Realybės atskleidimas: išsamus daugelio pasaulių interpretacijos vadovas

Kvantinės mechanikos daugelio pasaulių interpretacija (DPI), dar žinoma kaip Evereto interpretacija, pateikia radikalų ir įdomų požiūrį į realybę. Užuot teigusi, kad kiekvienas kvantinis įvykis turi vieną, apibrėžtą baigtį, DPI teigia, kad visos galimos baigtys realizuojamos šakotose, lygiagrečiose visatose. Tai reiškia, kad kiekvieną akimirką visata skyla į daugybę versijų, kurių kiekviena atspindi skirtingą galimybę. Šio tyrimo tikslas – pateikti išsamų DPI, jos pasekmių ir apie ją vykstančių diskusijų supratimą.

Kvantinė mįslė ir matavimo problema

Norint suprasti DPI, pirmiausia būtina suvokti pagrindinę kvantinę mįslę: matavimo problemą. Kvantinė mechanika aprašo pasaulį mažiausiais masteliais, kur dalelės egzistuoja superpozicijos būsenoje – kelių galimų būsenų derinyje vienu metu. Pavyzdžiui, elektronas gali būti keliose pozicijose vienu metu. Tačiau, kai matuojame kvantinę sistemą, superpozicija kolapsuoja, ir mes stebime tik vieną apibrėžtą baigtį. Tai kelia kelis klausimus:

• Kas sukelia banginės funkcijos kolapsą?
• Ar kolapsas yra fizinis procesas, ar tai tik stebėjimo artefaktas?
• Kas yra „matavimas“? Ar tam reikalingas sąmoningas stebėtojas?

Tradicinė Kopenhagos interpretacija atsako į šiuos klausimus postuluodama, kad stebėjimas sukelia banginės funkcijos kolapsą. Tačiau tai kelia konceptualių sunkumų, ypač dėl stebėtojo vaidmens ir skirtumo tarp kvantinės ir klasikinės sričių. Ar bakterija atlieka stebėjimą? O kaip sudėtinga mašina?

Daugelio pasaulių sprendimas: jokio kolapso, tik skilimas

Hugh Everett III savo 1957 metų daktaro disertacijoje pasiūlė radikaliai kitokį sprendimą. Jis teigė, kad banginė funkcija niekada nekolapsuoja. Vietoj to, kai įvyksta kvantinis matavimas, visata skyla į daugybę šakų, kurių kiekviena atspindi skirtingą galimą baigtį. Kiekviena šaka vystosi nepriklausomai, o stebėtojai kiekvienoje šakoje suvokia tik vieną apibrėžtą baigtį, nežinodami apie kitas šakas.

Apsvarstykime klasikinį Šriodingerio katės pavyzdį. DPI kontekste katė prieš stebėjimą nėra nei gyva, nei mirusi. Vietoj to, dėžės atidarymo veiksmas sukelia visatos skilimą. Vienoje šakoje katė yra gyva; kitoje ji yra mirusi. Mes, kaip stebėtojai, taip pat skylame – viena mūsų versija stebi gyvą katę, o kita – mirusią. Nė viena versija nežino apie kitą. Ši koncepcija yra pribloškianti, tačiau ji elegantiškai išvengia banginės funkcijos kolapso poreikio ir ypatingo stebėtojų vaidmens.

Pagrindinės DPI koncepcijos ir pasekmės

1. Universali banginė funkcija

DPI teigia, kad egzistuoja viena, universali banginė funkcija, kuri aprašo visą visatą ir deterministiškai evoliucionuoja pagal Šriodingerio lygtį. Nėra jokių atsitiktinių kolapsų, jokių ypatingų stebėtojų ir jokių išorinių įtakų.

2. Dekoherencija

Dekoherencija yra esminis DPI mechanizmas. Ji paaiškina, kodėl mes tiesiogiai nesuvokiame visatos šakojimosi. Dekoherencija kyla iš kvantinės sistemos sąveikos su aplinka, dėl kurios greitai prarandama kvantinė koherencija ir efektyviai atsiskiria skirtingos šakos. Šis „efektyvus atsiskyrimas“ yra esminis. Šakos vis dar egzistuoja, bet jos nebegali lengvai interferuoti viena su kita.

Įsivaizduokite, kad į ramų tvenkinį įmetate akmenuką. Ratai sklinda į išorę. Dabar įsivaizduokite, kad vienu metu įmetate du akmenukus. Ratai interferuoja vieni su kitais, sukurdami sudėtingą raštą. Tai yra kvantinė koherencija. Dekoherencija yra tarsi akmenukų įmetimas į labai banguotą tvenkinį. Ratai vis dar egzistuoja, bet jie greitai sutrikdomi ir praranda savo koherenciją. Šis sutrikdymas neleidžia mums lengvai stebėti skirtingų visatos šakų interferencijos efektų.

3. Tikimybės iliuzija

Vienas didžiausių iššūkių DPI yra paaiškinti, kodėl mes suvokiame tikimybes kvantinėje mechanikoje. Jei visos baigtys realizuojamos, kodėl mes kai kurias baigtis stebime dažniau nei kitas? DPI šalininkai teigia, kad tikimybės kyla iš universaliosios banginės funkcijos struktūros ir kiekvienos šakos mato. Matas dažnai, nors ir ne visuotinai, tapatinamas su banginės funkcijos amplitudės kvadratu, kaip ir standartinėje kvantinėje mechanikoje.

Pagalvokite apie tai šitaip: įsivaizduokite, kad ridenate kauliuką begalinį skaičių kartų visose multivisatos šakose. Nors kiekviena galima baigtis egzistuoja kurioje nors šakoje, šakos, kuriose kauliukas iškrenta „6“, gali būti mažiau skaitlingos (arba turėti mažesnį „matą“) nei šakos, kuriose iškrenta kiti skaičiai. Tai paaiškintų, kodėl subjektyviai jaučiate, kad yra mažesnė tikimybė išridenti „6“.

4. Jokios lygiagrečios visatos mokslo fantastikos prasme

Labai svarbu atskirti DPI nuo įprasto mokslo fantastikos lygiagrečių visatų tropo. Šakos DPI nėra atskiros, nesusijusios visatos, kuriomis galima lengvai keliauti. Tai yra skirtingi tos pačios pamatinės realybės aspektai, kurie vystosi nepriklausomai, bet vis dar yra susiję per universaliąją banginę funkciją. Kelionės tarp šių šakų, kaip vaizduojama mokslo fantastikoje, DPI rėmuose paprastai laikomos neįmanomomis.

Dažna klaidinga nuomonė yra įsivaizduoti kiekvieną „pasaulį“ kaip visiškai nepriklausomą ir izoliuotą visatą, tarsi planetas, skriejančias aplink skirtingas žvaigždes. Tikslesnė (nors vis dar netobula) analogija būtų įsivaizduoti vieną, didžiulį vandenyną. Skirtingos šakos yra tarsi skirtingos srovės tame vandenyne. Jos yra skirtingos ir juda skirtingomis kryptimis, bet vis dar yra to paties vandenyno dalis ir yra tarpusavyje susijusios. Pereiti iš vienos srovės į kitą nėra taip paprasta, kaip peršokti nuo vienos planetos prie kitos.

Argumentai už ir prieš DPI

Argumentai už:

• Paprastumas ir elegancija: DPI panaikina banginės funkcijos kolapso ir ypatingų stebėtojų poreikį, suteikdama supaprastintą ir nuoseklesnę kvantinės mechanikos sistemą.
• Determinizmas: Visata vystosi deterministiškai pagal Šriodingerio lygtį, pašalinant atsitiktinumo elementą, susijusį su banginės funkcijos kolapsu.
• Sprendžia matavimo problemą: DPI pateikia matavimo problemos sprendimą, neįvesdama ad hoc prielaidų ar kvantinės mechanikos modifikacijų.

Argumentai prieš:

• Prieštarauja intuicijai: Begalinio skaičiaus šakotų visatų idėja yra sunkiai suvokiama ir prieštarauja mūsų kasdieninei patirčiai.
• Tikimybės problema: Tikimybių kilmės paaiškinimas DPI išlieka dideliu iššūkiu ir yra nuolatinių diskusijų objektas. Skirtingi požiūriai į šakų „mato“ apibrėžimą lemia skirtingas prognozes.
• Empirinių įrodymų trūkumas: Šiuo metu nėra tiesioginių eksperimentinių įrodymų, patvirtinančių DPI, todėl ją sunku atskirti nuo kitų interpretacijų. Šalininkai teigia, kad tiesioginių įrodymų iš principo neįmanoma gauti, nes mes galime patirti tik vieną visatos šaką.
• Okamo skustuvas: Kai kurie teigia, kad DPI pažeidžia Okamo skustuvo principą (taupumo principą), nes įveda didžiulį skaičių nestebimų visatų, kad paaiškintų kvantinius reiškinius.

Vykstančios diskusijos ir kritika

DPI išlieka intensyvių diskusijų ir nagrinėjimo objektu fizikos ir filosofijos bendruomenėse. Kai kurios iš pagrindinių vykstančių diskusijų apima:

• Privilegijuotosios bazės problema: Kokios savybės lemia visatos šakojimąsi? Kitaip tariant, kas yra „matavimas“, sukeliantis skilimą?
• Mato problema: Kaip galime apibrėžti matą šakų erdvėje, kuris paaiškintų stebimas kvantinių įvykių tikimybes?
• Sąmonės vaidmuo: Ar sąmonė vaidina vaidmenį šakojimosi procese, ar tai tiesiog fizinių procesų pasekmė? Nors dauguma DPI šalininkų atmeta ypatingą sąmonės vaidmenį, šis klausimas išlieka filosofinio tyrimo objektu.
• Patikrinamumas: Ar DPI iš principo yra patikrinama, ar tai grynai metafizinė kvantinės mechanikos interpretacija? Kai kurie tyrėjai tiria galimus eksperimentinius testus, nors jie yra labai spekuliatyvūs ir prieštaringi.

Praktinės pasekmės ir ateities kryptys

Nors DPI gali atrodyti kaip grynai teorinė koncepcija, ji turi galimų pasekmių įvairiose srityse:

• Kvantinis skaičiavimas: Suprasti pamatinę kvantinės mechanikos prigimtį yra labai svarbu kuriant pažangias kvantinio skaičiavimo technologijas. DPI suteikia pagrindą suprasti, kaip kvantiniai kompiuteriai gali atlikti skaičiavimus, kurie yra neįmanomi klasikiniams kompiuteriams.
• Kosmologija: DPI gali būti taikoma kosmologiniams modeliams, suteikiant naujų įžvalgų apie visatos kilmę ir evoliuciją. Pavyzdžiui, ji gali suteikti pagrindą suprasti multivisatą ir burbulinių visatų galimybę.
• Fizikos filosofija: DPI kelia gilius filosofinius klausimus apie realybės prigimtį, determinizmą ir stebėtojo vaidmenį.

Apsvarstykite galimas pasekmes dirbtiniam intelektui. Jei galėtume sukurti DI su tikromis kvantinio apdorojimo galimybėmis, ar jo subjektyvi patirtis atitiktų DPI prognozuojamą šakotąją realybę? Ar jis iš principo galėtų įgyti tam tikrą supratimą apie kitas visatos šakas?

Palyginimas su kitomis kvantinės mechanikos interpretacijomis

Svarbu suprasti, kaip DPI lyginasi su kitomis kvantinės mechanikos interpretacijomis:

• Kopenhagos interpretacija: Kopenhagos interpretacija postuluoja banginės funkcijos kolapsą matavimo metu, o DPI kolapsą visiškai atmeta.
• Pilotinės bangos teorija (Bomo mechanika): Pilotinės bangos teorija teigia, kad dalelės turi apibrėžtas pozicijas ir yra vedamos „pilotinės bangos“. Priešingai, DPI nepreziumuoja apibrėžtų dalelių pozicijų.
• Suderinamos istorijos: Suderinamos istorijos bando priskirti tikimybes skirtingoms galimoms kvantinės sistemos istorijoms. DPI pateikia konkretų mechanizmą, kaip šios istorijos šakojasi ir vystosi.

Išvada: galimybių visata

Daugelio pasaulių interpretacija siūlo drąsią ir verčiančią susimąstyti perspektyvą apie realybės prigimtį. Nors ji išlieka prieštaringa ir diskutuotina interpretacija, ji pateikia įtikinamą matavimo problemos sprendimą ir kelia gilius klausimus apie visatą, kurioje gyvename. Nesvarbu, ar DPI galiausiai bus įrodyta teisinga, ar ne, jos tyrinėjimas verčia mus susidurti su giliausiomis kvantinės mechanikos paslaptimis ir mūsų vieta kosmose.

Pagrindinė idėja, kad visos galimybės yra realizuojamos, yra galinga. Ji meta iššūkį mūsų intuityviam realybės supratimui ir skatina mąstyti plačiau nei mūsų kasdienės patirties ribos. Kvantinei mechanikai toliau vystantis ir mūsų supratimui apie visatą gilėjant, daugelio pasaulių interpretacija neabejotinai išliks pagrindine diskusijų ir tyrimų tema.

Papildoma literatūra

• 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.