Tentunya sebagian besar dari Anda tidak, tidak, dan bahkan dalam literatur sains populer telah ada referensi ke "banyak dunia interpretasi" mekanika kuantum (MMI). Mereka suka mengingatnya dalam komentar di Habré, tetapi seringkali dengan cara yang salah atau dengan ketidakakuratan yang serius.



Mari kita coba mencari tahu apa yang terjadi di MMI.

Bagian 1: mengapa Anda perlu "menafsirkan" fisika kuantum?

Fisika kuantum telah memasuki kehidupan kita: flash drive menggunakan efek terowongan , merekam laser dan mengirimkan informasi, dan lampu LED menerangi rumah kita. Kami sangat mampu menggambarkan semua fenomena ini menggunakan alat matematika fisika kuantum, dan eksperimen paling akurat tidak menemukan penyimpangan dari efek yang diprediksi oleh teori. Di sisi lain, makna fisik dari semua persamaan ini kadang-kadang menghindari kita. Interpretasi mekanika kuantum mencoba mengisi persamaan dengan beberapa konten fisik (dan filosofis).

Penting : semua interpretasi direduksi menjadi persamaan yang sama dengan QM standar dan jangan memprediksi fisika baru!

Masalah utama yang coba diselesaikan oleh interpretasi adalah masalah pengukuran. Dalam fisika klasik, semuanya sederhana: ada ruang dan waktu, ada materi di ruang ini, ada parameter sistem (seperti momentum atau posisi), dan ada hukum fisika yang menjelaskan perubahan dalam parameter ini. Jika Anda tahu persis kondisi awal sistem, Anda dapat memprediksi perilaku di masa depan dengan akurasi absolut. Dalam fisika kuantum, ini tidak begitu ... Sistem ini dijelaskan oleh fungsi gelombang. Ini menentukan probabilitas mengukur sistem dalam keadaan tertentu (misalnya, koordinat atau momentum tertentu). Tidak mungkin untuk mengatakan sebelum pengukuran bahwa sistem memiliki momen tertentu, ia hanya memiliki fungsi gelombang.

Penting bahwa probabilitas diberikan oleh modulus kuadrat dari fungsi gelombang, dan bukan oleh fungsi gelombang itu sendiri. Dalam hal ini, WF sendiri dapat mengambil nilai positif dan negatif. Selain itu, dua WF (atau bagian dari WF) dapat saling mengganggu.

Aturan perhitungan probabilitas (aturan Bourne). Kuadrat dari koefisien dalam fungsi gelombang menentukan probabilitas hasil spesifik dalam pengukuran. Misalnya, kucing Schrödinger dijelaskan oleh WF:

$$$$ menampilkan $$ \ Psi = \ alpha_1 | hidup> + \ alpha_2 | mati>, \ alpha_1 = \ alpha_1 = \ frac {1} {\ sqrt {2}} $$ menampilkan $$

probabilitas dia menjadi hidup ketika Anda membuka kotak dianggap sebagai$$ $ inline $ P (hidup) = | \ alpha_1 | ^ 2 = 0,5 $ inline $ , yaitu 50% Hal yang sama untuk kemungkinan dia mati:$$ $ inline $ P (mati) = | \ alpha_2 | ^ 2 = 0,5 $ inline $ lagi 50%.

Ilustrasi kecil

Teman Anda - Vasya Pupkin - menghabiskan hari-harinya baik di depan komputer, pemrograman, atau di sofa, bermain playstation. Anda berdiri di depan pintu tertutup ke apartemennya. Dari sudut pandang klasik, Vasya berada di depan komputer atau di sofa, Anda tidak tahu persis di mana. Tapi kuantum Vasya secara bersamaan di dua tempat sampai Anda membuka pintu dan melihat (mengukur kondisinya). Kondisinya sebelum pengukuran:

$$$$ menampilkan $$ \ Psi = \ frac {1} {\ sqrt {2}} (| permainan> + | kerja>) $$ menampilkan $$

Dan setelah mengukur dengan probabilitas 50% dia ada di permainan atau di tempat kerja.

Mari kita lanjutkan ilustrasinya. Misalkan, sebelum melakukan bisnis, Vasya dapat pergi ke kulkas untuk minum bir atau merokok di balkon. Pada saat yang sama, jika Anda menangkapnya selama kegiatan ini (ditonton oleh kulkas atau di balkon), ia kemudian dengan probabilitas yang sama pergi bermain di sofa atau bekerja. Tetapi mungkin saat Anda tidak melihat, ia 100% memiliki joystick di tangannya. Alasannya adalah gangguan. Keadaan Vasya digambarkan oleh fungsi gelombang, yang bisa negatif, tetapi pada saat yang sama sesuai dengan probabilitas yang sama dengan WF positif.

Mari kita lihat lebih dekat. Langkah pertama: jika kita tidak melihatnya, Vasya berada di posisi superposisi dari kulkas / balkon:

$$$$ display $$ \ Psi = \ frac {1} {\ sqrt {2}} (| kulkas> + | balkon>) $$ display $$

Langkah kedua: katakanlah jika Vasya berasal dari kulkas, WF-nya

$$$$ menampilkan $$ | lemari es> = \ frac {1} {\ sqrt {2}} (| permainan> - | kerja>), $$ menampilkan $$

dan jika itu berasal dari balkon:

$$$$ menampilkan $$ | balkon> = \ frac {1} {\ sqrt {2}} (| permainan> + | kerja>) $$ menampilkan $$

Jika kita amati dalam kondisi aslinya, kita akan mengurangi statusnya menjadi | kulkas> atau | balkon>, yang akan memberikan kemungkinan 50/50 pada output: dia akan pergi bermain atau bekerja. Tetapi jika kita tidak mengamati pergerakannya, WF-nya:

$$$$ menampilkan $$ \ Psi = \ frac {1} {\ sqrt {2}} (| kulkas> + | balkon>) = \ frac {1} {2} (| permainan> - | kerja> + | permainan> + | kerja>) = | permainan> $$ menampilkan $$

Artinya, dia selalu berakhir di sofa! Dan semuanya karena gangguan.

Jadi, kita melihat fakta mengamati kita untuk Vasya mengubah keadaan akhirnya. Mengapa pengukuran memainkan peran yang sangat penting? Interpretasi CM berusaha menjawab pertanyaan ini.

Interpretasi klasik (Kopenhagen) mendalilkan bahwa proses pengamatan adalah proses runtuhnya fungsi gelombang menjadi salah satu negara. Runtuhnya mengarah pada fakta bahwa WF terus berkembang hanya sebagai satu bagian dari WF asli, objek tidak lagi dalam keadaan superposisi dan tidak dapat mengganggu. Akibatnya, segala macam efek seperti keterikatan kuantum menghilang. Dia tidak menjelaskan bagaimana keruntuhan terjadi, serta mengapa beberapa interaksi menyebabkan keruntuhan, sementara yang lain tidak. Kehadiran postulat semacam itu tidak disukai semua orang, dan para ilmuwan berusaha menemukan interpretasi alternatif. Salah satu yang paling sederhana dan paling berkembang adalah dunia multi.

Bagian 2: Interpretasi Seluruh Dunia

Untuk memulainya, ingatlah apa keterikatan kuantum. Menurut definisi, dua negara bingung ketika tidak mungkin untuk memisahkan mereka menjadi dua bagian independen. Mari kita kembali ke ilustrasi dari bagian pertama, dan bayangkan bahwa Vasya punya pacar, Anya. Anya membaca buku di kursi berlengan atau berjalan-jalan di taman. Sampai mereka mulai berkencan, pilihan mereka adalah acak:

$$$$ tampilkan $$ | Vasya, Anya> = 0,5 | permainan, buku> +0.5 | permainan, taman> +0.5 | kerja, buku> +0.5 | kerja, taman> $$ tampilkan $$

Dan hasil pengukuran Anda memberikan probabilitas 25% untuk setiap set tertentu (dan probabilitas menemukan Vasya di sofa secara total adalah 50%).

Sekarang mereka dalam keadaan bingung:

$$$$ tampilkan $$ | Vasya, Anya> = \ frac {1} {\ sqrt {2}} (| permainan, buku> + | kerja, taman>) $$ tampilkan $$

Jika kita menonton Vasya, maka kemungkinan menemukannya di sofa lagi 50%. Namun, jika dia ada di sofa, maka Anya benar-benar tepat di belakang buku itu, Anda bahkan tidak perlu memeriksanya.

Ini adalah bagaimana korelasi absolut antara pengukuran muncul ketika sistem berada dalam keadaan terjerat.

Langkah selanjutnya: Vasya bisa pergi ke balkon atau ke lemari es sebelum duduk untuk bekerja atau bermain, tetapi kita tidak mengawasinya. Katakanlah Anya dan Vasya menemukan diri mereka dalam keadaan bingung:

$$$$ display $$ | Vasya, Anya> = \ frac {1} {\ sqrt {2}} (| balkon, buku> + | lemari es, taman>) $$ display $$

Kemudian dua bagian VF Vasya tidak lagi saling mengganggu, dan kami tidak selalu mengamati Vasya di sofa, seperti di bagian pertama:

$$$$ tampilkan $$ | Vasya, Anya> = \ frac {1} {2} (| game, book> + | work, book> + | game, park> - | work, park>) $$ display $$

Keterikatan mencegah WF dari campur tangan. Pada prinsipnya, kita dapat melakukan beberapa operasi pada sistem Ani dan Vasya dan mengurai mereka, maka gangguan akan mungkin terjadi lagi. Namun, untuk ini kita perlu memiliki akses ke kedua sistem. Pada kenyataannya, kita tidak selalu memiliki akses ke semua bagian negara yang terjerat. Misalnya, ketika Vasya bingung tidak hanya dengan Anya, tetapi juga dengan dua ribu nama anonim di Internet, dan semua tetangganya (dengan kata lain, sistem menjadi bingung dengan lingkungannya), kita tidak memiliki cara untuk mengembalikan kemampuan untuk ikut campur.

Efek ini disebut dekoherensi . Lingkungan mengacu pada derajat kebebasan yang digunakan sistem untuk melakukan kontak, biasanya ada banyak dari mereka. Jika sistem ternyata menjadi bingung dengan seluruh dunia di sekitar kita, bagian-bagian yang berbeda dari fungsi gelombang sepenuhnya terisolasi satu sama lain, meskipun tidak ada "kehancuran" telah terjadi. Seolah-olah mereka berada di dunia yang berbeda.

Ini adalah ide utama penafsiran multi-dunia. Satu-satunya dalil adalah bahwa seluruh alam semesta dijelaskan oleh satu fungsi gelombang. Tidak ada dunia "klasik", tidak ada pengamat, tidak ada kehancuran - semua ini adalah evolusi kesatuan dari satu WF di bawah pengaruh persamaan Schrödinger. Apa yang kita amati sebagai keruntuhan secara eksklusif adalah proses dekoherensi, ketidakmampuan kita untuk "melepaskan" objek dan lingkungan yang dengannya ia terjerat.

"Dunia" yang berbeda dalam hal ini muncul setiap kali "keruntuhan" terjadi - interaksi sistem dengan lingkungan. Dalam hal ini, satu dunia dibagi menjadi beberapa, sesuai dengan cabang-cabang WF, dan dunia-dunia ini tidak lagi berinteraksi.

Contoh dengan kucing Schrödinger: dalam eksperimen pemikiran yang terkenal, kucing itu berada dalam sebuah kotak dengan racun, yang pada saat acak meracuni kucing itu. Pada saat yang sama, menurut KM, saat kotak tertutup, kucing berada di posisi super$$ $ inline $ | cat> = \ frac {1} {2} (| hidup> + | mati>) $ inline $ . Menurut interpretasi Kopenhagen, ketika Schrödinger membuka kotak itu, ia membuat kucing itu jatuh dalam kondisi "hidup" atau "mati". Menurut MMI, Schrödinger bingung:$$ $ inline $ | cat, W> = \ frac {1} {2} (| hidup, lihat "hidup"> + | mati, lihat "mati">) $ inline $ . Untuk ini, Anda perlu menambahkan lingkungan:$$ $ inline $ | cat, W> | o> = \ frac {1} {2} (| hidup, lihat "hidup"> + | mati, lihat "mati">) | ada> $ inline $ yang, sebagai akibat dari proses dekoherensi, menjadi bingung dengan keduanya:
$$$ inline $ | cat, W, o> = \ frac {1} {2} (| hidup, lihat "hidup", okr "hidup"> + | mati, lihat "mati", okr "mati">) | ada > $ inline $ . Dalam versi ini, Schrödinger tidak lagi memiliki kesempatan untuk "membatalkan" pengukuran atau melakukan sesuatu untuk "mengurai" kedua negara. Kedua dunia itu terbagi: dalam satu Schrödinger menemukan seekor kucing mati, di yang lain seekor kucing yang hidup. Dalam hal ini, tidak ada keruntuhan yang terjadi, semua ini masih merupakan evolusi kesatuan dari fungsi gelombang besar.

Bagian 3: Detail

1. Masalah keberadaan dunia klasik. Dari sudut pandang MMI, semua yang ada di dunia adalah kuantum. Selain itu, dari sudut pandang matematika, kita dapat memilih jumlah tak terbatas cara untuk membagi (memilih basis) WF menjadi "dunia" yang berbeda (negara ortogonal). Pertanyaan: mengapa kita mengamati dunia klasik? Bagaimana cara Semesta “memilih” satu metode dekomposisi yang kita amati? Inilah yang disebut masalah basis pilihan. Jawab: karena sifat-sifat interaksi fisik sedemikian rupa sehingga semuanya bersifat lokal. Nilai-nilai konstanta fundamental dan Hamiltonian dari Semesta sedemikian rupa sehingga objek yang dilokalisasi stabil. Keadaan makroskopis dapat tetap demikian untuk waktu yang lama, fungsi gelombang Semesta tidak bercabang terus menerus. Akibatnya: kami berhasil mengamati objek makroskopis di tempat mereka. Dalam varian lain dari penguraian menjadi suatu basis, percabangan terjadi begitu cepat sehingga kita tidak dapat memiliki waktu untuk melihatnya. Ini adalah sisi lain dari proses dekoherensi: kecepatan dekoherensi lebih cepat semakin besar objek.
   
   Detail lebih lanjut dapat ditemukan di sini: [1] , [2] , [3] , [4]
   
2. Apa sebenarnya dimensi itu? Bagaimana membedakan pengukuran dari interaksi sederhana? Pengukuran dalam MMI hanyalah proses keterikatan pengamat dan objek sebagai hasil dari interaksi. Terkadang interaksi dapat "digulung ulang" dengan mengungkap kedua sistem, maka ini bukan pengukuran. Biasanya, proses amplifikasi tertentu terlibat dalam proses pengukuran. Misalnya, Anda mendeteksi foton pada photomultiplier, ia merobohkan satu elektron, yang, sebagai akibat dari proses longsoran salju, dikonversi menjadi arus pada keluaran dari detektor. Dalam MMI, seluruh proses adalah proses melibatkan satu foton dengan elektron (dan bagian lain dari detektor). Tetapi pengukuran seperti itu tidak dapat dibatalkan - sebagian besar derajat kebebasan dalam belitan tidak dapat diakses. Tentu saja, untuk proses pengukuran tidak perlu bahwa pengamat itu masuk akal, prosesnya cukup ireversibel.
   
3. Kapan pembagian dunia terjadi? Pemisahan terjadi ketika dalam proses interaksi banyak derajat kebebasan terlibat, dan pengukuran menjadi tidak dapat diubah. Yaitu setelah interaksi foton dengan detektor, tetapi sebelum munculnya arus pada output. Sebagai contoh, kucing Schrödinger lagi: lingkungan di sana dapat dianggap sebagai proses peluruhan radioaktif. Pada saat inti meluruh dan racun dilepaskan, kucing terbagi menjadi dua versi. Dan dari sudut pandang kucing, dia tidak bisa lagi berinteraksi dengan salinannya. Dari sudut pandang Schrödinger, kucing itu masih hidup dan mati. Hanya ketika dia membuka kotak itu dia menjadi bingung dengan kucing dan sumber radiasi. Karena peluruhan radioaktif bersifat ireversibel, Schrödinger juga dibagi menjadi dua versi itu sendiri.
   
4. Apakah MMI adalah teori lokal? Karena dalam MMI, WF mematuhi persamaan Schrödinger, yang pada gilirannya mematuhi teori relativitas khusus, semua interaksi di dalamnya bersifat lokal, dan keseluruhan teori bersifat lokal dengan cara yang sama. Pemisahan dunia meluas dari titik pengukuran tidak lebih cepat dari kecepatan cahaya
   
5. Berapa banyak dunia? Kita tidak tahu, itu bisa berupa jumlah terbatas atau tidak terbatas. Berdasarkan keterbatasan entropi Semesta, dapat diasumsikan bahwa jumlah dunia terbatas.
   
6. Teori multi-dunia sepenuhnya deterministik pada tingkat WF Semesta. WF berevolusi sesuai dengan persamaan Schrödinger. Kami hanya mengamati dunia secara acak karena proses pengukuran dan dekoherensi.
   
7. Apa yang harus dilakukan dengan konservasi energi? Energi dihemat dalam proses membagi dunia: setiap dunia menerima "berat" sesuai dengan probabilitas yang terkait dengan dunia ini. Energi seluruh alam semesta tidak berubah.
   
8. Jika MMI benar, maka dapatkah terjadi sesuatu? Tidak, pertama-tama, hukum fisika bertindak dengan cara yang persis sama, dan apa yang tidak diizinkan oleh fisika "biasa" tidak akan terjadi dalam MMI juga. Kedua, jika jumlah dunia terbatas, beberapa peristiwa mungkin memiliki terlalu sedikit kemungkinan untuk terjadi.
   
9. Bagaimana cara menentukan probabilitas dalam MMI? Aturan Bourne tidak didalilkan dalam MMI, tetapi diturunkan dari ketentuan umum. Lihat mis. Di sini atau di sini .
   
10. Apakah mungkin untuk menguji MMI? MMI adalah versi "murni" mekanika kuantum, jadi setiap kali kami menguji QM, kami menguji MMI. Untuk membuktikan bahwa MMI-lah yang merupakan teori yang benar, dan bukan yang lain, sulit, walaupun berbagai ide diajukan, Anda dapat menemukannya di sini .
    

Intinya: MMI adalah interpretasi minimalis QM, tidak membutuhkan apa pun kecuali alat matematika mekanika kuantum itu sendiri. Penafsiran terbaik untuk pisau cukur Occam.

Referensi:

1. https://plato.stanford.edu/entries/qm-manyworlds/
2. https://www.hedweb.com/everett/everett.htm
3. Mad-Dog Everettianism: Mekanika Kuantum Paling Minimal
4. http://www.preposterousuniverse.com/blog/2014/06/30/why-the-many-worlds-formulation-of-quantum-mechanics-is-probably-correct/
5. Memahami Interpretasi Banyak Dunia