Problema de măsurare în mecanica cuantică este problema de a determina când ( și dacă ) are loc colapsul funcției de undă . Eșecul de a observa direct un astfel de colaps a dat naștere la diferite interpretări ale mecanicii cuantice și a pus un set cheie de întrebări la care fiecare interpretare trebuie să răspundă.
Funcția de undă în mecanica cuantică evoluează determinist conform ecuației Schrödinger ca o suprapunere liniară a diferitelor stări. Cu toate acestea, măsurătorile reale găsesc întotdeauna sistemul fizic într-o anumită stare. Orice evoluție ulterioară a funcției de undă se bazează pe starea în care a fost găsit sistemul în măsurare, ceea ce înseamnă că măsurarea „a făcut ceva” asupra sistemului, ceea ce în mod clar nu este o consecință a evoluției lui Schrödinger. Problema măsurării descrie ce este acel „ceva”, cum o suprapunere a mai multor valori posibile devine o singură valoare măsurată.
Cu alte cuvinte (pentru a-l parafraza pe Steven Weinberg [1] [2] ), ecuația de undă Schrödinger determină funcția de undă în orice moment ulterior. Dacă observatorii și instrumentele lor de măsură sunt descrise printr-o funcție de undă deterministă, de ce nu putem prezice rezultatul exact al măsurătorilor, ci doar probabilități? Sau mai general: Cum se poate stabili o corespondență între realitatea cuantică și cea clasică? [3]
Un experiment de gândire folosit adesea pentru a ilustra problema măsurării este „paradoxul” pisicii lui Schrödinger . Mecanismul este conceput pentru a ucide pisica dacă are loc vreun eveniment cuantic, cum ar fi dezintegrarea unui atom radioactiv. Astfel, soarta obiectului masiv, pisica, este împletită cu soarta obiectului cuantic, atomul. Înainte de observație, conform ecuației Schrödinger și a numeroaselor experimente cu particule, atomul se află într-o suprapunere cuantică , o combinație liniară de stări degradate și nedegradate care evoluează în timp. Prin urmare, pisica trebuie să fie și ea într-o suprapunere, o combinație liniară de stări care pot fi caracterizate drept „pisica vie” și stări care pot fi caracterizate drept „pisica moartă”. Fiecare dintre aceste posibilități este asociată cu o amplitudine specifică de probabilitate diferită de zero . Cu toate acestea, o singură observație separată a unei pisici nu găsește o suprapunere: găsește întotdeauna fie o pisică vie, fie o pisică moartă. După observație, pisica este cu siguranță vie sau moartă. Întrebare: Cum se traduc probabilitățile într-un rezultat clasic real, bine definit?
Interpretarea de la Copenhaga este cea mai veche și poate încă cea mai larg acceptată interpretare a mecanicii cuantice. [4] [5] [6] [7] În general, postulează că există ceva în actul de observație care provoacă colapsul funcției de undă . Cum se întâmplă acest lucru este o chestiune de controversă. În general, susținătorii Interpretării de la Copenhaga tind să fie intoleranți cu explicațiile epistemologice ale mecanismului din spatele acesteia. Această poziție este rezumată în mantra des citată „Taci și calculează!” [opt]
Interpretarea lui Hugh Everett în multe lumi încearcă să rezolve problema presupunând că există o singură funcție de undă, suprapunerea întregului univers și că nu se prăbușește niciodată, deci nu există nicio problemă de măsurare. În schimb, actul de măsurare este pur și simplu o interacțiune între obiecte cuantice, de exemplu un observator, un instrument de măsurare, un electron/pozitron etc., care se încurcă pentru a forma un singur obiect mai mare, de exemplu o pisică vie/un om de știință fericit . Everett a încercat, de asemenea, să demonstreze modul în care natura probabilistică a mecanicii cuantice ar putea apărea într-o măsurătoare; lucrarea este mai târziu extinsă de Bryce DeWitt .
Teoria de Broglie-Bohm încearcă să rezolve problema de măsurare într-un mod foarte diferit: informațiile care descriu sistemul conțin nu numai funcția de undă, ci și date suplimentare (traiectorie) care oferă informații despre poziția particulei (particulelor). Rolul funcției de undă este de a forma un câmp de viteză pentru particule. Aceste viteze sunt astfel încât distribuția probabilității pentru particule rămâne constantă cu predicțiile mecanicii cuantice convenționale. Conform teoriei De Broglie-Bohm, interacțiunea cu mediul în timpul procedurii de măsurare separă pachetele de undă (grupurile) din spațiul de configurare, din care vine evident colapsul funcției de undă , chiar dacă de fapt nu există nicio colaps.
Teoria Ghirardi-Rimini-Weber diferă de alte teorii de colaps prin presupunerea că prăbușirea funcției de undă are loc spontan. Particulele au o probabilitate diferită de zero de a suferi o „denivelare” sau colaps spontan al funcției de undă de ordinul a o dată la fiecare sută de milioane de ani. [9] Deși colapsul este foarte rar, numărul absolut de particule dintr-un sistem de măsurare înseamnă că probabilitatea ca un colaps să se producă undeva în sistem este mare. Deoarece întregul sistem de măsurare este încurcat (prin încurcare cuantică), colapsul unei particule inițiază colapsul întregului instrument de măsurare.
Erich Yus și en:H. Dieter Zeh susține că fenomenul decoerenței cuantice , care a decolat în anii 1980, rezolvă problema. [10] Ideea este că mediul este cauza apariției clasice a obiectelor macroscopice. Zech continuă afirmând că decoerența face posibilă identificarea acelei granițe neclare dintre microcosmosul cuantic și lumea în care intuiția clasică este aplicabilă. [11] [12] Decoerența cuantică a fost propusă în contextul interpretării multi-lumi , dar devine, de asemenea, o parte importantă a unor actualizări moderne ale interpretării de la Copenhaga bazate pe istorii consensuale . [13] [14] Decoerența cuantică nu descrie colapsul real al funcției de undă, dar explică tranziția probabilităților cuantice (care prezintă efecte de interferență) la probabilitățile clasice obișnuite. Vezi, de exemplu, Zurek [3] , Zech [11] și Schlosshauer [15] .
Această situație devine treptat mai clară, așa cum este descris într-o lucrare din 2006 a lui Schlosshauer [16] :
Mai multe propuneri de non-decoerență au fost înaintate în trecut pentru a explica semnificația probabilităților și au venit cu regula lui Born... Este corect să spunem că aparent nu s-a tras o concluzie definitivă cu privire la succesul acestor concluzii. … După cum este bine cunoscut [cum insistă multe dintre notele lui Bohr] rolul fundamental al conceptelor clasice. Dovada experimentală a suprapunerilor de stări macroscopice diferite pe scale de lungime din ce în ce mai mari contracarează o astfel de zicală. Suprapozițiile se dovedesc a fi stări neobișnuite și existente individual, adesea fără gemeni. Doar interacțiunile fizice dintre sisteme determină descompunerea specifică în stări clasice din punctul de vedere al fiecărui sistem specific. Astfel, conceptele clasice trebuie înțelese ca aparținând local în sensul unei stări relative și nu trebuie să mai pretindă un rol fundamental în teoria fizică.A patra abordare este dată de modele de reducere obiectivă . În astfel de modele, ecuația Schrödinger este modificată și dobândește condiții neliniare. Aceste modificări neliniare de natură stocastică duc la un comportament care, pentru obiectele cuantice microscopice, cum ar fi electronii sau atomii, este incomensurabil de apropiat de cel obținut prin ecuația obișnuită Schrödinger. Pentru obiectele macroscopice, totuși, această modificare neliniară devine importantă și provoacă colapsul funcției de undă. Modelele de reducere obiectivă se referă la teorii fenomenologice . Modificarea stocastică este considerată a fi datorată unui câmp extern non-cuantic, dar natura acestui câmp este necunoscută. Un posibil candidat este interacțiunea gravitațională atât în modelele Diosi, cât și în interpretarea Penrose . Principala diferență dintre modelele de reducere obiectivă în comparație cu alte încercări este că ele fac predicții falsificabile care diferă de mecanica cuantică standard. Experimentele sunt deja aproape de regimul de parametri în care aceste predicții pot fi testate. [17]