Interpretacia kvantovej teorie

Úvod

Matematický aparát kvantovej teórie nám poskytuje možnosť predpovedať rôzne experimenty. Kvantová teória je vystavaná na ucelenej teórii interakcii častíc a ich správania sa v mikrosvete.  Tento diel bude venovaný niektorým podivnostiam kvantovej fyziky, no hlavne ako to interpretovať.

Základné vlastnosti kvantového sveta

Základné odlišnosti mikrosveta od makrosveta možno zhrnúť do týchto vlastností:

  • Diskrétne hodnoty niektorých dynamických veličín. To znamená, že v mikrosvete niektoré veličiny môžu mať len diskrétne hodnoty, miesto spojitých hodnôt. Príkladom môžu byť diskrétne hodnoty energie, hybnosti, atď.
  • Vlnovo – časticový dualizmus v mikrosvete. Objekty mikrosveta sa za určitých podmienok chovajú ako vlny, alebo ako častice. Príkladom môže byť prechod svetla cez štrbinu, alebo iných častíc, dokonca aj atómov a molekúl.
  • Nekomutatívnosť aktu merania. Pod tým sa rozumie, že záleží na poradí prevádzaného pokusu. Pokiaľ napríklad meriame najskôr polohu častice a následne rýchlosť, potom opačným meraním môže dôjsť k rozdielnemu výsledku. Akt merania totiž ovplyvňuje samotný výsledok.
  • Princíp neurčitosti. V kvantovom svete nemôžeme veličiny merať s ľubovoľnou presnosťou, ale sme obmedzený princípom neurčitosti. Ten všeobecne hovorí, že pokiaľ poznáme jednu veličinu s vyššou presnosťou, tak potom u druhej veličiny sa nám zvýši neurčitosť v jej hodnote. Príkladom je meranie polohy a rýchlosti, energie a času, atď. Ide vždy o dvojicu veličín zviazaných princípom neurčitosti.
  • Superpozícia kvantových stavov.  V mikrosvete je možné mať súčasne dva protichodné stavy. Populárne sa to vysvetľuje na Schrödingerovej mačke. Mačka je v superpozícii kvantových stavov živá a mŕtva zároveň. To sa v makrosvete (kde máme skúsenosti) nedeje. Nemôžeme byť súčasne napr. na dvoch rôznych miestach.
  • Nedeterminizmus kvantovej fyziky. V kvantovej fyzike nie sme schopný povedať, ktorý výsledok presne nastane. V kvantovej fyzike dokážeme určiť iba pravdepodobnosti výsledných udalosti.

Interpretácia kvantovej teórie

Matematický formalizmus kvantovej teórie je kuchárska kniha, ktorá obsahuje recepty ako predpovedať experimenty kvantitatívne aj kvalitatívne. Neobsahuje však hlbšie poznanie súvislosti a chovania sa objektov v mikrosvete. Kvantová teória obsahuje odlišné správanie ako v makrosvete. Interpretácia "filozofia kvantovej teórie" nesmierne zaujímavá z hľadiska otázok, ako vniesť hlbšie pochopenie a súvislosti receptov matematického formalizmu kvantovej teórie. Ide predovšetkým o nájdenie ucelenej predstavy vysvetliť niektoré dôležité aspekty aparátu kvantovej teórie a ich previazanosti.

Druhy interpretácii:

  1. Kodanská interpretácia.
  2. Mnohosvetová interpretácia.
  3. Holografická interpretácia.
  4. Interpretácia súvisiaca s vedomím.
  5. Iné interpretácie

Kodanská interpretácia

Kodanská interpretácia vznikla v rokoch 1924 až 1927. Táto interpretácia kvantovej teórie je najrozšírenejšou a najviac prijímanou interpretáciou zo všetkých. Za autorov interpretácie sa považujú N. Bohr a W. Heisenberg. Kvantová teória nie je schopná predpovedať presný výsledok, ale iba pravdepodobnosť s akou sa stane. Pravdepodobnosť je daná kvadrátom vlnovej funkcie.

Niels Bohr viedol dlhé debaty s A. Einsteinom o podivnostiach kvantovej fyziky. Einsteinov známy výrok "Boh nehrá kocky", ktorým jasne ukazoval svoj postoj ku kvantovej fyzike ako neúplnej teórii.

V Bohrovej predstave meranie spôsobuje zmenu výsledku. Správanie sa objektov mikrosveta má duálny charakter a správa sa alebo ako "častica" alebo ako "vlnenie". Teda sú to dve vlastnosti, ale jednej fenomenality. Bohr teda nehovorí, že to je oddelené ale spojené a má to vlastnosti korpuskule, alebo vlnenia v závislosti od situácie. Navrhol teda komplementárny popis kvantovej mechaniky v závislosti od zásahu merania v experimente. Dôležité zistenie bolo, že nejde merať, pozorovať obe vlastnosti súčasne, teda časticové-korpuskulárne chovanie a vlnové chovanie.

Pred meraním je teda systém v superpozícii vlnového stavu všetkých možnosti. Meraním dôjde ku kolapsu vlnovej funkcie a vznikne konkrétny stav. Túto podivnosť kvantového sveta ilustruje obr.1

Schrodingers_catsvgpng


Obr. 1 Schrödingerová mačka, zdroj: Wikipédia

Mnohosvetová interpretácia

S touto interpretáciou prišiel Everett v roku 1957. Podstatou tejto interpretácie je to, že v našom svete sa realizuje len jedna možnosť, stav. No pokiaľ existuje mnoho vesmír, potom by sa pri kolapse vlnovej funkcie (aktom merania) realizovali všetky možnosti v paralelných realitách. Táto interpretácia však nie je skutočnou interpretáciou kvantovej teórie, ale možnosť realizácie všetkých stavov, ktoré by sa mohli realizovať.

Holografická interpretácia

Za autora možno považovať teoretického fyzika D. Bohma. Táto interpretácia rieši hlavne nelokálnosť kvantovej teórie. Podľa tejto predstavy vnímame častice priestorovo aj časovo oddelené. Podľa tejto predstavy existuje akýsi súhrnný potenciál, ktorý všetky častice ovplyvňuje a zároveň spája do jedného celku. Pričom sa tu objavujú myšlienky, že realita, ktorú vnímame je len hologram inej skutočnej reality.

Interpretácia súvisiaca s vedomím

Táto predstava je skôr ezoterickou interpretáciou. S touto interpretáciou prišiel John von Neumann v roku 1932. Podľa tejto interpretácie kolaps vlnovej funkcie, teda nameranie konkrétnej reality spôsobujú vedomí pozorovatelia. Ja to osobne považujem za absurdnosť. Veľa „fyzikov“ potom nahralo ezoterikom na rôzne prednášky a dokumenty o podstate kvantovej fyziky.

Hranice kvantového sveta

Kde je hranica dvoch svetov: makrosveta a mikrosveta? Zdá sa, že neexistuje ostrá hranica medzi týmito svetmi. Rakúsky fyzik A. Zeilinger a kolektív prevádzal experimenty na Talbotovom  interferometre (štrbinový experiment) pre rôzne molekuly. Medzi najväčšie molekuly patrila molekula C60F48 s 1630 nukleónmi. Experimenty ukázali, že aj takáto veľká molekula vykazuje interferenčný obrazec, pokiaľ teda nijak molekula neinteragovala s okolitým prostredím a nebolo teda možné zistiť kadiaľ molekula prešla.

Interferenčný obrazec sa objavil pri poklese teploty molekuly. Molekula teda nevysielala žiadne fotóny, ktoré by prezradili kadiaľ prešla (ktorým otvorom). Tým sa potvrdili presne stanovené vlastnosti kvantovej teórie, že dôležitá nie je veľkosť, ale vzájomná interakcia s okolím

Záver

Interpretácia kvantovej fyziky nie je ľahký oriešok. No z toho, čo naozaj vieme nemáme žiadne dobré predstavy o tom ,akoby sa to mohlo v prírode realizovať.