Reaalsuse lahtiharutamine: põhjalik teejuht paljude maailmade tõlgendusse

Kvantmehaanika paljude maailmade tõlgendus (MWI), tuntud ka kui Everetti tõlgendus, esitab radikaalse ja põneva vaate reaalsusele. Selle asemel, et igal kvantsündmusel oleks üks kindel tulemus, pakub MWI välja, et kõik võimalikud tulemused realiseeruvad hargnevates paralleeluniversumites. See tähendab, et igal hetkel jaguneb universum mitmeks versiooniks, millest igaüks esindab erinevat võimalust. Selle uurimuse eesmärk on anda põhjalik ülevaade MWI-st, selle mõjudest ja seda ümbritsevatest käimasolevatest aruteludest.

Kvantmõistatus ja mõõtmisprobleem

MWI mõistmiseks on oluline kõigepealt aru saada selle aluseks olevast kvantmõistatusest: mõõtmisprobleemist. Kvantmehaanika kirjeldab maailma kõige väiksematel skaaladel, kus osakesed eksisteerivad superpositsiooni seisundis – mitme võimaliku oleku kombinatsioonis samaaegselt. Näiteks võib elektron olla korraga mitmes positsioonis. Kui me aga mõõdame kvantsüsteemi, siis superpositsioon kollabeerub ja me jälgime ainult ühte kindlat tulemust. See tõstatab mitmeid küsimusi:

• Mis põhjustab lainefunktsiooni kollapsi?
• Kas kollaps on füüsiline protsess või on see lihtsalt vaatluse artefakt?
• Mida kujutab endast "mõõtmine"? Kas see nõuab teadlikku vaatlejat?

Traditsiooniline Kopenhaageni tõlgendus tegeleb nende küsimustega, postuleerides, et vaatlus põhjustab lainefunktsiooni kollapsi. See tekitab aga kontseptuaalseid raskusi, eriti mis puudutab vaatleja rolli ning kvant- ja klassikalise maailma vahet. Kas bakter teeb vaatlust? Aga keeruline masin?

Paljude maailmade lahendus: ei mingit kollapsi, ainult jagunemine

Hugh Everett III pakkus oma 1957. aasta doktoritöös välja radikaalselt erineva lahenduse. Ta väitis, et lainefunktsioon ei kollabeeru kunagi. Selle asemel, kui toimub kvantmõõtmine, jaguneb universum mitmeks haruks, millest igaüks esindab erinevat võimalikku tulemust. Iga haru areneb iseseisvalt ja vaatlejad igas harus tajuvad ainult ühte kindlat tulemust, olles teistest harudest teadmatud.

Mõelgem klassikalisele näitele Schrödingeri kassist. MWI kontekstis ei ole kass enne vaatlust ei kindlalt elus ega surnud. Selle asemel põhjustab kasti avamine universumi jagunemise. Ühes harus on kass elus; teises on ta surnud. Ka meie kui vaatlejad jaguneme, kusjuures üks versioon meist vaatleb elusat kassi ja teine surnud kassi. Kumbki versioon ei ole teisest teadlik. See kontseptsioon on mõistust painutav, kuid see väldib elegantselt vajadust lainefunktsiooni kollapsi ja vaatlejate erilise rolli järele.

MWI põhimõisted ja mõjud

1. Universaalne lainefunktsioon

MWI väidab, et on olemas üksainus universaalne lainefunktsioon, mis kirjeldab kogu universumit ja areneb deterministlikult vastavalt Schrödingeri võrrandile. Puuduvad juhuslikud kollapsid, erilised vaatlejad ja välised mõjud.

2. Dekoherents

Dekoherents on MWI-s ülioluline mehhanism. See selgitab, miks me ei taju universumi hargnemist otse. Dekoherents tuleneb kvantsüsteemi vastastikmõjust oma keskkonnaga, mis viib kvantkoherentsuse kiire kadumiseni ja erinevate harude efektiivse eraldumiseni. See "efektiivne eraldumine" on võtmetähtsusega. Harud on endiselt olemas, kuid nad ei saa enam üksteisega kergesti interfereeruda.

Kujutage ette, et viskate kivi rahulikku tiiki. Lained levivad väljapoole. Nüüd kujutage ette, et viskate kaks kivi korraga. Lained interfereeruvad üksteisega, luues keeruka mustri. See on kvantkoherentsus. Dekoherents on nagu kivide viskamine väga rahutusse tiiki. Lained on endiselt olemas, kuid need häiruvad kiiresti ja kaotavad oma koherentsuse. See häirimine takistab meil kergesti jälgimast universumi erinevate harude interferentsiefekte.

3. Tõenäosuse illusioon

Üks suurimaid väljakutseid MWI jaoks on selgitada, miks me tajume kvantmehaanikas tõenäosusi. Kui kõik tulemused realiseeruvad, siis miks me jälgime mõnda tulemust sagedamini kui teisi? MWI pooldajad väidavad, et tõenäosused tulenevad universaalse lainefunktsiooni struktuurist ja iga haru mõõdust. Mõõt on sageli, kuigi mitte universaalselt, identifitseeritud lainefunktsiooni amplituudi ruuduga, täpselt nagu standardkvantmehaanikas.

Mõelge sellele nii: kujutage ette, et veeretate täringut lõpmatu arv kordi läbi kõigi multiversumi harude. Kuigi iga võimalik tulemus eksisteerib mõnes harus, võivad harud, kus täring maandub "6"-le, olla vähem arvukad (või neil on väiksem "mõõt") kui harud, kus see maandub teistele numbritele. See selgitaks, miks subjektiivselt tundub, et "6" veeretamise tõenäosus on väiksem.

4. Mitte paralleeluniversumid teadusulme mõttes

On oluline eristada MWI-d tavalisest teadusulme paralleeluniversumite troobist. MWI harud ei ole eraldiseisvad, ühendamata universumid, mida saaks kergesti läbida. Need on sama alusreaalsuse erinevad aspektid, mis arenevad iseseisvalt, kuid on siiski ühendatud universaalse lainefunktsiooni kaudu. Nende harude vahel reisimist, nagu on kujutatud teadusulmes, peetakse MWI raamistikus üldiselt võimatuks.

Levinud eksiarvamus on kujutada iga "maailma" täiesti iseseisva ja isoleeritud universumina, nagu planeedid, mis tiirlevad erinevate tähtede ümber. Täpsem (kuigi siiski ebatäiuslik) analoogia on kujutada ette ühtainsat, tohutut ookeani. Erinevad harud on nagu erinevad hoovused ookeanis. Need on eristuvad ja liiguvad erinevates suundades, kuid on siiski osa samast ookeanist ja omavahel seotud. Ühest hoovusest teise üleminek ei ole nii lihtne kui ühelt planeedilt teisele hüppamine.

Argumendid MWI poolt ja vastu

Pooltargumendid:

• Lihtsus ja elegants: MWI kaotab vajaduse lainefunktsiooni kollapsi ja eriliste vaatlejate järele, pakkudes kvantmehaanikale voolujoonelisemat ja järjepidevamat raamistikku.
• Determinism: Universum areneb deterministlikult vastavalt Schrödingeri võrrandile, eemaldades lainefunktsiooni kollapsiga seotud juhuslikkuse elemendi.
• Tegeleb mõõtmisprobleemiga: MWI pakub lahenduse mõõtmisprobleemile, lisamata ad hoc eeldusi või modifikatsioone kvantmehaanikasse.

Vastuargumendid:

• Ebaloogiline: Idee lõpmatust arvust hargnevatest universumitest on raskesti mõistetav ja läheb vastuollu meie igapäevakogemusega.
• Tõenäosuse probleem: Tõenäosuste päritolu selgitamine MWI-s jääb oluliseks väljakutseks ja on pideva arutelu objektiks. Erinevad lähenemised harude "mõõdu" defineerimisele viivad erinevate ennustusteni.
• Empiiriliste tõendite puudumine: Praegu puuduvad otsesed katselised tõendid MWI toetuseks, mis teeb selle eristamise teistest tõlgendustest keeruliseks. Pooldajad väidavad, et otseseid tõendeid on põhimõtteliselt võimatu saada, kuna me saame kogeda ainult ühte universumi haru.
• Ockhami habemenuga: Mõned väidavad, et MWI rikub Ockhami habemenuga (lihtsuse printsiip), kuna see toob kvantnähtuste selgitamiseks sisse tohutu hulga vaadeldamatuid universumeid.

Käimasolevad arutelud ja kriitika

MWI on jätkuvalt intensiivse arutelu ja uurimise objektiks füüsika- ja filosoofiakogukondades. Mõned peamised käimasolevad arutelud hõlmavad:

• Eelistatud baasi probleem: Millised omadused määravad universumi hargnemise? Teisisõnu, mis kujutab endast "mõõtmist", mis põhjustab jagunemise?
• Mõõdu probleem: Kuidas saame defineerida mõõdu harude ruumil, mis selgitab kvantsündmuste vaadeldud tõenäosusi?
• Teadvuse roll: Kas teadvusel on hargnemisprotsessis roll või on see lihtsalt füüsiliste protsesside tagajärg? Kuigi enamik MWI pooldajaid lükkab tagasi teadvuse erilise rolli, jääb küsimus filosoofilise uurimise objektiks.
• Testitavus: Kas MWI on põhimõtteliselt testitav või on see puhtalt metafüüsiline kvantmehaanika tõlgendus? Mõned teadlased uurivad potentsiaalseid eksperimentaalseid teste, kuigi need on väga spekulatiivsed ja vastuolulised.

Praktilised mõjud ja tulevikusuunad

Kuigi MWI võib tunduda puhtalt teoreetilise kontseptsioonina, on sellel potentsiaalseid mõjusid erinevatele valdkondadele:

• Kvant-arvutamine: Kvantmehaanika alusoleva olemuse mõistmine on ülioluline arenenud kvant-arvutustehnoloogiate arendamiseks. MWI pakub raamistiku mõistmiseks, kuidas kvantarvutid saavad sooritada arvutusi, mis on klassikaliste arvutite jaoks võimatud.
• Kosmoloogia: MWI-d saab rakendada kosmoloogilistele mudelitele, mis viib uute arusaamadeni universumi päritolust ja arengust. Näiteks võib see pakkuda raamistiku multiversumi ja mulluniversumite võimalikkuse mõistmiseks.
• Füüsika filosoofia: MWI tõstatab sügavaid filosoofilisi küsimusi reaalsuse olemuse, determinismi ja vaatleja rolli kohta.

Mõelge potentsiaalsetele mõjudele tehisintellektile. Kui me suudaksime luua tõeliste kvanttöötlusvõimetega tehisintellekti, kas selle subjektiivne kogemus ühtiks MWI ennustatud hargneva reaalsusega? Kas see võiks põhimõtteliselt saada mingisuguse teadlikkuse universumi teistest harudest?

Võrdlus teiste kvantmehaanika tõlgendustega

On oluline mõista, kuidas MWI võrdleb end teiste kvantmehaanika tõlgendustega:

• Kopenhaageni tõlgendus: Kopenhaageni tõlgendus postuleerib lainefunktsiooni kollapsi mõõtmisel, samas kui MWI lükkab kollapsi täielikult tagasi.
• Pilootlaine teooria (Bohmi mehaanika): Pilootlaine teooria pakub välja, et osakestel on kindlad positsioonid ja neid juhib "pilootlaine". MWI seevastu ei eelda kindlaid osakeste positsioone.
• Järjepidevad ajalood: Järjepidevad ajalood püüavad määrata tõenäosusi kvantsüsteemi erinevatele võimalikele ajalugudele. MWI pakub spetsiifilise mehhanismi, kuidas need ajalood hargnevad ja arenevad.

Kokkuvõte: võimaluste universum

Paljude maailmade tõlgendus pakub julget ja mõtlemapanevat perspektiivi reaalsuse olemusele. Kuigi see on endiselt vastuoluline ja vaieldav tõlgendus, pakub see veenva lahenduse mõõtmisprobleemile ja tõstatab sügavaid küsimusi universumi kohta, milles me elame. Kas MWI osutub lõpuks õigeks või mitte, sunnib selle uurimine meid silmitsi seisma kvantmehaanika sügavaimate müsteeriumidega ja meie kohaga kosmoses.

Põhiidee, et kõik võimalused realiseeruvad, on võimas. See esitab väljakutse meie intuitiivsele arusaamale reaalsusest ja julgustab meid mõtlema väljaspool oma igapäevakogemuse piire. Kvantmehaanika jätkuva arengu ja meie universumi sügavama mõistmise käigus jääb paljude maailmade tõlgendus kahtlemata keskseks arutelu- ja uurimisteemaks.

Lisalugemist

• Everett, H. (1957). "Relative State" Formulation of Quantum Mechanics. Reviews of Modern Physics, 29(3), 454–462.
• Vaidman, L. (2021). Many-Worlds Interpretation of Quantum Mechanics. In E. N. Zalta (Ed.), The Stanford Encyclopedia of Philosophy (Winter 2021 Edition).
• Tegmark, M. (2014). Our Mathematical Universe: My Quest for the Ultimate Nature of Reality. Alfred A. Knopf.