Kvanttimekaniikan mittausongelma on ongelma sen määrittämisessä, milloin ( ja jos ) aaltofunktion romahdus tapahtuu . Epäonnistuminen suoraan havaitsemasta tällaista romahdusta on synnyttänyt erilaisia tulkintoja kvanttimekaniikasta ja asettanut keskeisen joukon kysymyksiä, joihin jokaisen tulkinnan on vastattava.
Kvanttimekaniikan aaltofunktio kehittyy deterministisesti Schrödingerin yhtälön mukaisesti eri tilojen lineaarisena superpositiona . Todelliset mittaukset löytävät kuitenkin aina fyysisen järjestelmän tietyssä tilassa. Kaikki myöhemmät aaltofunktion evoluutio perustuvat tilaan, jossa järjestelmä löydettiin mittauksessa, mikä tarkoittaa, että mittaus "teki jotain" järjestelmälle, mikä ei selvästikään ole seurausta Schrödingerin evoluutiosta. Mittausongelma kuvaa mitä se "jokin" on, kuinka monen mahdollisen arvon superpositiosta tulee yksi mittausarvo.
Toisin sanoen (parafrasoidaan Steven Weinbergiä [1] [2] ), Schrödingerin aaltoyhtälö määrittää aaltofunktion milloin tahansa myöhemmin. Jos tarkkailijat ja heidän mittauslaitteet kuvataan deterministisellä aaltofunktiolla, miksi emme voi ennustaa tarkkaa mittaustulosta, vaan vain todennäköisyyksiä? Tai yleisemmin: Kuinka voidaan luoda vastaavuus kvantin ja klassisen todellisuuden välillä? [3]
Ajatuskoe, jota usein käytetään havainnollistamaan mittausongelmaa, on Schrödingerin kissan "paradoksi" . Mekanismi on suunniteltu tappamaan kissa, jos tapahtuu kvanttitapahtuma, kuten radioaktiivisen atomin hajoaminen. Siten massiivisen esineen, kissan, kohtalo kietoutuu kvanttiobjektin, atomin, kohtaloon. Ennen havaintoa Schrödingerin yhtälön ja lukuisten hiukkaskokeiden mukaan atomi on kvanttisuperpositiossa , lineaarisessa yhdistelmässä rappeutuneita ja hajoamattomia tiloja, jotka kehittyvät ajan myötä. Siksi kissan on oltava myös superpositiossa, lineaarisessa yhdistelmässä tiloja, joita voidaan luonnehtia "eläväksi kissaksi" ja tiloja, joita voidaan luonnehtia "kuolleiksi kissaksi". Jokainen näistä mahdollisuuksista liittyy tiettyyn nollasta poikkeavaan todennäköisyysamplitudiin . Yksittäinen , erillinen kissan havainto ei kuitenkaan löydä superpositiota: se löytää aina joko elävän tai kuolleen kissan. Tarkkailun jälkeen kissa on varmasti elossa tai kuollut. Kysymys: Miten todennäköisyydet muuttuvat todelliseksi, hyvin määritellyksi klassiseksi tulokseksi?
Kööpenhaminan tulkinta on kvanttimekaniikan vanhin ja ehkä edelleenkin laajimmin hyväksytty tulkinta. [4] [5] [6] [7] Yleisesti se olettaa, että havainnointitapahtumassa on jotain, joka saa aaltofunktion romahtamaan . Se, miten tämä tapahtuu, on kiistanalainen asia. Yleensä Kööpenhaminan tulkinnan kannattajat eivät suvaitse sen taustalla olevan mekanismin epistemologisia selityksiä. Tämä kanta on tiivistetty usein lainatussa mantrassa "Turpa kiinni ja laske!" [kahdeksan]
Hugh Everettin monien maailmojen tulkinta yrittää ratkaista ongelman olettamalla, että on olemassa vain yksi aaltofunktio, koko maailmankaikkeuden superpositio, ja että se ei koskaan romahda, joten mittausongelmaa ei ole. Sen sijaan mittaustoimenpide on yksinkertaisesti vuorovaikutusta kvanttiobjektien välillä, esim. tarkkailija, mittauslaite, elektroni/positroni jne., jotka sotkeutuvat yhdeksi suuremmaksi esineeksi, esim . elävä kissa/onnellinen tiedemies . Everett yritti myös osoittaa, kuinka kvanttimekaniikan todennäköisyys voi näkyä mittauksessa; työtä laajentaa myöhemmin Bryce DeWitt .
De Broglie-Bohmin teoria yrittää ratkaista mittausongelman hyvin eri tavalla: järjestelmää kuvaava tieto sisältää paitsi aaltofunktion, myös lisätietoa (rata), joka antaa tietoa hiukkasen (hiukkasten) sijainnista. Aaltofunktion tehtävänä on muodostaa hiukkasille nopeuskenttä. Nämä nopeudet ovat sellaiset, että hiukkasten todennäköisyysjakauma pysyy vakiona tavanomaisen kvanttimekaniikan ennusteiden kanssa. De Broglie-Bohmin teorian mukaan vuorovaikutus ympäristön kanssa mittaustoimenpiteen aikana erottaa aaltopaketit (ryhmät) konfiguraatiotilassa, josta aaltofunktion romahdus on ilmeisesti lähtöisin , vaikka romahdusta ei todellisuudessa olekaan.
Ghirardi-Rimini-Weberin teoria eroaa muista romahdusteorioista olettamalla, että aaltofunktion romahtaminen tapahtuu spontaanisti. Hiukkasilla on nollasta poikkeava todennäköisyys kokea "kohoaminen" tai spontaani aaltofunktion romahdus luokkaa kerran sadassa miljoonassa vuodessa. [9] Vaikka romahtaminen on erittäin harvinaista, hiukkasten absoluuttinen lukumäärä mittausjärjestelmässä tarkoittaa, että romahtamisen todennäköisyys jossain systeemissä on suuri. Koska koko mittausjärjestelmä on sotkeutunut (kvanttikietoutumisella), yhden hiukkasen romahtaminen käynnistää koko mittauslaitteen romahtamisen.
Erich Yus ja en:H. Dieter Zeh väittää, että 1980-luvulla levinnyt kvanttidekoherenssi-ilmiö ratkaisee ongelman . [10] Ajatuksena on, että ympäristö on syy makroskooppisten esineiden klassiseen ulkonäköön. Zech jatkaa, että dekoherenssi mahdollistaa sen sumean rajan tunnistamisen kvanttimikrokosmosen ja sen maailman välillä, jossa klassista intuitiota voidaan soveltaa. [11] [12] Kvanttidekoherenssia on ehdotettu monien maailmojen tulkinnan yhteydessä , mutta siitä on tulossa myös tärkeä osa nykyaikaisia päivityksiä Kööpenhaminan tulkintaan , joka perustuu yksimieliseen historiaan . [13] [14] Kvanttidekoherenssi ei kuvaa aaltofunktion todellista romahtamista, mutta se selittää kvanttitodennäköisyyksien (joissa esiintyy häiriövaikutuksia) siirtymisen tavallisiin klassisiin todennäköisyyksiin. Katso esimerkkejä Zurek [3] , Zech [11] ja Schlosshauer [15] .
Tämä tilanne selkiytyy vähitellen, kuten Schlosshauerin vuonna 2006 julkaisemassa asiakirjassa [16] kuvataan :
Aiemmin on esitetty useita epäkoherenssiehdotuksia todennäköisyyksien merkityksen selittämiseksi ja Bornin sääntöön... On reilua sanoa, että ilmeisesti ei ole tehty lopullisia johtopäätöksiä näiden johtopäätösten onnistumisesta. … Kuten hyvin tiedetään [kuten monet Bohrin muistiinpanot vaativat] klassisten käsitteiden perustavanlaatuinen rooli. Kokeellinen todistus makroskooppisesti erilaisten tilojen superpositioista yhä suuremmissa mittakaavaissa vastustaa tällaista sanontaa. Superpositiot osoittautuvat epätavallisiksi ja yksilöllisesti olemassa oleviksi tiloiksi, usein ilman kaksosia. Vain järjestelmien väliset fyysiset vuorovaikutukset määräävät spesifisen hajoamisen klassisiksi tiloihin kunkin järjestelmän näkökulmasta. Siten klassiset käsitteet on ymmärrettävä paikallisesti syntyneiksi suhteellisen tilan merkityksessä, eivätkä ne saa enää vaatia perustavaa laatua olevaa roolia fysikaalisessa teoriassa.Neljännen lähestymistavan antavat objektiivisen vähentämisen mallit . Tällaisissa malleissa Schrödingerin yhtälöä muutetaan ja se saa epälineaariset ehdot. Nämä epälineaariset stokastiset modifikaatiot johtavat käyttäytymiseen, joka mikroskooppisten kvanttiobjektien, kuten elektronien tai atomien, kohdalla on mittaamattoman lähellä tavallisella Schrödingerin yhtälöllä saatua käyttäytymistä. Makroskooppisille kohteille tämä epälineaarinen muunnos tulee kuitenkin tärkeäksi ja aiheuttaa aaltofunktion romahtamisen. Objektiiviset pelkistysmallit viittaavat fenomenologisiin teorioihin . Stokastisen muunnelman katsotaan johtuvan jostain ulkoisesta ei-kvanttikentästä, mutta tämän kentän luonnetta ei tunneta. Yksi mahdollinen ehdokas on gravitaatiovuorovaikutus sekä Diosin malleissa että Penrosen tulkinnassa . Suurin ero objektiivisten pelkistysmallien välillä muihin yrityksiin verrattuna on se, että ne tekevät väärennettyjä ennusteita, jotka eroavat tavallisesta kvanttimekaniikasta. Kokeet ovat jo lähellä parametrijärjestelmää, jossa näitä ennusteita voidaan testata. [17]