Det problemet med Quantum måling består faktisk av et sett med problemer, som markere vanskelighetene med korrelasjon mellom postulater av kvantemekanikk og den makroskopiske verden slik den ser ut til oss eller som det er målt.
Disse problemene er:
Selv om disse to problemene er relatert, er det viktig å skille dem fordi noen løsninger som dekoherens gir svar på problem 2, men ikke til problem 1.
Måleproblemet ble først formalisert av John von Neumann i 1932 i sin bok The Mathematical Foundations of Quantum Mechanics (kapittel VI). Den ble senere, i 1935, popularisert av Erwin Schrödinger med sitt berømte " katteparadoks ".
Siden dette problemet har vært gjenstand for mange debatter og fortsatt i XXI th århundre gjenstand for kontroverser, selv om det er etablert løsninger og er akseptert av de fleste (men ikke alle) av fysikere.
La oss raskt huske postulatene til kvantemekanikken som er diskutert i resten av artikkelen:
Måleproblemet består faktisk av et sett med problemer, som fremhever vanskeligheter med korrelasjon mellom postum av kvantemekanikk og den makroskopiske verden slik den ser ut for oss eller når den måles.
Disse problemene er:
Selv om disse to problemene er relatert, er det viktig å skille dem fordi noen løsninger som dekoherens gir svar på PMQ2, men ikke på PMQ1.
Postulat 5 kan sees på som matematisk og logisk uforenlig med postulat 6. Faktisk, ifølge postulat 1 og 6, er den fysiske tilstanden og dens evolusjon fullstendig og fullstendig beskrevet av en vektor og dens evolusjon ved ligningen av Schrödinger . Postulat 5 (som også beskriver en viss “evolusjon” av bølgefunksjonen ) har derfor ingen logisk grunn til å eksistere, og det bør normalt være "inneholdt" på en skjult måte i postulat 6 hvis postulat 1 er riktig.
Det er imidlertid vanskelig å se, a priori , hvordan postulat 5 kan bli avledet fra postulat 6:
Spørsmålet oppstår også, i forhold til dette problemet, om å vite når (eller på hvilke kriterier) å bruke postulat 5 i stedet for postulat 6 (eller omvendt) for å håndtere utviklingen av et system. Det er ikke noe formelt matematisk kriterium for å vite om det er nødvendig, overfor et bestemt kvantesystem, å bruke det ene eller det andre heller for å håndtere evolusjonen.
Dette siste spørsmålet er av stor betydning med hensyn til kvanteberegning siden sistnevnte hviler på mestring av utviklingen av et kvantesystem, og anvendelsen av postulat 5 (oppnå resultatet av et algoritmekvantum) med hensyn til postulat 6 (som styrer mekanismen til selve kvantealgoritmen). Det er derfor, i forhold til dette problemet, nye elementer av respons som kan forventes fra utviklingen av denne disiplinen.
Disse betraktningene har ført til at mange fysikere har stilt spørsmål ved enten postulat 1 (teorier med ikke-lokale skjulte variabler , intervensjon av bevissthet) eller postulat 5 (multiple universer, dekoherens). Den eneste løsningen som ikke setter spørsmålstegn ved noe postulat, er Københavns tolkning .
Det er fortsatt ingen løsning som enstemmig er anerkjent av fysikksamfunnet, selv om noen er mer aksepterte enn andre.
I følge den positivistiske tilnærmingen er ikke kvantemekanikk ment å beskrive virkeligheten. Denne tilnærmingen er basert på observasjonen at det ikke er noe reelt problem med mindre vi vurderer at postulatene til kvantemekanikken har en viss ontologi , og beskriver (i det minste delvis) virkeligheten. Hvis vi tar stillingen at postulatene ikke beskriver virkeligheten i seg selv , men hva vi pragmatisk kan vite om den, så blir disse problemene meningsløse fordi disse problemene ikke lenger gjelder virkeligheten i seg selv., Men en aksiomatisk som er "som den er" og som ikke trenger å rettferdiggjøre dets uoverensstemmelser så lenge det gir resultater som for alle formål er riktige. Enda mindre må det rettferdiggjøre mangelen på konsistens mellom dens formalisme og våre forutinntatte ideer om hvordan verden skal se ut. Som WH Zurek skriver : "Den eneste feilen i kvantemekanikken er at den ikke kunne være enig med våre fordommer."
Denne pragmatiske og positivistiske tilnærmingen er dessuten essensen av Københavns tolkning av kvantefysikk.
Københavns tolkningDenne tilnærmingen er basert på troen på at kvantemekanikk bare er en beskrivelse av alt vi kan vite om virkeligheten, men beskriver ikke selve virkeligheten.
Dessuten benekter denne tilnærmingen at den er av positivistisk lydighet, at begrepet "virkelighet" har en vitenskapelig betydning, og ethvert resonnement eller problem av vitenskapelig art i forhold til en "virkelighet" er ekskludert. Spesielt sier denne tolkningen at spørsmålet om å vite hva som er den virkelige tilstanden til en partikkel mellom to målinger, ikke gir mening.
Stephen Hawking oppsummerer denne tilnærmingen godt, med sin sans for uttrykket: ”Jeg ber ikke om at en teori samsvarer med virkeligheten, fordi jeg ikke vet hva virkeligheten er. Det er ikke noe som kan testes med pH- papir . Alt som betyr noe for meg er at teorien forutsier resultatet av et eksperiment riktig. "
Denne tilnærmingen er på XXI - tallet, den "offisielle løsningen" på måleproblemet, og er en majoritetsoppfatning blant fysikere, selv om et økende antall av dem betaler interesse for teorien om dekoherens .
Fysikere som er representative for denne tilnærmingenNiels Bohr (opphavsmannen til Københavns tolkning), Stephen Hawking
Andre positivistiske tilnærmingerSiden Københavns tolkning har den positivistiske strømmen fortsatt å kommentere problemet med måling, med tanke på moderne epistemologi. Bortsett fra fysikere, har epistemologer og filosofer tatt opp dette problemet.
Wittgensteinian strømDenne nåværende forsøk på å vise at måleproblemet er et problem på grunn av upresisjonen til språket kvanteteorien er formulert på den ene siden og selve paradokset på den andre.
Eksempel 1Setning 1: "Etter å ha forberedt Schrödingers katt er i tilstand : . "
Setning 2: "Vi fant eksperimentelt at katten enten er i staten " levende "er i staten " død ". "
Uten vanlig ord tilstand , ville de to setningene ikke motsier hverandre.
I setning 1 er det en dynamisk tilstand: “Hvordan ville systemet utviklet seg hvis det var isolert? "
I setning 2 er det en verditilstand: "Hvilke observerbare har en verdi, og hva er den verdien?" "
Eksempel 2“Hva er løsningen på måleproblemet? Jeg sier det er dette: når vi måler X med egenstatus , blir resultatet observert med sannsynligheten :, hvor er den opprinnelige tilstanden. Dette er det vi kommer tilbake til, og det vil også være et godt utgangspunkt ”( S. Saunders , 1994)
Negasjon av postulat 5Noen positivister følger samme ledelse som dekoherenssteorien (se nedenfor) for å løse PMQ2, og benekter postulat 5 . Denne posisjonen er den for de større og mer "harde" positivistene (standardpositivister foreskriver bare å bruke Postulat 5 som en nyttig "oppskrift"). Bas van Fraassen skriver: "Verken projeksjonspostulatet eller noe annet tolkningsprinsipp er nødvendig for å forklare repeterbarhet". Ingen grunn til å "redusere" tilstandsvektoren for å ta hensyn til informasjon ervervet under en sekvens av tidligere eksperimenter. Det er ikke særlig behov for å "redusere" det for å forklare at sannsynligheten for å gjenta det samme resultatet i tilfelle en annen identisk måling umiddelbart etter er lik 1. Den "dynamiske tilstanden" trenger ikke å endres plutselig; den utvikler seg, den flettes sammen , men den trenger aldri å "reduseres". Roland Omnès , som langt fra er positivist, har vist at vi kan klare oss uten postulat 5 . Avhengig av resultatet er det ikke viktig å følge den vanlige sekvensen: (a) forberedelse, (b) definisjon av en tilstandsvektor, (c) første måling, (d) reduksjon av tilstandsvektoren, deretter (e) beregning av sannsynlighet for resultatet av en ny måling fra den reduserte tilstandsvektoren. I stedet kan vi beregne, direkte fra den opprinnelige tilstandsvektoren, den betingede sannsynligheten for å oppnå et resultat under den andre målingen hvis et slikt resultat ble oppnådd for den første målingen. Dette resultatet støtter Saunders setning som antyder at alt man trenger for å "tolke" kvantemekanikk på en mest mulig økonomisk måte er å bruke Postulat 4 om sannsynlighetsvurdering i utstrakt grad .
Denne tilnærmingen, som dekoherenssteorien, svarer ikke fullt ut på PMQ1.
Elementer til fordel for den positivistiske tilnærmingenSpørsmålet om å vite om dette er et element som er ugunstig eller gunstig for den positivistiske tolkningen, forblir imidlertid åpent. Tross alt kan det være nyttig på visse stadier i vitenskapens utvikling for å vise at et problem er dårlig stilt eller ikke eksisterer. Tenk bare på Galileo som mente at det ikke er behov for å lure, mellom to mobiler i ensartet oversettelse med hensyn til hverandre, som er "virkelig" i ro og som er "virkelig" i bevegelse. På den tiden kritiserte aristotelerne ham for ikke å svare på et "ekte" vitenskapelig spørsmål; men Galileo holdt fast ved sin posisjon om at hans relativitetsprinsipp gjør spørsmålet om "ekte" bevegelse meningsløst.
I motsetning til den positivistiske tilnærmingen, tror en rekke fysikere at postulatene til kvantemekanikken forteller oss noe om den fysiske virkeligheten og derfor søker konsistensen og betydningen av postulatene, og deres tilstrekkelighet med virkeligheten.
Kvantemekanikk beskriver virkeligheten totaltDe forskjellige tilnærmingene til denne kategorien er basert på overbevisningen om at postulatene 1 og 6 er riktige, det vil si at virkeligheten er helt bestemt av en tilstandsvektor , hvis utvikling styres av ligningen til Schrödinger .
Postulat 5 blir da enten negert eller utledet fra postulat 6.
Flere verdener eller "teori om relative stater"Denne tilnærmingen, initiert av Hugh Everett i 1957, tar partiet til å vurdere at all virkelighet er beskrevet av postulat 6, og fastslår at postulat 5 bare er en illusjon .
Dette betyr at når en kvantemåling kan gi flere forskjellige resultater, vil settet av overlagringer av alle mulige verdier av målingen eksistere i et multivers , men vi ville bare være klar over en eventualitet fordi bevisstheten vår (som er en hypotese, i denne teorien, et rent fysisk fenomen) er funnet kvantisk viklet inn med ett og bare ett resultat av målingen.
La oss med andre ord være en kvantetilstand som måles av en observerbar A, spaltet i et komplett sett med ortogonale projektorer .
I følge postulat 5 utvikler kvantetilstanden seg til en tilstand (tilfeldig bestemt) etter en måling av denne observerbare.
I følge teorien om flere verdener utvikler kvantetilstanden , etter å ha målt den samme observerbare, til:
Observatøren (og den delen av universet som er viklet inn med ham) "splitter" derfor hver gang en kvantemåling kan gi flere forskjellige resultater.
Det er derfor umulig for en gitt bevissthetstilstand å oppfatte settet med overliggende stater, uansett hvor reelle i følge denne teorien. Dette gir mening til postulat 5 som da ikke beskriver virkeligheten, men en illusjon på grunn av vår bevissthet.
PMQ1 og PMQ2 blir derfor forklart: det tilfeldige og diskontinuerlige aspektet (PMQ1) av utviklingen av bølgefunksjonen, samt brudd på linearitet og unitaritet (PMQ2) er bare et villedende utseende og n eksisterer ikke på multiversnivå.
Det er viktig å merke seg at selv om det dreier seg om begrepet bevissthet, skal denne tilnærmingen skilles fra andre tilnærminger som involverer bevissthet. I teorien om flere verdener er bevissthet et fysisk fenomen som faller helt innenfor omfanget av postulat 6 . I andre tilnærminger som involverer bevissthet, er bevissthet enten utenfor kvantelover, eller beskrevet av modifisert kvantefysikk. Vi kunne like gjerne snakke om "måleinstrumentets tilstand" snarere enn "bevissthetstilstand".
Elementer til fordel for denne tilnærmingenHugh Everett , David Deutsch , John Wheeler , DeWitt og Graham
DekoherensDenne tilnærmingen tar sikte på å demonstrere at postulat 5 er en konsekvens av postulat 6, selv om disse to postulatene virker a priori inkompatible. Ideen med denne tilnærmingen er at hvis et kvantesystem ikke kan isoleres perfekt, så fører dets interaksjon med omgivelsene nødvendigvis til forsvinningen av kvantesuperposisjoner.
Med andre ord, ifølge denne tilnærmingen er virkeligheten faktisk bare beskrevet og utelukkende av postulat 6, men det faktum at et kvantesystem aldri kan være "rent" og dekorert med omgivelsene medfører behovet for postulat 5.
Dekoherens er modellert ved hjelp av tetthetsmatriseformalismen . Vi kan da vise at tetthetsmatrisen som tilsvarer et kvantesystem, har en tendens til veldig raskt å bli diagonal når dette kvantesystemet settes i samspill med et "miljø". Det at tetthetsmatrisen blir "diagonal" betyr at de overliggende tilstandene (partikkel i to tilstander samtidig for eksempel) har en tendens til å forsvinne. Vi befinner oss da i en situasjon veldig nær den som postulat 5 forutsetter.
Det er viktig å merke seg at postulat 5 ikke er strengt og grundig demonstrert og utledet av denne teorien. Forskjellene sammenlignet med postulat 5 er:
Derfor blir Postulat 5 sett på av denne teorien bare som en (utmerket) tilnærming av hva som faktisk skjer under en kvantemålingsprosess.
Denne tilnærmingen gir derfor et svar på PMQ2: de overliggende tilstandene har en tendens til å forsvinne (blir ikke påvisbare), og vi kan bare oppdage kvantetilstandene som har en definert verdi, derav postulatet 5.
Derimot etterlater denne tilnærmingen PMQ1 uforklarlig. Her er et sitat fra Erich Joos om dette emnet: “Løser dekoherens problemet med måling? Absolutt ikke. På et eller annet tidspunkt vil vi fremdeles måtte bruke de vanlige sannsynlighetsreglene for kvanteteorien. De er for eksempel skjult i tetthetsmatriser. "
Elementer til fordel for denne tilnærmingenHans Dieter Zeh , Wojciech Hubert Zurek , Erich Joos , Serge Haroche
Konsekvente historierDenne tilnærmingen ble foreslått av Robert B. Griffiths i 1984, og ble deretter tatt opp og utviklet av Roland Omnès 1987 og Murray Gell-Mann i 1990.
Den består i å modellere utviklingen av et kvantesystem etter en "konsistent historie". En historie er en sekvens av vektordelområder (som, la oss huske, ifølge postulat 1, hver representerer en kvantetilstand i systemet), til tider .
Tidene er ikke tilfeldige, men er preget av en bestemt hendelse, eller endringer i systemets egenskaper , avhengig av erfaringene og det beskrevne systemet. Hver gang er assosiert med en observerbar som i seg selv brytes ned i et komplett sett med ortogonale projektorer .
For hver gang deler den tilhørende observerbare den nåværende historien i n forskjellige historier, hvor n er antall ortogonale projektorer til de observerbare. For eksempel, fra en tilstand (et vektors underområde) på tiden , har vi n underområder F 2.1 , F 2.2 , .., F 2.n på tidspunktet etc. Vi har derfor et historietre som forgrener seg hver gang t.
En historie består derfor i å følge en sti i dette treet, ved å velge et underrom til enhver tid blant alle mulige.
Blant alle disse historiene, alle disse stiene, er noen kvalifisert som konsistente , hvis de tilfredsstiller visse betingelser. Disse forholdene uttrykker i det vesentlige at uansett underområdene som er tatt i en historie, er de tilsvarende tilstandene uten kvanteinterferens, det vil si at de utelukker hverandre. Dette er de eneste historiene som er beholdt i beregningene, de andre blir betraktet som "uvirkelige".
Denne modellen gjør det mulig å finne sannsynlighetsberegningsreglene beskrevet i postulat 4, og lage visse verifiserte eksperimentelle prognoser. Dette rettferdiggjør at inkonsekvente historier faktisk er uvirkelige. Under disse forholdene gjør dette det mulig å gi et svar på PMQ2: de overliggende tilstandene er uvirkelige, og da vi ikke starter fra postulat 6 for å komme til denne konklusjonen (men fra en modell), er det ingen motsetning med postulat 6, som også gjør det mulig å svare på PMQ1.
Fysikere som er representative for denne tilnærmingenRobert B. Griffiths , Roland Omnès , Murray Gell-Mann , Jim Hartle
Kvantemekanikk må endresLøsningene som er sett hittil er basert helt eller delvis på postulatene til kvantemekanikken som anses å være korrekte. Løsningene i dette kapittelet vurderer tvert imot at reelle løsninger på måleproblemet bare kan bli funnet ved å stille spørsmålstegn ved mer eller mindre fundamentalt disse postulatene.
Broglie / Bohm Pilot WaveDenne tilnærmingen ble utviklet i 1927 av den franske fysikeren Louis de Broglie for å løse problemet med bølge / partikkel dualitet. Den grunnleggende ideen er at kvantevirkeligheten består av to grunnleggende komponenter: en bølge, kjent som en pilotbølge (uten materiell substrat), og selve kroppene. Bølgen styres i henhold til Schrödinger-ligningen. Kroppene skal være "styrt" av denne bølgen og vil mer sannsynlig følge en viss retning i rommet da bølgen har høy modul i denne regionen. Pilotbølgens fysiske natur er ikke forklart: den betraktes som manifestasjonen av skjulte variabler, ikke lokale.
Denne tilnærmingen, opprinnelig forlatt av de Broglie, ble perfeksjonert av David Bohm i 1952 til den var i stand til å reprodusere, kvalitativt og kvantitativt, alle spådommene fra standard kvantemekanikk.
I denne formalismen er ikke bølgefunksjonen (pilotbølge) tilstrekkelig til å fullstendig beskrive tilstanden til et system, det er nødvendig å legge til en posisjon til det (posisjonen til systemets massesenter). Når det gjelder klassisk mekanikk, hvor faren fjernes ved fullstendig og presis kunnskap om de opprinnelige forholdene, blir målefaren i kvantemekanikk, ifølge denne teorien, fjernet av kunnskapen om utgangsposisjonen.
Denne teorien forklarer derfor veldig godt problemet med måling, fordi indeterminisme for PMQ1 genereres av mangel på innledende kunnskap om systemet (betraktet som " skjulte variabler "). I tillegg måler vi aldri bølgefunksjonen under en måling, men partiklenes innvirkning, og ifølge denne teorien eksisterer partikkelenes posisjon før målingen. Målingen avslører bare disse posisjonene. Denne teorien forklarer derfor PMQ2 veldig bra, fordi kvantesuperposisjon bare gjelder bølgen og ikke posisjonene.
På den annen side kunne denne teorien ikke fullstendig forenes med relativitetsteorien og er ikke helt kovariant (det vil si at dens lover ikke kommer til uttrykk på helt samme måte i alle referanserammer.).
Elementer til fordel for denne tilnærmingenLouis de Broglie , David Joseph Bohm , Jean-Pierre Vigier , John Stewart Bell , Basil Hiley , Sheldon Goldstein , Jean Bricmont .
Objektiv bølgepakkereduksjonDenne tilnærmingen takler problemet på den mest frontale og direkte måten: ettersom postulat 5 er (ifølge tilhengerne av denne tilnærmingen) uopprettelig uforenlig med postulat 6, må vi utlede at det fortsatt er ukjente fysiske fenomener som objektivt forårsaker (det vil si uten intervensjon av en bevissthet som ville være utenfor den fysiske) kollapsen av bølgefunksjonen. Denne tilnærmingen involverer derfor "skjulte variabler", ikke lokale, som vil være ansvarlig for postulat 5.
Denne tilnærmingen legger derfor til ytterligere, ikke-lineære termer til Schrödinger-ligningen for å finne resultatene av postulat 5. Disse begrepene representerer variable fysiske fenomener ifølge forfatterne:
Disse tilnærmingene deler en rekke ulemper.
For det første, i likhet med Bohms tilnærming , har ikke-lineære begreper knyttet til skjulte variabler det vanskelig å være relativt kovariant . Nyere arbeider (f.eks. En relativistisk versjon av Ghirardi-Rimini-Weber-modellen ) har imidlertid en tendens til å overvinne disse vanskelighetene.
Deretter kan man for disse teoriene kritisere en ad hoc- tilnærming (det vil si at teorien er oppfunnet i henhold til de forventede resultatene, og ikke basert på en eksisterende teori som naturlig vil føre til disse resultatene).
Inntil nå har disse teoriene blitt kritisert for å være ugjendrivelige , men det har igjen kommet fremgang for nye forslag til eksperimenter (f.eks. Mot kvantesuperposisjoner av et speil ).
På den annen side, med disse tilnærmingene, får PMQ1 og PMQ2 klare og direkte svar. Den "ikke-deterministiske" ingrediensen er gitt av de skjulte variablene. Og ikke-lineariteten til postulat 5 kommer fra ikke-lineariteten til tilleggsbetingelsene.
Elementer til fordel for denne tilnærmingenRoger Penrose , Ghirardi / Rimini / Weber
Denne tolkningen starter med observasjonen om at måleproblemet bare eksisterer hvis det er bevisste individer som tar hensyn til resultatet av en måling. Så lenge man ikke er klar over resultatet av en måling på et system (for eksempel åpningen av esken som inneholder katten til Schrödinger ), er det absolutt ingenting som fører til å tro at systemet ikke i virkeligheten er i en overlagret tilstand underforstått av postulat 6. Derav affiniteten som synes å eksistere, i øynene til tilhengerne av denne teorien, mellom bevissthet og postulat 5.
For dem er bevissthet et fenomen utenfor fysikken og som unnslipper beskrivelse av kvantemekanikken , og det er dette som forårsaker kollapsen av bølgefunksjonen beskrevet av postulat 5. Derfor er den matematiske og logiske inkonsekvensen mellom postulat 5 og 6 forståelig, fordi det bare er refleksjon av motsetningen mellom en fysisk verden og en ikke-fysisk verden. Det er derfor en direkte respons på PMQ2, så vel som på PMQ1 fordi det er bevissthet som bringer den "indeterministiske" ingrediensen i kvantemåling.
Men hvis det svarer på måleproblemet, åpner denne tilnærmingen andre spørsmål som kanskje ikke er enklere å løse. Hva er denne "ikke-fysiske" komponenten i universet? På hvilken tid gikk jorden fra en overlagret tilstand til en bestemt tilstand, da det første bevisste vesenet dukket opp?
Elementer til fordel for denne tilnærmingenJohn von Neumann , Eugene Wigner , Fritz London , Edmond Bauer , Henry Stapp .