مشاكل القياس

في ميكانيكا الكم ، تتمثل مشكلة القياس في مشكلة النتائج المحددة: فالأنظمة الكمومية لها حالات تراكب، لكن القياسات الكمومية لا تعطي إلا نتيجة محددة واحدة. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

تتطور الدالة الموجية في ميكانيكا الكم بشكل حتمي وفقًا لمعادلة شرودنغر، باعتبارها تراكبًا خطيًا لحالات مختلفة. مع ذلك، تُظهر القياسات الفعلية دائمًا وجود النظام الفيزيائي في حالة محددة. أي تطور لاحق للدالة الموجية يعتمد على الحالة التي وُجد النظام فيها وقت إجراء القياس، ما يعني أن القياس قد أحدث تغييرًا في النظام لا يُعدّ نتيجة مباشرة لتطور شرودنغر . تكمن مشكلة القياس في تحديد ماهية هذا التغيير، وكيف يتحول تراكب العديد من القيم المحتملة إلى قيمة واحدة مُقاسة.

بتعبير آخر (بتصرف عن ستيفن واينبرغ )، ^{[ 3 ] [ 4 ]} تحدد معادلة شرودنغر الدالة الموجية في أي وقت لاحق. إذا كان المراقبون وأجهزة القياس الخاصة بهم موصوفين بدالة موجية حتمية، فلماذا لا نستطيع التنبؤ بنتائج دقيقة للقياسات، بل باحتمالات فقط؟ كسؤال عام: كيف يمكن إيجاد تطابق بين الواقع الكمومي والواقع الكلاسيكي؟ ^{[ 5 ]}

تُوضح تجربة فكرية تُعرف باسم "قطة شرودنغر" مشكلة القياس. يُصمم جهاز لقتل قطة عند حدوث حدث كمومي، مثل تحلل ذرة مشعة. يُوضع الجهاز والقطة داخل حجرة، لذا يبقى مصير القطة مجهولًا حتى تُفتح الحجرة. قبل الملاحظة، ووفقًا لميكانيكا الكم، تكون الذرة في حالة تراكب كمومي ، أي مزيج خطي من حالتي الذرة المتحللة والسليمة. كما تُوصف، وفقًا لميكانيكا الكم أيضًا، منظومة الذرة-الجهاز-القطة المركبة بتراكبات لحالات مركبة. وبالتالي، تُوصف القطة بأنها في حالة تراكب، أي مزيج خطي من حالتين: "ذرة سليمة - قطة حية" و"ذرة متحللة - قطة ميتة". لكن عند فتح الحجرة، تكون القطة إما حية أو ميتة: لا يُلاحظ أي تراكب. بعد القياس، تُحدد القطة بشكل قاطع إما حية أو ميتة. ^{[ 6 ] : 154}

يُجسّد سيناريو القطة مشكلة القياس: كيف يُمكن لتراكب غير مُحدد أن يُنتج نتيجة مُحددة واحدة؟ كما يُوضح قضايا أخرى في القياس الكمي، ^{[ 7 ] : 585،} بما في ذلك: متى يحدث القياس؟ هل كان ذلك عند مُلاحظة القطة؟ كيف يُعرّف جهاز القياس؟ آلية الكشف عن الاضمحلال الإشعاعي؟ القطة؟ الحجرة؟ ما هو دور المُراقب ؟

تُعدّ الآراء التي تُصنّف عادةً ضمن تفسير كوبنهاغن أقدم الآراء، وربما لا تزال الأكثر شيوعًا فيما يتعلق بميكانيكا الكم. ^{[ 8 ] [ 9 ]} وقد صاغ ن. ديفيد ميرمين عبارة "اصمت واحسب!" لتلخيص آراء كوبنهاغن، وهي مقولة تُنسب خطأً إلى ريتشارد فاينمان ، والتي وجدها ميرمين لاحقًا غير دقيقة بما فيه الكفاية. ^{[ 10 ] [ 11 ]}

عمومًا، تفترض وجهات النظر في مدرسة كوبنهاغن أن هناك شيئًا ما في عملية الملاحظة يؤدي إلى انهيار الدالة الموجية . هذا المفهوم، الذي يُنسب غالبًا إلى نيلز بور ، يعود في الواقع إلى فيرنر هايزنبرغ ، الذي حجبت كتاباته اللاحقة العديد من الخلافات التي نشأت بينه وبين بور خلال تعاونهما والتي لم يتوصلا إلى حل لها. ^{[ 12 ] [ 13 ]} في هذه المدارس الفكرية، يمكن اعتبار الدوال الموجية معلومات إحصائية حول نظام كمومي، وانهيار الدالة الموجية هو تحديث لتلك المعلومات استجابةً لبيانات جديدة. ^{[ 14 ] [ 15 ]} ولا يزال فهم هذه العملية بدقة موضع جدل. ^{[ 16 ]}

ناقش بور آراءه في رسالةٍ إلى باولي عام ١٩٤٧. ^{[ ١٧ ]} يشير بور إلى أن عمليات القياس، مثل غرف السحاب أو الألواح الفوتوغرافية، تنطوي على تضخيم هائل يتطلب طاقاتٍ تفوق بكثير التأثيرات الكمومية قيد الدراسة، ويلاحظ أن هذه العمليات غير قابلة للانعكاس. ^{[ ١٨ ]} وقد اعتبر بور أن تقديم تفسيرٍ متسقٍ لهذه المسألة يُمثل مشكلةً لم تُحل بعد.

يحاول تفسير هيو إيفريت للأكوان المتعددة حل المشكلة بافتراض وجود دالة موجية واحدة فقط، وهي تراكب الكون بأكمله، ولا تنهار أبدًا، وبالتالي لا توجد مشكلة في القياس. بدلًا من ذلك، فإن عملية القياس هي ببساطة تفاعل بين كيانات كمومية، مثل المراقب، وأداة القياس، والإلكترون/البوزيترون، وما إلى ذلك، والتي تتشابك لتشكل كيانًا واحدًا أكبر، على سبيل المثال قطة حية/عالم سعيد . حاول إيفريت أيضًا توضيح كيف ستظهر الطبيعة الاحتمالية لميكانيكا الكم في القياسات، وهو عمل قام برايس ديويت بتوسيعه لاحقًا . مع ذلك، لم يتوصل مؤيدو برنامج إيفريت بعد إلى إجماع بشأن الطريقة الصحيحة لتبرير استخدام قاعدة بورن لحساب الاحتمالات. ^{[ 19 ] [ 20 ]}

تحاول نظرية دي برولي-بوم حل مشكلة القياس بطريقة مختلفة تمامًا: فالمعلومات التي تصف النظام لا تقتصر على دالة الموجة فحسب، بل تشمل أيضًا بيانات إضافية (مسار) تحدد موقع الجسيم (أو الجسيمات). ويتمثل دور دالة الموجة في توليد حقل السرعة للجسيمات. وتكون هذه السرعات بحيث يظل توزيع احتمالية وجود الجسيم متسقًا مع تنبؤات ميكانيكا الكم التقليدية. ووفقًا لنظرية دي برولي-بوم، فإن التفاعل مع البيئة أثناء عملية القياس يفصل حزم الموجات في فضاء التكوين، وهو ما يُفسر الانهيار الظاهري لدالة الموجة، على الرغم من عدم وجود انهيار فعلي. ^{[ 21 ]}

يُقدّم نهج رابع نماذج الانهيار الموضوعي . في هذه النماذج، تُعدّل معادلة شرودنغر لتظهر حدود غير خطية. هذه التعديلات غير الخطية ذات طبيعة عشوائية ، وتؤدي إلى سلوك يكون، بالنسبة للأجسام الكمومية المجهرية، كالإلكترونات أو الذرات، قريبًا جدًا من السلوك الذي تُعطيه معادلة شرودنغر المعتادة. أما بالنسبة للأجسام العيانية، فيصبح التعديل غير الخطي مهمًا ويُحفّز انهيار الدالة الموجية. تُعتبر نماذج الانهيار الموضوعي نظريات فعّالة . يُعتقد أن التعديل العشوائي ينشأ من مجال خارجي غير كمومي، لكن طبيعة هذا المجال غير معروفة. أحد المرشحين المحتملين هو التفاعل الجاذبي كما في نماذج ديوسي وبينروز . يتمثل الاختلاف الرئيسي لنماذج الانهيار الموضوعي مقارنةً بالنهج الأخرى في أنها تُقدّم تنبؤات قابلة للتفنيد تختلف عن ميكانيكا الكم القياسية. تقترب التجارب بالفعل من نطاق المعلمات الذي يُمكن فيه اختبار هذه التنبؤات. ^{[ 22 ]}

تقترح نظرية غيراردي -ريميني-ويبر (GRW) أن انهيار الدالة الموجية يحدث تلقائيًا كجزء من الديناميكيات. تمتلك الجسيمات احتمالًا غير صفري للتعرض لـ"اصطدام"، أو انهيار تلقائي للدالة الموجية، بمعدل مرة واحدة كل مئة مليون سنة تقريبًا. ^{[ 23 ]} على الرغم من ندرة الانهيار، فإن العدد الهائل من الجسيمات في نظام القياس يعني أن احتمال حدوث انهيار في مكان ما من النظام مرتفع. ولأن نظام القياس بأكمله متشابك (عن طريق التشابك الكمي)، فإن انهيار جسيم واحد يؤدي إلى انهيار جهاز القياس بأكمله. ولأن نظرية GRW تقدم تنبؤات مختلفة عن ميكانيكا الكم التقليدية في بعض الحالات، فإنها لا تُعد تفسيرًا لميكانيكا الكم بالمعنى الدقيق.

يزعم إريك جوس وهاينز -ديتر زيه أن ظاهرة التفكك الكمومي ، التي ترسخت في ثمانينيات القرن العشرين، تحل هذه المشكلة. ^{[ 24 ]} وتتلخص الفكرة في أن البيئة المحيطة تُسبب المظهر الكلاسيكي للأجسام العيانية. ويزعم زيه كذلك أن التفكك الكمومي يُتيح تحديد الحدود الضبابية بين العالم الميكروسكوبي الكمومي والعالم الذي تنطبق عليه البديهية الكلاسيكية. ^{[ 25 ] [ 26 ]} وقد أصبح التفكك الكمومي جزءًا مهمًا من بعض التحديثات الحديثة لتفسير كوبنهاغن القائم على التاريخ المتسق . ^{[ 27 ] [ 28 ]} لا يصف التفكك الكمومي الانهيار الفعلي للدالة الموجية، ولكنه يُفسر تحويل الاحتمالات الكمومية (التي تُظهر تأثيرات التداخل ) إلى الاحتمالات الكلاسيكية العادية. انظر، على سبيل المثال، زوريك، ^{[ 5 ]} وزيه ^{[ 25 ]} وشلوسهاور. ^{[ 29 ]}

الوضع الحالي يتضح ببطء، كما وصفه شلوسهاور في مقال نُشر عام 2006 على النحو التالي: ^{[ 30 ]}

طُرحت في الماضي عدة مقترحات لا علاقة لها بفك الترابط لتوضيح معنى الاحتمالات والتوصل إلى قاعدة بورن ... ومن الإنصاف القول إنه لم يتم التوصل إلى نتيجة حاسمة بشأن نجاح هذه الاشتقاقات.

كما هو معروف، تُؤكد العديد من أبحاث بور على الدور المحوري للمفاهيم الكلاسيكية. إلا أن الأدلة التجريبية على تراكب حالات متميزة على المستوى العياني، وعلى نطاقات طول متزايدة الكبر، تُفنّد هذا الادعاء. إذ يبدو أن التراكبات حالات جديدة موجودة بشكل فردي، وغالبًا ما تكون بلا نظائر كلاسيكية. ومن ثم، فإن التفاعلات الفيزيائية بين الأنظمة هي وحدها التي تُحدد التفكيك المحدد إلى حالات كلاسيكية من منظور كل نظام على حدة. وبالتالي، ينبغي فهم المفاهيم الكلاسيكية على أنها ناشئة محليًا بمعنى الحالة النسبية، ولا ينبغي لها أن تدّعي دورًا محوريًا في النظرية الفيزيائية.

للحصول على معالجة أكثر تقنية للرياضيات المتعلقة بالموضوع، انظر القياس في ميكانيكا الكم .

• R. Buniy, S. Hsu and A. Zee On the origin of probability in quantum mechanics (2006)
• بيل، جون ستيوارت (1990)، "ضد 'القياس'"، عالم الفيزياء ، 3 (8): 33-41 ، doi : 10.1088/2058-7058/3/8/26.