Problema cuantice de măsurare constă , de fapt , dintr - un set de probleme, care evidențiază dificultățile de corelare între postulatele mecanicii cuantice și lumea macroscopică așa cum apare la noi sau cum este măsurat.
Aceste probleme sunt:
Chiar dacă aceste două probleme sunt legate, este important să le deosebim, deoarece unele soluții precum decoerența oferă un răspuns la problema 2, dar nu la problema 1.
Problema măsurării a fost formalizată pentru prima dată de John von Neumann în 1932 în cartea sa The Mathematical Foundations of Quantum Mechanics (Capitolul VI). Ulterior, în 1935, a fost popularizat de Erwin Schrödinger cu celebrul său „ paradox al pisicii ”.
Întrucât această problemă a făcut obiectul multor dezbateri și încă în secolul al XXI- lea a făcut obiectul unor controverse, chiar dacă soluțiile au fost stabilite și sunt acceptate de majoritatea (dar nu de toți) fizicienii.
Să ne amintim rapid postulatele mecanicii cuantice, care sunt discutate în restul articolului:
Problema de măsurare constă, de fapt, dintr-un set de probleme, care evidențiază dificultățile de corelație dintre postulatele mecanicii cuantice și lumea macroscopică așa cum ni se pare sau este măsurată.
Aceste probleme sunt:
Chiar dacă aceste două probleme sunt legate, este important să le deosebim, deoarece unele soluții precum decoerența oferă un răspuns la PMQ2, dar nu la PMQ1.
Postulatul 5 poate fi văzut ca matematic și logic incompatibil cu postulatul 6. Într-adevăr, conform postulatelor 1 și 6, starea fizică și evoluția sa sunt descrise pe deplin și complet de un vector și evoluția sa prin ecuația de Schrödinger . Postulatul 5 (care descrie și o anumită „evoluție” a funcției de undă ) nu are deci niciun motiv logic să existe și ar trebui să fie „conținut” într-un mod ascuns în postulatul 6 dacă postulatul 1. este corect.
Cu toate acestea, este dificil să se vadă, a priori , cum postulatul 5 ar putea fi derivat din postulatul 6:
Se pune, de asemenea, întrebarea, în raport cu această problemă, de a ști când (sau pe ce criterii) să folosim postulatul 5 mai degrabă decât postulatul 6 (sau invers) pentru a face față evoluției unui sistem. Nu există un criteriu matematic formal pentru a ști dacă este necesar, în fața unui anumit sistem cuantic, să se folosească mai degrabă unul sau altul pentru a face față evoluției sale.
Această ultimă întrebare are o importanță capitală în ceea ce privește calculul cuantic, deoarece acesta din urmă se bazează pe stăpânirea evoluției unui sistem cuantic și pe aplicarea postulatului 5 (obținerea rezultatului unui algoritm cuantic) în raport cu postulatul 6 (care guvernează mecanismul algoritmului cuantic în sine). Prin urmare, în legătură cu această problemă, noi elemente de răspuns trebuie așteptate de la dezvoltarea acestei discipline.
Aceste considerații au determinat mulți fizicieni să pună sub semnul întrebării fie postulatul 1 (teorii cu variabile ascunse nelocale , intervenția conștiinței), fie postulatul 5 (universuri multiple, decoerență). Singura soluție care nu pune sub semnul întrebării niciun postulat este interpretarea de la Copenhaga .
Încă nu există nicio soluție recunoscută în unanimitate de comunitatea fizicii, chiar dacă unele sunt mai acceptate decât altele.
Conform abordării pozitiviste, mecanica cuantică nu este menită să descrie realitatea. Această abordare se bazează pe observația că nu există nicio problemă reală, cu excepția cazului în care considerăm că postulatele mecanicii cuantice au o anumită ontologie și descriu (cel puțin parțial) realitatea. Dacă luăm poziția că postulatele nu descriu realitatea în sine , ci ceea ce putem ști în mod pragmatic despre aceasta, atunci aceste probleme devin lipsite de sens, deoarece aceste probleme nu mai privesc realitatea în sine, ci un axiomatic care este „așa cum este” și care nu trebuie să-și justifice neconcordanțele atâta timp cât dă rezultate care sunt, din toate punctele de vedere, corecte. Cu atât mai puțin trebuie să justifice lipsa de coerență între formalismul său și ideile noastre preconcepute despre cum ar trebui să arate lumea. După cum scrie WH Zurek : „Singurul eșec al mecanicii cuantice este că nu ar putea fi de acord cu prejudecățile noastre”.
Această abordare pragmatică și pozitivistă este, de altfel, esența interpretării de la Copenhaga a fizicii cuantice.
Interpretarea de la CopenhagaAceastă abordare se bazează pe convingerea că mecanica cuantică este doar o descriere a tot ceea ce putem ști despre realitate, dar nu descrie realitatea în sine.
Mai mult, fiind de ascultare pozitivistă, această abordare neagă faptul că conceptul de „realitate” are un sens științific și că este exclus orice raționament sau problemă de natură științifică în raport cu o „realitate”. În special, această interpretare afirmă că problema de a cunoaște care este starea reală a unei particule între două măsurători nu are sens.
Stephen Hawking rezumă bine această abordare, cu sensul său de expresie: „Nu cer ca o teorie să corespundă realității, pentru că nu știu ce este realitatea. Nu este ceva care poate fi testat cu hârtie cu pH . Tot ceea ce contează pentru mine este că teoria prezice corect rezultatul unui experiment. "
Această abordare este, în secolul XXI , „soluția oficială” a problemei măsurării și este o opinie majoritară în rândul fizicienilor, deși un număr tot mai mare dintre aceștia acordă interes teoriei decoerenței .
Fizicienii reprezentativi ai acestei abordăriNiels Bohr (inițiatorul interpretării de la Copenhaga), Stephen Hawking
Alte abordări pozitivisteDe la interpretarea de la Copenhaga, curentul pozitivist a continuat să comenteze problema măsurării, luând în considerare epistemologia modernă. În afară de fizicieni, epistemologii și filozofii au abordat această problemă.
Curent wittgensteinianAcest curent încearcă să arate că problema măsurării este o problemă datorată impreciziei limbajului în care teoria cuantică este formulată pe de o parte și paradoxul însuși pe de altă parte.
Exemplul 1Teza 1: „După pregătirea Schrödinger pisica este în starea : . "
Fraza 2: „Am constatat experimental că pisica este fie în starea „ vie ”este în starea „ moarte ”. "
Fără starea de cuvânt comun , cele două propoziții nu s-ar contrazice.
În propoziția 1, este o stare dinamică: „Cum ar evolua sistemul dacă ar fi izolat? "
În propoziția 2, este o stare de valoare: „Ce observabile au o valoare și care este acea valoare?” "
Exemplul 2„Care este soluția la problema măsurării? Spun că este aceasta: când măsurăm X cu stări proprii , rezultatul este observat cu probabilitatea :, unde este starea inițială. La asta ne-am întors și va fi, de asemenea, un bun punct de plecare ”( S. Saunders , 1994)
Negarea postulatului 5Unii pozitivisti urmează aceeași direcție ca teoria decoerenței (a se vedea mai jos) pentru a rezolva PMQ2, negând postulatul 5 . Această poziție este cea a pozitivistilor mai mari și mai „duri” (pozitivistii standard prescriu doar folosind Postulatul 5 ca „rețetă” utilă). Bas van Fraassen scrie: „Nici postulatul proiecției și niciun alt principiu de interpretare nu sunt necesare pentru a explica repetabilitatea”. Nu este nevoie să „reduceți” vectorul de stare pentru a lua în considerare informațiile obținute în timpul unei secvențe de experimente anterioare. În special, nu este necesar să-l „reducem” pentru a explica faptul că probabilitatea de a repeta același rezultat în cazul unei a doua măsurători identice imediat după este egală cu 1. „Starea dinamică” nu trebuie modificată brusc; evoluează, se împletește , dar nu trebuie niciodată „redus”. Roland Omnès , care este departe de a fi pozitivist, a arătat că putem face fără postulatul 5 . În funcție de rezultat, nu este esențial să urmați secvența obișnuită: (a) pregătire, (b) definirea unui vector de stare, (c) prima măsurare, (d) reducerea vectorului de stare, apoi (e) calcularea probabilitate pentru rezultatul unei noi măsurători din vectorul de stare redusă. În schimb, putem calcula, direct din vectorul de stare inițial, probabilitatea condiționată de a obține un rezultat în timpul celei de-a doua măsurători dacă un astfel de rezultat a fost obținut pentru prima măsurare. Acest rezultat susține propoziția lui Saunders care sugerează că tot ceea ce trebuie să „interpretăm” mecanica cuantică în cel mai economic mod posibil este să aplicăm pe larg Postulatul 4 al evaluării probabilității.
Această abordare, la fel ca teoria decoerenței, nu răspunde pe deplin la PMQ1.
Elemente în favoarea abordării pozitivisteÎntrebarea de a ști dacă acesta este un element nefavorabil sau favorabil interpretării pozitiviste rămâne totuși deschisă. La urma urmei, poate fi util în anumite etape ale dezvoltării științei să arate că o problemă este prost pusă sau nu există. Gândiți-vă doar la Galileo, care a considerat că nu este nevoie să vă întrebați între două telefoane mobile în traducere uniformă unul față de celălalt, care este „într-adevăr” în repaus și care este „cu adevărat” în mișcare. La acea vreme, aristotelicii l-au criticat pentru că nu dorea să răspundă la o întrebare științifică „reală”; dar Galileo s-a ținut de poziția sa că principiul său relativității face ca problema mișcării „reale” să nu aibă sens.
Contrar abordării pozitiviste, un număr de fizicieni consideră că postulatele mecanicii cuantice ne spun ceva despre realitatea fizică și, prin urmare, caută consistența și semnificația postulatelor și adecvarea lor cu realitatea.
Mecanica cuantică descrie în totalitate realitateaDiferitele abordări ale acestei categorii se bazează pe convingerea că postulatele 1 și 6 sunt corecte, adică realitatea este determinată în întregime de un vector de stare , a cărui evoluție este guvernată de ecuația lui Schrödinger .
Postulatul 5 este apoi fie negat, fie dedus din postulatul 6.
Lume multiple sau „teoria stărilor relative”Această abordare, inițiată de Hugh Everett în 1957, determină partidul să considere că toată realitatea este descrisă de postulatul 6 și stipulează că postulatul 5 este doar o iluzie .
Aceasta înseamnă că, atunci când o măsurare cuantică poate da mai multe rezultate diferite, setul de suprapuneri ale tuturor valorilor posibile ale măsurării coexistă într-un multivers , dar am fi conștienți de o singură eventualitate deoarece conștiința noastră (care este prin ipoteză, în această teorie, un fenomen pur fizic) se găsește încurcat cuantic cu un singur și singur rezultat al măsurării.
Cu alte cuvinte, să fie o stare cuantică care trebuie măsurată printr-un A observabil , descompus într-un set complet de proiectoare ortogonale .
Conform postulatului 5, starea cuantică evoluează într-o stare (determinată aleatoriu) după o măsurare prin acest observabil.
Conform teoriei lumilor multiple, starea cuantică , după măsurarea aceluiași observabil, evoluează în:
Prin urmare, observatorul (și partea universului încurcat cu el) „se desparte” de fiecare dată când o măsurare cuantică poate da mai multe rezultate diferite.
Prin urmare, este imposibil, pentru o anumită stare de conștiință, să percepem setul de stări suprapuse, oricât de reale sunt conform acestei teorii. Acest lucru dă sens postulatului 5 care apoi nu descrie realitatea, ci o iluzie datorată conștiinței noastre.
Prin urmare, se explică PMQ1 și PMQ2: aspectul aleatoriu și discontinuu (PMQ1) al evoluției funcției de undă, precum și ruptura de liniaritate și unitaritate (PMQ2) este doar un aspect înșelător și n nu există la nivelul multiversului.
Este important să rețineți că, deși implică noțiunea de conștiință, această abordare trebuie distinsă de alte abordări care implică conștiința. În teoria lumilor multiple, conștiința este un fenomen fizic care intră în întregime în sfera postulatului 6 . În alte abordări care implică conștiința, conștiința este fie în afara legilor cuantice, fie descrisă de fizica cuantică modificată. Am putea la fel de ușor să vorbim despre „starea aparatului de măsurare” mai degrabă decât „starea de conștiință”.
Elemente în favoarea acestei abordăriHugh Everett , David Deutsch , John Wheeler , DeWitt și Graham
DecoerențăAceastă abordare își propune să demonstreze că postulatul 5 este o consecință a postulatului 6, deși aceste două postulate par a priori incompatibile. Ideea acestei abordări este că, dacă un sistem cuantic nu poate fi perfect izolat, atunci interacțiunea sa cu mediul său duce în mod necesar la dispariția suprapunerilor cuantice.
Cu alte cuvinte, conform acestei abordări, realitatea este într-adevăr descrisă numai și în întregime de postulatul 6, dar faptul că un sistem cuantic nu poate fi niciodată „pur” și decorat cu mediul său implică necesitatea postulatului 5.
Decoerența este modelată folosind formalismul matricei de densitate . Putem arăta apoi că matricea de densitate corespunzătoare unui sistem cuantic tinde foarte repede să devină diagonală atunci când acest sistem cuantic este pus în interacțiune cu un „mediu”. Faptul că matricea densității devine „diagonală” înseamnă că stările suprapuse (particula în două stări în același timp, de exemplu) tind să dispară. Ne găsim apoi într-o situație foarte apropiată de cea stipulată de postulatul 5.
Este important de reținut că postulatul 5 nu este demonstrat și dedus strict și riguros de această teorie. Diferențele față de postulatul 5 sunt:
Prin urmare, Postulatul 5 este văzut de această teorie doar ca o aproximare (excelentă) a ceea ce se întâmplă de fapt în timpul unui proces de măsurare cuantică.
Prin urmare, această abordare oferă un răspuns la PMQ2: stările suprapuse tind să dispară (devin nedetectabile) și nu putem detecta în practică decât stările cuantice având o valoare definită, de unde postulatul 5.
În schimb, această abordare lasă PMQ1 inexplicabilă. Iată un citat din Erich Joos despre acest subiect: „Rezolvă decoerența problema măsurării? Cu siguranta nu. Într-o etapă sau alta, va trebui să aplicăm regulile probabilistice obișnuite ale teoriei cuantice. Ele sunt, de exemplu, ascunse în matricile de densitate. "
Elemente în favoarea acestei abordăriHans Dieter Zeh , Wojciech Hubert Zurek , Erich Joos , Serge Haroche
Povești coerenteAceastă abordare a fost propusă de Robert B. Griffiths în 1984 și apoi a fost preluată și dezvoltată de Roland Omnès 1987 și Murray Gell-Mann în 1990.
Acesta constă în modelarea evoluției unui sistem cuantic printr-o „istorie consecventă”. O istorie este o secvență de sub- spații vectoriale (care, să ne amintim, conform postulatului 1, fiecare reprezintă o stare cuantică a sistemului), uneori .
Timpii nu sunt aleatorii, ci sunt caracterizați de un anumit eveniment sau de modificări ale proprietăților sistemului , în funcție de experiența efectuată și de sistemul descris. De fiecare dată este asociat cu un observabil care se descompune într-un set complet de proiectoare ortogonale .
De fiecare dată , observabilul asociat împarte povestea curentă în n povești diferite, n fiind numărul de proiectoare ortogonale ale observabilului. De exemplu, dintr-o stare (un subspatiu vectorial) la timp , avem n subspatii F 2.1 , F 2.2 , .., F 2.n la timp etc. Prin urmare, avem un arbore istoric care se ramifică de fiecare dată t.
Prin urmare, o poveste constă în urmărirea unei căi în acest arbore, selectând de fiecare dată t un subspatiu dintre toate cele posibile.
Dintre toate aceste povești, toate aceste căi, unele sunt calificate drept consecvente , dacă îndeplinesc anumite condiții. Aceste condiții exprimă în esență că, oricare ar fi subspaiile luate într-o poveste, stările corespunzătoare sunt fără interferențe cuantice, adică se exclud reciproc. Acestea sunt singurele povești reținute în calcule, celelalte sunt considerate „ireale”.
Acest model face posibilă găsirea regulilor de calcul al probabilității descrise de postulatul 4 și realizarea unor prognoze experimentale verificate. Acest lucru justifică faptul că poveștile inconsistente sunt într-adevăr ireale. În aceste condiții, acest lucru face posibilă furnizarea unui răspuns la PMQ2: stările suprapuse sunt ireale și, deoarece nu plecăm de la postulatul 6 pentru a ajunge la această concluzie (ci dintr-un model), nu există nicio contradicție cu postulatul 6, ceea ce face, de asemenea, posibil să răspundă la PMQ1.
Fizicienii reprezentativi ai acestei abordăriRobert B. Griffiths , Roland Omnès , Murray Gell-Mann , Jim Hartle
Mecanica cuantică trebuie schimbatăSoluțiile văzute până acum se bazează, în totalitate sau parțial, pe postulatele mecanicii cuantice care sunt considerate corecte. Soluțiile din acest capitol, dimpotrivă, consideră că soluțiile reale la problema măsurătorii pot fi găsite doar prin punerea în discuție mai mult sau mai puțin fundamental a acestor postulate.
Broglie / Bohm Pilot WaveAceastă abordare a fost concepută în 1927 de către fizicianul francez Louis de Broglie pentru a rezolva problema dualității undă / particulă. Ideea de bază este că realitatea cuantică este alcătuită din două componente fundamentale: o undă, cunoscută sub numele de undă pilot (fără substrat material) și corpusculii înșiși. Unda este guvernată conform ecuației Schrödinger. Corpusculii ar trebui să fie „ghidați” de această undă și ar fi mai probabil să urmeze o anumită direcție în spațiu, deoarece unda are un modul ridicat în această regiune. Natura fizică a valului pilot nu este explicată: este considerată ca manifestarea variabilelor ascunse, nu locale.
Această abordare, abandonată inițial de de Broglie, a fost perfecționată de David Bohm în 1952 până când a reușit să reproducă, calitativ și cantitativ, toate previziunile mecanicii cuantice standard.
În acest formalism, funcția de undă (unda pilot) nu este suficientă pentru a descrie complet starea unui sistem, este necesar să îi adăugați o poziție (poziția centrului de masă al sistemului). În ceea ce privește mecanica clasică, unde pericolul este eliminat prin cunoașterea completă și precisă a condițiilor inițiale, pericolul de măsurare în mecanica cuantică este, conform acestei teorii, eliminat prin cunoașterea poziției inițiale.
Prin urmare, această teorie explică foarte bine problema măsurării, deoarece, pentru PMQ1, indeterminismul este generat de o lipsă a cunoștințelor inițiale ale sistemului (considerate ca „ variabile ascunse ”). În plus, în timpul unei măsurări, nu măsurăm niciodată funcția undei, ci impactul particulelor și, conform acestei teorii, poziția particulelor există înainte de măsurare. Măsurarea relevă doar aceste poziții. Prin urmare, această teorie explică foarte bine PMQ2, deoarece suprapunerea cuantică se referă doar la undă și nu la poziții.
Pe de altă parte, această teorie nu ar putea fi pe deplin reconciliată cu relativitatea și nu este complet covariantă (adică legile sale nu sunt exprimate în același mod în toate cadrele de referință.).
Elemente în favoarea acestei abordăriLouis de Broglie , David Joseph Bohm , Jean-Pierre Vigier , John Stewart Bell , Basil Hiley , Sheldon Goldstein , Jean Bricmont .
Reducerea obiectivă a pachetelor de undeAceastă abordare abordează problema în modul cel mai frontal și direct: întrucât postulatul 5 este (conform susținătorilor acestei abordări) iremediabil incompatibil cu postulatul 6, trebuie să deducem că există încă fenomene fizice necunoscute care cauzează în mod obiectiv (adică fără intervenția unei conștiințe care ar fi în afara fizicului) prăbușirea funcției de undă. Prin urmare, această abordare implică „variabile ascunse”, nu locale, care ar fi responsabile pentru postulatul 5.
Prin urmare, această abordare adaugă termeni neliniari suplimentari la ecuația Schrödinger pentru a găsi rezultatele postulatului 5. Acești termeni reprezintă fenomene fizice variabile, conform autorilor:
Aceste abordări împărtășesc o serie de dezavantaje.
În primul rând, la fel ca abordarea lui Bohm , termenii neliniari asociați cu variabilele ascunse au dificultăți în a fi relativ covarianți . Cu toate acestea, lucrările recente (de exemplu, O versiune relativistă a modelului Ghirardi-Rimini-Weber ) tind să depășească aceste dificultăți.
Apoi, se poate reproșa, pentru aceste teorii, o abordare ad hoc (adică teoria este inventată în funcție de rezultatele așteptate și nu se bazează pe o teorie existentă care ar duce în mod natural la aceste rezultate).
Până în prezent, aceste teorii au fost criticate pentru că nu sunt refutabile , dar progresele recente aduc din nou propuneri de experimente (de exemplu, Către suprapuneri cuantice ale unei oglinzi ).
Pe de altă parte, cu aceste abordări, PMQ1 și PMQ2 obțin răspunsuri clare și directe. Ingredientul „nedeterminist” este furnizat de variabilele ascunse. Iar neliniaritatea postulatului 5 provine din neliniaritatea termenilor suplimentari.
Elemente în favoarea acestei abordăriRoger Penrose , Ghirardi / Rimini / Weber
Această interpretare pleacă de la observația că problema măsurării există numai dacă există indivizi conștienți care să ia cunoștință de rezultatul unei măsurători. Într-adevăr, atâta timp cât nu este conștient de rezultatul unei măsurări pe un sistem (de exemplu deschiderea cutiei care conține pisica lui Schrödinger ), nu există absolut nimic care să ducă la gândul că sistemul nu este, în realitate, într-o stare suprapusă implicată de postulatul 6. De aici și afinitatea care pare să existe, în ochii susținătorilor acestei teorii, între conștiință și postulat 5.
Pentru ei, conștiința este un fenomen în afara fizicii și care scapă de descrierea prin mecanica cuantică și aceasta este cea care provoacă prăbușirea funcției de undă descrisă de postulatul 5. Prin urmare, inconsecvența matematică și logică dintre postulatele 5 și 6 este de înțeles, deoarece este doar reflectarea opoziției dintre o lume fizică și o lume non-fizică. Prin urmare, este un răspuns direct la PMQ2, precum și la PMQ1, deoarece conștiința este cea care furnizează ingredientul „nedeterminist” al măsurării cuantice.
Dar dacă răspunde la problema măsurării, această abordare deschide alte întrebări care ar putea să nu fie mai ușor de rezolvat. Ce este această componentă „non-fizică” a universului? În ce moment Pământul a trecut de la o stare suprapusă la o stare definită, când a apărut prima ființă conștientă?
Elemente în favoarea acestei abordăriJohn von Neumann , Eugene Wigner , Fritz London , Edmond Bauer , Henry Stapp .