» » » » » » Filosofia și interpretările mecanicii cuantice

Filosofia și interpretările mecanicii cuantice

Pisica lui Schrödinger (În experimentul pisicii lui Schrödinger, o pisică este în mod paradoxal vie și moartă în același timp.)

Implicații filosofice

De la începuturi, multe aspecte contra-intuitive și rezultate ale mecanicii cuantice au provocat dezbateri filosofice puternice și multe interpretări. Chiar și probleme fundamentale, cum ar fi regulile de bază ale lui Max Born privind amplitudinile de probabilitate și distribuțiile de probabilități, au necesitat decenii pentru a fi apreciate de societate și de comunitatea științifică. Richard Feynman a spus odată: „Cred că pot spune cu siguranță că nimeni nu înțelege mecanica cuantică”. Potrivit lui Steven Weinberg, „Acum, în opinia mea, nu există o interpretare cu totul satisfăcătoare a mecanicii cuantice”.

Interpretarea de la Copenhaga – datorată în mare măsură lui Niels Bohr și Werner Heisenberg – rămâne cea mai larg acceptată printre fizicieni, la aproximativ 75 de ani de la enunțarea sa. Conform acestei interpretări, natura probabilistică a mecanicii cuantice nu este o caracteristică temporară care va fi în cele din urmă înlocuită de o teorie deterministă, ci trebuie considerată ca o renunțare finală la ideea clasică de „cauzalitate”. De asemenea, se crede că orice aplicare bine definită a formalismului mecanic cuantic trebuie să facă întotdeauna referire la aranjamentul experimental, datorită naturii conjugate a determinărilor obținute în diferite situații experimentale.

Albert Einstein, el însuși unul dintre fondatorii teoriei cuantice, nu a acceptat unele dintre interpretările mai mult filosofice sau metafizice ale mecanicii cuantice, cum ar fi respingerea determinismului și a cauzalității. El este citat spunând, ca răspuns la acest aspect, că „Dumnezeu nu se joacă cu zaruri”. A respins conceptul conform căruia starea unui sistem fizic depinde de aranjamentul experimental pentru măsurarea acestuia. A afirmat că o stare a naturii apare în sine, indiferent dacă și cum ar putea fi observată. În această privință, el este susținut de definiția acceptată în prezent a unei stări cuantice, care rămâne invariantă în alegerea arbitrară a spațiului de configurare pentru reprezentarea sa, adică a modului de observare. De asemenea, a susținut că în mecanica cuantică de bază ar trebui să existe o teorie care exprimă în mod temeinic și direct regula împotriva acțiunii la distanță; cu alte cuvinte, a insistat asupra principiului localității. A luat în considerare, dar a respins pe motive teoretice, o propunere specială pentru variabilele ascunse pentru a evita indeterminismul sau necauzalitatea măsurării mecanice cuantice. El a considerat că mecanica cuantică este o teorie valabilă în prezent, dar nu definitivă, pentru fenomenele cuantice. El credea că înlocuirea sa viitoare va necesita progrese conceptuale profunde și nu va veni rapid sau ușor. Dezbaterile Bohr-Einstein oferă o critică vibrantă a interpretării de la Copenhaga din punct de vedere epistemologic. În argumentarea opiniilor sale, el a produs o serie de obiecții, dintre care cea mai faimoasă a devenit cunoscută drept paradoxul Einstein-Podolsky-Rosen.

John Bell a arătat că acest paradox EPR a condus la diferențe testabile experimentale între mecanica cuantică și teoriile care se bazează pe variabile ascunse. Au fost efectuate experimente care confirmă precizia mecanicii cuantice, demonstrând astfel că mecanica cuantică nu poate fi îmbunătățită prin adăugarea de variabile ascunse. Experimentele inițiale ale lui Alain Aspect în 1982 și multe experimente ulterioare au verificat definitiv inseparabilitatea cuantică. La începutul anilor 1980, experimentele au arătat că astfel de inegalități au fost într-adevăr încălcate în practică – astfel că există, de fapt, corelații de tipul celor sugerate de mecanica cuantică. La început, acestea păreau doar ca efecte esoterice izolate, dar până la mijlocul anilor 1990 ele fuseseră codificate în domeniul teoriei informației cuantice și au condus la construcții cu nume precum criptografia cuantică și teleportarea cuantică.

Inseparabilitatea, așa cum s-a demonstrat în experimentele de tip Bell, însă, nu încalcă cauzalitatea, deoarece nu se întâmplă niciun transfer de informații. Inseparabilitateacuantică formează baza criptografiei cuantice, care este propusă pentru utilizarea în aplicații comerciale de înaltă securitate în domeniul bancar și guvernamental.

Interpretarea multor lumi a lui Everett, formulată în 1956, susține că toate posibilitățile descrise de teoria cuantică apar simultan într-un multivers compus din universuri paralele, în cea mai mare parte independente. Acest lucru nu se realizează prin introducerea unor „noi axiome” în mecanica cuantică, ci dimpotrivă, prin eliminarea axiomei colapsului pachetului de unde. Toate stările consistente posibile ale sistemului măsurat și ale aparatului de măsurare (inclusiv observatorul) sunt prezente într-o suprapunere cuantică reală fizică – nu doar matematică, formală, ca în alte interpretări. O astfel de suprapunere a combinațiilor de stări consecvente ale diferitelor sisteme se numește o stare inseparată. În timp ce multiversul este determinist, percepem un comportament non-determinist, guvernat de probabilități, deoarece putem observa doar universul (respectiv, contribuția stării consistente la suprapunerea menționată mai sus) în care noi, ca observatori, locuim. Interpretarea lui Everett este în perfectă concordanță cu experimentele lui John Bell și le face inteligibil intuitive. Totuși, conform teoriei decoerenței cuantice, aceste „universuri paralele” nu vor fi niciodată accesibile pentru noi. Inaccesibilitatea poate fi înțeleasă după cum urmează: odată măsurată, sistemul măsurat devine inseparat atât cu fizicianul care la măsurat, cât și cu un număr mare de alte particule, dintre care unele sunt fotoni care zboară la viteza luminii spre celălalt capăt a universului. Pentru a demonstra că funcția de undă nu a colapsat, ar trebui să se reintroducă toate aceste particule și să se măsoare din nou, împreună cu sistemul care a fost măsurat inițial. Nu numai acest lucru este absolut imposibil, dar chiar dacă teoretic s-ar putea face acest lucru, ar trebui să distrugă orice dovadă că a avut loc măsurarea inițială (inclusiv memoria fizicianului). În lumina acestor teste Bell, Cramer (1986) a formulat interpretarea sa tranzacțională, care este unică în furnizarea unei explicații fizice pentru regula Born. Mecanica cuantică relațională a apărut la sfârșitul anilor 1990 ca derivat modern al interpretării de la Copenhaga.

Interpretări ale mecanicii cuantice

O interpretare a mecanicii cuantice este o încercare de a explica modul în care conceptele din mecanica cuantică corespund realității. Deși mecanica cuantică a susținut o testare experimentală riguroasă și amănunțită, multe dintre aceste experimente sunt deschise interpretărilor diferite. Există o serie de școli de gândire aflate în conflict, cu puncte de vedere diferite cu privire la faptul dacă mecanica cuantică poate fi înțeleasă ca fiind deterministă, dacă elementele mecanicii cuantice pot fi considerate „reale”, și alte aspecte.

Această întrebare este de interes deosebit pentru filozofii fizicii, deoarece fizicienii continuă să manifeste un interes puternic față de subiect. Ei consideră de obicei o interpretare a mecanicii cuantice ca o interpretare a formalismului matematic al mecanicii cuantice, specificând sensul fizic al entităților matematice ale teoriei.

Istoria interpretărilor

Definiția termenilor teoreticianului cuantic, cum ar fi funcțiile de undă și mecanica matriceală, a progresat în mai multe etape. De exemplu, Erwin Schrödinger a privit inițial funcția de undă a electronului ca densitatea de sarcină în câmp, în timp ce Max Born a reinterpretat valoarea pătrată absolută a funcției de undă ca densitatea de probabilitate a electronului distribuită în câmp.

Deși interpretarea de la Copenhaga a fost inițial cea mai populară, decoerența cuantică a câștigat popularitate. Astfel, interpretarea multor lumi a câștigat acceptarea. Mai mult, poziția strict formalistă a fost pusă în discuție de propunerile de experimente falsificabile care ar putea face diferența între interpretări, ca de exemplu prin măsurarea unei conștiințe a inteligenței artificiale, sau prin calculul cuantic.

Ca o dezvoltare generală a viziunii principale în perioada anilor 1990 – 2000, se poate lua în considerare un „instantaneu” al opiniilor colectate într-un sondaj de către Schlosshauer et al. la conferința „Fizica cuantică și natura realității” din iulie 2011. Autorii fac referire la un sondaj similar informal realizat de Max Tegmark la conferința „Probleme fundamentale în teoria cuantică” din august 1997. Concluzia principală a autorilor este că „interpretarea de la Copenhaga încă mai domină”, primind cele mai multe voturi în sondajul lor (42%), pe lângă creșterea notabilă a interpretărilor multor lumi:

„Interpretarea de la Copenhaga încă mai domină, mai ales dacă ținem cont de descendenții intelectuali, cum ar fi interpretările bazate pe informație și interpretarea bayesiană cuantică. În sondajul lui Tegmark, interpretarea Everett a primit 17% din voturi, similar cu numărul de voturi (18%) din sondajul nostru.”

Este demn de remarcat că numai interpretarea tranzacțională a lui Cramer, publicată în 1986, atribuie ca bază fizică afirmația lui Max Born că pătratul absolut al funcției de undă este o densitate de probabilitate.

Natura interpretării

Mai mult sau mai puțin, toate interpretările mecanicii cuantice împărtășesc două calități:

  1. Interpretează un formalism – un set de ecuații și principii care generează predicții prin introducerea condițiilor inițiale
  2. Interpretează o fenomenologie – un set de observații, inclusiv cele obținute prin cercetarea empirică și cele obținute informal, cum ar fi experiența oamenilor dintr-o lume neechivocă

Două calități variază între interpretări:

  1. Ontologia – afirmații despre ce lucruri, cum ar fi categoriile și entităție, există în lume
  2. Epistemologia – afirmații despre posibilitatea, scopul și mijloacele pentru cunoașterea relevantă a lumii

În filosofia științei, distincția dintre cunoaștere și realitate este denumită epistemic versus ontic. O lege generală este o regularitate a rezultatelor (epistemică), în timp ce un mecanism cauzal poate reglementa rezultatele (ontic). Un fenomen poate primi interpretare fie ontică, fie epistemică. De exemplu, indeterminismul poate fi atribuit limitărilor observării și percepției umane (epistemic), sau poate fi explicat ca o realitate existentă, posibil codificată în univers (ontic). Confuzia dintre epistemic și ontic, ca, de exemplu, presupunerea că o lege generală actuală „guvernează” rezultatele – și că afirmația unei regularități are rolul unui mecanism cauzal – este o eroare de categorie.

În sens larg, teoria științifică poate fi văzută ca oferind realism științific – o descriere sau o explicație aproape reală a lumii naturale – sau ar putea fi percepută cu un antirealism. O poziție realistă caută epistemicul și onticul, în timp ce o poziție antirealistă caută epistemicul, dar nu onticul. În prima jumătate a secolului al XX-lea, antirealismul a fost, în principal, pozitivismul logic, care a încercat să excludă din teoria științifică aspecte neobservabile ale realității.

Începând cu anii 1950, antirealismul este mai modest, de obicei prin instrumentalism, permițând să vorbim despre aspecte neobservabile, însă în cele din urmă renunțând la problema realismului și considerând teoria științifică ca un instrument pentru a ajuta oamenii să facă previziuni, nu să ajungă la înțelegerea metafizică a lumii. Vederea instrumentalistă este promovată de faimosul citat al lui David Mermin, „Taci și calculează”, adesea atribuit greșit lui Richard Feynman.

Alte abordări pentru rezolvarea problemelor conceptuale introduc un nou formalism matematic și, prin urmare, propun teorii alternative odată cu interpretările lor. Un exemplu este mecanica bohmiană, a cărei echivalență empirică cu cele trei formalități standard – mecanica ondulatorie a lui Schrödinger, mecanica matriceală a lui Heisenberg și formalismul căii integrale al lui Feynman – a fost demonstrată.

Provocări ale interpretărilor

  1. Natura abstractă, matematică, a teoriilor câmpului cuantic: structura matematică a mecanicii cuantice este matematic abstractă fără o interpretare clară a cantităților sale.
  2. Existența unor procese aparent indeterministe și ireversibile: în teoria câmpului clasic, o proprietate fizică în o anumită locație în câmp este ușor derivată. În majoritatea formulelor matematice ale mecanicii cuantice, măsurarea are un rol special în teorie, deoarece este singurul proces care poate provoca o evoluție neunitară, ireversibilă a stării.
  3. Rolul observatorului în determinarea rezultatelor: interpretarea de la Copenhaga implică faptul că funcția de undă este un instrument de calcul și reprezintă realitatea doar imediat după o măsurătoare, probabil efectuată de un observator; interpretările everettiene susțin că toate posibilitățile pot fi reale și că procesul de interacțiune de tip măsurare provoacă un proces real de ramificare.
  4. Corelațiile neașteptate din punct de vedere clasic între obiectele aflate la distanță: sistemele cuantice inseparate, așa cum este ilustrat în paradoxul EPR, se supun statisticilor care par a viola principiile cauzalității locale.
  5. Complementaritatea descrierilor propuse: complementaritatea susține că niciun set de concepte fizice clasice nu se poate referi simultan la toate proprietățile unui sistem cuantic. De exemplu, descrierea undelor A și descrierea particulelor B pot descrie fiecare sistemul cuantic S, dar nu simultan. Aceasta presupune compoziția proprietăților fizice ale lui S ca nerespectând regulile logicii propoziționale clasice atunci când se folosesc conectorii propoziționali. Ca și contextualitatea, „originea complementarității constă în non-comutativitatea operatorilor” care descriu obiectele cuantice (Omnès 1999).
  6. Creșterea rapida a complexității, depășind cu mult capacitatea de calcul a oamenilor ca dimensiune a sistemului, deoarece spațiul de stare al unui sistem cuantic crește exponențial cu numărul subsistemelor, fiind dificil să se deducă aproximații clasice.
  7. Comportamentul contextual al sistemelor la nivel local: contextualitatea cuantică demonstrează că intuițiile clasice în care proprietățile unui sistem dețin valori definite, independente de modul de măsurare, eșuează chiar și pentru sistemele locale. De asemenea, principiile fizice, cum ar fi principiul lui Leibnitz, de identitate a indiscernabilelor, nu se mai aplică în domeniul cuantic, semnalizând că cele mai multe intuiții clasice pot fi incorecte în lumea cuantică.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *