Interpretări ale mecanicii cuantice (1)

Clasificarea adoptată de Einstein

O interpretare (adică o explicație semantică a matematicii formale a mecanicii cuantice) poate fi caracterizată prin tratarea anumitor aspecte abordate de Einstein, cum ar fi:

• Realism
• Completitudine
• Realism local
• Determinism

Pentru a explica aceste proprietăți, trebuie să fim mai explicit cu privire la tipul de imagine pe care o oferă o interpretare. În acest scop vom considera o interpretare ca o corespondență între elementele formalismului matematic M și elementele unei structuri de interpretare I, în care:

• Formalismul matematic M constă din mașinăria spațiului Hilbert a vectorilor ket, operatori auto-adjuncți care acționează pe spațiul vectorilor ket, dependența unitară de timp a vectorilor ket și operațiile de măsurare. În acest context, o operație de măsurare este o transformare care transformă un vector ket într-o distribuție a probabilității.
• Structura de interpretare I include stări, tranziții între stări, operații de măsurare și, eventual, informații despre extensia spațială a acestor elemente. O operație de măsurare se referă la o operație care returnează o valoare și poate duce la o schimbare de stare a sistemului. Informațiile spațiale ar fi expuse de stările reprezentate ca funcții în spațiul de configurare. Tranzițiile pot fi nedeterministe sau probabiliste, sau pot exista stări infinit de multe.

Aspectul crucial al unei interpretări este dacă elementele lui I sunt privite ca fiind fizic reale. Prin urmare, viziunea instrumentalistă pură a mecanicii cuantice nu este deloc o interpretare, deoarece nu face nicio afirmație cu privire la elementele realității fizice.

Utilizarea actuală a realismului și a completitudinii a apărut în lucrarea din 1935 în care Einstein și alții au propus paradoxul EPR. În această lucrare, autorii au propus conceptul de element al realității și de completitudinea unei teorii fizice. Ele caracterizează elementul realității ca fiind o cantitate a cărei valoare poate fi prezisă cu certitudine înainte de a măsura sau a o deranja în alt mod și a definit o teorie fizică completă ca fiind una în care fiecare element al realității fizice este contabilizat de teorie. Într-o perspectivă semantică a interpretării, o interpretare este completă dacă fiecare element al structurii de interpretare este prezent în matematică. Realismul este de asemenea o proprietate a fiecărui element al matematicii; un element este real dacă corespunde cu ceva din structura de interpretare. De exemplu, în unele interpretări ale mecanicii cuantice (cum ar fi interpretarea multor lumi), vectorul ket asociat cu starea sistemului se spune că corespunde unui element al realității fizice, în timp ce în alte interpretări nu este așa.

Determinismul este o proprietate care caracterizează schimbările de stare datorate trecerii timpului, și anume că starea într-o clipă viitoare este o funcție a stării prezente. Nu poate fi întotdeauna clar dacă o anumită interpretare este deterministă sau nu, deoarece nu poate fi o alegere clară a unui parametru de timp. Mai mult, o anumită teorie poate avea două interpretări, dintre care una este determinist și alta nu.

Realismul local are două aspecte:

• Valoarea returnată de o măsurătoare corespunde valorii unei anumite funcții în spațiul de stare. Cu alte cuvinte, acea valoare este un element al realității;
• Efectele măsurării au o viteză de propagare care nu depășește o limită universală (de exemplu, viteza luminii). Pentru ca acest lucru să aibă sens, operațiile de măsurare din structura de interpretare trebuie localizate.

O formulare precisă a realismului local în termeni de teorie a variabileloe locale ascunse a fost propusă de John Bell.

Teorema lui Bell, combinată cu testarea experimentală, restrânge tipurile de proprietăți pe care le poate avea o teorie cuantică, implicarea primară fiind aceea că mecanica cuantică nu poate satisface atât principiul localității, cât și caracterul definitiv contrafactual.

Trebuie remarcat că, indiferent de preocupările lui Einstein cu privire la problemele de interpretare, Dirac și alți notabili cuantici au îmbrățișat progresele tehnice ale noii teorii, acordând în același timp o atenție redusă sau deloc aspectelor interpretative.

Interpretarea de la Copenhaga

Interpretarea de la Copenhaga este interpretarea „standard” a mecanicii cuantice formulată de Niels Bohr și Werner Heisenberg în timp ce colaborau la Copenhaga în jurul anului 1927. Bohr și Heisenberg au extins interpretarea probabilistică a funcției de undă propusă inițial de Max Born. Interpretarea de la Copenhaga respinge întrebările precum „unde a fost particula înainte de a-i măsura poziția?” ca lipsite de sens. Procesul de măsurare selectează în mod aleatoriu exact una din multele posibilități permise de funcția de undă a stării, într-o manieră compatibilă cu probabilitățile bine definite care sunt atribuite fiecărei stări posibile. Conform interpretării, interacțiunea unui observator sau a unui aparat care este exterioară sistemului cuantic este cauza colapsării funcției de undă, deci, conform lui Paul Davies, „realitatea este în observații, nu în electron”. În general, după o măsurătoare (apăsarea unui contor Geiger sau a unei traiectorii într-o cameră cu scânteie sau cu bule), aceasta nu mai este relevantă decât dacă se pot efectua observații experimentale ulterioare.

Interpretarea multor lumi

Interpretarea multor lumi este o interpretare a mecanicii cuantice în care o funcție de undă universală respectă aceleași legi deterministe și reversibile în orice moment; în special nu există nicio colapsare a funcției de undă (indeterminist și ireversibil) asociată cu măsurarea. Fenomene asociate cu măsurarea se pretinde a fi explicate prin decoerență, care apare atunci când stările interacționează cu mediul producând inseparabilitatea, în mod repetat „împărțind” universul în istorii alternante reciproc neobservabile – universuri efectiv distincte într-un multivers mai mare.

Istorii consistente

Interpretarea istoriilor consistente generalizează interpretarea convențională de la Copenhaga și încearcă să ofere o interpretare naturală a cosmologiei cuantice. Teoria se bazează pe un criteriu de consistență care permite descrierea istoriei unui sistem astfel încât probabilitățile fiecărei istorii să respecte regulile aditive ale probabilității clasice. Se pretinde că este în concordanță cu ecuația lui Schrödinger.

Conform acestei interpretări, scopul unei teorii a mecanicii cuantice este de a prezice probabilitățile relative ale diverselor istorii alternative (de exemplu, ale unei particule).

Interpretarea de ansamblu

Interpretarea de ansamblu, numită și interpretarea statistică, poate fi văzută ca o interpretare minimalistă. Adică, ea pretinde să facă cele mai puține ipoteze asociate cu matematica standard. Este nevoie de interpretarea statistică a lui Born în cea mai mare măsură. Interpretarea afirmă că funcția de undă nu se aplică unui sistem individual – de exemplu, o singură particulă – ci este o cantitate statistică abstractă care se aplică numai unui ansamblu (o mulțime vastă) de sisteme sau particule asemănător preparate. Probabil cel mai notabil susținător al unei astfel de interpretări a fost Einstein:

Încercarea de a concepe descrierea cuantic-teoretică ca descriere completă a sistemelor individuale conduce la interpretări teoretice nenaturale care devin imediat inutile dacă se acceptă interpretarea că descrierea se referă la ansambluri de sisteme și nu la sisteme individuale.
– Einstein în Albert Einstein: Philosopher-Scientist, ed. P.A. Schilpp (Harper & Row, New York)

Cel mai proeminent avocat actual al interpretării de ansamblu este Leslie E. Ballentine, profesor la Universitatea Simon Fraser, autorul cărții de nivel postuniversitar Mecanica cuantică, o dezvoltare modernă. O nouă versiune a interpretării de ansamblu care se bazează pe o reformulare a teoriei probabilității a fost introdusă de Raed Shaiia.