Interpretări ale mecanicii cuantice

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 prăbușirii funcției de undă, astfel, conform lui Paul Davies, „realitatea este în observații, nu în electron”. În general, după o măsurătoare (declanșarea 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.

Multe lumi

Interpretarea multor lumi este o interpretare a mecanicii cuantice în care o funcție de undă universală respectă în același timp aceleași legi deterministe și reversibile; 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 care produce inseparabilitate, în mod repetat „divizând” universul în istorii alternante reciproc neobservabile – universuri efectiv distincte într-un multivers mai mare.

Istorii consistente

Interpretarea consistentă a istoriilor 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 mecanice cuantice este de a prezice probabilitățile relative ale diverselor istorii alternative (de exemplu, ale unei particule).

Interpretarea ansamblului sau interpretarea statistică

Interpretarea ansamblului, numită și interpretarea statistică, poate fi interpretată ca o interpretare minimalistă. 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 – este o cantitate statistică abstractă care se aplică numai unui ansamblu (o mulțime vastă) de sisteme sau particule asemănătoare pregătite. Probabil cel mai notabil susținător al unei astfel de interpretări a fost Einstein:

”Încercarea de a concepe descrierea cuantică-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 ansamblului este Leslie E. Ballentine, profesor la Universitatea Simon Fraser, autorul cărții de nivel postuniversitar Mecanica cuantică, o dezvoltare modernă. Un experiment care ilustrează interpretarea ansamblului este furnizat în videoclipul 1 al lui Akira Tonomura. Este evident din acest experiment cu o fantă dublă cu un ansamblu de electroni individuali care, din moment ce funcția de undă din mecanica cuantică (absolut pătratică) descrie modelul de interferență completat, trebuie să descrie un ansamblu. O nouă versiune a interpretării ansamblului care se bazează pe o reformulare a teoriei probabilității a fost introdusă de Raed Shaiia.

Teoria lui de Broglie-Bohm

Teoria de Broglie-Bohm a mecanicii cuantice este o teorie a lui Louis de Broglie și extinsă ulterior de David Bohm pentru a include măsurători. Particulele, care au întotdeauna poziții, sunt ghidate de funcția de undă. Funcția de undă evoluează în conformitate cu ecuația undelor Schrödinger, iar funcția de undă nu colapsează niciodată. Teoria are loc într-un singur spațiu-timp, este non-locală și este deterministă. Determinarea simultană a poziției și a vitezei unei particule este supusă constrângerii principale a principiului incertitudinii. Teoria este considerată a fi o teorie variabilă ascunsă, iar prin adoptarea non-localității ea satisface inegalitatea lui Bell. Problema măsurării este rezolvată, deoarece particulele au poziții clare în orice moment. Restrângerea este explicată ca fenomenologică.

Mecanica cuantică relațională

Ideea esențială din spatele mecanicii cuantice relaționale, urmărind precedentul relativității speciale, este că observatorii diferiți pot da explicații diferite ale aceleiași serii de evenimente: de exemplu, pentru un observator la un moment dat, un sistem poate fi într-o singură stare proprie, „colapsată”, în timp ce pentru un alt observator în același timp, poate fi într-o suprapunere a două sau mai multe stări. În consecință, dacă mecanica cuantică trebuie să fie o teorie completă, mecanica cuantică relațională argumentează că noțiunea de „stare” nu descrie sistemul însuși observat, ci relația sau corelația dintre sistem și observator(i). Vectorul de stare al mecanicii cuantice convenționale devine o descriere a corelației anumitor grade de libertate în cadrul observatorului cu privire la sistemul observat. Cu toate acestea, este susținută de mecanica cuantică relațională că aceasta se aplică tuturor obiectelor fizice, indiferent dacă sunt sau nu conștiente sau macroscopice. Orice „eveniment de măsurare” este văzut pur și simplu ca o interacțiune fizică obișnuită, o stabilire a tipului de corelație discutat mai sus. Astfel, conținutul fizic al teoriei nu trebuie să se facă cu obiectele însăși, ci cu relațiile dintre ele.

O abordare relațională independentă a mecanicii cuantice a fost dezvoltată în mod analog cu elucidarea lui David Bohm a relativității speciale, în care un eveniment de detectare este considerat ca stabilind o relație între câmpul cuantificat și detector. Ambiția inerentă asociată cu aplicarea principiului incertitudinii lui Heisenberg este evitată ulterior.

Interpretarea tranzacțională

Interpretarea tranzacțională a mecanicii cuantice de John G. Cramer este inspirată de teoria absorberilor Wheeler-Feynman. Descrie colapsarea funcției de undă ca rezultat dintr-o tranzacție simetrică în timp între o undă posibilă de la sursă la receptor (funcția de undă) și o undă de posibilitate de la receptor la sursă (complexul conjugat al funcției de undă). Întrucât unda de posibilitate se prăbușește prin interacțiunea cu receptorul, conștientizarea nu joacă niciun rol în teorie, eliminând paradoxul pisicii lui Schrödinger. Această interpretare a mecanicii cuantice este unică prin aceea că nu numai că vede funcția de undă ca o entitate reală, ci conjugatul complex al funcției de undă, care apare în regula lui Born pentru calcularea valorii așteptate pentru un observabil, ca reală, de asemenea.

Mecanica stocastică

În 1966, profesorul universitar de la Princeton, Edward Nelson, a sugerat o derivare și interpretare în întregime a ecuației undelor lui Schrödinger prin analogie cu mișcarea browniană. Considerații similare au fost deja publicate, de exemplu de R. Fürth (1933), I. Fényes (1952) și Walter Weizel (1953) și sunt menționate în lucrarea lui Nelson. Lucrări mai recente asupra interpretării stocastice au fost făcute de M. Pavon. O interpretare stocastică alternativă a fost dezvoltată de către Roumen Tsekov.

Teoriile colapsului obiectiv

Teoriile colapsului obiectiv diferă de interpretarea de la Copenhaga în ceea ce privește atât funcția de undă, cât și procesul de colaps, ca ontologic obiectiv. În teoriile obiective, colapsul apare la întâmplare („localizare spontană”) sau când se atinge un prag fizic, observatorii neavând niciun rol special. Astfel, ele sunt teorii realiste, indeterministe, fără variabile ascunse. Mecanismul de colapsare nu este specificat de mecanica cuantică standard, care trebuie extinsă dacă această abordare este corectă, ceea ce înseamnă că colapsul obiectiv este mai mult o teorie decât o interpretare. Exemplele includ teoria Ghirardi-Rimini-Weber și interpretarea Penrose. Un alt exemplu este varianta deterministă a unei teorii de colaps obiectiv

Conștientizarea cauzează colapsul (interpretarea von Neumann-Wigner)

În tratatul său Fundamentele matematice ale mecanicii cuantice, John von Neumann a analizat profund așa numita problemă de măsurare. El a concluzionat că întregul univers fizic ar putea fi supus ecuației Schrödinger (funcția universală a undelor). De asemenea, el a descris modul în care măsurarea ar putea cauza o colapsare a funcției de undă. Acest punct de vedere a fost extins în mod proeminent de Eugene Wigner, care a susținut că conștientizarea umană a experimentatorului (sau poate chiar cea a câinilor) este critică pentru colapsare, dar a abandonat ulterior această interpretare.

Variațiile ale conștientizării care cauzează interpretarea colapsului:

Studiu reducerii subiective
Acest principiu, că conștientizarea provoacă colapsul, este punctul de intersecție între mecanica cuantică și problema minții/corpului; iar cercetatorii lucrează pentru a detecta evenimente conștiente corelate cu evenimente fizice care, potrivit teoriei cuantice, ar trebui să implice o colapsare a funcțiilor de undă; dar, până în prezent, rezultatele sunt neconcludente.

Principiul antropic participant
Principiul antropic participant al lui John Archibald Wheeler spune că conștiința joacă un rol în aducerea universului la existență.

Alți fizicieni și-au elaborat propriile variații ale interpretării colapsului conștiinței; inclusiv:

• Henry P. Stapp (Universul conștient: Mecanica cuantică și observatorul participant)
• Bruce Rosenblum și Fred Kuttner (Enigma cuantică: Fizica întâlnește conștiința)
• Amit Goswami (Universul auto-conștient)

Multe minți

Interpretarea multor minți a mecanicii cuantice extinde interpretarea multor lumi propunând că distincția dintre lumi ar trebui făcută la nivelul minții unui observator individual.

Logica cuantică

Logica cuantică poate fi privită ca un fel de logică propozițională potrivită pentru înțelegerea aparentelor anomalii privind măsurarea cuantică, în special cele referitoare la compoziția operațiilor de măsurare a variabilelor complementare. Acest domeniu de cercetare și numele său au provenit din lucrarea din 1936 a lui Garrett Birkhoff și John von Neumann, care au încercat să reconcilieze unele inconsistențe aparente ale logicii booleene clasice cu faptele legate de măsurare și observare în mecanica cuantică.

Teoria informației cuantice

Abordările informaționale cuantice au atras sprijin în creștere. Ele se împart în două feluri

• Ontologiile informației, cum ar fi „it from bit” al lui J. A. Wheeler. Aceste abordări au fost descrise ca o renaștere a imaterialismului
• Interpretări în care se spune că mecanica cuantică descrie cunoștințele unui observator despre lume, mai degrabă decât lumea în sine. Această abordare are o asemănare cu gândirea lui Bohr. Restrângerea (cunoscută și sub numele de reducere) este adesea interpretată ca un observator care obține informații de la o măsurătoare, mai degrabă decât ca un eveniment obiectiv. Aceste abordări au fost apreciate ca fiind similare cu instrumentalismul.

Starea nu este o proprietate obiectivă a unui sistem individual, ci este acea informație obținută dintr-o cunoaștere a modului în care a fost pregătit un sistem, care poate fi folosit pentru a face previziuni cu privire la măsurătorile viitoare. … O stare mecanică cuantică fiind un rezumat al informațiilor observatorului despre un sistem fizic individual, care se schimbă atât prin legile dinamice, cât și ori de câte ori observatorul dobândește noi informații despre sistem prin procesul de măsurare. Existența a două legi pentru evoluția vectorului de stare … devine problematică numai dacă se crede că vectorul de stare este o proprietate obiectivă a sistemului … „Reducerea undei” are loc în conștiința observatorul, nu din cauza unui proces fizic unic care are loc acolo, ci numai pentru că starea este un constructor al observatorului și nu o proprietate obiectivă a sistemului fizic

Interpretări modale ale teoriei cuantice

Interpretarea modală a mecanicii cuantice a fost concepută pentru prima oară în 1972 de către B. van Fraassen, în lucrarea sa „O abordare formală a filozofiei științei„. Cu toate acestea, acest termen este acum folosit pentru a descrie un set mai mare de modele care au evoluat din această abordare. Enciclopedia Stanford a filosofiei descrie câteva versiuni:

• Varianta de la Copenhaga
• Interpretări Kochen-Dieks-Healey
• Motivarea interpretărilor modale timpurii, pe baza lucrărilor lui R. Clifton, M. Dickson și J. Bub.

Teorii temporal simetrice

Au fost propuse mai multe teorii care modifică ecuațiile mecanicii cuantice să fie simetrice în ceea ce privește inversarea timpului. (De exemplu, teoria simetrică a timpului Wheeler-Feynman). Acest lucru creează retrocausalitate: evenimentele viitoare pot afecta pe cele din trecut, exact cum evenimentele din trecut pot afecta pe cele din viitor. În aceste teorii, o singură măsurătoare nu poate determina complet starea unui sistem (făcându-le un tip de teorie a variabilelor ascunse), dar dacă se are în vedere două măsurători efectuate la momente diferite, este posibil să se calculeze starea exactă a sistemului la toate intervalele de timp . Prin urmare, colapsul funcției de undă nu este o schimbare fizică a sistemului, ci doar o schimbare a conștientizării despre el datorită celei de-a doua măsurători. În mod similar, ele explică inseparabilitatea ca nefiind o stare fizică adevărată, ci doar o iluzie creată prin ignorarea retrocausalității. Punctul în care două particule par să se „insepare” este pur și simplu un punct în care fiecare particulă este influențată de evenimente care apar în cealaltă parte în viitor.

Nu toți susținătorii cauzalității temporal-simetrice favorizează modificarea dinamicii unitare a mecanicii cuantice standard. Astfel, un exponent de frunte al formalismului vectorial de două stări, Lev Vaidman, evidențiază cât de bine se potrivește formalismul vectorial cu două stări, cu interpretarea multor lumi a lui Hugh Everett.

Teoriile ramificării spațiu-timpului

Teoriile ramificării spațiu-timpului seamănă cu interpretarea multor lumi; totuși „principala diferență este că interpretarea acestora face ca ramificarea istoriei să fie o caracteristică a topologiei setului de evenimente cu relațiile lor cauzale … mai degrabă decât o consecință a evoluției separate a diferitelor componente ale vectorului de stare.“ În interpretarea multor lumi, funcțiile de undă sunt ramificate, în timp ce în teoriile ramificării spațiu-timpului, topologia spatio-temporală se înmulțește. Teoriile ramificării spațiu-timpului au aplicații pentru teorema lui Bell, pentru calculul cuantic și gravitația cuantică. Au, de asemenea, o asemănare cu teoriile variabilelor ascunse și interpretarea ansamblului: particulele din teoriile ramificării spațiu-timpului au mai multe traiectorii bine definite la nivel microscopic. Acestea pot fi tratate doar stocastic la un nivel granular grosier, în conformitate cu interpretarea ansamblului.

Alte interpretări

Pe lângă interpretările obișnuite discutate mai sus, s-au propus și alte interpretări care nu au avut un impact științific semnificativ, indiferent de motiv. Acestea variază de la propunerile fizicienilor importanți la cele mai multe idei oculte ale misticismului cuantic.

(Include texte traduse și adaptate din Wikipedia de Nicolae Sfetcu)