Certamente a maioria de vocês não, não, e mesmo na literatura da ciência popular, houve referências à "interpretação de muitos mundos" da mecânica quântica (MMI). Eles gostam de se lembrar dela nos comentários sobre Habré, mas muitas vezes de maneira errada ou com sérias imprecisões.



Vamos tentar descobrir o que está acontecendo na MMI.

Parte 1: por que você precisa "interpretar" a física quântica?

A física quântica entrou firmemente em nossas vidas: os flash drives usam o efeito de túnel , os lasers registram e transmitem informações e as lâmpadas LED iluminam nossas casas. Somos perfeitamente capazes de descrever todos esses fenômenos usando o aparato matemático da física quântica, e os experimentos mais precisos não encontram desvios dos efeitos previstos pela teoria. Por outro lado, o significado físico de todas essas equações às vezes nos escapa. Interpretações da mecânica quântica tentam preencher as equações com algum conteúdo físico (e filosófico).

Importante : todas as interpretações são reduzidas às mesmas equações do QM padrão e não prevêem nova física!

O principal problema que as interpretações estão tentando resolver é o problema de medição. Na física clássica, tudo é simples: há espaço e tempo, há matéria nesse espaço, existem parâmetros do sistema (como momento ou posição) e existem leis da física que descrevem a mudança nesses parâmetros. Se você souber exatamente o estado inicial do sistema, poderá prever seu comportamento futuro com precisão absoluta. Na física quântica, não é assim ... O sistema é descrito por uma função de onda. Determina a probabilidade de medir o sistema em um determinado estado (por exemplo, uma determinada coordenada ou momento). É impossível dizer antes da medição que o sistema tem um determinado momento, ele tem apenas uma função de onda.

É importante que a probabilidade seja dada pelo módulo quadrado da função de onda, e não pela própria função de onda. Nesse caso, o próprio WF pode assumir valores positivos e negativos. Além disso, dois WFs (ou partes de WFs) podem interferir entre si.

Regra de cálculo de probabilidade (regra de Bourne). Os quadrados dos coeficientes na função de onda determinam a probabilidade de um resultado específico na medição. Por exemplo, o gato Schrödinger é descrito pelo WF:

$$exibição $$ $$ \ Psi = \ alpha_1 | ativa> + \ alpha_2 | morta>, \ alpha_1 = \ alpha_1 = \ frac {1} {\ sqrt {2}} $$ exibição $$

a probabilidade de ele estar vivo quando você abre a caixa é considerada como$$ $ inline $ P (ativo) = | \ alpha_1 | ^ 2 = 0,5 $ inline $ , ou seja, 50% O mesmo para a probabilidade de ele estar morto:$$ $ inline $ P (inoperante) = | \ alpha_2 | ^ 2 = 0,5 $ inline $ novamente 50%.

Pequena ilustração

Seu amigo - Vasya Pupkin - passa seus dias no computador, na programação ou no sofá, jogando PlayStation. Você está em pé na frente de uma porta fechada para o apartamento dele. Do ponto de vista clássico, Vasya está no computador ou no sofá, você simplesmente não sabe exatamente onde. Mas o Vasya quântico está simultaneamente em dois lugares até você abrir a porta e olhar (medir sua condição). Sua condição antes da medição:

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

E depois de medir com uma probabilidade de 50%, ele está no jogo ou no trabalho.

Vamos continuar a ilustração. Suponha que, antes de fazer negócios, Vasya possa ir à geladeira tomar uma cerveja ou fumar na varanda. Ao mesmo tempo, se você o pegasse durante essas atividades (vigiado na geladeira ou na varanda), ele então, com igual probabilidade, vai brincar no sofá ou no trabalho. Mas pode ser que, quando você não esteja olhando, ele seja 100% dos casos com um joystick nas mãos. A razão para isso é interferência. O estado de Vasya é descrito por uma função de onda, que pode ser negativa, mas ao mesmo tempo corresponde à mesma probabilidade de uma WF positiva.

Vamos dar uma olhada. Primeiro passo: se não olharmos, Vasya está em uma superposição de uma geladeira / varanda:

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

Segundo passo: digamos que se Vasya sai da geladeira, seu WF

$$$$ display $$ | refrigerador> = \ frac {1} {\ sqrt {2}} (| jogo> - | trabalho>), $$ display $$

e se vier da varanda:

$$$$ display $$ | balcão> = \ frac {1} {\ sqrt {2}} (| jogo> + | trabalho>) $$ display $$

Se o observarmos em seu estado original, reduziremos seu estado para | frigorífico> ou | balcão>, o que dará uma probabilidade de 50/50 na saída: ele irá brincar ou trabalhar. Mas se não observarmos seus movimentos, seu WF:

$$$$ display $$ \ Psi = \ frac {1} {\ sqrt {2}} (| refrigerador> + | balcão>) = \ frac {1} {2} (| jogo> - | trabalho> + | jogo> + | trabalho>) = | jogo> $$ exibição $$

Ou seja, ele sempre acaba no sofá! E tudo por causa de interferência.

Então, vemos que o fato de nos observar por Vasya muda seu estado final. Por que a medição desempenha um papel tão significativo? Interpretações de MC estão tentando responder a essa pergunta.

A interpretação clássica (Copenhague) postula que o processo de observação é o processo de colapso da função de onda em um dos estados. O colapso leva ao fato de que o WF continua a evoluir apenas como uma parte do WF original, o objeto não está mais em um estado de superposição e não pode interferir. Como resultado, todos os tipos de efeitos, como o entrelaçamento quântico, desaparecem. Ela não explica como ocorre o colapso, e também porque algumas interações causam colapso, enquanto outras não. A presença de tais postulados não é apreciada por todos, e os cientistas estão tentando encontrar interpretações alternativas. Um dos mais simples e mais desenvolvidos é o multi-mundo.

Parte 2: Uma interpretação mundial

Para começar, lembre-se do que é o emaranhamento quântico. Por definição, dois estados são confundidos quando não é possível separá-los em duas partes independentes. Vamos voltar à ilustração da primeira parte e imaginar que Vasya tenha uma namorada, Anya. Anya lê um livro em uma poltrona ou caminha em um parque. Até que começaram a namorar, a escolha foi aleatória:

$$$$ exibição $$ | Vasya, Anya> = 0,5 | jogo, livro> +0,5 | jogo, parque> +0,5 | trabalho, livro> +0,5 | trabalho, parque> $$ exibição $$

E o resultado da sua medição deu uma probabilidade de 25% para cada conjunto específico (e a probabilidade de encontrar Vasya no sofá no total foi de 50%).

Agora eles estão em um estado confuso:

$$$$ display $$ | Vasya, Anya> = \ frac {1} {\ sqrt {2}} (| jogo, livro> + | trabalho, parque>) $$ display $$

Se assistirmos a Vasya, a probabilidade de encontrá-lo no sofá é novamente de 50%. No entanto, se ele está no sofá, Anya está absolutamente por trás do livro, você nem precisa verificar.

É assim que a correlação absoluta entre as medições aparece quando o sistema está em um estado emaranhado.

Próximo passo: Vasya pode ir à varanda ou à geladeira antes de se sentar para trabalhar ou se divertir, mas não o estamos observando. Digamos que Anya e Vasya se encontrem em um estado confuso:

$$$$ display $$ | Vasya, Anya> = \ frac {1} {\ sqrt {2}} (| varanda, livro> + | geladeira, parque>) $$ display $$

Então as duas partes da VF de Vasya não interferem mais uma com a outra, e nem sempre observamos a Vasya no sofá, como na primeira parte:

$$$$ display $$ | Vasya, Anya> = \ frac {1} {2} (| jogo, livro> + | trabalho, livro> + | jogo, parque> - | trabalho, parque>) $$ display $$

O emaranhamento impede que o WF interfira. Em princípio, podemos executar algumas operações no sistema Ani e Vasya e desvendá-las, para que a interferência seja novamente possível. No entanto, para isso, precisamos ter acesso aos dois sistemas. Na realidade, nem sempre temos acesso a todas as partes de um estado emaranhado. Por exemplo, quando Vasya é confundida não apenas com Anya, mas também com dois mil nomes anônimos na Internet e todos os seus vizinhos (em outras palavras, o sistema se confunde com o ambiente), não temos como retornar a capacidade de interferir.

Esse efeito é chamado de decoerência . O ambiente refere-se aos graus de liberdade com os quais o sistema está em contato, geralmente existem muitos deles. Se o sistema acaba por ser confundido com o mundo inteiro à nossa volta, as diferentes partes da função de onda são completamente isoladas uma da outra, embora nenhum "colapso" tenha ocorrido. Como se estivessem em mundos diferentes.

Essa é a idéia principal de uma interpretação multiorno. Seu único postulado é que todo o Universo é descrito por uma função de onda. Não existe mundo "clássico", nem observadores, nem colapso - tudo isso é uma evolução unitária de um FS sob a influência da equação de Schrödinger. O que observamos como colapso é exclusivamente um processo de decoerência, nossa incapacidade de "desatar" o objeto e o ambiente com o qual ele está enredado.

Diferentes "mundos", neste caso, surgem toda vez que ocorre um "colapso" - a interação do sistema com o meio ambiente. Nesse caso, um mundo é dividido em vários, de acordo com os ramos do FS, e esses mundos não interagem mais.

Exemplo com um gato de Schrödinger: em um famoso experimento mental, o gato está em uma caixa com veneno, que em um momento aleatório envenena o gato. Ao mesmo tempo, de acordo com o KM, enquanto a caixa está fechada, o gato está em superposição$$ $ inline $ | cat> = \ frac {1} {2} (| vivo> + | morto>) $ inline $ . De acordo com a interpretação de Copenhague, quando Schrödinger abre a caixa, ele coloca o gato em um estado "vivo" ou "morto". Segundo o MMI, Schrödinger está confuso:$$ $ inline $ | cat, W> = \ frac {1} {2} (| vivo, vê "vivo"> ​​+ | morto, vê "morto">) $ inline $ . Para isso, você precisa adicionar o ambiente:$$ $ inline $ | cat, W> | o> = \ frac {1} {2} (| vivo, vê "vivo"> ​​+ | morto, vê "morto">) | existe> $ inline $ que, como resultado do processo de decoerência, se confunde com os dois:
$$$ inline $ | cat, W, o> = \ frac {1} {2} (| vivo, vê "vivo", okr "vivo"> ​​+ | morto, vê "morto", okr "morto">) | existe > $ inline $ . Nesta versão, Schrödinger não tem mais a oportunidade de "cancelar" a medição ou fazer algo para "desvendar" os dois estados. Os dois mundos estavam divididos: em um Schrödinger encontrou um gato morto, no outro, um gato vivo. Nesse caso, não ocorreu nenhum colapso, tudo isso ainda é apenas uma evolução unitária de uma função de ondas grandes.

Parte 3: Detalhes

1. O problema da existência do mundo clássico. Do ponto de vista da MMI, tudo no mundo é quântico. Além disso, do ponto de vista da matemática, podemos escolher um número infinito de maneiras de dividir (escolher uma base) o WF em diferentes "mundos" (estados ortogonais). Pergunta: por que observamos o clássico do mundo? Como o Universo "escolhe" um método de decomposição que observamos? Esse é o chamado problema da base preferida. Resposta: porque as propriedades das interações físicas são tais que são todas locais. Os valores das constantes fundamentais e o Hamiltoniano do Universo são tais que os objetos localizados são estáveis. Os estados macroscópicos podem permanecer assim por um longo tempo; a função de onda do Universo não se ramifica continuamente. Como resultado: conseguimos observar objetos macroscópicos em seus lugares. Em outra variante da decomposição em uma base, a ramificação ocorre tão rapidamente que não tivemos tempo para percebê-la. Este é o outro lado do processo de decoerência: a velocidade de decoerência é mais rápida quanto mais massivo o objeto.
   
   Mais detalhes podem ser encontrados aqui: [1] , [2] , [3] , [4]
   
2. O que exatamente é uma dimensão? Como distinguir a medição da interação simples? A medição no MMI é simplesmente o processo de emaranhamento do observador e do objeto como resultado da interação. Às vezes, a interação pode ser “rebobinada” ao desvendar os dois sistemas, então isso não é uma medida. Geralmente, um certo processo de amplificação está envolvido no processo de medição. Por exemplo, você detecta um fóton em um fotomultiplicador; ele dispara um elétron que, como resultado do processo de avalanche, é convertido em corrente na saída do detector. No MMI, todo o processo é o emaranhamento de um fóton com elétrons (e outras partes do detector). Mas essa medida não pode ser rebobinada - a maioria dos graus de liberdade no emaranhado é inacessível. Obviamente, para o processo de medição, não é necessário que o observador seja razoável, o processo é suficientemente irreversível.
   
3. Quando ocorre a divisão dos mundos? A separação ocorre quando, no processo de interação, muitos graus de liberdade estão envolvidos, e a medição se torna irreversível. I.e. após a interação do fóton com o detector, mas antes do aparecimento da corrente na saída. Como exemplo, o gato Schrödinger novamente: o ambiente pode ser considerado o processo de decaimento radioativo. No momento em que o núcleo se decompõe e o veneno é liberado, o gato se divide em duas versões. E do ponto de vista do gato, ele não pode mais interagir com sua cópia. Do ponto de vista de Schrödinger, o gato ainda está vivo e morto. Somente quando ele abre a caixa é que ele se confunde com o gato e a fonte de radiação. Porque o decaimento radioativo é irreversível, Schrödinger também é irreversivelmente dividido em duas versões de si mesmo.
   
4. MMI é uma teoria local? Porque no MMI, o WF obedece à equação de Schrödinger, que por sua vez obedece à teoria especial da relatividade, todas as interações nela são locais e toda a teoria é local da mesma maneira. A divisão de mundos se estende de um ponto de medição não mais rápido que a velocidade da luz
   
5. Quantos mundos? Não sabemos, pode ser uma quantidade finita ou infinita. Com base na finitude da entropia do Universo, pode-se supor que o número de mundos é finito.
   
6. Uma teoria de vários mundos é completamente determinística no nível da WF do Universo. WF evolui de acordo com a equação de Schrödinger. Só observamos o mundo aleatoriamente devido ao processo de medição e decoerência.
   
7. O que fazer com a conservação de energia? A energia é economizada no processo de dividir os mundos: cada mundo recebe "peso" de acordo com a probabilidade associada a este mundo. A energia de todo o universo permanece inalterada.
   
8. Se a MMI estiver correta, algo pode acontecer? Não, primeiro, as leis da física agem exatamente da mesma maneira, e o que não é permitido pela física "comum" também não acontecerá no MMI. Em segundo lugar, se o número de mundos for finito, alguns eventos podem ter pouca probabilidade de ocorrer.
   
9. Como determinar as probabilidades no MMI? A regra de Bourne não é postulada no MMI, mas é derivada de disposições gerais. Ver p. Aqui ou aqui .
   
10. É possível testar o MMI? O MMI é uma versão "pura" da mecânica quântica; portanto, toda vez que testamos o QM, testamos o MMI. Para provar que é a MMI que é a teoria correta, e não outra, é difícil, embora idéias diferentes tenham sido propostas, você pode encontrá-la aqui .
    

Conclusão: o MMI é uma interpretação minimalista da QM, exigindo nada além do aparato matemático da própria mecânica quântica. A melhor interpretação para a navalha de Occam.

Referências:

1. https://plato.stanford.edu/entries/qm-manyworlds/
2. https://www.hedweb.com/everett/everett.htm
3. Everettianismo de cães loucos: a mecânica quântica é mínima
4. http://www.preposterousuniverse.com/blog/2014/06/30/why-the-many-worlds-formulation-of-quantum-mechanics-is-probably-correct/
5. Compreendendo a interpretação dos muitos mundos