ŚFiNiA

Semele

Tomasz Bigaj: Dlaczego fizyka kwantowa potrzebuje interpretacji?
21 kwietnia 2022

Co naprawdę się dzieje podczas pomiaru kwantowego? Czy sam akt obserwacji może wpłynąć na stan układu poddanego pomiarowi? A może świat rozdziela się na niezliczoną liczbę kopii, z których każda zawiera inny wynik pomiaru?

Tekst ukazał się w „Filozofuj!” 2022 nr 1 (43), s. 6–8. W pełnej wersji graficznej jest dostępny w pliku PDF.

Mechanika kwantowa jest fundamentalną teorią fizyczną odnoszącą fenomenalne sukcesy w opisie zjawisk mikroświata. Dzięki niej jesteśmy w stanie policzyć poziomy energetyczne atomu wodoru, opisać wiązania chemiczne pomiędzy atomami w molekułach, obliczyć moment magnetyczny elektronu z dokładnością przewyższającą dostępne dane pomiarowe, a nawet zaprojektować nowe komputery, których moc obliczeniowa będzie znacznie przewyższać znane nam dotychczas wartości. Jednakże od samego początku swojego istnienia fizyka kwantowa wzbudzała kontrowersje wśród filozofów i filozofujących fizyków.

Jest to bodaj jedyna teoria fizyczna, co do której twierdzi się, że wymaga ona szczegółowej interpretacji. Jak się okazuje, takich interpretacji powstało w ciągu ostatniego stulecia wiele, a ich zwolennicy podzielili się na nierzadko zaciekle zwalczające się obozy. Dlaczego jednak interpretacje mechaniki kwantowej są w ogóle potrzebne, a przede wszystkim: co to w ogóle znaczy zinterpretować mechanikę kwantową?

Pomiar w fizyce kwantowej
U źródeł zagadnienia interpretacji teorii kwantów leży niesławny problem pomiaru. Pomiary stanowią fundamentalny składnik każdej teorii fizycznej. Dzięki nim możemy zbierać istotne informacje na temat otaczającego nas świata. Fizyka klasyczna opiera się na przekonaniu, że pomiar dokonany na pewnym układzie fizycznym ujawnia jego obiektywne, realne własności (energię, pęd, dokładne położenie itp.). Ponieważ każdy pomiar wiąże się nieuchronnie z koniecznością fizycznego oddziaływania na obiekt poddany pomiarowi, musimy się liczyć z zaburzającym wpływem pomiaru na mierzone wielkości. Na przykład próbując określić prędkość danego obiektu, musimy go oświetlić widzialnym światłem, które przenosi pewną ilość pędu, a zatem oświetlony obiekt w niewielkim stopniu zmieni swoją prędkość. W wypadku obiektów makroskopowych taki zaburzający wpływ jest zupełnie pomijalny, ale kiedy rozważamy np. pojedynczy elektron, to foton służący do jego „oświetlenia” w znaczący sposób zmienia parametry elektronu.

Formalizm mechaniki kwantowej ujmuje pomiar w abstrakcyjny, matematyczny sposób jako pewnego rodzaju statystyczny proces podobny do rzutu monetą albo kostką do gry. Stan układu fizycznego przed pomiarem dany jest pewną funkcją (zwaną funkcją falową), która na ogół nie mówi nam, jakie dokładnie wartości przyjmują znane nam wielkości mierzalne (energia, pęd itd.), ale jedynie określa prawdopodobieństwa, z jakimi możemy oczekiwać uzyskania konkretnych wartości w pomiarze (więcej na temat funkcji falowej w artykule J. Luc na s. 12–14 tego numeru). Taki „nieokreślony” stan wyjściowy często określa się mianem superpozycji stanów z dobrze określonymi wartościami danej wielkości fizycznej. Pomiar powoduje nieuchronnie gwałtowną zmianę stanu układu, który „przeskakuje” z wyjściowej superpozycji do jednego składnika, odpowiadającego uzyskanej wielkości. Powtarzając taki sam pomiar na układzie przygotowanym w dokładnie tym samym stanie wyjściowym, na ogół uzyskamy inny rezultat pomiarowy – cały proces charakteryzowany jest zatem jako indeterministyczny (probabilistyczny).

Jednakże pojawia się tutaj pewna trudność. Podstawowe prawo rządzące zjawiskami mikroświata dane jest w postaci tzw. równania Schrödingera. Równanie to pozwala nam na przewidzenie, jak będzie wyglądał stan układu dany funkcją falową, przy założeniu, że znamy oddziaływania, którym podlega ten układ. Okazuje się jednak, że jest matematycznie niemożliwe, aby układ opisany superpozycją kilku stanów z określonymi wartościami danej wielkości przed pomiarem wyewoluował do dokładnie jednego z tych stanów po pomiarze. Mówiąc w skrócie: ewolucja Schrödingerowska może jedynie zmienić wyjściową superpozycję w superpozycję wszystkich możliwych do uzyskania wyników pomiarowych. Jednakże w doświadczeniu nigdy nie obserwujemy superpozycji obiektów makroskopowych, jakimi są urządzenia pomiarowe! Wynik jest zawsze jeden, co stoi w sprzeczności z równaniem Schrödingera. Zatem musimy dokonać pewnego rodzaju interpretacji tego, co naprawdę się dzieje podczas pomiaru.

Interpretacja kopenhaska
Twórcy mechaniki kwantowej – Niels Bohr, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger – zaproponowali interpretację zwaną kopenhaską, zgodnie z którą każdy pomiar nieuchronnie prowadzi do tzw. kolapsu łamiącego ewolucję daną równaniem Schrödingera. Jednakże pozostaje kwestią otwartą, co jest takiego szczególnego w samym zjawisku pomiaru, co wyjaśnia odejście od standardowej ewolucji Schrödingerowskiej. Jedną z możliwości jest zastosowanie rozróżnienia między układami makroskopowymi a mikroskopowymi – ponieważ każde urządzenie pomiarowe musi mieć rozmiary o wiele rzędów wielkości przewyższające rozmiary układów poddawanych pomiarowi (cząstki elementarne, atomy czy pojedyncze molekuły), być może ta różnica może wyjaśnić zjawisko kolapsu. Jednakże nie jest jasne, gdzie dokładnie przebiega granica między układami makro a mikro – czy sto tysięcy atomów to już jest układ makroskopowy? A sto milionów?

Intrygującą możliwością, rozważaną przez twórców mechaniki kwantowej, jest hipoteza, zgodnie z którą kolaps pomiarowy jest wywoływany przez kontakt układu pomiarowego ze świadomością obserwatora. Dopóki obserwator nie ujrzy wyniku zapisanego na odpowiednim urządzeniu pomiarowym, cały układ znajduje się w superpozycji, zgodnie z przewidywaniami równania Schrödingera. W momencie obserwacji wszystko się zmienia – jak za dotknięciem czarodziejskiej różdżki superpozycja zmienia się w jeden dobrze określony wynik. Przy tej interpretacji nasz umysł wyposażony jest w moc wpływania na stan fizyczny otaczających nas przedmiotów. To jednak wydaje się zbyt fantastyczne dla wielu komentatorów. Czyż świadomość ludzka nie jest wytworem naturalnych procesów fizyko-chemicznych zachodzących w mózgu? A jeśli procesy te podlegają zwykłym prawom mechaniki kwantowej, to wracamy do punktu wyjścia, czyli pytania o to, dlaczego niektóre procesy fizyczne stosują się do równania Schrödingera, a inne nie. Do tego dochodzą znane trudności z wyznaczeniem granicy między istotami obdarzonymi świadomością a organizmami pozbawionymi tejże. Czy np. świadomość kota wystarcza do tego, aby spowodować kolaps układu pomiarowego? Czy kot może znajdować się w superpozycji kota żywego i martwego? A co z karaluchem albo z pierwotniakiem? Pytania te pozostają bez odpowiedzi.

Teoria Bohma i koncepcja wielu światów
W świetle tych trudności nie będzie zaskoczeniem, że współcześni filozofowie nauki rzadko opowiadają się za interpretacją świadomościową. Najbardziej popularne w kręgach filozoficznych (oraz wśród filozofujących fizyków) są obecnie dwie interpretacje: tzw. teoria Bohma oraz teoria wielu światów Everetta. Ta pierwsza, zaproponowana przez amerykańskiego fizyka Davida Bohma, jest w istocie rozszerzeniem standardowej teorii kwantowej o pewne dodatkowe równanie. Podstawowym założeniem mechaniki bohmowskiej jest teza, że cząstki kwantowe mają zawsze dobrze okreś-
lone położenia (trajektorie), a prawdopodobieństwa stosowane w opisie kwantowomechanicznym są jedynie odzwierciedleniem naszej niewiedzy. Dodatkowe równanie opisuje, w jaki sposób cząstki poruszają się w przestrzeni. Rezultat każdego pomiaru jest uzależniony od dokładnego położenia cząstek, które jednak nie jest nam bezpośrednio dane, zatem musimy stosować opis probabilistyczny.

Teoria wielu światów z kolei zakłada, że jedynym prawem opisującym zjawiska kwantowe jest równanie Schrödingera. Nie istnieje żaden kolaps związany z pomiarem. Jak zatem wyjaśnić powstanie konkretnych rezultatów pomiarowych? Według Hugh Everetta, twórcy tej interpretacji, wszystkie możliwe do uzyskania rezultaty pomiarowe są równie realne. Jednak każdy z nich istnieje w innej rzeczywistości (w innym świecie albo też innej gałęzi jednego wielo-wszechświata). Kiedy obserwator rejestruje konkretny wynik pomiaru kwantowego, identyczne kopie tego obserwatora rejestrują inne rezultaty tego samego pomiaru. Jednakże poszczególne kopie obserwatora nie mogą się ze sobą porozumiewać – odrębne gałęzie nie oddziałują wzajemnie na siebie.

Istnieje bardzo wiele innych, pomniejszych interpretacji mechaniki kwantowej, ale ten krótki przegląd powinien nam wystarczyć do tego, aby zorientować się, na czym polega problem interpretacji teorii kwantów (analiza głównych interpretacji w formie infografiki na s. 28–29). Jak się wydaje, nie ma widoków na to, aby w najbliższym czasie naukowcy i filozofowie zgodzili się na jedną interpretację – dyskusje i polemiki trwają.

Tomasz Bigaj