Tolkninger af kvantemekanikken

Kvantekort

Et enkelt faldende kort fører i princippet til et kvantemysterium

Ifølge kvantefysik vil et idealt kort, som balancerer perfekt på kanten, falde ned samtidigt i begge retninger i det, der kaldes en superposition. Kortets kvantebølgefunktion (blå) ændrer sig jævnt og kontinuerligt fra den afbalancerede tilstand (venstre) til den mystiske sluttilstand (højre), der forekommer at have kortet to steder på en gang. I praksis er dette eksperiment umuligt med et virkeligt kort, men den analoge situation er blevet demonstreret utallige gange med elektroner, atomer og større objekter. At forstå betydningen af sådanne superpositioner, og hvorfor vi aldrig ser dem i den dagligdags verden omkring os, har været et blivende mysterium i selve hjertet af kvantemekanikken. I årtiernes løb har fysikere udviklet adskillige ideer for at løse mysteriet, inkluderende de konkurrerende Københavnertolkningen og Mangeverdenertolkningen af bølgefunktionen og teorien om dekohærens.

Københavnertolkningen

IDE: Observatører ser et tilfældigt resultat; sandsynligheden gives af bølgefunktionen.

FORDEL: Et enkelt resultat hænder, hvilket stemmer med det, vi observerer.

PROBLEM: Kræver at bølgefunktionerne ”kollapser,” men ingen ligning angiver hvornår.

Når en kvantesuperposition observeres eller måles, ser vi et eller det andet af alternativerne tilfældigt med sandsynlighederne kontrolleret af bølgefunktionen. Hvis en person har væddet på, at kortet vil falde med forsiden opad, har hun, når hun første gang ser på kortet, en 50 % chance for lykkeligt at se, at hun har vundet sit væddemål. Denne tolkning er længe blevet pragmatisk accepteret af fysikere, selv om den kræver, at bølgefunktionen ændrer sig brat, eller kollapser, hvilket overtræder Schrödingerligningen.

Mange-Verdener tolkningen

IDE: Superpositioner vil forekomme som alternative parallelle verdener for deres beboere.

FORDEL: Schrödingerligningen virker altid: bølgefunktioner kollapser aldrig.

PROBLEMER: At ideen er så bizar. Der resterer nogle tekniske gåder.

Hvis bølgefunktioner aldrig kollapser, forudsiger Schrödingerligningen, at personen, der ser på kortets superposition, selv vil gå ind i en superposition af to mulige resultater: lykkeligt vinde væddemålet eller bedrøveligt tabe. Disse to dele af den totale bølgefunktion (af person plus kort) fortsætter fuldstændigt uafhængige, som to parallelle verdener. Hvis eksperimentet gentages mange gange, vil folk i de fleste af de parallelle verdener se kortet falde med forsiden opad omkring halvdelen af tiden. De stablede kort (højre) viser 16 verdener, der er resultatet, når et kort tabes fire gange.

Dekohærens: Hvordan kvantet bliver klassisk

IDE: Små vekselvirkninger med det omgivende miljø spreder hurtigt superpositionernes særlige kvantethed.

FORDELE: Kan afprøves eksperimentalt. Forklarer, hvorfor dagligdagens verden ser ”klassisk” ud i stedet for kvanteagtig.

ADVARSEL: Dekohærens eliminerer ikke fuldstændigt behovet for en tolkning som mange-verdener eller København.

Ubestemtheden ved en kvante superposition (venstre) er forskellig fra ubestemtheden ved klassisk sandsynlighed, som det sker efter et kast af en mønt (højre). Et matematisk objekt kaldet en tæthedsmatrix illustrerer forskellen. Kvantekortets bølgefunktion svarer til en tæthedsmatrix med fire spidser. To af disse spidser repræsenterer den 50 procents sandsynlighed for hvert resultat, forsiden opad eller forsiden nedad. De to andre viser, at disse to resultater stadig, i princippet, kan blande sig med hinanden. Kvantetilstanden er stadig ”kohærent.” Et møntkasts tæthedsmatrix har kun de første to spidser, hvilket almindeligvis betyder, at mønten virkeligt enten vender med forsiden opad eller nedad, men at vi blot ikke har kigget på den endnu.

Dekohærensteori afslører, at den mindste vekselvirkning med miljøet, som at en enkelt foton eller et gasmolekyle springer af på det faldne kort, meget hurtigt omdanner en kohærent tæthedsmatrix til én der, til alle praktiske formål, repræsenterer klassiske sandsynligheder som dem i et møntkast. Schrödingerligningen kontrollerer hele processen.

Spaltende virkelighed

Det er oplysende at spalte universet i tre dele: objektet under overvejelse, miljøet og observatørens, eller subjektets, kvantetilstand. Schrödingerligningen, der styrer universet som helhed, kan opdeles i led, der beskriver den indre dynamik af hvert af disse tre undersystemer og led, der beskriver vekselvirkningen mellem dem. Disse led har kvalitativt meget forskellige virkninger.

Det led, der giver objektets dynamik, er typisk det vigtigste, så for at regne ud hvad objektet vil gøre, begynder teoretikerne sædvanligvis med at ignorere alle de andre led. For vort kvantekort forudsiger dets dynamik, at det vil falde både til venstre og højre i superposition. Når vor observatør ser på kortet, udvider subjekt-objekt vekselvirkningen superpositionen til hendes mentale tilstand og frembringer en superposition af glæde og skuffelse over at vinde og tabe hendes væddemål. Hun kan imidlertid aldrig sanse denne superposition, fordi vekselvirkningen mellem objektet og miljøet (som luftmolekyler og fotoner, der springer af kortet) forårsager hurtig dekohærens, der gør denne superposition uobserverbar.

Selv om hun kunne isolere kortet fuldstændigt fra miljøet (for eksempel ved at udføre eksperimentet i et mørkt vakuumkammer ved absolut nul), ville det ikke gøre nogen forskel. Mindst én neuron i hendes optiske nerver ville gå ind i en superposition af at fyre og ikke at fyre, når hun så på kortet og denne superposition ville dekohære på omkring 10^-20 sekund ifølge nylige beregninger. Hvis de komplekse mønstre af neuronfyring i vore hjerner har noget at gøre med bevidsthed og hvordan vi danner vore tanker og sansninger, så sikrer dekohærens af vore neuroner, at vi aldrig sanser kvante superpositioner af mentale tilstande. Essentielt sammenvæver vore hjerner tvunget subjektet og miljøet og påtvinger os dekohærens. –M.T. og J.A.W.

LAURIE GRACE

Tilbage til artiklen