Problém měření v kvantové mechanice je problém stanovení když ( a jestliže ) kolaps vlnové funkce nastane . Neschopnost přímo pozorovat takový kolaps dala vzniknout různým interpretacím kvantové mechaniky a položila klíčovou sadu otázek, na které musí každá interpretace odpovědět.
Vlnová funkce se v kvantové mechanice vyvíjí deterministicky podle Schrödingerovy rovnice jako lineární superpozice různých stavů. Reálná měření však vždy najdou fyzikální systém v určitém stavu. Jakýkoli následný vývoj vlnové funkce je založen na stavu, ve kterém byl systém při měření nalezen, což znamená, že měření se systémem „něco udělalo“, což zjevně není důsledkem Schrödingerovy evoluce. Problém měření popisuje, co to „něco“ je, jak se superpozice mnoha možných hodnot stává jedinou naměřenou hodnotou.
Jinými slovy (abychom parafrázovali Stevena Weinberga [1] [2] ), Schrödingerova vlnová rovnice určuje vlnovou funkci kdykoli později. Pokud jsou pozorovatelé a jejich měřicí přístroje popsáni deterministickou vlnovou funkcí, proč nemůžeme předpovídat přesný výsledek měření, ale pouze pravděpodobnosti? Nebo obecněji: Jak lze vytvořit soulad mezi kvantovou a klasickou realitou? [3]
Myšlenkovým experimentem často používaným k ilustraci problému měření je „paradox“ Schrödingerovy kočky . Mechanismus je navržen tak, aby zabil kočku, pokud dojde k nějaké kvantové události, jako je rozpad radioaktivního atomu. Tak se osud masivního objektu, kočky, prolíná s osudem kvantového objektu, atomu. Před pozorováním, podle Schrödingerovy rovnice a četných částicových experimentů, je atom v kvantové superpozici , lineární kombinaci rozpadlých a nerozložených stavů, které se vyvíjejí v průběhu času. Kočka tedy musí být také v superpozici, lineární kombinaci stavů, které lze charakterizovat jako „živá kočka“ a stavů, které lze charakterizovat jako „mrtvá kočka“. Každá z těchto možností je spojena se specifickou nenulovou amplitudou pravděpodobnosti . Jedno samostatné pozorování kočky však nenalezne superpozici: vždy najde buď živou kočku, nebo kočku mrtvou. Po pozorování je kočka definitivně živá nebo mrtvá. Otázka: Jak se pravděpodobnosti promítnou do skutečného, dobře definovaného klasického výsledku?
Kodaňská interpretace je nejstarší a možná stále nejrozšířenější interpretací kvantové mechaniky. [4] [5] [6] [7] Obecně se předpokládá, že v aktu pozorování je něco, co způsobuje kolaps vlnové funkce . Jak se to stane, je předmětem sporů. Obecně platí, že zastánci Kodaňské interpretace mají tendenci být netolerantní k epistemologickým vysvětlením mechanismu, který za ní stojí. Tato pozice je shrnuta v často citované mantře "Sklapni a počítej!" [osm]
Interpretace mnoha světů Hugha Everetta se pokouší problém vyřešit tím, že předpokládá, že existuje pouze jedna vlnová funkce, superpozice celého vesmíru, a že se nikdy nezhroutí, takže neexistuje žádný problém s měřením. Místo toho je akt měření jednoduše interakcí mezi kvantovými objekty, např. pozorovatelem, měřicím nástrojem, elektronem/pozitronem atd., které se zapletou do jednoho většího objektu, např . žijící kočka/šťastný vědec . Everett se také pokusil demonstrovat, jak by se mohla pravděpodobnostní povaha kvantové mechaniky projevit v měření; dílo později rozšiřuje Bryce DeWitt .
Teorie de Broglie-Bohm se snaží problém měření vyřešit velmi odlišným způsobem: informace popisující systém obsahuje nejen vlnovou funkci, ale také doplňková data (dráhu) poskytující informace o poloze částice (částic). Úlohou vlnové funkce je vytvořit pro částice rychlostní pole. Tyto rychlosti jsou takové, že rozdělení pravděpodobnosti pro částice zůstává konstantní s předpověďmi konvenční kvantové mechaniky. Podle De Broglie-Bohm teorie interakce s prostředím během procedury měření odděluje vlnové pakety (skupiny) v konfiguračním prostoru, ze kterého evidentně přichází kolaps vlnové funkce , i když ve skutečnosti ke kolapsu nedochází.
Ghirardi-Rimini-Weberova teorie se liší od ostatních teorií kolapsu tím, že předpokládá, že kolaps vlnové funkce nastává spontánně. Částice mají nenulovou pravděpodobnost, že projdou „nárazem“ nebo spontánním kolapsem vlnové funkce řádově jednou za sto milionů let. [9] Přestože kolaps je velmi vzácný, absolutní počet částic v měřicím systému znamená, že pravděpodobnost kolapsu někde v systému je vysoká. Protože je celý měřicí systém zapleten (kvantovým zapletením), kolaps jedné částice iniciuje kolaps celého měřicího přístroje.
Erich Yus a en:H. Dieter Zeh tvrdí, že fenomén kvantové dekoherence , který se objevil v 80. letech, tento problém řeší. [10] Myšlenka je taková, že prostředí je příčinou klasického vzhledu makroskopických objektů. Zech dále uvádí, že dekoherence umožňuje identifikovat onu fuzzy hranici mezi kvantovým mikrokosmem a světem, kde je použitelná klasická intuice. [11] [12] Kvantová dekoherence byla navržena v kontextu interpretace mnoha světů , ale také se stává důležitou součástí některých moderních aktualizací kodaňské interpretace založené na konsensuálních historií . [13] [14] Kvantová dekoherence nepopisuje skutečný kolaps vlnové funkce, ale vysvětluje přechod kvantových pravděpodobností (které vykazují interferenční efekty) na běžné klasické pravděpodobnosti. Viz například Zurek [3] , Zech [11] a Schlosshauer [15] .
Tato situace se postupně vyjasňuje, jak je popsáno v práci Schlosshauera z roku 2006 [16] :
V minulosti bylo předloženo několik návrhů na nedekoherenci, které vysvětlovaly význam pravděpodobností a přišly s Bornovým pravidlem... Je spravedlivé říci, že zjevně nebyl učiněn žádný definitivní závěr o úspěchu těchto závěrů. … Jak je dobře známo [jak mnoho Bohrových poznámek trvá na] základní roli klasických konceptů. Experimentální důkaz superpozic makroskopicky odlišných stavů na stále větších délkových měřítkách takové rčení odporuje. Superpozice se ukazují jako neobvyklé a samostatně existující stavy, často bez dvojčat. Teprve fyzikální interakce mezi systémy určují konkrétní rozklad do klasických stavů z pohledu každého konkrétního systému. Klasické pojmy je tedy třeba chápat jako lokálně vznikající ve smyslu relativního stavu a nesmí si již činit nárok na zásadní roli ve fyzikální teorii.Čtvrtý přístup je dán modely objektivní redukce . V takových modelech je Schrödingerova rovnice modifikována a získává nelineární podmínky. Tyto nelineární modifikace stochastické povahy vedou k chování, které se pro mikroskopické kvantové objekty, jako jsou elektrony nebo atomy, nezměrně blíží chování získanému obyčejnou Schrödingerovou rovnicí. Pro makroskopické objekty se však tato nelineární modifikace stává důležitou a způsobuje kolaps vlnové funkce. Objektivní redukční modely odkazují na fenomenologické teorie . Stochastická modifikace je považována za způsobenou nějakým externím nekvantovým polem, ale povaha tohoto pole není známa. Jedním z možných kandidátů je gravitační interakce v obou Diosiho modelech a Penroseově interpretaci . Hlavní rozdíl mezi modely objektivní redukce ve srovnání s jinými pokusy spočívá v tom, že vytvářejí falzifikovatelné předpovědi, které se liší od standardní kvantové mechaniky. Experimenty se již blíží režimu parametrů, kde lze tyto předpovědi testovat. [17]