Копенгагенская интерпретация

Термин «Копенгагенская интерпретация» начал широко использоваться только с 50-х годов, то есть более двух десятилетий спустя появления самой квантовой механики. Фактически он означает понимание квантовой механики как ее видели отцы основатели: Вернер Гейзенберг, Пол Дирак, Вольфганг Паули, Макс Борн. Появление столицы Дании в физическом термине связано с Нильсом Бором – гуру того времени по атомной физике.  Под его началом в Копенгагенском университете какое-то время работали все создатели квантовой механики, которым было тогда немногим за 20.

Гейзенберг является автором термина, но потом он пожалел, что использовал слово «интерпретация», которое неявно предполагает наличие других интерпретаций. Гейзенберг не считал, что квантовая механика допускает множество трактований и использовал термин исключительно для критики противников этой новой теории и ее революционных изменений в понимании Природы.

К 50-м годам появилось несколько подходов, целью которых было повторить результаты квантовой механики, но уйти от ее неинтуитивных следствий, таких как отсутствие объективной реальности, принципиальная невозможность знать некоторые величины одновременно, особая роль наблюдателя.

Сейчас таких альтернативных интерпретаций расплодилось десятки, если не сотни. Некоторые из них дают результаты, отличные от стандартной  квантовой механики и, следовательно, противоречат экспериментальным данным. Другие пытаются повторить предсказания квантовой механики в рамках классической физики и повседневной интуиции. Однако это невозможно, поэтому вдобавок появляются бесконечности новых миров, сверхсветовые взаимодействия, сигналы распространяющиеся назад во времени и тому подобный нонсенс.

Итак, в Копенгагенской интерпретации квантовая механика видится как некое обобщение теории вероятностей. Рассмотрим подбрасывание двух игральных костей. Суммарное число может выпасть в диапазоне от двух до двенадцати. Но вероятность каждого случая разная. Вся система описывается распределением вероятностей. Это распределение со статистической точки зрения несет в себе всю информацию о системе.

В квантовой механике вектор состояния несет в себе всю информацию, которую можно знать о системе. Если его разложить по базисным векторам оператора измеряемой величины, то в этой суперпозиции содержатся все амплитуды вероятности осуществления того или иного события.

Как же происходит коллапс? При подбрасывании игральных костей выпадает та или иная комбинация. Результат из неопределенного становится определенным. Функция распределения вероятностей коллапсирует в одно конкретное значение – то которое выпало в результате. Теперь мы описываем текущее состояние системы не набором состояний с соответствующими вероятностями, а одним выпавшим значением. Ему теперь соответствует вероятность 100%.

Аналогичный процесс происходит при измерении квантовой системы. Ее вектор состояния из суперпозиции коллапсирует в один из базисных векторов, соответствующий реализовавшейся альтернативе. Вектор состояния по определению есть величина, содержащая наиболее полную информацию о системе. Если наблюдатель получил информацию о том какая из альтернатив реализовалась, вектор состояния которым он описывает систему должен обновиться. С этого момента он описывает систему новым вектором состояния, учитывающим полученную информацию. То есть соответствующим базисным вектором оператора измеренной величины, тем который соответствует измеренному собственному значению.

Отличие вероятностного описания игральных костей от квантовой механики состоит в том, что в первом случае мы считаем вероятности лишь удобным приближением. За функцией распределения стоит реально существующая физическая система – игральные кости. В классической механике, зная начальные условия, мы можем детально проследить всю динамику их движения в любой последующий момент времени. В принципе мы можем предсказать какой стороной упадут кубики и следовательно детально описать процесс, стоящий за коллапсом распределения вероятностей.

В квантовой механике за вектором состояния нет ничего. Никакого более детального описания не существует. Нет никаких скрытых механизмов или параметров, позволивших хотя бы в принципе предсказать результат единичного измерения. Мы демонстрировали этот факт на примере парадокса Харди в 21 части, нарушением неравенств Белла в 26 и 27 частях, через GHZ-состояние в 29 и 30 сериях. Объективная реальность, общая для всех и независимая от наблюдателей, просто отсутствует.

Если вектор состояния не описывает объективную реальность, то что же он вообще описывает? Остается только один вариант. Вектор состояния отражает субъективную информацию наблюдателя об интересующей системе. Квантовая механика субъективна.

Наблюдаемая система не отделима от наблюдателя, поскольку она не существует объективно сама по себе.

То есть наблюдателем в конечном счете является субъект, получающий информацию через свои органы чувств. Коллапс есть лишь субъективное обновление этой информации при поступлении новых данных.

В этом и состоит разрешение конфликта постулата об измерении с постулатом об унитарной эволюции квантовых систем. В отсутствии информации из внешнего мира, наблюдатель изменяет вектор состояния, действуя на него унитарными операторами. При получении им новых данных, он обновляет его в соответствии с результатами наблюдений, действуя операторами проекции. В отличие от игральных костей, за коллапсом вектора состояния не скрывается никакой физический процесс, который происходит независимо от наблюдателя. Следовательно коллапс не может быть описан более детально.

Но до получения информации об измерении наблюдатель всегда может описывать внешний мир в виде квантовых суперпозиций и запутанных состояний, как мы видели в предыдущем видео на примере кота Шредингера.

Эйнштейну не нравилась эта субъективность квантовой механики. В споре с Нильсом Бором он спрашивал: Вы действительно считаете, что Луна существует только тогда, когда вы на нее смотрите?

Конечно в случае макроскопических объектов классическая механика является очень, очень, очень хорошим приближением. В случае кота Шредингера для всех практических вычислений можно считать, что коллапс уже произошел к моменту появления точки на фотопластинке. Все дальнейшие приборы и кота можно описывать классической механикой с ее независимым от наблюдателя объективным миром. Никто не вычисляет динамику макроскопических объектов с помощью квантовой механики.

Но классическая механика, каким бы хорошим приближением она не была, является всего лишь приближением. Если смотреть не с практической, а с философской точки зрения, то коллапс происходит только для самого наблюдателя. Объективная реальность есть лишь очень хорошее приближение.

Луна действительно не существует, если вы на нее не смотрите. Конечно не следует понимать это буквально. Не надо поднимать голову и искать Луну на небе, чтобы для вас вектор состояния с присутствующей Луной коллапсировал. Вектор состояния Луны также запутан с векторами состояния космических объектов, и всего прочего в том числе на Земле. Вспомните про лунные приливы и отливы. Для слепого человека Луна тоже существует. Он коллапсирует запутанный с Луной вектор получая информацию через другие органы чувств.

Не надо также считать, что человеческое сознание играет какую-то особую роль. Добавим в эксперимент с котом Шредингера самого Шредингера и его друга Вигнера. Пока Вигнер не узнал, жив кот или мертв, посмотрев на пластинку или кота или пообщавшись с Шредингером, он должен описывать состояние системы суперпозицией.

|фотон прошел>|есть точка на пластинке>|сработало устройство>|мертвый кот>|Шредингер увидел мертвого кота> плюс |фотон отразился>|нет точки на пластинке>|устройство не сработало>|кот жив>|Шредингер увидел живого кота>.

Но для самого Шредингера вектор коллапсировал раньше, когда он увидел кота. А для самого кота еще раньше. Опять же, на практике изолировать такую макросистему настолько, чтобы наблюдать квантовые эффекты просто невозможно. Для всех практических целей можно считать, что вектор коллапсировал на первом же макроскопическом измерительном приборе.