Co się dzieje z niezaobserwowaną cząstką w superpozycji?

Pytanie

Pyta Artur

Co tak naprawdę dzieje się z niezaobserwowaną cząstką w superpozycji? Na „chłopski rozum” istnieją trzy możliwości: przyjmuje jeden dobrze określony stan; przyjmuje oba; nie przyjmuje żadnego. Wygląda to na trylemat – pierwsza opcja wymusza obecność ukrytych zmiennych, druga gwałci prawo sprzeczności, a ostatnia podporządkowuje materię pomiarowi.

Odpowiedź

Odpowiada Mikołaj Misiak

Stan będący superpozycją jest tak samo dobrze określonym stanem kwantowym, jak każdy inny. Ten właśnie dobrze określony stan przyjmuje nasza cząstka. Pomiar oznacza interakcję przyrządem pomiarowym. Możemy zapytać, w jakim stanie będzie cząstka po pomiarze. Odpowiedź zależy od preferowanej przez nas interpretacji mechaniki kwantowej. W podanych poniżej przykładach interpretacji założymy, że początkowo cząstka była w stanie superpozycji $\psi \sim \psi_1 + \psi_2$, a pomiar mógł dać wyniki odpowiadające jedynie $\psi_1$ albo $\psi_2$.

1. Interpretacja kopenhaska: Jeśli pomiar wykazał $\psi_1$, to po pomiarze cząstka jest w stanie $\psi_1$. W tym wypadku rzeczywiście nasza interpretacja jest taka, że niektórzy określają ją jako „podporządkowanie materii pomiarowi”.

2. Interpretacja Everetta („wielu światów”): Nie pytamy, w jakim stanie jest cząstka po pomiarze, ale w jakim stanie jest układ „cząstka + przyrząd”. Odpowiadamy, że nadal jest w stanie superpozycji. Jeśli jednak nasz przyrząd jest obiektem makroskopowym w niezerowej temperaturze, to prawdopodobieństwa kwantowe możemy w bardzo dobrym przybliżeniu potraktować jako prawdopodobieństwa klasyczne. Nie weszliśmy jeszcze do pokoju, w którym znajduje się przyrząd, ale już wiemy, że znajdziemy go albo w stanie odpowiadającym $\psi_1$, albo $\psi_2$, i potrafimy obliczyć prawdopodobieństwa tych zdarzeń. Czy nasze wejście do pokoju i spojrzenie na przyrząd sprawi, że układ przestanie być w stanie superpozycji? Nie, tylko wtedy również my będziemy w stanie superpozycji, choć nie będziemy tego dostrzegać, gdyż nasze ciała są obiektami makroskopowymi.

W moim osobistym odczuciu interpretacja (2) jest bliższa prawdy, a interpretacja (1) jest znacznie wygodniejsza w praktycznych zastosowaniach. Przewidywane przez nas prawdopodobieństwa różnych wyników pomiarów są niezależne od interpretacji.