою науки, матиме більше значення.
