Один з найбільш загадкових аспектів квантової механіки - колапсу хвильової функції. Він відбувається, коли квантова система вимірюється, а її стан різко і випадково змінюється від суперпозиції можливостей до певного результату.
Такий процес, здається, суперечить детермінованій і симетричній у часі природі квантової динаміки, що описується рівнянням Шредінгера і яка не має переважного напрямку часу.
Тоді виникає питання: як ми можемо узгодити ці два аспекти квантової механіки? Чи є колапс хвильової функції незворотною подією і де факто визначає стрілу часу?
Проблема розуміння природи і механізму квантових вимірювань залишається джерелом дебатів з перших днів існування квантової теорії. Тому для пояснення того, як і чому відбувається колапс хвильової функції, і що він означає для реальності та онтології квантових систем, були запропоновані різні інтерпретації та моделі.
Згідно з копенгагенською інтерпретацією, квантові системи описуються хвильовими функціями; вони еволюціонують відповідно до рівняння Шредінгера, поки не взаємодіють з класичним вимірювальним пристроєм, а той вже запускає колапс хвильової функції і вказує на один з можливих результатів.
Отриманий результат завжди ймовірнісний і не може бути передбачений зі 100-відсотковою упевненістю. Лише за допомогою статистичних правил, тобто правила Борна. Останнє ідентифікує модуль квадрата хвильової функції як такий, що відповідає ймовірності вимірювання. До того ж гіпотеза колапсу постулює, що хвильова функція обнуляється після вимірювання.
Хоча ці правила досить прості, вони передбачають інтерфейс між квантовим і класичним світом, - адже пристрій вимірювання “живе” класичним життям. А це вже технологічна проблема.
Разом із тим копенгагенська інтерпретація не дає чіткого визначення або критерію того, що є вимірюванням або класичним приладом, а також не пояснює, як і чому відбувається колапс.
Вона також передбачає фундаментальну відмінність і несумісність між квантовою і класичною фізикою, брак реалізму і детермінізму власне у квантових системах.
Другий підхід - інтерпретація багатьох світів. Г'ю Еверетт у 1957 році спробував уникнути постулату про колапс хвильової функції та відновити реалізм і детермінізм у квантовій механіці.
Згідно з цією інтерпретацією, квантові системи описуються хвильовими функціями, які еволюціонують згідно з рівнянням Шредінгера без перерв і винятків, навіть коли вони взаємодіють з вимірювальними приладами або спостерігачами.
Однак щоразу, коли квантова система стикається з ситуацією, коли вона може мати більше одного результату вимірювання, хвильова функція розщеплюється на кілька гілок відповідно до кожного можливого результату. Така гілка представляє собою альтернативн версію реальності, але співіснує з іншими, в більшому мультивсесвіті.
Таким чином, інтерпретація багатьох світів усуває необхідність колапсу хвильової функції і пояснює, чому ми спостерігаємо лише один результат у кожному вимірі: ми просто є одним з багатьох спостерігачів, які існують у різних гілках мультивсесвіту.
Однак ця інтерпретація також піднімає деякі проблеми і питання. Наприклад:
- як визначити ймовірності і можливість тестування в сценарії мультивсесвіту?
- як пояснити появу і сприйняття класичної реальності з квантових суперпозицій?
- як боротися з величезною складністю і множинністю паралельних світів?
Третій підхід до квантових вимірювань ґрунтується на ідеї декогерентності. Останню розробили Войцех Зурек та інші в 1970-х і 1980-х роках. Фізики намагалися зрозуміти, як квантові системи втрачають свою когерентність і стають класичними, взаємодіючи зі своїм оточенням.
Згідно з цим підходом, квантові системи описуються хвильовими функціями, що еволюціонують відповідно до рівняння Шредінгера, але вони не ізольовані від свого оточення. Натомість постійно взаємодіють з іншими системами, які виступають в ролі середовища або віртуального “резервуару”.
Заплутаність призводить до того, що ефекти інтерференції між різними компонентами хвильової функції зникають або стають незначними, що, в свою чергу, призводить до втрати когерентності та суперпозиції.
Решта компонентів хвильової функції утворюють набір вказівних станів, які набувають стабільності та стійкості до збурень навколишнього середовища.
Крім того, вони відповідають класичним спостережуваним параметрам, без подальших збурень.
Однак декогеренція не вирішує проблему колапсу хвильової функції повністю: вона лише пояснює, чому деякі стани спостерігаються частіше, ніж інші, але не пояснює, чому в кожному вимірюванні насправді спостерігається лише один стан, а також не пояснює, що запускає вимірювання або що воно собою представляє.
Таким чином, ми не тільки не знаємо, що таке колапс хвильової функції, але насправді не вміємо вимірювати будь-які квантові явища. Не говорячи вже про їх наукове пояснення.
Щодо стріли часу. Вважаючи, що ми сприймаємо лише “класичний світ”, виходить, що напрямок, тобто “стріла часу” вказує й на напрямок зростання ентропії. Тож, вона залежить від статистики, а не одного вимірювання.
З іншого боку, існує колапс вимірювань, який, в свою чергу, залежить від "спостерігача". Перше явище добре вивчене, тоді як друге, м’яко кажучи, викликає питання.
То що ж є більш фундаментальним? Всесвіт без спостерігачів все одно буде еволюціонувати незворотнім чином у напрямку збільшення ентропії. Тому, незалежно від проблеми вимірювання, існуватиме “об’єктивна” стріла часу.
Проте, якщо напрямок зростання ентропії повністю пояснює стрілу часу, то він повинен пояснювати і процес вимірювання. За логікою нібито так, але насправді у нас немає ні доказів, ні розуміння того, як подолати проблему інтерфейсу. Тобто зробити власні прибори “квантовими”.
