Quantum Reality

Quantum Reality on fyysikko Nick Herbertin vuonna 1985 kirjoittama populaaritieteellinen kirja. Harbert on Fundamental Fysiks Groupin jäsen. Kirjassa käsitelleen kvanttimekaniikaanisten objektien ontologiaa, niiden attribuutteja ja niiden välisiä vuorovaikutuksia ilman edistyneitä matemaattisia käsitteitä. Herbert käsittelee tavallisimpia kvanttimekaniikan tulkintoja ja niiden seuraksia keskittyen erityisesti kunkin tulkinnan etuihin ja huonoihin puoliin.

Yleiskatsaus

Herbert nostaa esiin kaksi kvanttimekaniikan filosofista ongelmaa. Ensimmäinen on tulkintakysymys: mikä on havaintojen todellisuuden fysikaalinen luonne. Toinen on mittausongelma: mikä on mittaustapahtuman vaikutus ja rooli kvanttimekaniikassa.

Kahdeksan tulkintaa
Herbert kirjoittaa kahdeksasta kvanttimekaniikan tulkinnasta, joista jokainen pätevä havaintojen ja matemaattisen formalismin näkokulmista. Hän vertaa eri tulkintoja tarinaan sokeista miehistä ja elefantista – eri tulkintoihin samasta perustavanlaatuisesta todellisuudesta, mitkä tuottavat huomattavan erilaisia (mutta usein päällekkäisiä) todellisuuden tulkintoja. Kirjassa käsiteltävät tulkinnat ovat:
 Kööpenhaminan tulkinta, Osa I ("Ei ole syvällistä todellisuutta.") Erityisesti Niels Bohrin ja Werner Heisenbergin ajatuksiin perustuva tulkinta on laajasti hyväksytty fyysikkojen keskuudessa. Tämän tulkinnan mukaan dynaamiset attribuutit eivät kuvaa kvanttiobjektien todellisuutta, mutta sen sijaan perivät havainnoitavien objektien ja mittausvälineiden väliset riippuvuudet.
 Kööpenhaminan tulkinta, Osa II ("Havainto luo todellisuuden.") Tämän tulkintavariaatio kuvastaa John Archibald Wheelerin ajatuksia, minkä mukaan havainto luo kvanttiattribuutien todellisuuden. Tätä havainnollistaa esimerkki Wheelerin viivästyneen päätöksen koe.
"Todellisuus on jakamaton kokonaisuus." Tämä tulkinta perustuu David Bohmin ja Walter Heitlerin esityksiin siitä, että koko universumin tila voidaan sotkea jokaisessa kvanttimittauksessa. Herbert nostaa esiin vuorovaikutuksen etäällä toisistaan olevien hiukkasten kietoutumisesta, joka voidaan kuvata yhtenä ainoana aaltofunktiona tai "jaettuna todellisuutena" korkeaulotteisessa konfiguraatio-avaruudessa.
 Monimaailmatulkinta. Hugh Everettin tulkinta rakentuu aaltofunktion romahtamisen ongelman avulla. Tulkinnan mukaan kaikki mahdolliset tapahtumat tapahtuvat samanaikaisesti rinnakkaisissa universumeissa.
Kvanttilogiikka ("Maailma noudattaa ei-ihmismäistä tapaa ajatella.") John von Neumannin, Garrett Birkhoffin ja David Finkelsteinin ajatuksiin perustuvan tulkinnan mukaan kvanttiobjektit omaavat synnynnäisiä attribuutteja, mutta attribuuttien välisiä vuorovaikutuksia säätelee ei-jakautunut hila tai "aaltologiikka", toisin kuten klassisia objekteja sääntelevä Boolean hila. "Kolmois-polarisaattori paradoksi" esimerkissä kaksi päällekkäistä ortogonaalisesti suunnatut polarisaattorit eivät päästä yhtään valoa lävitseen, mutta diagonaalisesti suunnatut polarisaattorit päästävän osan valosta lävitseen. Paradoksi voidaan ymmärtää jos polarisoitunut valo ajatellaan olevan superpositiossa diagonaalisten komponenttien kanssa, joissa tapahtuu heikentävä interferenssi.
Neorealismi ("Maailma muodostuu tavallisista objekteista.") David Bohmin ja Louis de Broglien rakentaman tulkinnan mukaan kvanttiobjektit omaavat tarkkaan määritettyjä attribuutteja. Attribuutit voivat vaihtaa arvojaan välittömästä vastauksena mihin tahansa universumin tapahtumaan. Tämä olisi mahdollista, koska informaatio olisi koodattuna fysikaaliseen pilottiaaltoon, joka liikkuisi ylivalonopeudella. Toiset fyysikot yrittivät rakentaa objektimalleja ylivalonopeuteen (superluminaalinen kommunikaatio) luottaen, mutta Bellin teoreema osoitti tämän myöhemmin mahdottomaksi. Tästä syystä monet fyysikot ovat hylänneet neorealismin.
"Tietoisuus luo todellisuuden." Tulkintaa esitti ensimmäisenä John von Neumann. Tämän tulkinnan mukaan tietoinen mieli pystyy romahduttamaan aaltofunktion, jolloin monet kvanttimekaaniset systeemit redusoituvat yhteen havainnoituun tilaan. Toisin kuin Kööpenhaminan tulkinnassa, jossa havainnoija valitsee mille attribuuteille asetetaan tarkka arvo, mutta havainnoija ei kuitenkaan päätä mitä arvoja annetaan. Von Neumann väitti, että attribuuttiarvot määrittyvät aaltofunktion romahduksen hetkellä, joka tapahtuu aivojen ja mielen rajapinnassa.
"Werner Heisenbergin kaksoismaailma." Heisenberg havaitsi luontaisen yhteyden Kööpenhaminan tulkinnassa havainnoijan konkreettisen todellisuuden (ilmiön) ja aaltofunktion kuvaaman potentiaalialueen (noumenonin) välillä. Etsiessään havainnoitamattoman maailman ontologista luonnetta hän ajatteli kvanttiteorian olevan sekä matemaattisesti pätevä, ja lisäksi aito kuvaus todellisuudesta. Herbert's description of Heisenbergin kannan Herbertin kuvauksessa havainnoitamaton maailma muodostuu mahdollisuudesta, joka on kuantitatiivisesti vähemän tosi kuin havainnoitavan tosiseikan maailma.

Bellin teoreema ja sen vaikutukset
Herbert esittää EPR-paradoksin ja sen ratkaisuksi Bellin teoreemaa. EPR paradoksi perustuu paikalliseen reaalisuureen ja esittää, että todellisuuden elementit – todelliset ei-mitatut kvanttiattribuutit – ovat olemassa, mutta kvanttiteoria ei ennusta niitä. Bellin teoreema ratkaisee paradoksin esittäessään, että havainto pyyhii pois pakallisuus reaalisuuden. Täten jokaisen havainnoitsijaan perustuvan todellisuusmallin pitää sallia ei-paikallinen vuorovaikutus. Kuitenkin Herbert huomauttaa, että Bellin teoreema ei tarkoita suoraan havainnoitavan ei-paikallisen ilmiön kokeellista ennustamista. Teoreema ei myöskään salli superluminaarista kommunikaatiota (ylivalonopeutta). 

Herbert uudelleen arvioi kvanttitodellisuuden tulkinnat Bellin teoreeman valossa:

Kööpenhaminan tulkinta: havainnoitavan kokonaisuuden "koejärjestely" ja mittauslaitteisto, missä kvanttiattribuutit piilevät ovat Bohrin mukaan rajoitettuja paikalliseen vuorovaikutukseen. Kuitenkin Bellin teoreeman mukaan paikallisen vuorovaikutuksen lisäksi pitää ottaa huomioon, että kaukana toisistaan olevat objektit voivat olla kietoituneita ja eivät olisi siten rajoitettuja paikalliseen vuorovaikutukseen.
Herbertin mukaan Bellin teoreema tukee Bohmian ajatusta todellisuuden jakamattomasta yhtenäisyydestä.
Vaikka monimaailmatulkinta ei sisällä Bellin teoreeman vaatimaa oletusta: objektit ja niiden ominaisuudet tulisi olla olemassa vaikka niitä ei olisikaan mitattu. Herbert esittää monimaailmatulkinnan olevan luonnostaan ei-paikallinen'.
Herbertin mukaan neorealistinen tulkinta ei ole Bellin teoreeman mukainen. Näinnäisesti tosi pilottifunktio rikkoo Einsteinin valon nopeusrajan.

Johtopäätöksessään Herbert kirjoittaa, että vaikka Bellin teoreema ei ennusta minkään kvanttimekaanisen tulkinnan todenmukaisuutta, niin se todistaa sen, että oikean tulkinnan tulee hyväksyä ei-paikallinen vuorovaikutus.

Vastaanotto
The New York Timesin arvostelussa kirjaa ylistettiin teeman tuomisesta helposti ymmärrettävään muotoon jokaiselle lukijalle. Fyysikko Heinz Pagels sanoi kirjan olevan hyvä alku kaikille kvanttifysiikasta kiinnostuneille. 

Fyysikko David Kaiser ( Fundamental Fysiks Groupin jäsen) käyttää kirjaa opettamissaan maisterintasoisissa kursseissa.

Katso myös
 Fysiikka ja tao, Fundamental Fysiks -seuran jäsenen Fritjof Capran kirja

Lähteet

Kirjat fysiikasta
Vuoden 1985 kirjat