Quantum Reality

Quantum Reality on fyysikko Nick Herbertin vuonna 1985 kirjoittama populaaritieteellinen kirja. Harbert on Fundamental Fysiks Groupin jäsen. Kirjassa käsitellään kvanttimekaanisten objektien ontologiaa, niiden attribuutteja ja niiden välisiä vuorovaikutuksia ilman edistyneitä matemaattisia käsitteitä. Herbert käsittelee tavallisimpia kvanttimekaniikan tulkintoja ja niiden seurauksia 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 on mahdollinen havaintojen ja matemaattisen formalismin kannalta. Hän vertaa eri tulkintoja tarinaan sokeista miehistä ja elefantista – samasta perustavanlaatuisesta todellisuudesta tehtyihin huomattavan erilaisiin (mutta usein päällekkäisiin) tulkintoihin. 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, joiden mukaan havainto luo kvanttiattribuuttien 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" moniulotteisessa konfiguraatioavaruudessa.
 Monimaailmatulkinta. Hugh Everettin tulkinta perustuu aaltofunktion romahtamisen ongelmaan. 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-distributiivinen hila tai "aaltologiikka", toisin kuten klassisia objekteja säätelevä Boolen hila. Esimerkin muodostaa "kolmen polarisaattorin paradoksi": kaksi toisiinsa nähden kohtisuorasti asetettua polarisaattoria eivät päästä yhtään valoa lävitse, mutta jos niiden väliin asetetaan niihin nähden vinosti suunnattu polarisaattori, osa valosta pääsee niiden muodostaman syteemin läpi. Paradoksi voidaan ymmärtää, jos polarisoituneen valon ajatellaan olevan superpositiossa diagonaalisten komponenttien kanssa, jolloin tapahtuu destruktiivinen interferenssi.
Neorealismi ("Maailma muodostuu tavallisista objekteista.") David Bohmin ja Louis de Broglien rakentaman tulkinnan mukaan kvanttiobjektit omaavat tarkkaan määritettyjä attribuutteja. Attribuutit voivat vaihtaa arvojaan välittömästi 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 suureille asetetaan tarkka arvo, mutta havainnoija ei kuitenkaan päätä, mitä arvon se saa. Von Neumann väitti, että suureiden arvot 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 havaitsematta jäävän maailman ontologista luonnetta hän ajatteli kvanttiteorian olevan sekä matemaattisesti pätevä että aito kuvaus todellisuudesta. Herbert esitti Heisenbergin kannan niin, että havaitsematta jäävä maailma muodostuu mahdollisuudesta, jotka on kvantitatiivisesti vähemmän tosia kuin havaittavien tosiasioiden maailma.

Bellin teoreema ja sen vaikutukset
Herbert esittää EPR-paradoksin ja sen ratkaisuksi Bellin teoreemaa. EPR paradoksi perustuu paikalliseen reaalisuuteen ja esittää, että todellisuuden elementit – todelliset ei-mitatut kvanttiattribuutit – ovat olemassa, mutta kvanttiteoria ei ennusta niitä. Bellin teoreema ratkaisee paradoksin esittäessään, että havainto pyyhkii pois pakallisen 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 eli valoa nopeammin etenevää kommunikaatiota. 

Herbert arvioi kvanttitodellisuuden tulkinnat uudelleen 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 kietoutuneita eivätkä siten olisi rajoitettuja paikalliseen vuorovaikutukseen.
Herbertin mukaan Bellin teoreema tukee Bohmin 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. Näennäisesti tosi pilottifunktio on ristiriidassa suhteellisuusteorian kanssa, jonka mukaan valoa nopeampi informaation siirto ei ole mahdollista.

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 Physics Groupin jäsen) käyttää kirjaa opettamissaan maisterintasoisissa kursseissa.

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

Lähteet

Luokka:Kirjat fysiikasta
Luokka:Vuoden 1985 kirjat