Interpretarea mecanicii cuantice

O interpretare a mecanicii cuantice este o încercare de a explica modul în care conceptele din mecanica cuantică corespund realității. Deși mecanica cuantică a susținut o testare experimentală riguroasă și amănunțită, multe dintre aceste experimente sunt deschise interpretărilor diferite. Există o serie de școli de gândire aflate în conflict, diferite cu privire la faptul că mecanica cuantică poate fi înțeleasă ca fiind deterministă, elementele mecanicii cuantice pot fi considerate „reale” și alte aspecte.

Această problemă este de interes deosebit pentru filozofii fizicii, deoarece fizicienii continuă să manifeste un interes puternic față de subiect. Ei consideră de obicei o interpretare a mecanicii cuantice ca o interpretare a formalismului matematic al mecanicii cuantice, specificând sensul fizic al entităților matematice ale teoriei.

Istoria interpretărilor

Definiția termenilor teoretici cuantici, cum ar fi funcțiile de undă și mecanica matriceală, a progresat în mai multe etape. De exemplu, Erwin Schrödinger a privit inițial funcția de undă a electronului ca densitatea sa de sarcină a fost împrăștiată în câmp, în timp ce Max Born a reinterpretat valoarea pătrată absolută a funcției de undă ca densitatea de probabilitate a electronului distribuită în câmp.

Deși interpretarea de la Copenhaga a fost inițial cea mai populară, decoerența cuantică a câștigat popularitate. Astfel, interpretarea multor lumi a câștigat acceptarea. Mai mult, poziția strict formalistă a fost pusă în discuție de propunerile de experimente falsificabile care ar putea face diferența între interpretări, ca de exemplu prin măsurarea unei conștiințe a inteligenței artificiale sau prin calculul cuantic.

Ca o evoluție generală a viziunii din perioada anilor 1990 – 2000, luați în considerare „instantaneul” opiniilor colectate într-un sondaj de către Schlosshauer et al. la conferința „Fizica cuantică și natura realității” din iulie 2011. Autorii fac referire la un sondaj similar informal realizat de Max Tegmark la conferința „Probleme fundamentale în teoria cuantică” din august 1997. Concluzia principală a autorilor este că „interpretarea de la Copenhaga încă mai domină”, primind cele mai multe voturi în sondajul lor (42%), pe lângă creșterea notabilității principale a interpretărilor multor lumi:

„Interpretarea de la Copenhaga încă mai domină, mai ales dacă o punem împreună cu descendenții intelectuali, cum ar fi interpretările bazate pe informație și interpretarea cuantică bayesiană. În sondajul lui Tegmark, interpretarea Everett a primit 17% din voturi, similar cu numărul de voturi (18%) din sondajul nostru.”

Este demn de remarcat că numai interpretarea tranzacțională a lui Cramer, publicată în 1986, atribuie baze fizice afirmației lui Max Born că pătratul absolut al funcției de undă este o densitate de probabilitate.

Natura interpretării

Mai mult sau mai puțin, toate interpretările mecanicii cuantice împărtășesc două calități:

• Ele interpretează un formalism – un set de ecuații și principii care generează predicții prin introducerea condițiilor inițiale
• Ele interpretează o fenomenologie – un set de observații, inclusiv cele obținute prin cercetarea empirică și cele obținute informal, cum ar fi experiența oamenilor dintr-o lume neechivocă

Două calități variază între interpretări:

• Ontologia – pretinde despre ce lucruri, cum ar fi categorii și entități, există în lume
• Epistemologia – pretinde despre posibilitatea, scopul și mijloacele pentru cunoașterea relevantă a lumii

În filosofia științei, distincția dintre cunoaștere și realitate este denumită epistemic versus ontic. O lege generală este o regularitate a rezultatelor (epistemic), în timp ce un mecanism cauzal poate reglementa rezultatele (ontic). Un fenomen poate primi interpretare fie ontică, fie epistemică. De exemplu, indeterminismul poate fi atribuit limitărilor observării și percepției umane (epistemice), sau poate fi explicat ca un adevărat existent, posibil codificat în univers (ontic). Confuzând epistemicul cu onticul, ca și cum s-ar presupune că o lege generală de fapt „guvernează” rezultatele – și că declarația unei regularități are rolul unui mecanism cauzal – este o greșeală de categorisire.

În sens larg, teoria științifică poate fi văzută ca oferind realism științific – o descriere sau o explicație aproape reală a lumii naturale – sau ar putea fi percepută cu un antirealism. O poziție realistă caută epistemul și onticul, în timp ce o poziție antirealistă caută epistemic, dar nu ontic. În prima jumătate a secolului al XX-lea, antirealismul a fost, în principal, pozitivismul logic, care a încercat să excludă din teoria științifică aspecte neobservabile ale realității.

Începând cu anii 1950, antirealismul este mai modest, de obicei instrumentalism, permițând să vorbim despre aspecte neobservabile, însă în cele din urmă renunțând la problema realismului și considerând teoria științifică ca un instrument pentru a ajuta oamenii să facă previziuni, nu să atingă înțelegerea metafizică a lumii. Viziunea instrumentalistă este descrisă de faimosul citat al lui David Mermin, „Taci și calculează”, adesea atribuit greșit lui Richard Feynman.

Alte abordări pentru rezolvarea problemelor conceptuale introduc un nou formalism matematic și, prin urmare, propun teorii alternative cu interpretările lor. Un exemplu este mecanica bohmiană, a cărei echivalență empirică cu cele trei formalități standard – mecanica ondulatorie lui Schrödinger, mecanica matriceală a lui Heisenberg și formalismul integral al căilor lui Feynman – a fost demonstrată.

Provocări ale interpretărilor

1. Abstractă, natura matematică a teoriilor câmpului cuantic: structura matematică a mecanicii cuantice este matematic abstractă fără o interpretare clară a cantităților sale.
2. Existența unor procese aparent indeterministe și ireversibile: în teoria câmpului clasic, o proprietate fizică la o anumită locație în câmp este ușor derivată. În majoritatea formulelor matematice ale mecanicii cuantice, măsurarea are un rol special în teorie, deoarece este singurul proces care poate cauza o evoluție neunitară, ireversibilă a stării.
3. Rolul observatorului în determinarea rezultatelor: Interpretarea de la Copenhaga implică faptul că funcția de undă este un instrument de calcul și reprezintă realitatea doar imediat după o măsurătoare, probabil efectuată de un observator; Interpretările Everett susțin că toate posibilitățile pot fi reale și că procesul de interacțiune de tip măsurare provoacă un proces eficient de ramificare.
4. Corelațiile neașteptate din punct de vedere clasic între obiectele aflate la distanță: sistemele cuantice inseparate, așa cum este ilustrat în paradoxul EPR, se supun statisticilor care par a viola principiile cauzalității locale.
5. Complementaritatea descrierilor propuse: complementaritatea susține că niciun set de concepte fizice clasice nu se poate referi simultan la toate proprietățile unui sistem cuantic. De exemplu, descrierea undelor A și descrierea particulelor B poate descrie fiecare sistemul cuantic S, dar nu simultan. Aceasta presupune că compoziția proprietăților fizice ale lui S nu respectă regulile logicii propoziționale clasice atunci când se folosesc conectorii propoziționali. Ca și contextualitatea, „originea complementarității constă în non-comutativitatea operatorilor” care descriu obiectele cuantice (Omnès 1999).
6. Creșterea rapida a complexității, depășind cu mult capacitatea de calcul a oamenilor ca dimensiune a sistemului, deoarece spațiul de stare al unui sistem cuantic este exponențial în numărul subsistemelor, este dificil să se deducă aproximații clasice.
7. Contextul comportamental al sistemelor la nivel local: contextualitatea cuantică demonstrează că intuițiile clasice în care proprietățile unui sistem dețin valori definite, independente de modul de măsurare, nu reușesc nici măcar pentru sistemele locale. De asemenea, principiile fizice, cum ar fi principiul lui Leibnitz, de identitate a indiscernabilelor, nu se mai aplică în domeniul cuantic, semnalizând că cele mai multe intuiții clasice pot fi incorecte în lumea cuantică.