Sejarah Singkat Alternatif Kuantum

Mekanika kuantum "Kopenhagen" mengatakan bahwa realitas tidak ada sebelum diukur, sehingga banyak yang terus mencari alternatif untuk interpretasi ini

Pada 1915, Albert Einstein, dengan bantuan teman-temannya, mengembangkan teori gravitasi , yang mengubah segala sesuatu yang kami anggap sebagai fondasi realitas fisik. Gagasan bahwa ruang yang kita huni tidak dapat sepenuhnya dijelaskan oleh geometri Euclidean tidak dapat dipahami; sedemikian rupa sehingga filsuf Immanuel Kant, dalam banyak hal, seorang pemikir radikal, mengatakan bahwa tidak ada teori fisika yang dapat mengatasinya.

Fisikawan Werner Heisenberg kemudian menunjukkan arti kesalahan Kant. Filsuf besar itu mendalilkan bahwa pemahaman intuitif kita tentang geometri kuno Euclid berarti bahwa itu adalah fondasi penting dari realitas fisik. Sebenarnya, ini ternyata salah, mempertanyakan seluruh sistem filosofis Kant.

Meskipun ada terobosan radikal dengan ide-ide masa lalu tentang ruang dan waktu, teori Einstein segera bergabung dengan ide-ide Newton sebagai bagian dari " fisika klasik ." Umat ​​manusia terpaksa melakukan ini karena revolusi pemikiran ilmiah ternyata begitu dalam sehingga menciptakan jejak terang dalam sejarah ilmu pengetahuan: pengembangan teori fisika kuantum.

Apa yang bisa disebut revolusi ilmiah lebih dalam daripada teori relativitas umum? Apa yang bisa membuat pergeseran tektonik lebih kuat dari pada gagasan bahwa ruang dan waktu sendiri dilengkung oleh materi?

Untuk memahami ini, pertama-tama kita harus mencoba memahami: seperti itulah keanehan yang melekat dalam mekanika kuantum. Segera setelah kita mulai merasa tidak nyaman di dunia kuantum, kita akan mulai memahami mengapa, setelah kemunculan KM di atas panggung, fisikawan mencoba menciptakan alternatif untuk itu - alternatif yang menciptakan korespondensi fantastis yang sama dengan eksperimen, sementara pada saat yang sama menjaga bagian dari inti klasik yang konsisten dengan kedalaman kita. pemahaman intuitif tentang bagaimana alam seharusnya berperilaku.

Yang kamu tahu salah

Pemahaman intuitif kita yang mendalam tentang sifat realitas muncul dari pengamatan dan interaksi dengan dunia di sekitar kita, mulai dari masa kanak-kanak. Bahkan sebelum kita dapat mengungkapkannya, kita mulai memahami hubungan sebab-akibat. Penyebab dari setiap peristiwa yang terjadi adalah peristiwa lain yang telah terjadi. Dunia bisa ditebak.

Belakangan kita menjadi lebih canggih. Kami mengakui bahwa pemahaman kami tentang penyebab terbatas dan kami menyadari ketidakpastian akibatnya. Mungkin kita bahkan mempelajari teori probabilitas dan statistik dan belajar bagaimana mengekspresikan batas pengetahuan kita dalam bentuk matematika. Tetapi kami percaya bahwa ini hanyalah keterbatasan kami dan bahwa sifat di balik layar tidak terlihat oleh kami terus menggunakan aturan sebab dan akibat yang tepat. Ketika kita melempar koin, hanya ada sedikit informasi tentang pergerakan koin dan udara yang membuat kita mengatakan bahwa probabilitas elang jatuh adalah satu detik. Kami berasumsi bahwa jika kami mengetahui semua detail dan kami memiliki komputer yang cukup besar untuk melakukan perhitungan, kami tidak harus bergantung pada probabilitas.

Namun, pandangan "realistis" tentang hal-hal tidak dapat bertahan (dan tidak bertahan) data keras yang diperoleh dalam percobaan pada foton dan partikel subatom lainnya. Bukan fisikawan yang, karena keras kepala mereka yang keras kepala, memutuskan untuk membuat teori yang bertentangan dengan perasaan intuitif kita yang paling berharga tentang kenyataan: pada kenyataannya, hasil eksperimen ini dengan keras kepala menolak untuk sesuai dengan interpretasi klasik. Penemuan formalisme kuantum adalah tindakan keputusasaan - satu-satunya yang berhasil. Jika kita membatasi diri untuk mengajukan pertanyaan yang diizinkan oleh teori kuantum, kita akan dihargai dengan jawaban yang benar. Tetapi jika kita terus berusaha untuk menjelaskan apa yang teori katakan kepada kita, menggunakan konsep dunia klasik, maka kita akan bingung.

Sebagai seorang mahasiswa fisika, saya melihat demonstrasi pelatihan tentang apa yang memungkinkan saya untuk melihat sekilas keanehan dunia di sekitar kita. Anda dapat mengulangi percobaan ini di rumah, hanya menggunakan senter atau laser pointer, serta tiga filter polarisasi (Anda juga dapat menggunakan kacamata dari kacamata hitam yang rusak dengan polarisasi). Tempatkan kedua filter dalam satu baris, meninggalkan celah di antara keduanya. Lewati cahaya melalui pasangan ini dan putar satu filter sampai lampu berhenti lewat; sumbu polarisasi mereka menjadi tegak lurus. Sekarang masukkan filter ketiga di antara dua yang pertama. Anda akan melihat bahwa cahaya mulai melewati struktur ini: dengan cara tertentu, menambahkan filter tambahan memungkinkan cahaya untuk lewat.

Demonstrasi ini adalah bagian dari bagian pengantar kursus tentang mekanika kuantum. Selama beberapa minggu kami tenggelam dalam formalisme teori kuantum, dari mana perilaku yang tampaknya paradoks ini muncul sebagai konsekuensi yang sepele.

Ada orang yang mengklaim bahwa tidak ada paradoks dan perilaku seperti itu dapat dijelaskan dengan pendekatan klasik. Dan dalam arti tertentu, mereka benar sekali. Tetapi hasil dari demonstrasi desktop, siswa yang menakjubkan sudah akrab dengan fisika klasik, jelas muncul dari formalisme kuantum. Dan itu berarti sesuatu.


Eksperimen dua celah dengan elektron.

Para ilmuwan dari dekade pertama abad terakhir dihadapkan dengan hasil eksperimen yang jauh lebih menakjubkan dan tidak dapat dijelaskan. Sering disebutkan percobaan di atas dengan dua slot. Melakukan percobaan ini dengan elektron atau foton, kami mendapatkan hasil yang sama: gambar interferensi, seolah-olah dua gelombang yang mengganggu muncul dari dua celah. Ini menunjukkan bahwa cahaya adalah gelombang dan bahkan partikel dengan massa, seperti elektron, kelihatannya berperilaku dalam kondisi seperti gelombang.

Tetapi percobaan dapat diubah dengan dua cara yang aneh. Pertama, jika Anda memperlambat frekuensi emisi partikel (foton, elektron, atau bahkan seluruh molekul) sehingga hanya satu partikel yang melewati celah pada satu waktu, maka hasilnya tidak akan berubah. Ini harus berarti bahwa partikel itu entah bagaimana dibagi menjadi dua, melewati celah dan berinteraksi dengan dirinya sendiri! Kedua, jika Anda membuat perubahan apa pun pada pengaturan sehingga memperbaiki melalui celah mana partikel melewati, maka pola interferensi menghilang dan digantikan oleh pola yang diharapkan jika partikel adalah partikel biasa tanpa sifat gelombang: hanya dua distribusi simetris, terpusat relatif ke masing-masing slot.

Sulit untuk menemukan teori yang akan menjelaskan hasil dan cocok untuk semua orang. Tampaknya foton atau elektron terkadang memutuskan untuk berperilaku seperti gelombang, dan kadang-kadang seperti partikel, tergantung pada apa yang ingin dilihat oleh peneliti.

Kemudian semuanya menjadi lebih aneh. Teknologi telah berkembang sedemikian rupa sehingga kita dapat memilih jenis pengukuran apa yang harus dilakukan setelah partikel memulai perjalanannya. Hasil percobaan "pilihan tertunda" seperti itu tetap sama. Jika kita melihat ke arah mana partikel telah memilih, maka interferensi dihancurkan. Jika kita berpaling, maka untuk itu, maka pola interferensi yang akrab kembali. Namun demikian, partikel harus "memutuskan" apakah akan berperilaku seperti partikel atau seperti gelombang sebelum melewati celah dan sebelum membuat konfigurasi akhir percobaan.

Hasil percobaan dengan seleksi yang ditunda menyebabkan lebih dari satu fisikawan membuat asumsi bahwa informasi tentang pilihan perilaku partikel atau gelombang ditransmisikan kembali ke masa lampau, dari waktu pilihan pada beberapa waktu sebelum partikel melewati perangkat. Fakta bahwa asumsi ini dibahas dengan sangat serius harus memberi Anda beberapa gagasan tentang betapa sulitnya menjelaskan hasil eksperimen di dunia mikro menggunakan serangkaian konsep (seperti hubungan sebab akibat ), yang diambil dari pandangan realistis kami tentang dunia. Penjelasan tentang kembali ke masa lalu berlangsung hingga saat terakhir ketika kami melakukan percobaan dengan atom helium lambat dan dingin dalam skema yang sama. Atom-atom melewati peralatan di bawah pengaruh gravitasi saja, oleh karena itu, waktu yang cukup lama berlalu antara momen perjalanan dan pilihan metode untuk mengamati mereka. Meskipun fisikawan kadang-kadang menggambarkan beberapa proses subatomik yang sangat cepat sebagai menggunakan bentuk perjalanan yang terbatas pada masa lalu, lamanya waktu dalam percobaan dengan helium membuat penjelasan seperti itu mustahil.

Apa yang tersisa untuk kita? Hasil-hasil ini dan banyak eksperimen lainnya tidak mungkin digambarkan dengan menggunakan konsep-konsep tradisional berdasarkan kenyataan: bahwa objek ada dengan sekumpulan properti tertentu; bahwa jika kita memutuskan untuk tidak mengukur properti individu, itu masih memiliki beberapa makna. Fisikawan memiliki pengalaman bekerja dengan ketidakpastian jauh sebelum revolusi kuantum, tetapi ketidakpastian ini adalah tipe yang sama sekali berbeda. Itu adalah ketidakpastian pengetahuan , menyiratkan tingkat realitas penentu yang tidak diketahui, tetapi ada, di bawah apa yang secara langsung kita rasakan.

Jika kita membuang semua konsep yang sangat mendasar bagi pemahaman kita tentang dunia, lalu mengapa kita harus menggantinya? Bagaimanapun, mereka tidak hanya menjadi bagian intuitif dari pengalaman kita sehari-hari, tetapi juga berfungsi sebagai dasar dari bidang ilmu pengetahuan lainnya.

Apa yang tidak kita lihat

Pada abad kesembilan belas, determinisme pada tingkat mikroskopis mengarah pada keberhasilan besar pertama penalaran probabilistik dalam fisika: teori gas kinetik . Itu didasarkan pada gagasan lama bahwa materi terdiri dari sejumlah besar atom sederhana yang saling tolak seperti bola ping-pong submicroscopic. Berkat beberapa asumsi sederhana, serta bagian matematika yang bagus yang menciptakan teori kinetik, para ilmuwan dapat memperoleh hukum termodinamika yang kita kenal sebagai nilai rata-rata dari perilaku atom ideal. Teori kinetik telah menunjukkan bagaimana fenomena yang kita amati dapat muncul dari perilaku rata-rata dari banyak proses yang tidak dapat kita amati secara langsung. Namun demikian, perilaku rata-rata ini bertindak sesuai dengan hukum deterministik mekanika klasik yang terkenal - seluruh teori didasarkan pada mereka.


Partikel menunjukkan gerakan Brown.

Bahkan di abad kedua puluh, banyak ilmuwan tidak percaya pada realitas atom. Titik baliknya adalah artikel Einstein tentang gerakan Brown, yang diterbitkan pada tahun 1905. Ini menggunakan penalaran statistik, yang menunjukkan bahwa gerakan acak partikel serbuk sari yang tersuspensi dalam air dapat dijelaskan oleh pembombardan satu set partikel yang tak terlihat.

Einstein menerima Hadiah Nobelnya bukan untuk karya ini, dan bukan untuk artikel lain pada tahun 1905, di mana ia memperkenalkan konsep relativitas E = mc ² . Hadiah itu diberikan kepadanya untuk karya lain yang diterbitkan pada tahun yang sama dan didedikasikan untuk efek fotolistrik. Publikasi ini secara tidak sengaja meluncurkan proses yang menyebabkan runtuhnya realitas klasik kami.

Artikel pemenang penghargaan Einstein menjelaskan banyak hasil eksperimen misterius pada interaksi cahaya dan materi. Didalilkan bahwa cahaya diserap dan dipancarkan dari materi oleh sejumlah energi yang disebut kuanta . Karya ini menandai kelahiran fisika kuantum - dan anak Einstein ini mulai berkembang ke arah yang menjengkelkan bahkan ayahnya sendiri.

Dua dekade berikutnya menyaksikan ledakan penelitian eksperimental di bidang baru fisika dan kimia atom. Elektron dibebaskan dari belenggu atom dan mulai bereksperimen langsung dengannya. Fenomena yang lebih aneh mulai muncul dalam hasil percobaan, sejumlah teori dan model yang tidak lengkap, interpretasi matematis untuk menggambarkan microworld muncul. Semuanya berangsur-angsur mulai menyatu dan fisikawan akhirnya dapat memprediksi hasil eksperimen. Tetapi ini membutuhkan struktur matematika abstrak yang tidak biasa dan seperangkat aturan yang menghubungkannya dengan aspek alam yang diukur, yaitu mekanika kuantum. (Kisah ini diceritakan dalam buku yang ditulis dengan sangat baik oleh David Lindley.)

Pada dekade ketiga abad kedua puluh, hampir semua ilmuwan menerima kenyataan atom dan bahkan partikel yang lebih kecil. Tetapi mereka mewakili mereka sebagai versi kecil dari benda-benda yang tidak asing: planet, bola bilyar dan butiran pasir digunakan untuk perbandingan. Sebagian besar ilmuwan yang tidak termasuk dalam lingkaran kecil yang menciptakan atau memahami teori baru itu berasumsi bahwa itu adalah versi lain dari sesuatu seperti teori gas kinetik. Dan hari ini, kebanyakan orang mungkin berpikir dengan cara yang sama: atom dan komponen lain dari microworld mungkin memiliki sifat eksotis dan mengikuti aturan matematika yang aneh, tetapi setidaknya mereka mengambil bagian dalam kenyataan yang kita tahu. Namun, mekanika kuantum mengklaim sebaliknya.

Salah satu tokoh kunci dalam perkembangannya adalah Niels Bohr (dengan pengaruh signifikan dari Max Born dan Werner Heisenberg), yang juga merupakan salah satu tokoh paling aneh dalam sejarah fisika. Bohr adalah seorang fisikawan-filsuf, bosan dengan rekan-rekannya dengan mengucapkan kalimat yang panjang, rinci, kadang-kadang tidak bisa dipahami. Meskipun dia tidak diragukan lagi mengetahui teori itu dengan sempurna dan dikenal karena memecahkan beberapa teka-teki pada tahap awal penelitian atom, dia sering lebih suka percakapan yang tidak berguna dan tidak berguna untuk memanipulasi persamaan. Dia bersikeras perlunya memahami arti dari segalanya. (Pencariannya akan makna tidak dibagikan oleh beberapa perintis fisika kuantum lainnya, karena mereka sudah memulai penelitian dengan pendekatan Diam dan Hitung .)


Lambang keluarga Niels Bohr.

Sebagian terinspirasi oleh teori fisika, yang ia bantu ciptakan, Bohr secara bertahap mulai mengembangkan sisi mistisnya, dan bahkan menambahkan simbol "yin-yang" ke lambangnya.

Pemahaman atau interpretasi pertama mekanika kuantum ini kemudian dikenal sebagai "interpretasi Kopenhagen" untuk menghormati Universitas Bohr. Ini masih merupakan pandangan standar mekanika kuantum, meskipun tidak ada definisi formal. Sebaliknya, itu adalah seperangkat aturan praktis yang didukung secara universal yang berkaitan dengan bagian-bagian teori yang dapat diamati di laboratorium. Mereka dapat dirumuskan dengan berbagai cara; Berikut adalah satu versi yang mencerminkan pemahaman modern tentang aspek-aspek utama:

• Keadaan (posisi, momentum, dll.) Dari sistem sepenuhnya ditentukan oleh "fungsi gelombang" - objek matematika yang secara deterministik ditransformasikan sesuai dengan persamaan mekanika kuantum. Fungsi gelombang tidak dapat diamati secara langsung; Namun, itu memberi kita kemungkinan bahwa pada saat pengukuran, kita akan menemukan sistem dalam keadaan tertentu. "Sistem" seperti itu dapat berupa partikel elementer, misalnya, elektron dan proton, atom atau bahkan molekul besar. Dalam proses pengukuran, fungsi gelombang dan probabilitasnya "berkontraksi" dengan nilai yang diukur.
• Tidak ada "realitas" selain menghitung probabilitas. Tidak ada lapisan determinisme yang mendasarinya; Tidak ada mekanisme tersembunyi yang mencatat apa yang akan diukur sebelum melakukan pengukuran. Probabilitas ini tidak mencerminkan kurangnya pengetahuan kita, seperti dalam fisika statistik klasik, karena tidak ada yang perlu diketahui. Hanya ada kemungkinan.
• Ada batasan mendasar dari apa yang dapat diukur, dijelaskan oleh hubungan ketidakpastian: pasangan kuantitas tertentu dapat diukur secara bersamaan dengan tingkat akurasi tertentu (posisi-momentum dan energi waktu dapat berfungsi sebagai contoh). Ini tidak ada hubungannya dengan teknologi atau metode eksperimental; keterbatasan ini adalah bagian dari alam dan tidak dapat dihindari.

Interpretasi Kopenhagen cocok dengan semua seluk-beluk fenomena sekitar seperti percobaan dengan seleksi yang ditangguhkan dijelaskan di atas. Tidak perlu mengirim sinyal misterius yang bepergian ke masa lalu, atau untuk membuat teori-teori rumit yang dirancang untuk melestarikan ide-ide kita tentang kenyataan. Kita hanya perlu meninggalkan ide-ide ini dan menerima kenyataan bahwa properti tidak ada terlepas dari ukurannya. Nilai menjadi nyata hanya ketika diukur, dan mekanika kuantum memberi tahu kita bahwa itu hanyalah probabilitas dari berbagai realitas.

Apakah tidak ada jalan keluar?

Konsekuensi dari mekanika kuantum, bersama dengan interpretasi Kopenhagen, adalah tidak intuitif, aneh dan metaforis tidak dapat diterima. Itu adalah keutamaan probabilitas dan penghancuran kausalitas yang menentukan yang membuat Einstein keberatan bahwa Tuhan "tidak bermain dadu dengan dunia." Jadi mengapa fisikawan senang menerima teori ini? Mengapa kita tidak dapat mengatakan bahwa ada "parameter tersembunyi" deterministik yang telah menjadi penyebab probabilitas dunia kuantum?

Alasan yang paling penting dan langsung adalah teorema Bell.Teorema ini, dibuktikan oleh John Stuart Bell pada tahun 1964, menunjukkan bahwa jika ada lapisan parameter tersembunyi yang tidak dapat kita ukur, maka eksperimen tertentu harus memberikan hasil tertentu. Sampai saat ini, ada banyak bukti percobaan yang sangat akurat bahwa pengukuran tidak menghasilkan hasil seperti itu. Logika membutuhkan pengakuan bahwa dalam microworld tidak ada lapisan deterministik yang tidak diketahui.

Teorema Bell dapat memungkinkan hasil percobaan kami dan parameter tersembunyi deterministik untuk hidup berdampingan hanya dalam satu kondisi: pengaruh parameter ini harus merambat lebih cepat daripada kecepatan cahaya. Namun, pengaruh seperti itu tidak mungkin benar, transfer informasi klasik, karena kemungkinan ini dikecualikan oleh teori relativitas khusus. Sebagaimana Einstein tunjukkan, memindahkan informasi lebih cepat dari kecepatan cahaya akan semakin melanggar ide kita tentang sebab dan akibat: itu akan memungkinkan efek untuk mendahului penyebab, bahkan pada tingkat makrokosmos.

Kemungkinan lain adalah mengizinkan parameter tersembunyi untuk mentransmisikan efek singkat mekanika kuantum, yang merambat secara instan, tetapi tidak mentransfer informasi dalam pengertian klasik. Einstein secara mengejek menyebut pengaruh-pengaruh misterius ini sebagai "aksi jangka panjang yang mengerikan," tetapi bersama mereka kita menjelaskan hasil pengukuran partikel-partikel terjerat. Bagi mereka, mengukur keadaan partikel dapat memberi tahu kita apa hasil pengukuran partikel lain yang terletak pada jarak sewenang-wenang. Teori-teori yang menghindari pengaruh teorema Bell, yang memungkinkan adanya variabel-variabel tersembunyi yang mentransmisikan beberapa efek seketika dari kejauhan, disebut "teori-teori nonlokal dari parameter-parameter tersembunyi." Tetapi mereka adalah satu-satunya cara untuk membuat mekanika kuantum lebih nyaman bagi kita.


Eksperimen yang kurang dikenal dengan pipa Schrödinger.

Kebebasan ada harganya

Anda seharusnya tidak terkejut bahwa fisikawan telah mencari jalan keluar dari situasi sejak hari-hari pertama mekanika kuantum. Tapi bagaimana mungkin sesuatu yang lain bisa terjadi jika teorema Bell tidak meninggalkan kita jalan keluar?

Teorema apa pun selalu didasarkan pada asumsi, eksplisit dan implisit. Bukti Bell menggunakan matematika yang cukup sederhana, dan tampaknya tidak ada asumsi yang diterapkan bahwa kami tidak akan menerimanya sebagai benar. Tapi masalah yang sangat rumit menginspirasi orang untuk melakukan tindakan putus asa. Para ahli teori kuantum telah mencari alternatif untuk interpretasi Kopenhagen, mengeksplorasi beberapa asumsi diam-diam ini - yang jarang dipertanyakan, karena tidak ada yang bisa membayangkan bahwa itu tidak benar.

Logika kuantum

Salah satu asumsi yang belum dijelajahi ini mempengaruhi aturan logika yang menjadi dasar segala jenis penalaran, termasuk matematika. Interpretasi mekanika kuantum yang mengubah logika itu sendiri, mencoba menggantikan sesuatu, disebut logika kuantum . Bidang ilmu ini memiliki silsilah yang terhormat dan berasal dari John von Neumann, seorang sarjana hebat yang menulis formulasi matematika awal teori kuantum. Kembali pada 1930-an, ia menunjukkan bahwa struktur matematika dari teori ini terkait dengan logika yang berbeda dari fisika yang mendasari logika Aristotelian. Penelitian di bidang ini terus menjadi bidang yang eksotis (dan menyenangkan) untuk dipelajari; sejauh ini belum ada yang menciptakan alternatif interpretasi Kopenhagen yang berfungsi penuh dan memuaskan.

Meskipun area ini sangat dalam dan agak misterius, ada beberapa contoh sederhana tentang bagaimana logika yang akrab tidak cocok dengan dunia kuantum dan bagaimana membuat alternatif untuk itu. Salah satu yang pertama dalam literatur ada ide kuantum unik superposisi negara. Di dunia kuantum, gagasan realitas kita yang biasa digantikan oleh fungsi gelombang, yang memberi kita kemungkinan mendeteksi suatu sistem di berbagai negara. Jika sistem hanya dapat berada di salah satu dari dua keadaan, maka sebelum pengukuran itu sendiri dilakukan, itu adalah dalam keadaan yang tidak satu pun dari mereka, atau keduanya, dalam superposisi. Contoh populer dari ini adalah eksperimen pemikiran dengan kucing Schrödinger, yang dianggap hidup dan mati sampai kotak tempat kucing itu dibuka. Eksperimen adalah konflik dramatis dengan mekanika klasik dan gagasan kita sehari-hari tentang realitas: "kucing" mensyaratkan bahwa sistem itu sebenarnya berada di salah satu dari dua keadaan yang memungkinkan, dan hanya tindakan pengukuran yang menunjukkan kepada kita bagaimana keadaan selama ini.


Erwin Schrödinger

Salah satu cara yang mungkin untuk memberikan makna superposisi adalah dengan menerapkan aturan logika lainnya. Dalam logika kita yang biasa, jika pernyataan p (misalnya, "elektron berada dalam keadaan dengan putaran berorientasi ke atas") adalah salah, dan pernyataan q ("elektron dalam keadaan dengan putaran berorientasi ke bawah") adalah salah, maka p ∨ q (di mana “berarti" atau ") juga harus salah. Inilah yang terjadi dengan pengukuran klasik. Dalam mekanika kuantum, p tidak mungkin benar kecuali diukur. Apakah itu harus dianggap "salah" dalam pengertian klasik, atau sesuatu yang lain adalah pertanyaan lain. Demikian pula, q juga tidak benar. Namun, kombinasi p ∨ q harus benar, karena ini adalah definisi dari superposisi di mana elektron berada sebelum pengukuran. Oleh karena itu, logika kuantum kita harus memungkinkan p ∨ q menjadi benar ketika p atau q tidak benar, yang bertentangan dengan logika Aristoteles.

Mungkin aneh jika mengandalkan perubahan dalam aturan logika itu sendiri. Tetapi dengan cara ini kita dapat mengurangi keanehan mekanika kuantum menjadi satu atau dua level, dari level fisika ke level aturan, yang bisa kita gunakan untuk alasan.

Mekanika stokastik

Interpretasi ini, atau penjelasan mekanika kuantum, membuat logika tetap utuh, tetapi menambahkan proses fisik baru. Cabang mekanika stokastik modern dan menjanjikan dimulai dengan artikel 1966 oleh Edward Nelson, yang dengan berani menyatakan:

"Dalam artikel ini kita harus menunjukkan bahwa penyimpangan radikal dari fisika klasik yang disebabkan oleh munculnya mekanika kuantum empat puluh tahun yang lalu tidak diperlukan."

Hasil utama dari artikel ini mengesankan: penulis menurunkan persamaan Schrödinger - persamaan sentral mekanika kuantum - dengan asumsi bahwa partikel terpapar pada gaya acak yang berosilasi dengan cepat. Akibatnya, partikel mikroskopis, seperti elektron, menunjukkan sesuatu yang mirip dengan gerak Brown. Turunkan persamaan, Nelson aktif menggunakan matematika dari fisika statistik.

Sejak artikel Nelson, area ini terus berkembang dan telah menarik banyak komunitas peneliti. Beberapa keberhasilannya yang menarik termasuk menjelaskan momentum sudut terkuantisasi ("kembali"), statistik kuantum, dan percobaan dua bagian yang terkenal . Namun, mekanika stokastik masih jauh dari menggantikan interpretasi Kopenhagen atau mekanika kuantum tradisional. Ini menggunakan apa yang tampak seperti aksi instan non-fisik di kejauhan dan memberikan prediksi yang salah dalam beberapa jenis pengukuran. Namun, pembela dirinya tidak menyerah. Seperti kata Nelson dalam parsing topik ini, "bagaimana teori bisa begitu benar dan pada saat yang sama begitu keliru?"

Teori Gelombang Percontohan

Versi mekanika kuantum ini kembali ke permulaan medan. Jika potongan pertama dari teka-teki kuantum ditempatkan pada tahun 1905 oleh Einstein, ketika ia menjelaskan bagaimana cahaya diserap dan dipancarkan dari materi dengan jumlah diskrit, maka fragmen kedua ditempatkan pada tahun 1924 oleh Louis de Broglie. De Broglie menyatakan bahwa sementara gelombang cahaya dapat berperilaku seperti partikel, partikel seperti elektron dapat berperilaku seperti gelombang.

Tahun berikutnya, de Broglie menguraikan teorinya tentang gelombang pilot , di mana gelombang-gelombang materi yang diamati pada benda-benda fisik nyata dihasilkan oleh pergerakan partikel. Di satu sisi, ini adalah interpretasi awal mekanika kuantum, tetapi segera dikalahkan oleh interpretasi Kopenhagen. Ide-ide De Broglie ditemukan kembali pada tahun 1950 oleh David Bohm, yang memberikannyapengembangan lebih lanjut . Dalam formulasi ini, fungsi gelombang juga dikendalikan oleh persamaan Schrödinger, tetapi teori gelombang-pilot menambahkan persamaan yang berasal darinya yang secara langsung mempengaruhi gerakan partikel. Partikel dianggap memiliki lintasan nyata yang ada secara independen dari pengukuran; efek kuantum karakteristik, seperti gangguan dalam percobaan dengan dua celah, muncul dari lintasan kompleks di mana elektron atau foton mengikuti selama percobaan. Interpretasi ini menciptakan kembali sebagian besar perilaku dunia kuantum, sambil mempertahankan realisme. Ini mengembalikan probabilitas kembali ke tempat biasa kita, yaitu probabilitas lagi menjadi indikator pengetahuan kita yang tidak lengkap, dan bukan bagian integral dari alam.


Louis de Broglie

Hambatan serius pada teori pilot gelombang adalah bahwa lintasan partikel yang dibuatnya kompleks dan seringkali aneh; Kendala lain adalah bahwa hal itu membutuhkan nonlocality ekstrim, yang pada prinsipnya menggambarkan gerakan partikel sebagai tergantung pada keadaan semua partikel lain di alam semesta. Namun, teori ini dianggap oleh banyak fisikawan sebagai alternatif yang paling menjanjikan untuk interpretasi Kopenhagen dan sedang dipelajari secara aktif .

Fitur yang menarik dari teori gelombang pilot adalah kemungkinan mengamati analog dari beberapa karakteristik perilaku yang diprediksi dari tingkat mikro pada skala makroskopik. Video Eksperimen tetesan penolak minyak menunjukkan perilaku yang luar biasa di mana tetesan memainkan peran partikel subatomik, dan penangas minyak di mana mereka ditangguhkan melakukan beberapa fungsi gelombang pilot.

Beberapa dunia

Interpretasi "banyak-dunia" dari mekanika kuantum membuat banyak suara di pers populer. Oleh karena itu, banyak orang, termasuk beberapa fisikawan, telah memperoleh pandangan yang salah tentang teori ini.

Interpretasi ini tidak bersikeras menciptakan alam semesta baru untuk setiap dimensi, seperti yang biasanya diyakini. Dia hanya menganggap serius mekanika kuantum tradisional sebagai deskripsi alam semesta kita dan semua yang ada di dalamnya. Mekanika kuantum menggambarkan partikel, misalnya, sebuah elektron, yang ada dalam superposisi dari semua keadaan yang mungkin; saat mengukur, superposisi digantikan oleh keadaan terukur. Sudut pandang multi-dunia memperluas ide superposisi untuk mengendalikan segalanya, termasuk instalasi pengukuran dan operatornya. Dia membela pandangan bahwa, untuk memastikan integritas, seluruh dunia harus ada dalam superposisi.

Konsep "banyak dunia" mengacu pada superposisi negara yang diterapkan pada seluruh dunia; setiap keadaan potensial, atau Semesta, sudah ada dalam pengertian mekanika-kuantum, di mana setiap keadaan yang memungkinkan dari partikel subatomik memiliki keberadaan potensial. Mengukur keadaan partikel memilih satu hasil yang mungkin dan membuatnya nyata. Pada saat yang sama, pengukuran memilih satu kemungkinan hasil untuk Semesta: yang diperoleh eksperimen oleh pengukuran khusus ini.

Beberapa dunia dianggap deterministik dan menghilangkan kebutuhan akan kontraksi fungsi gelombang. Para pengkritiknya mengklaim bahwa dia masih tidak bisa menyingkirkan peran sentral dari probabilitas dan tidak mampu menahan gravitasi.

Ada banyak pendekatan alternatif lain yang kami tidak punya cukup ruang untuk menjelaskan. Seringkali mereka lebih dekat ke metafisika daripada fisika. Salah satu ide ini, yang terletak di antara sains dan filsafat, adalah superdeterminisme . Meskipun gagasan ini belum dapat menciptakan kembali hasil mekanika kuantum, ia telah menarik perhatian terus-menerus, mungkin karena reputasi apologis utamanya, pemenang Nobel dalam fisika, Gerard 't Hooft. Superdeterminisme seharusnya menjadi celah dalam teorema Bell dan sebenarnya digambarkan sebagai mungkin oleh Bell sendiri. Teori ini menghindari asumsi dasar teorema Bell dengan mempertimbangkan segala sesuatu di alam semesta, termasuk pilihan pengukuran eksperimen, seperti yang didefinisikan dari awal waktu. Secara alami, ia menyangkal kemungkinan kehendak bebas. Perkembangan yang menarik dari teori di bidang ini adalah upaya Hooft untuk mengimplementasikan ide-idenya dengan menciptakan model mekanika kuantum dalam otomat seluler.

Kecemasan Metafisik Metafisik

Einstein memiliki perintah yang baik dari kata dan sifat yang sangat dipahami. Dia meninggalkan kami dua frasa penuh warna yang terus kami kutip untuk mengekspresikan ketidakpuasan kami dengan aspek-aspek mekanika kuantum yang relevan: "aksi jarak jauh yang mengerikan" dan "Tuhan [...] tidak bermain dadu dengan dunia".

Meskipun interpretasi Kopenhagen tetap dominan, dan dengan tenang menerima kedua frasa ini, ketidakpuasan yang luar biasa yang dihasilkan oleh mereka akan terus memotivasi generasi baru fisikawan untuk mencari alternatif. Alternatif ini mungkin merupakan pengembangan lebih lanjut dari salah satu model yang dijelaskan di sini, salah satu proyek yang tidak dapat kita pertimbangkan, atau ide yang sama sekali baru. Tetapi tidak ada yang bisa mengatakan dengan pasti apakah salah satu dari mereka akan memenangkan pengakuan universal di masa depan.

Tentang Pengarang: Lee Phillips adalah fisikawan dan kontributor tetap untuk Ars Technica. Dia sebelumnya menulis tentang topik-topik seperti warisan bahasa pemrograman Fortran dan perubahan fisika Emmy Noether .