من المؤكد أن معظمكم لا ، لا ، وحتى في أدب العلوم الشعبية ، كانت هناك إشارات إلى "التفسير المتعدد للعالم" لميكانيكا الكم. يحبون أن يتذكروها في التعليقات على حبري ، لكن غالبًا بطريقة خاطئة أو مع عدم دقة خطيرة.



دعنا نحاول معرفة ما يحدث في MMI.

الجزء 1: لماذا تحتاج إلى "تفسير" فيزياء الكم؟

دخلت الفيزياء الكمومية حياتنا بثبات: تستخدم محركات أقراص فلاش تأثير النفق ، وتسجيل أشعة الليزر ونقل المعلومات ، وتضيء مصابيح LED منازلنا. نحن قادرون تمامًا على وصف كل هذه الظواهر باستخدام الجهاز الرياضي للفيزياء الكمومية ، ولا تجد التجارب الأكثر دقة انحرافات عن الآثار التي تنبأت بها النظرية. من ناحية أخرى ، فإن المعنى المادي لجميع هذه المعادلات في بعض الأحيان يهرب منا. تحاول تفسير ميكانيكا الكم ملء المعادلات ببعض المحتوى المادي (والفلسفي).

مهم : يتم تقليل جميع التفسيرات إلى نفس معادلات QM القياسية ولا تتنبأ بالفيزياء الجديدة!

المشكلة الرئيسية التي تحاول التفسيرات حلها هي مشكلة القياس. في الفيزياء الكلاسيكية ، كل شيء بسيط: هناك مساحة ووقت ، هناك مسألة في هذا الفضاء ، وهناك معلمات النظام (مثل الزخم أو الموقف) ، وهناك قوانين الفيزياء التي تصف التغيير في هذه المعايير. إذا كنت تعرف تمامًا الحالة الأولية للنظام ، فيمكنك التنبؤ بسلوكها المستقبلي بدقة مطلقة. في الفيزياء الكمومية ، هذا ليس كذلك ... يتم وصف النظام بوظيفة الموجة. يحدد احتمال قياس النظام في حالة معينة (على سبيل المثال ، إحداثي معين أو زخم). من المستحيل أن نقول قبل القياس أن النظام لديه لحظة معيّنة ، ولديه وظيفة موجية فقط.

من المهم أن يتم إعطاء الاحتمال بواسطة معامل التربيع لدالة الموجة ، وليس بواسطة دالة الموجة نفسها. في هذه الحالة ، يمكن أن يتخذ WF نفسه قيمًا إيجابية وسلبية. علاوة على ذلك ، يمكن أن تتداخل WFs (أو أجزاء من WF) مع بعضها البعض.

قاعدة حساب الاحتمالات (قاعدة بورن). تحدد مربعات المعاملات في دالة الموجة احتمال حدوث نتيجة محددة في القياس. على سبيل المثال ، يتم وصف قط Schrödinger بواسطة WF:

$$عرض $$ $$ \ Psi = \ alpha_1 | alive> + \ alpha_2 | dead> ، \ alpha_1 = \ alpha_1 = \ frac {1} {\ sqrt {2}} $$ عرض $$

احتمال كونه على قيد الحياة عند فتح مربع يعتبر$$ $ inline $ P (alive) = | \ alpha_1 | ^ 2 = 0.5 $ inline $ ، أي 50٪. الشيء نفسه بالنسبة لاحتمال موته:$$ $ inline $ P (ميت) = | \ alpha_2 | ^ 2 = 0.5 $ $ مضمّن مرة أخرى 50 ٪.

التوضيح الصغيرة

صديقك - Vasya Pupkin - يقضي أيامه إما على الكمبيوتر ، أو في البرمجة ، أو على الأريكة ، يلعب بلاي ستيشن. أنت تقف أمام باب مغلق لشقته. من وجهة النظر الكلاسيكية ، تكون Vasya إما على الكمبيوتر أو على الأريكة ، أنت لا تعرف من أين بالضبط. لكن الكمية فازيا في وقت واحد في مكانين حتى تفتح الباب وتبدو (قياس حالتها). حالته قبل القياس:

$$عرض $$ $$ \ Psi = \ frac {1} {\ sqrt {2}} (| game> + | work>) $$ عرض $$

وبعد القياس باحتمال 50٪ ، يكون في اللعبة أو في العمل.

دعنا نواصل التوضيح. لنفترض ، قبل ممارسة الأعمال التجارية ، أن Vasya يمكنه الذهاب إلى الثلاجة لتناول البيرة أو التدخين على الشرفة. في الوقت نفسه ، إذا قبضت عليه أثناء هذه الأنشطة (شاهدتها الثلاجة أو على الشرفة) ، فحينئذٍ يذهب على قدم المساواة أو من المحتمل أن يلعب على الأريكة أو العمل. ولكن قد يكون ذلك عندما لا تبحث ، فهو 100 ٪ من الحالات مع ذراع التحكم في يديه. السبب في ذلك هو التدخل. يتم وصف حالة Vasya بواسطة دالة موجية ، والتي يمكن أن تكون سالبة ، ولكن في نفس الوقت تتوافق مع نفس الاحتمالية مثل WF موجب.

دعنا نلقي نظرة فاحصة. الخطوة الأولى: إذا لم ننظر ، فاسيا في تراكب الثلاجة / شرفة:

$$عرض $$ $$ \ Psi = \ frac {1} {\ sqrt {2}} (| الثلاجة> + | شرفة>) $$ عرض $$

الخطوة الثانية: دعنا نقول ما إذا كان فازيا يأتي من الثلاجة ، WF له

$$عرض $$ $$ | ثلاجة> = \ frac {1} {\ sqrt {2}} (| لعبة> - | عمل>) ، عرض $$ $$

وإذا كانت تأتي من الشرفة:

$$عرض $$ $$ | شرفة> = \ frac {1} {\ sqrt {2}} (| لعبة> + | عمل>) $$ عرض $$

إذا لاحظنا ذلك في حالته الأصلية ، فسنخفض حالته إلى | fridge> أو | شرفة> ، مما يعطي احتمال 50/50 في الإخراج: سوف يذهب للعب أو العمل. ولكن إذا لم نلاحظ تحركاته ، فإن وصيفته:

$$عرض $$ $$ \ Psi = \ frac {1} {\ sqrt {2}} (| الثلاجة> + | شرفة>) = \ frac {1} {2} (| لعبة> - | عمل> + | لعبة> + | العمل>) = | لعبة> $$ عرض $$

وهذا هو ، وقال انه ينتهي دائما على الأريكة! وكل ذلك بسبب التدخل.

لذلك ، نرى أن حقيقة مراقبةنا لفاسيا تغير حالته النهائية. لماذا يلعب القياس دورًا مهمًا؟ تفسيرات CM تحاول الإجابة على هذا السؤال.

يفترض التفسير الكلاسيكي (كوبنهاغن) أن عملية الملاحظة هي عملية انهيار الدالة الموجية إلى إحدى الولايات. يؤدي الانهيار إلى حقيقة أن WF يستمر في التطور فقط كجزء واحد من WF الأصلي ، الكائن لم يعد في حالة تراكب ولا يمكن أن يتدخل. نتيجة لذلك ، تختفي كل أنواع الآثار مثل التشابك الكمومي. إنها لا تشرح كيفية حدوث الانهيار ، وكذلك السبب في أن بعض التفاعلات تسبب الانهيار ، في حين أن بعضها الآخر لا يحدث. لا يحبذ الجميع وجود مثل هذه الافتراضات ، ويحاول العلماء إيجاد تفسيرات بديلة. واحدة من أبسط وأكثرها تطورا هو عالم متعدد.

الجزء 2: تفسير عالمي

بادئ ذي بدء ، تذكر ما هو التشابك الكمومي. بحكم التعريف ، يتم خلط حالتين عندما يتعذر فصلهما إلى جزأين مستقلين. دعنا نعود إلى الرسم التوضيحي من الجزء الأول ، وتخيل أن فاسيا لديها صديقة ، أنيا. أنيا إما تقرأ كتابًا على كرسي أو تمشي في الحديقة. حتى بدأوا المواعدة ، كان اختيارهم عشوائيًا:

$$عرض $$ $$ | فاسيا ، أنيا> = 0.5 | لعبة ، كتاب> +0.5 | لعبة ، حديقة> +0.5 | عمل ، كتاب> +0.5 | عمل ، حديقة> $$ عرض $$

وأعطت نتيجة القياس احتمال 25 ٪ لكل مجموعة محددة (واحتمال العثور على Vasya على الأريكة في المجموع كان 50 ٪).

الآن هم في حالة حيرة:

$$عرض $$ $$ | فاسيا ، أنيا> = \ frac {1} {\ sqrt {2}} (| لعبة ، كتاب> + | عمل ، حديقة>) $$ عرض $$

إذا شاهدنا فاسيا ، فإن احتمال العثور عليه على الأريكة هو 50 ٪ مرة أخرى. ومع ذلك ، إذا كان على الأريكة ، فإن أنيا تقع خلف الكتاب تمامًا ، حتى لا تتحقق منه.

هكذا تظهر العلاقة المطلقة بين القياسات عندما يكون النظام في حالة تشابك.

الخطوة التالية: يمكن أن تذهب Vasya إلى الشرفة أو إلى الثلاجة قبل الجلوس للعمل أو اللعب ، لكننا لا نشاهده. دعنا نقول أنيا وفاسيا يجدان نفسيهما في حالة حيرة:

$$عرض $$ $$ | فاسيا ، أنيا> = \ frac {1} {\ sqrt {2}} (| شرفة ، كتاب> + | ثلاجة ، حديقة>) $$ عرض $$

بعد ذلك ، لم يعد جزءان من Vasya's VF يتداخلان مع بعضهما البعض ، ولا نلاحظ دائمًا Vasya على الأريكة ، كما كان في الجزء الأول:

$$عرض $$ $$ | فاسيا ، أنيا> = \ frac {1} {2} (| اللعبة ، كتاب> + | العمل ، كتاب> + | اللعبة ، الحديقة> - | العمل ، الحديقة>) $$ عرض $$

التشابك يمنع WF من التدخل. من حيث المبدأ ، يمكننا إجراء بعض العمليات على نظام Ani و Vasya وكشفها ، ثم سيكون التدخل ممكنًا مرة أخرى. ومع ذلك ، لهذا نحن بحاجة إلى الوصول إلى كلا النظامين. في الواقع ، ليس لدينا دائمًا إمكانية الوصول إلى جميع أجزاء الدولة المتشابكة. على سبيل المثال ، عندما يتم الخلط بين Vasya وليس Anya فحسب ، ولكن أيضًا مع ألفي اسم مجهول على الإنترنت ، وجميع جيرانه (بمعنى آخر ، يتم خلط النظام مع محيطها) ، ليس لدينا طريقة لإعادة القدرة على التدخل.

ويسمى هذا التأثير decoherence . تشير البيئة إلى درجات الحرية التي يتصل بها النظام ، وعادة ما يكون هناك الكثير منهم. إذا تبين أن النظام مرتبك مع العالم كله من حولنا ، فإن الأجزاء المختلفة من دالة الموج معزولة تمامًا عن بعضها البعض ، على الرغم من عدم حدوث "انهيار". كما لو كانوا في عوالم مختلفة.

هذه هي الفكرة الرئيسية لتفسير متعدد العالم. افتراضه الوحيد هو أن الكون بأكمله يوصف بوظيفة موجة واحدة. لا يوجد عالم "كلاسيكي" ، ولا مراقبون ، ولا انهيار - كل هذا تطور موحد لواحد من WF تحت تأثير معادلة شرودنجر. ما نلاحظه عند الانهيار هو عملية فك الارتباط على وجه الحصر ، وعدم قدرتنا على "فك" الكائن والبيئة المتشابكة معه.

تنشأ "عوالم" مختلفة في هذه الحالة في كل مرة يحدث فيها "انهيار" - تفاعل النظام مع البيئة. في هذه الحالة ، يتم تقسيم عالم واحد إلى عدة ، وفقًا لفروع WF ، ولم تعد هذه العوالم تتفاعل.

مثال على قطة Schrödinger: في تجربة فكرية شهيرة ، توجد القطة في صندوق به سم ، وفي لحظة عشوائية تسمم القطة. في الوقت نفسه ، وفقًا لـ KM ، بينما يكون الصندوق مغلقًا ، فإن القط في وضع تراكب$$ $ inline $ | cat> = \ frac {1} {2} (| alive> + | dead>) $ inline $ . وفقًا لتفسير كوبنهاغن ، عندما يفتح شرودنغر الصندوق ، ينهار القطة في حالة "حية" أو "ميتة". وفقا ل MMI ، فإن شرودنجر مرتبك:$$ $ inline $ | cat، W> = \ frac {1} {2} (| alive ، يرى "alive"> + | dead ، يرى "dead">) $ inline $ . لهذا تحتاج إلى إضافة البيئة:$$ $ inline $ | cat، W> | o> = \ frac {1} {2} (| alive ، يرى "alive"> + | dead ، يرى "dead">) | موجود> $ inline $ والتي ، نتيجة لعملية فك الارتباط ، تتشوش مع كل منهما:
$$$ inline $ | cat، W، o> = \ frac {1} {2} (| على قيد الحياة ، ترى "على قيد الحياة" ، أوكر "على قيد الحياة"> + | قتلى ، ترى "ميتة" ، أوكر "ميتة">) | موجود > $ مضمنة . في هذا الإصدار ، لم يعد لدى Schrödinger الفرصة "لإلغاء" القياس أو القيام بشيء "لكشف" الدولتين. تم تقسيم العالمين: في أحد العثور على شرودنغر قطة ميتة ، في الآخر قطة حية. في هذه الحالة ، لم يحدث أي انهيار ، كل هذا لا يزال مجرد تطور وحدوي لوظيفة موجة كبيرة.

الجزء 3: التفاصيل

1. مشكلة وجود العالم الكلاسيكي. من وجهة نظر MMI ، كل شيء في العالم هو الكم. علاوة على ذلك ، من وجهة نظر الرياضيات ، يمكننا اختيار عدد لا حصر له من الطرق لتقسيم (اختيار أساس) WF إلى "عوالم" مختلفة (حالات متعامدة). سؤال: لماذا نلاحظ العالم الكلاسيكي؟ كيف يمكن للكون "اختيار" طريقة تحلل واحدة نلاحظها؟ هذه هي مشكلة الأساس المفضل. الإجابة: لأن خصائص التفاعلات الفيزيائية تكون محلية. قيم الثوابت الأساسية وهاملتون للكون هي تلك الأشياء المترجمة ثابتة. يمكن للحالات العيانية أن تبقى كذلك لفترة طويلة ؛ لا تتفرع وظيفة الموجة في الكون باستمرار. نتيجة لذلك: تمكنا من مراقبة الأشياء العيانية في أماكنها. في متغير آخر من التحلل إلى أساس ، يحدث التفرع بسرعة كبيرة بحيث لم يكن لدينا وقت لإدراكه. هذا هو الجانب الآخر من عملية decoherence: سرعة decoherence هي أسرع وأكثر كثافة الكائن.
   
   يمكن الاطلاع على مزيد من التفاصيل هنا: [1] ، [2] ، [3] ، [4]
   
2. ما هو بالضبط البعد؟ كيف نميز القياس عن التفاعل البسيط؟ القياس في MMI هو ببساطة عملية تشابك المراقب والكائن نتيجة للتفاعل. في بعض الأحيان ، يمكن إعادة "التفاعل" من خلال كشف النظامين ، فهذا ليس قياسًا. عادة ، تشارك عملية تضخيم معينة في عملية القياس. على سبيل المثال ، يمكنك اكتشاف فوتون على مُضاعف ضوئي ؛ فهو يطرح إلكترونًا واحدًا ، نتيجة لعملية الانهيار ، يتم تحويله إلى تيار عند الإخراج من الكاشف. في MMI ، العملية برمتها هي عملية تشابك فوتون واحد مع الإلكترونات (وأجزاء أخرى من كاشف). لكن هذا القياس لا يمكن إعادة لفه - معظم درجات الحرية في التشابك لا يمكن الوصول إليها. بالطبع ، بالنسبة لعملية القياس ، ليس من الضروري أن يكون المراقب معقولًا ، فالعملية لا رجعة فيها بما فيه الكفاية.
   
3. متى يحدث تقسيم العالمين؟ يحدث الانفصال عندما تكون هناك عدة درجات من الحرية أثناء عملية التفاعل ، ويصبح القياس لا رجعة فيه. أي بعد تفاعل الفوتون مع الكاشف ، ولكن قبل ظهور التيار عند الخرج. على سبيل المثال ، القط Schrödinger مرة أخرى: البيئة هناك يمكن اعتبار عملية التحلل الإشعاعي. في اللحظة التي يتحلل فيها النواة ويتم إطلاق السم ، تنقسم القطة إلى نسختين. ومن وجهة نظر القط ، لم يعد بإمكانه التفاعل مع نسخته. من وجهة نظر شرودنجر ، لا تزال القطة حية وموتة. فقط عندما يفتح الصندوق ، لا يشعر بالارتباك مع القط ومصدر الإشعاع. لأن إن التحلل الإشعاعي لا رجعة فيه ، كما أن شرودنجر ينقسم بشكل لا رجعة فيه إلى نسختين.
   
4. هل MMI نظرية محلية؟ لأن في MMI ، يطيع WF معادلة Schrödinger ، والتي تطيع بدورها النظرية النسبية الخاصة ، كل التفاعلات فيها محلية ، والنظرية كلها محلية في نفس الطريق. يمتد تقسيم العالمين من نقطة قياس لا أسرع من سرعة الضوء
   
5. كم عدد العالمين؟ نحن لا نعرف ، يمكن أن يكون إما كمية محدودة أو لانهائية. بناءً على دقة الكون الكون ، يمكن افتراض أن عدد العوالم محدود.
   
6. تعد نظرية العالم المتعدد حتمية تمامًا على مستوى WF في الكون. يتطور WF وفقًا لمعادلة شرودنجر. نلاحظ فقط العالم بشكل عشوائي بسبب عملية القياس والترابط.
   
7. ماذا تفعل مع الحفاظ على الطاقة؟ يتم توفير الطاقة في عملية تقسيم العالمين: يحصل كل عالم على "الوزن" وفقًا للاحتمالية المرتبطة بهذا العالم. تبقى طاقة الكون بأسره دون تغيير.
   
8. إذا كان MMI صحيحًا ، فهل يمكن أن يحدث أي شيء؟ لا ، أولاً ، تعمل قوانين الفيزياء بالطريقة نفسها تمامًا ، وما لن تسمح به الفيزياء "العادية" لن يحدث في MMI أيضًا. ثانياً ، إذا كان عدد العوالم محدودًا ، فقد يكون احتمال حدوث بعض الأحداث قليل جدًا.
   
9. كيفية تحديد الاحتمالات في MMI؟ لا يتم افتراض قاعدة Bourne في MMI ، ولكنها مستمدة من الأحكام العامة. انظر على سبيل المثال هنا أو هنا .
   
10. هل من الممكن اختبار MMI؟ MMI هو نسخة "نقية" من ميكانيكا الكم ، لذلك في كل مرة نختبر فيها إدارة الجودة ، نقوم باختبار MMI. لإثبات أن MMI هي النظرية الصحيحة ، وليست نظرية أخرى ، أمر صعب ، على الرغم من اقتراح أفكار مختلفة ، يمكنك العثور عليها هنا .
    

خلاصة القول: MMI هو تفسير الحد الأدنى من إدارة الجودة ، والتي لا تتطلب سوى الجهاز الرياضي لميكانيكا الكم نفسها. أفضل تفسير لحلاقة Occam.

المراجع:

1. https://plato.stanford.edu/entries/qm-manyworlds/
2. https://www.hedweb.com/everett/everett.htm
3. جنون الكلب Everettianism: ميكانيكا الكم في الحد الأدنى لها
4. http://www.preposterousuniverse.com/blog/2014/06/30/why-the-many-worlds-formulation-of-quantum-mechanics-is-probably-correct/
5. جعل الشعور التفسير العالمين كثيرة