Колкото квантови физици, толкова интерпретации

За много години са разработени десетки интерпретации на квантовата механика. Повечето от тях се опитват да обяснят какво се случва, когато в квантовата система се провежда наблюдение или измерване.

Математическата формула, известна като вълнова функция (или вектор на състоянието), описва състоянието на системата, в която протича измерването, и многобройните възможности „колапсират“ в един резултат.

Квантовата „интерпретация“ се опитва да обясни защо се случва колапс и случва ли се въобще. Някои интерпретации започват с въпроса, явява ли се вълновата функция физически реална, или остава нещо строго математическо.

Предупреждение: извадките, които ще прочетете, не отразяват всички тънкости на различните интерпретации, които често са се променяли с времето от привържениците им или дори от техните автори.

Както пише космологът Макс Тегмарк, „дори няма консенсус по въпроса кое да се нарече интерпретация“.

Бомовата механика (Дейвид Бом)

Не я обичат много, но тя има много привърженици и заслужава внимание. Разработена през 50-те години от Бом, който взел за основа ранните възгледи на Луи дьо Бройл, Бомовата механика описва полетата на частиците, управлявани от „пилотни вълни“.

Тези вълни казват на частиците накъде да се движат. Смята се, че този подход връща физиката към детерминизма, игнорирайки вероятностите, които е осъждал Айнщайн, казвайки „Господ не си играе на зарове“.

Тъй като експериментът изключва „скрити променливи“ в полза на детерминизма, Бомовата механика изисква някакво действие на разстояние (или нелокалност). Това изобщо не харесало на Айнщайн. Също така е трудно да се види как Бомовата механика може да предскаже всяка експериментална разлика между предсказанията на стандартната квантова механика.

Малко преди смъртта си Айнщайн казвал, че не е впечатлен от Бомовата интерпретация. „Прекалено евтино според мен“, написал Айнщайн в писмо до Макс Борн.

Стохастична еволюция

Тази интерпретация вероятно не може да се нарече точно интерпретация на квантовата механика, тъй като тя променя математиката. В обичайната квантова механика вълновата функция „еволюира“, изменяйки се във времето по доста предсказуем начин.

С други думи, шансовете за различни резултати могат да се променят, а вие можете да предскажете как точно ще се променят те, преди да сте направили измерване. Но някои физици дълги години смятали, че еволюцията сама по себе си може да се промени по случаен (или стохастичен) начин и да предизвика собствения си колапс.

Предполага се, че този колапс се случва много бързо за големи (макроскопични) обекти и бавно за субатомните частици. Нобеловият лауреат Стивън Уайнбърг усилено изучава този вариант.

Квантово байесианство (Кристофър Фукс, Карлтън Кейвс, Рюдигер Шак)

Тази интерпретация, наричана понякога QBism, взема под внимание статистическите изисквания на Байес, които отразяват личностния фактор в откриването на резултатите – личните предположения.

От тази гледна точка вълновата функция е „лична“, представляваща измерване с индивидуалните знания за състоянието на системата, което може да се използва за предсказване на нейното бъдеще.

Паралелните светове (Хю Еверет)

Игнорирана в продължение на много години от момента на появата си през 1957 г., интерпретацията за паралелните светове набира популярност в последните десет години.

Тя твърди, че всеки път, когато протича измерване, всички възможни резултати съществуват в различни клонове на реалността, създавайки паралелни вселени.

Космологична интерпретация (Антъни Агире и Макс Тегмарк)

Сравнително нова. Тя се е появила едва през 2010 година. Принципно Агире и Тегмарк твърдят, че ако Вселената е безкрайна, то е вярна интерпретацията за паралелни светове, тъй като ще има безкрайно множество паралелни вселени, в които може да се случат всички възможни резултати от измерването на квантовомеханичните процеси.

Агире и Тегмарк изчислили, че резултатите ще възникват в същите пропорции, в които са предсказани от възможностите, изчислени в рамките на квантовата математика.

Така „вълновата функция описва фактическа пространствена колекция от идентични квантови системи и квантовата неопределеност се обяснява с неспособността на наблюдателя да определи себе си в тази колекция“.

Копенхагенска интерпретация

Копенхагенската интерпретация е била формулирана от Нилс Бор в края на 20-те години, в зората на квантовата механика (и после украсена от Вернер Хайзенберг).

Бор е смятал, че измерванията дават резултати, които могат да бъдат описани само с обичайния език на класическата физика, затова няма смисъл да се интересуваме какво се случва в някаква невидима „квантова“ област.

Необходимо е да настроим експерименталната инсталация, за да зададем въпрос за природата на Вселената, и въпросът, който задаваме, подразбира отговора, който ще получим.

Тази гледна точка включва принципа на неопределеността на Хайзенберг, който ограничава не измерването, а самата природа на реалността – едновременното положение на частицата и нейната скорост просто не съществуват, когато протича измерването. Измерването избира една от множеството възможности (или потенциални реалности според Хайзенберг).

Бор обяснил предполагаемите парадокси, от рода на поведението на частицата, като вълни, и вълните като частици, взаимно изключващи се, но „комплементарни“ аспекти на природата.

Последователни истории (Робърт Грифитс)

За първи път предложена от Грифитс през 1984 г., интерпретацията на последователните истории трактува класическата физика като близка до квантовата механика и квантовата математика може да изчисли вероятните мащабни явления по същия начин, както и субатомните.

Вероятностите се отнасят не към резултатите от измерванията, а към физическото състояние на системата. Грифитс особено откроява „несъвместимостта“ на множество възможни реалности в квантовата физика. Вие можете да направите снимки на гората от различни страни, отбелязва той, но снимките трябва да са обединени, за да дадат цялата картина на реалната гора.

В квантовата физика вие можете да избирате какво ще измервате (да речем скоростта на частицата или нейното положение), но няма да можете да съвместите двете измервания, за да съставите цялостна картина на частицата преди измерването. Преди измерването реалното положение и импулсът просто не съществуват.

Точно по същия начин няма реално физическо състояние, в което котката на Шрьодингер ще бъде едновременно жива и мъртва. Фактът, че вълновата функция може да опише такова състояние, просто означава, че вълновата функция е математически конструкт за изчисляване на вероятностите за последователността от събития или истории. В реалния живот всяка последователност от събития ще разкаже последователна история.

Квантов дарвинизъм (Войцех Журек)

Подобна в някои детайли на последователните истории, квантовият дарвинизъм на Журек подчертава ролята на декохеренцията. Това е процес, при който няколко възможни квантови реалии се отстраняват, когато системата взаимодейства с околната среда.

Според това как молекулите или фотоните отскачат от обекта техните траектории записват позицията на обекта; много скоро само една траектория ще остане свързана с информацията, записана в околната среда.

Такъв род природно взаимодействие произвежда един вид „естествен отбор“ на свойствата, които са записани в средата, в множество копия, достъпни за наблюдателя. Така наблюдателите могат да съгласуват конкретно разположение на макроскопични обекти, вместо множествени разположения едновременно.

Декохерентни истории (Мъри Гел-Ман и Джеймс Хартъл)

Разновидност на последователните истории на Грифитс е станала интерпретацията на Гел-Ман и Хартъл (1989 г.), подчертаваща декохеренцията, както и Журек с квантовия дарвинизъм.

Но Гел-Ман и Хартъл твърдят, че Вселената може да се разглежда като квантова система без външна среда. Така декохеренцията протича вътре, произвеждайки това, което те наричат „квазикласически домейни“ – последователни истории, които е невъзможно да се различат на фона на грубите зърна, предизвикани от декохеренцията.

Интерпретацията на Томас Зигфрид (Sciencenews.org)

Зигфрид твърди, че ще нарича своята интерпретация херменевтична, и още работи по нея. Ученият смята, че вместо създаване на интерпретация на квантовата механика той ще интерпретира интерпретациите, които се нуждаят от интерпретация.