Polscy uczeni wobec zagadnienia interpretacji mechaniki kwantowej [suplement – uzasadnienia]

Kilka dni temu opublikowałem wyniki ankiety dotyczącej preferowanych interpretacji zjawisk kwantowych wśród polskich naukowców. Pora na uzupełnienie dla tamtego tekstu – wybór najciekawszych uzasadnień.

Przeprowadzając korespondencyjną ankietę, stawiałem przed adresatami krótkie i dość konkretne pytanie, prosząc o wybór najbliższej im interpretacji mechaniki kwantowej. Jednocześnie zaznaczyłem, że wedle potrzeby, wybór można poprzeć dowolnie szerokim uzasadnieniem. Kilku uczonych potraktowało tę sugestię bardzo poważnie szczodrze dzieląc się swoimi refleksjami na temat pojmowania natury mikroświata. W ten sposób, poza suchymi danymi liczbowymi (które znajdziecie we wcześniejszym artykule), uzyskałem garść naprawdę wartościowych wypowiedzi. Szczególnie stymulujący jest fakt, że choć poglądy poszczególnych badaczy poważnie się różnią, każdy może nas czegoś nauczyć.

Zatem, co polscy uczeni sądzą o zagadnieniu interpretowania zjawisk kwantowych w szczegółach?


Wieloświat potrzebuje jeszcze trochę czasu

dr Jan Kołodyński, Centrum Nowych Technologii UW

W moim przypadku, na dziś dzień, opowiadam się za teorią wieloświatu Everetta. Posługując się pomocniczym schematem uargumentowałbym to w taki sposób.

Po pierwsze, uważam, że funkcja falowa jest kompletnym opisem sytuacji eksperymentalnej i realnym bytem niezależnym od obserwatora, co wyklucza interpretację kopenhaską i trajektorie Bohma. Moje poglądy (“gut-feelings”) podpowiadają mi, że niezaakceptowanie powyższych faktów jest kolejnym przejawem wyznawania tzw. utopii epistemologicznej, z którą spotkałem się czytając esej prof. Leszka Kołakowskiego Śmierć utopii na nowo rozważona. Jest on moim guru jeśli chodzi o sprawy filozoficzne. Natomiast od strony naukowej, wiemy (sic!) dzięki twierdzeniu PBR, że już proste założenia, które zawierają się w strukturach matematycznych mechaniki kwantowej (produkt tensorowy, symetria) nakazują odrzucić wszelkie tzw. psi-epistemologiczne modele.

Oprócz pracy PBR, polecam też abstrakt pracy tłumaczący rolę symetrii lub też pracę poglądową na ten temat, która po wprowadzeniu staje się już dość sformalizowana. Dodatkowo proszę zauważyć, że wszystkie teorie psi-epistemologiczne poprzez nieuznawanie funkcji falowej jako elementu rzeczywistości, nie uznają także nielokalności mechaniki kwantowej (łamania nierówności Bella) jako rzeczywistej własności natury. Dziś, ja też w mojej codziennej pracy, używamy układów kwantowych łamiących nierówności Bella do generacji liczb losowych i zapewnienia bezpieczeństwa w kryptografii, więc trudno byłoby mi żyć z faktem, że własność która za tym stoi i pozwala nam budować działające urządzenia, nie jest tak naprawdę czymś rzeczywistym, ale iluzją – dzięki której wygenerowane liczby wydają się być losowe z punktu widzenia dowolnego obserwatora we wszechświecie, a dystrybuowany klucz kryptograficzny pomiędzy dwoma urządzeniami ma zapewnione bezpieczeństwo niezależnie (sic!) od tego, co się w tych urządzeniach dzieje.

Po drugie, nie wydaje mi się, że dla wytłumaczenia kolapsu funkcji falowej musimy koniecznie wprowadzać do mechaniki kwantowej specjalne mechanizmy, które miałyby go zidentyfikować jako realny proces fizyczny. Znów, takie zapędy wynikają moim zdaniem z odwiecznego egocentrycznego myślenia o prawach fizyki, które powinny być w pierwszej kolejności “naturalnie” zrozumiałe dla człowieka. Niedawno ciężko było zaakceptować że Ziemia kręci się dookoła Słońca, więc może potrzeba po prostu trochę czasu i ukształtowania się ludzkiej wyobraźni by uznać że multiświat jest czymś “naturalnym”.


Mechanika kwantowa to nie konkurs piękności

dr Jędrzej Kaniewski, Centrum Fizyki Teoretycznej PAN

Osobiście uważam, że zastanawianie się nad interpretacjami mechaniki
kwantowej to ślepy zaułek. Mi pewnie najbliżej jest do interpretacji kopenhaskiej, bo uważam, że to co jest obiektywne w mechanice kwantowej to wielkości matematyczne, które można teoretycznie policzyć a potem zmierzyć w eksperymencie. Niestety, teoria kopenhaska i jej “shut up and calculate” jest często uznawana za przykład wąskich horyzontów i braku motywacji do odkrycia jakiegoś prawdziwego ukrytego piękna mechaniki kwantowej.

Jeśli dwie teorie dają dokładnie takie same przewidywania, to moim
zdaniem nie ma sensu zastanawiać się, które jest lepsza, bo to się robi
konkurs piękności. Jeśli dwie teorie są identyczne na poziomie
matematycznym, a różnią się tylko semantyką, to dla mnie to jest to
samo.

Teoria wielu światów jest jeszcze mniej atrakcyjna, bo z definicji nie
da się jej sprawdzić/zweryfikować.

Mamy dobrze zdefiniowane postulaty mechaniki kwantowej, których już
raczej nikt nie podważa i na ich podstawie możemy robić różne
skomplikowane obliczenia. Moim zdaniem żadne dodatkowe interpretacje nie są potrzebne, bo zazwyczaj wyrażają subiektywne odczucia autora i mogą być łatwo zakwestionowane. Ponadto, warto dodać, że interpretacja X autora Y może znacząco się różnić od interpretacji X autora Z, co trochę pokazuje, że mamy raczej do czynienia z szerokim spektrum różnego rodzaju pomysłów i przemyśleń niż z czymś dobrze zdefiniowanym.


Interesujące prawdopodobieństwo

dr Marcin Czapla, Wydział Chemii UG

Niestety, nie zaskoczę Pana niczym nowym i nieprzewidywalnym, ponieważ najbliższa jest mi klasyczna interpretacja kopenhaska. Tej interpretacji uczymy studentów na uniwersytecie i można przyjąć, że jest ona chyba najprostsza do zrozumienia i wytłumaczenia (o ile w ogóle mechanikę kwantową da się do końca zrozumieć). Poza tym jej probabilistyczny charakter ma również wiele ciekawych konsekwencji (np. obecność cząstki w wielu miejscach na raz). Możliwość wytłumaczenia działania świata posługując się prawdopodobieństwem jest również niezmiernie ciekawa w sensie naukowym. Oczywiście, nie byłbym zaskoczony, gdyby w przyszłości udowodniono słuszność kompletnie innej interpretacji, to w końcu mechanika kwantowa.


Pogodzenie z mnogością interpretacji

dr hab. Maciej Dombrowski, Instytut Filozofii UWr

Dziękuję bardzo za zapytanie. Nie wiem, na ile moja odpowiedź może być satysfakcjonująca, ale gdybym już miał wybierać, to pewnie opowiedziałbym się za interpretacją kopenhaską, choć rozumiem opory, które ma wielu badaczy. Problem ze wskazaniem jedynej słusznej interpretacji wynika moim zdaniem z udziału w takiej operacji naszych potocznych intuicji, których nie potrafimy się pozbyć. Filozoficzna podbudowa interpretacji też nie jest bez znaczenia, ujęcia determinizmu bądź indeterminizmu mają bogatą historię. Bardzo wiele zależy od tego, w jakim paradygmacie teoretycznym pracujemy i jak mocne założenia przyjmujemy. Nasze przywiązanie do determinizmu wynika wprost z doświadczenia, ewolucja nie premiowała w żaden sposób myślenia w kategoriach indeterminizmu. Stąd też naturalne są próby takiej interpretacji mechaniki kwantowej, które starają się za wszelką cenę “ratować” determinizm (jak np. interpretacja de Broglie’a-Bohma).

W moim przekonaniu brakuje nam konceptualnych zdolności do dokonania racjonalnego wyboru jednej z dostępnych interpretacji i “dziwność” świata w ujęciu Bohra nie może być argumentem przeciwko tej konkretnej interpretacji. Nazwałbym to – w nawiązaniu do jednej z koncepcji z zakresu filozofii umysłu – “kwantowomechanicznym misterianizmem”. Nie pozostaje nam nic innego, jak zgodzić się, że wypada nam żyć z wielością interpretacji.


Obiecujący Rovelli

dr hab. Marek Woszczek, Wydział Filozoficzny UAM

Za najbardziej interesujące i obiecujące podejście od lat uważam relacyjną interpretację Carla Rovelliego (Int. J. Theor. Phys. 1996, 35, 1637), i to z powodów zarówno filozoficznych, jak i fizycznych. Od strony filozoficznej przede wszystkim dlatego, że klasyczne pojęcie “stanu układu” uważam za niedające się poprawnie stosować w mikrofizyce, przede wszystkim ze względu na kontekstualność kwantową (Kochena-Speckera), która w pewnym sensie “rujnuje” wszystkie intuicje związane z tym pojęciem stanu. Sądzę, że interpretacja Rovelliego jest jedną z tych, w których ten fakt jest (słusznie) punktem wyjścia dla całej ontologii, co prowadzi do całkowicie odmiennego ujęcia realizmu oraz tego, co to znaczy “obiektywny stan rzeczy/fakt” i jak jest on stwierdzany (wyłącznie przez interakcję jednego podukładu z innym podukładem Wszechświata). Choć czasem klasyfikowana jest jako podejście epistemiczne (typu bayesowskiego), uważam, jak sam Rovelli, że jest to zupełnie nieadekwatne: to interpretacja zdecydowanie ontologiczna.

Po drugie, jedną z najważniejszych jej zalet jest to, że w wyniku tej redefinicji “stanu” w ogóle nie potrzeba wprowadzania wielu kwantowych światów, które są z jej perspektywy raczej teoretycznym artefaktem, uniemożliwiającym sensowne zrozumienie kwantowej losowości, empirycznych prawdopodobieństw i fizycznego sensu nielokalnych korelacji. U Rovelliego teoria kwantowa dotyczy jednego świata fizycznego, losowość kwantowa jest obiektywna i absolutna, z czym się zgadzam, a nielokalność jest pewnym aspektem wspomnianej kontekstualności.

Po trzecie, zgadzam się też z Rovellim, że jest to interpretacja wyjątkowo obiecująca z perspektywy (in spe) kwantowej teorii grawitacji, ze względu na jej głęboką czasową symetrię, kwantowo-termodynamiczną redefinicję pojęcia czasu itp. Wydaje się, że jedną z lekcji teorii kwantowej jest to, że na najgłębszym poziomie natura jest czasowo symetryczna, a asymetria czasu to efekt pochodny. Interpretacja relacyjna uwzględnia to od początku – i znowu – bez wprowadzania wielu światów, ukrytych zmiennych itd.


Szyk i elegancja RQM

dr hab. Michał Bejger, Centrum Astronomiczne im. Kopernika PAN

Oczywiście “w szkole” (na uniwersytecie) uczyliśmy się klasycznej interpretacji kopenhaskiej, natomiast później, w pracy astrofizyka (w kontekście bardzo gęstej materii gwiazd neutronowych, efektów relatywistycznych) korzystam z wyników mechaniki kwantowej raczej niezależnych od interpretacji. Jest jednak jeden aspekt, z którym wiążę nadzieje obserwacyjne w astronomii: są to poszukiwania efektów kwantowych w pomiarach fal grawitacyjnych współpracy naukowej LIGO-Virgo-KAGRA. Odpowiednio silne sygnały z układów podwójnych łączących się czarnych dziur lub gwiazd neutronowych będą – miejmy nadzieje – zawierać informacje wykraczające poza klasyczną teorię Einsteina, czyli będą prowadzić do lepszego poznania teorii grawitacji w reżimie “silnego pola” i falsyfikacji klasycznej teorii.

Jeśli jednak miałbym wskazać tę interpretację mechaniki kwantowej, która podoba mi się najbardziej, to jest nią interpretacja relacyjna (RQM) zaproponowana w latach 90. przez Carlo Rovelliego. Jest elegancka poprzez swoje podobieństwo do teorii względności: nie ma wyróżnionego obserwatora, który rejestruje kolaps funkcji falowej; dla każdego obserwatora stan układu może być inny, zgodnie z postulatem szczególnej teorii względności. Ciekawe jest też przeniesienie środka ciężkości teorii z obiektów na relacje między obiektami. Prace wykorzystujące RQM prowadzone są np. w kosmologii, gdzie zdaje się pozwalają uniknąć problemów z tzw. wieloświatem.


Przeciw twierdzeniom Bella

prof. dr hab. Marek Czachor, Wydział Fizyki Technicznej i Matematyki PG

Odpowiem może tak. Żadna ze znanych interpretacji mi nie odpowiada. Natomiast definitywnie zraziłem się do twierdzenia Bella, uważam wręcz, że je obaliłem choć ciężko mi przekonać kolegów i właśnie w tej chwili piszę polemikę z recenzją mojego artykułu na ten temat. Niedługo pojawi się jego nowa wersja, uzupełniona o wyniki tej dyskusji z recenzentem.

Uważam że twierdzenie Bella jest stwierdzeniem w rodzaju “kwadrat żadnej prawdziwej liczby nie może być ujemny”, po czym następuje dowód znany ze szkoły podstawowej. A jak ktoś z takim twierdzeniem polemizuje, to słyszy: “z tym twierdzeniem nie można polemizować, bo jest to twierdzenie matematyczne”.

A diabeł siedzi w matematycznej subtelności, że “prawdziwa” i “rzeczywista” to nie są synonimy.


Problemy z czasem

prof. dr hab. Andrzej Góźdź, Instytut Fizyki UMCS

Pracuję w obrębie mechaniki kwantowej od ponad pół wieku. Po tym czasie uważam, że sprawa interpretacji nie jest do tej pory dobrze postawiona jako problem. Każda z interpretacji prowadzi do nieprzyjemnych paradoksów. Na dodatek znane interpretacje sprowadza do niemożności skonstruowania satysfakcjonującego powiązania relatywistyki z fizyką kwantową.

Z fundamentalnego punktu widzenia jestem zwolennikiem tzw. realizmu,
według którego możemy analizować pojedyncze obiekty mikroświata, a nie tylko statystykę będącą wynikiem zbiorowości. Jednakże na tym gruncie także pojawiają się różnego rodzaju kłopoty i paradoksy. Uważam, że źródłem tych problemów jest niewłaściwe potraktowanie czasu w mechanice kwantowej. Jest on traktowany jako parametr, a według mnie powinien być taką samą obserwablą jak położenie w przestrzeni. Zmiana tej filozofii usuwa znaczną część paradoksów – także czasoprzestrzeń staje się bardziej naturalnym tworem. Oczywiście takie podejście rodzi też szereg problemów, głównie jednak związanych z naszym przywiązaniem do pewnych idei, a które tak naprawdę wymagają weryfikacji eksperymentalnej.

Do zbudowania mechaniki kwantowej wystarczają: a) tzw. minimalny postulat MK wiążący obserwable oraz stany układu z prawdopodobieństwem wylosowania danej wartości interesującej nas obserwabli; b) postulat o ewolucji układów. Minimalny postulat jest właściwie akceptowany przez wszystkie interpretacje. Co do drugiego postulatu, to zwykle myśli się o ewolucji unitarnej. Uważam, że bardziej fundamentalnym sposobem ewolucji jest któryś z tzw. postulatów rzutowych – w konsekwencji ewolucja kwantowa ma charakter procesu stochastycznego. W tym sensie dynamika w mikroświecie ma charakter całkowicie przypadkowy. Przypadkowość ta oraz naturalna tendencja do zmian stanów układów kwantowych jest cechą fundamentalną – podstawową własnością natury. Czas i przestrzeń są konsekwencjami tych cech natury.


Cenne ćwiczenie intelektualne

dr hab. Andrzej Łukasik, Wydział Filozofii UMCS

Znam Pańskiego bloga Kwantowo i z przyjemnością czytam – zawsze jest coś ciekawego. Jeśli chodzi o interpretacje, to być może rację ma John Gribbin, że są to “kule inwalidzkie naszej ograniczonej ludzkiej wyobraźni…” i nie można żadnej uznać za “jedynie słuszną”.

Nie jestem “wyznawcą” żadnej interpretacji, ale tzw. interpretacja kopenhaska jest – o ile wiem – najpowszechniej przyjmowana przez fizyków. Z filozoficznego punktu widzenia rodzi ona jednak wiele problemów:

1) radykalnie odmienny opis układu ewoluującego swobodnie i procesu pomiaru;
2) sławny “problem obserwatora” – można w niej dopatrzeć się nawet elementów antropocentrycznych;
3) trudności w obronie bliskiego mi stanowiska realizmu naukowego i wreszcie
4) bardzo różne koncepcje filozoficzne łączone z nią przez zwolenników interpretacji kopenhaskiej. Można nawet powiedzieć, że interpretacja kopenhaska wymaga interpretacji… Nazywana jest ona interpretacją Bohra i Heisenberga, ale Bohr stał na stanowisku pragmatyzmu (jeśli takie szufladkowanie ma w tym przypadku sens), myśl Heisenberga ewoluowała od pozytywizmu do platonizmu, von Weizsacker łączył ją z kantyzmem, a Eddington (również zwolennik IK) sam nazwał swoje stanowisko “selektywnym subiektywizmem”.

Niektórzy (np. Heller) przez interpretację mechaniki kwantowej rozumieją “egzegezę struktur matematycznych”, a nie próby przełożenia na nasz codzienny język tego, co zawiera formalizm teorii… Moim zdaniem żadna z proponowanych obecnie interpretacji (nawet tych w zamierzeniu obiektywistycznych) nie rozwiązuje problemu pomiaru. Teorie parametrów ukrytych wydają się nieadekwatne ze względu na empiryczną falsyfikację nierówności Bella, obiektywna redukcja to tylko plany, a nie rozwinięta teoria, wieloświaty zawierają gigantyczny bagaż metafizyczny (Ockham by się zdziwił “mnożeniem wszechświatów ponad potrzebę”).

Lubię opowiadać o interpretacjach mechaniki kwantowej studentom, ponieważ prowokują one interesujące dyskusje, ale obawiam się, że konkluzja jest zwykle taka, jak pisał Feyman: “nikt nie rozumie mechaniki kwantowej”. Nie znaczy to jednak, że sądzę, iż dyskusja nad interpretacjami mechaniki kwantowej nie ma sensu – wprost przeciwnie, jest to znakomite ćwiczenie intelektualne, szczególnie dla studentów filozofii i kognitywistyki.

Terraformacja Marsa. W obliczu niemożliwego Barionowa gra w chowanego Po kiego grzyba wracać na Księżyc?