A kvantummechanika mérési problémája annak meghatározása, hogy mikor ( és ha ) következik be a hullámfüggvény összeomlása . Az ilyen összeomlás közvetlen megfigyelésének elmulasztása a kvantummechanika különböző értelmezéseit eredményezte, és kulcsfontosságú kérdéseket vetett fel, amelyekre minden értelmezésnek meg kell válaszolnia.
A hullámfüggvény a kvantummechanikában determinisztikusan fejlődik a Schrödinger-egyenlet szerint, különböző állapotok lineáris szuperpozíciójaként . A valós mérések azonban mindig egy bizonyos állapotban találják meg a fizikai rendszert. A hullámfüggvény bármely későbbi alakulása azon az állapoton alapul, amelyben a rendszert a mérés során megtalálták, ami azt jelenti, hogy a mérés "csinált valamit" a rendszeren, ami nyilvánvalóan nem Schrödinger evolúciójának a következménye. A mérési probléma leírja, hogy mi az a „valami”, hogyan válik sok lehetséges érték szuperpozíciójából egyetlen mért érték.
Más szóval ( Steven Weinberg [1] [2] átfogalmazásával ) a Schrödinger-hullámegyenlet meghatározza a hullámfüggvényt bármikor később. Ha a megfigyelőket és mérőműszereiket egy determinisztikus hullámfüggvény írja le, akkor miért nem tudjuk megjósolni a mérések pontos eredményét, hanem csak valószínűségeket? Vagy általánosabban: Hogyan állapítható meg megfeleltetés a kvantum és a klasszikus valóság között? [3]
A mérési probléma illusztrálására gyakran használt gondolatkísérlet Schrödinger macskájának „paradoxona” . A mechanizmust úgy tervezték, hogy megölje a macskát, ha bármilyen kvantumesemény történik, például egy radioaktív atom bomlása. Így a hatalmas objektum, a macska sorsa összefonódik a kvantumobjektum, az atom sorsával. A megfigyelés előtt a Schrödinger-egyenlet és számos részecskekísérlet szerint az atom kvantum-szuperpozícióban van , amely bomlott és nem bomlott állapotok lineáris kombinációja , amelyek idővel fejlődnek. Ezért a macskának szuperpozícióban is kell lennie, az „élő macskaként” jellemezhető állapotok és a „döglött macskaként” jellemezhető állapotok lineáris kombinációjában. Ezen lehetőségek mindegyike egy adott, nem nulla valószínűségi amplitúdóval van társítva . A macska egyetlen, különálló megfigyelése azonban nem talál szuperpozíciót: mindig vagy élő macskát, vagy döglött macskát talál. A megfigyelés után a macska határozottan él vagy halott. Kérdés: Hogyan alakulnak át a valószínűségek valódi, jól definiált klasszikus eredménnyé?
A koppenhágai értelmezés a kvantummechanika legrégebbi és talán még mindig a legszélesebb körben elfogadott értelmezése. [4] [5] [6] [7] Általában azt feltételezi, hogy van valami a megfigyelésben, ami a hullámfüggvény összeomlását okozza . Hogy ez hogyan történik, az vita tárgya. Általában a koppenhágai értelmezés hívei általában intoleránsak a mögötte meghúzódó mechanizmus ismeretelméleti magyarázataival szemben. Ezt az álláspontot foglalja össze a gyakran idézett „Csend és számolj!” mantra. [nyolc]
Hugh Everett sokvilág -értelmezése úgy próbálja megoldani a problémát, hogy feltételezi, hogy csak egy hullámfüggvény létezik, az egész univerzum szuperpozíciója, és az soha nem omlik össze, tehát nincs mérési probléma. Ehelyett a mérési aktus egyszerűen kölcsönhatás kvantumobjektumok között, pl. megfigyelő, mérőműszer, elektron/pozitron stb., amelyek összegabalyodnak és egyetlen nagyobb tárgyat alkotnak, pl . egy élő macska/boldog tudós . Everett azt is megpróbálta bemutatni, hogy a kvantummechanika valószínűségi természete hogyan jelenhet meg egy mérésben; a művet később Bryce DeWitt bővíti .
A de Broglie-Bohm elmélet egészen más módon próbálja megoldani a mérési problémát: a rendszert leíró információ nemcsak a hullámfüggvényt tartalmazza, hanem a részecske(k) helyzetéről ad információt (trajektóriát) is. A hullámfüggvény szerepe az, hogy sebességmezőt képezzen a részecskék számára. Ezek a sebességek olyanok, hogy a részecskék valószínűségi eloszlása állandó marad a hagyományos kvantummechanika előrejelzéseivel. A De Broglie-Bohm elmélet szerint a mérési eljárás során a környezettel való kölcsönhatás szétválasztja a konfigurációs térben a hullámcsomagokat (csoportokat), amelyekből nyilvánvalóan a hullámfüggvény összeomlása következik , pedig valójában nincs összeomlás.
A Ghirardi-Rimini-Weber elmélet abban különbözik a többi összeomláselmélettől, hogy feltételezi, hogy a hullámfüggvény összeomlása spontán módon következik be. A részecskék nullától eltérő valószínűséggel esnek át „ütődésen” vagy spontán hullámfüggvény-összeomláson, nagyjából százmillió évente egyszer. [9] Bár az összeomlás nagyon ritka, egy mérési rendszerben a részecskék abszolút száma azt jelenti, hogy nagy a valószínűsége annak, hogy a rendszerben valahol összeomlás következik be. Mivel az egész mérőrendszer összegabalyodik (kvantumösszefonódással), egy részecske összeomlása az egész mérőműszer összeomlását indítja el.
Erich Yus és en:H. Dieter Zeh azt állítja, hogy a kvantumdekoherencia jelensége , amely az 1980-as években lendült fel, megoldja a problémát. [10] Az elképzelés az, hogy a környezet a makroszkopikus objektumok klasszikus megjelenésének oka. Zech a továbbiakban kijelenti, hogy a dekoherencia lehetővé teszi annak a homályos határnak a meghatározását a kvantummikrokozmosz és a világ között, ahol a klasszikus intuíció alkalmazható. [11] [12] A kvantumdekoherenciát a sok világ értelmezésének kontextusában javasolták, de a koppenhágai értelmezés konszenzusos történeteken alapuló modern frissítéseinek is fontos részévé válik . [13] [14] A kvantumdekoherencia nem írja le a hullámfüggvény tényleges összeomlását, de megmagyarázza a kvantumvalószínűségek (amelyek interferenciahatást mutatnak) átmenetét a hagyományos klasszikus valószínűségekre. Lásd például: Zurek [3] , Zech [11] és Schlosshauer [15] .
Ez a helyzet fokozatosan világosabbá válik, amint azt Schlosshauer 2006-os tanulmánya [16] írja le :
A múltban több dekoherencia-ellenes javaslatot terjesztettek elő a valószínűségek értelmének magyarázatára, és Born-szabályhoz jutottak... Joggal mondhatjuk, hogy láthatóan nem vontak le végleges következtetést e következtetések sikeréről. … Mint ismeretes [ahogyan Bohr számos feljegyzése ragaszkodik] a klasszikus fogalmak alapvető szerepéhez. A makroszkopikusan eltérő állapotok szuperpozícióinak egyre nagyobb hosszúságú skálákon történő kísérleti bizonyítása ellensúlyozza ezt a mondást. A szuperpozíciók szokatlan és egyénileg létező állapotok, gyakran ikrek nélkül. Csak a rendszerek közötti fizikai kölcsönhatások határozzák meg az egyes rendszerek szempontjából a klasszikus állapotokra való fajlagos bomlást. A klasszikus fogalmakat tehát úgy kell érteni, mint lokálisan keletkezetteket, a relatív állapot értelmében, és többé nem igényelhetnek alapvető szerepet a fizikai elméletben.A negyedik megközelítést az objektív redukció modelljei adják . Az ilyen modellekben a Schrödinger-egyenlet módosul, és nemlineáris feltételeket kap. Ezek a sztochasztikus természetű nemlineáris módosítások olyan viselkedéshez vezetnek, amely a mikroszkopikus kvantumobjektumok, például az elektronok vagy az atomok esetében mérhetetlenül közel áll a szokásos Schrödinger-egyenlettel kapott viselkedéshez. A makroszkópikus objektumok esetében azonban ez a nemlineáris módosulás fontossá válik, és a hullámfüggvény összeomlását okozza. Az objektív redukciós modellek fenomenológiai elméletekre vonatkoznak . A sztochasztikus módosulást valamilyen külső, nem kvantum mező okozta, de ennek a mezőnek a természete nem ismert. Az egyik lehetséges jelölt a gravitációs kölcsönhatás mind a Diosi-modellben, mind a Penrose-értelmezésben . A fő különbség az objektív redukciós modellek között a többi kísérlethez képest az, hogy hamisítható előrejelzéseket adnak, amelyek eltérnek a standard kvantummechanikától. A kísérletek már közel járnak ahhoz a paraméterrendszerhez, ahol ezek az előrejelzések tesztelhetők. [17]