Paweł Horodecki: Czym kierują się fizycy przy wyborze interpretacji?

Mechanika kwantowa jest pierwszą w dziejach teorią, której zrozumienie nie tylko przerosło jej twórców, ale stanowi enigmę dla kolejnych pokoleń fizyków.

Tekst ukazał się w „Filozofuj!” 2022 nr 1 (43), s. 21–22. W pełnej wersji graficznej jest dostępny w pliku PDF.

Należy na wstępie podkreślić, że w praktyce mechanika kwantowa nie potrzebuje szczególnej interpretacji, a przynajmniej nie potrzebuje interpretacji „głębokiej”. Jej aksjomaty można stosować zgodnie z instrukcjami i wystarcza to do osiągania znakomitych sukcesów. Można przewrotnie powiedzieć, że ostatnie zdanie wiąże się już z interpretacją kopehnaską – ale tylko częściowo, tj. w tym sensie, że teorię kwantową stosujemy do układu fizycznego, który nie obejmuje obserwatora, oraz że daje nam maksymalną wiedzę o możliwych zachowaniach tego układu.

Interpretacji mechaniki kwantowej istnieje jednak wiele. Czym kierują się badacze, wybierając jedną z nich?

Interpretacje przekonujące i interpretacje użyteczne

Autentyczne poznanie powodów, dla których fizycy preferują taką, a nie inną interpretację, wymagałoby pogłębionych badań. Wydaje się wszak, że fizycy wybierają albo takie wytłumaczenie mechaniki kwantowej, które najlepiej do nich przemawia, jest najbardziej przekonujące, albo też takie, które jest dla nich najbardziej użyteczne. W tym ostatnim przypadku najczęściej interpretację traktuje się jako narzędzie i nie wyciąga się z niej zbyt daleko idących wniosków filozoficznych. Niektórym fizykom w rozumieniu kwantowej kryptografii à la BB84 pomagało, gdy myśleli o funkcji falowej jako noszącej cechy realności, ale to nie musiało oznaczać głębokiego realizmu, może raczej rodzaj „realizmu śladowego”.

Wydaje się, że podobna rzecz może mieć miejsce w przypadku teorii kwantowego komputera – prawdopodobnie niektórzy badacze, lubiący używać metafory Davida Deutscha o równoległych obliczeniach w równolegle biegnących „światach” laboratoryjnych, niechętnie myśleliby o współistnieniu ogromnej liczby wszechświatów jako kosmologicznych całości. Wybór z użyteczności ma też swój rewers – interpretację, która sięga głębiej niż literalne odczytanie aksjomatów, ale z proweniencją użyteczności nie zrywa. Przykładem jest kwantowy bayesjanizm (QBism), który wprowadzili badacze zajmujący się kwantową teorią informacji, a który dotyczy praktycznego oddziaływania obserwatora z bliżej nieokreśloną kwantową rzeczywistością fizyczną, zaś jego zadaniem jest skuteczne wyciąganie wniosków na temat jej zachowań.

Pisząc o użyteczności, warto też pamiętać o płaszczyźnie edukacyjnej – interpretacja kopenhaska dobrze się sprawdza jako poręczne, minimalistyczne narzędzie dydaktyczne w przypadku ewentualnych pytań ze strony dociekliwych studentów. (Nawiasem mówiąc, niektórzy promotorzy fizycy wręcz zniechęcają swoich podopiecznych do zastanawiania się nad problemami interpretacji, aby starczyło im czasu na badania analityczne).

Indywidualne uwarunkowania

Z pewnością świadomy wybór tej, a nie innej interpretacji lub też – co chyba również się zdarza – intuicyjne przywiązanie do konkretnej interpretacji (zauważmy, że nie są to możliwości tożsame) wiąże się także z indywidualnymi skłonnościami do takiego, a nie innego postrzegania świata oraz z bagażem naukowego doświadczenia. Wydaje się np., że dla badaczy, którzy dobrze „czują się” w formalizmie newtonowskim lub długo z nim pracowali, deterministyczna interpretacja Bohma mogłaby być bardziej pociągająca niż inne. Z drugiej strony przynajmniej część osób, które oczekują uwzględnienia opisu obserwatora w formalizmie fizycznym, ale które są równocześnie przywiązane do tradycyjnego pojęcia wolnej woli, interpretacji Bohma będzie prawdopodobnie unikać ze względu na jej bardzo ścisły determinizm. Fundamentalny indeterminizm kwantowy można przyjąć albo ulegając perswazji samej teorii – gdy ta, mówiąc wprost o empirycznych zastosowaniach, narzuca język prawdopodobieństwa, albo też – jeśli spojrzeć na mechanikę kwantową z zewnątrz – gdy założy się jakiś rodzaj fundamentalnej nieprzewidywalności w decyzjach samego obserwatora lub jego urządzeń. W tym sensie powód, dla którego interpretacje w pełni deterministyczne nie są bardzo popularne, może wynikać z częstej niechęci badaczy do wiary w jakąkolwiek wersję superdeterminizmu we Wszechświecie. Ten moment może mieć bardzo głębokie i – często – nieuświadomione korzenie. Otóż swego czasu Stephen Hawking i George Ellis postawili tezę, że wolna wola obserwatora jest konieczna do uprawiania nauki jako badania autentycznych praw natury. W istocie łatwo to zrozumieć: w przeciwnym razie brak swobody pytań stawianych naturze pozwalałby jej na oszukiwanie nas – skoro z góry znałaby pytania, mogłaby ad hoc modyfikować swoje prawa specjalnie dla nas.

Z kolei pod adresem teorii wielu światów koronnym zarzutem jest obecność głęboko nieintuicyjnego i bardzo silnego założenia ontologicznego przy zerowym zysku związanym z tym przewidywaniem. Pojawiają się też uwagi o charakterze antropologicznym i psychologicznym podkreślające, że ewentualne przeświadczenie o rozszczepieniu świata i obserwatora mogłoby w jakiejś mierze skutkować swoistym unieważnieniem naszych wyborów. Mianowicie dopuszczałoby w zasadzie sytuację, gdy nasz wybór w jednym Wszechświecie byłby niejako nieuchronnie skontrowany decyzją przeciwną podjętą przez nasze „ja” w drugim. Należy zastrzec, że taka konsekwencja nie jest automatyczna i nie dotyczyłaby wszystkich naszych decyzji, jednak sama perspektywa, że tak mogłoby się zdarzyć, wydaje się niezbyt zachęcająca.

Co interesujące – należy podkreślić, że grupa interpretacji utrzymująca realność kolapsu funkcji falowej poza jednym wyjątkiem nie stanowi interpretacji sensu stricto. W rzeczy samej, wyłączając interpretację o aktywnej roli świadomości (Eugene P. Wigner), każda inna – tj. każda, która traktuje kolaps funkcji falowej jako niezależny od istnienia obserwatora – stanowi zasadniczo rozszerzenie mechaniki kwantowej, a nie jej interpretację.

Oczywiście wszystkie interpretacyjne wybory mają swoją cenę, dlatego lepiej się zbytnio do danego wyboru – jeżeli już się go dokonało – nie przywiązywać. Na przykład relacyjna interpretacja mechaniki kwantowej nosi w sobie ideę wiedzy o relacjach między rzeczywistościami fizycznymi, ale wydaje się bezbronna w odniesieniu do obserwatora, o ile zastąpić nim kota Schrödingera w słynnym eksperymencie – nie jest bowiem zupełnie jasne, co oznacza jego wiedza o relacji ze światem zewnętrznym, jeżeli status jego życia (śmierci) jest nieokreślony. Idea obiektywnego kolapsu rozstrzygnęłaby ten problem i jest to moment, w którym subiektywistyczne (antyrealistyczne) interpretacje z zasady kapitulują, zakładając po prostu skromniejsze cele.

Niewykluczone, że mechanika kwantowa jest „rzutem” pewnej ogólnej, jeszcze nieznanej teorii, która przywdziewa jej szaty w skali atomów i cząsteczek, natomiast jej „rzut” na świat o rozmiarach makroskopowych wygląda zupełnie inaczej w tym sensie, że samo pojęcie superpozycji obiektów makroskopowych posiada tam tak zmodyfikowaną formę, że nawet nie potrafimy sobie jej dziś wyobrazić. Świat ma dla nas jeszcze wiele niespodzianek.

Paweł Horodecki – fizyk, profesor Uniwersytetu Gdańskiego (Międzynarodowe Centrum Teorii Technologii Kwantowych) oraz Politechniki Gdańskiej, wicedyrektor Krajowego Centrum Informatyki Kwantowej na Uniwersytecie Gdańskim. Zawodowo zajmuje się mechaniką kwantową, jej możliwymi uogólnieniami i konsekwencjami na gruncie teorii informacji. Ceni dobrą poezję.