Måleproblemet i kvantemekanikken er problemet med at bestemme, hvornår ( og om ) sammenbruddet af bølgefunktionen indtræffer . Den manglende direkte observation af et sådant sammenbrud har givet anledning til forskellige fortolkninger af kvantemekanikken og har stillet et nøglesæt af spørgsmål, som hver fortolkning skal besvare.
Bølgefunktionen i kvantemekanikken udvikler sig deterministisk i henhold til Schrödinger-ligningen som en lineær superposition af forskellige tilstande. Reelle målinger finder dog altid det fysiske system i en bestemt tilstand. Enhver efterfølgende udvikling af bølgefunktionen er baseret på den tilstand, som systemet blev fundet i i målingen, hvilket betyder, at målingen "gjorde noget" på systemet, hvilket tydeligvis ikke er en konsekvens af Schrödingers evolution. Måleproblemet beskriver, hvad det "noget" er, hvordan en superposition af mange mulige værdier bliver til en enkelt målt værdi.
Med andre ord (for at omskrive Steven Weinberg [1] [2] ), bestemmer Schrödinger-bølgeligningen bølgefunktionen på et hvilket som helst senere tidspunkt. Hvis observatører og deres måleinstrumenter er beskrevet af en deterministisk bølgefunktion, hvorfor kan vi så ikke forudsige det nøjagtige resultat af målinger, men kun sandsynligheder? Eller mere generelt: Hvordan kan der etableres en overensstemmelse mellem kvante og klassisk virkelighed? [3]
Et tankeeksperiment, der ofte bruges til at illustrere problemet med måling, er "paradokset" ved Schrödingers kat . Mekanismen er designet til at dræbe katten, hvis der sker en kvantehændelse, såsom henfald af et radioaktivt atom. Således er skæbnen for det massive objekt, katten, sammenflettet med skæbnen for kvanteobjektet, atomet. Forud for observation, ifølge Schrödinger-ligningen og adskillige partikeleksperimenter, er atomet i en kvantesuperposition , en lineær kombination af henfaldne og uforfaldne tilstande, der udvikler sig over tid. Derfor skal katten også være i en superposition, en lineær kombination af tilstande, der kan karakteriseres som "levende kat" og tilstande, der kan karakteriseres som "død kat". Hver af disse muligheder er forbundet med en specifik sandsynlighedsamplitude , der ikke er nul . En enkelt, separat observation af en kat finder dog ikke en superposition: den finder altid enten en levende kat eller en død kat. Efter observation er katten bestemt levende eller død. Spørgsmål: Hvordan omsættes sandsynligheden til et reelt, veldefineret klassisk resultat?
Den københavnske fortolkning er den ældste og måske stadig mest accepterede fortolkning af kvantemekanik. [4] [5] [6] [7] Generelt postulerer den, at der er noget i observationshandlingen, der får bølgefunktionen til at kollapse . Hvordan dette sker, er et spørgsmål om kontrovers. Generelt har tilhængere af København-fortolkningen en tendens til at være intolerante over for de erkendelsesteoretiske forklaringer på mekanismen bag den. Denne holdning er opsummeret i det ofte citerede mantra "Hold kæft og beregn!" [otte]
Hugh Everetts mangeverdensfortolkning forsøger at løse problemet ved at antage, at der kun er én bølgefunktion, superpositionen af hele universet, og at det aldrig kollapser, så der er ikke noget måleproblem. I stedet er målehandlingen blot en vekselvirkning mellem kvanteobjekter, fx en observatør, et måleinstrument, en elektron/positron osv., der bliver viklet ind og danner et enkelt, større objekt, fx en levende kat/glad videnskabsmand . Everett forsøgte også at demonstrere, hvordan kvantemekanikkens probabilistiske natur kunne vise sig i en måling; værket er senere udvidet af Bryce DeWitt .
De Broglie-Bohm-teorien forsøger at løse måleproblemet på en helt anden måde: Informationen, der beskriver systemet, indeholder ikke kun bølgefunktionen, men også yderligere data (bane), der giver information om partiklens eller partiklenes position. Bølgefunktionens rolle er at danne et hastighedsfelt for partiklerne. Disse hastigheder er sådan, at sandsynlighedsfordelingen for partiklerne forbliver konstant med forudsigelserne fra konventionel kvantemekanik. Ifølge De Broglie-Bohm-teorien adskiller interaktionen med omgivelserne under måleproceduren bølgepakkerne (grupperne) i konfigurationsrummet, hvorfra sammenbruddet af bølgefunktionen åbenbart kommer , selvom der faktisk ikke er noget kollaps.
Ghirardi-Rimini-Weber-teorien adskiller sig fra andre kollapsteorier ved at antage, at sammenbruddet af bølgefunktionen sker spontant. Partikler har en ikke-nul sandsynlighed for at gennemgå et "bump" eller spontant bølgefunktionskollaps i størrelsesordenen én gang hvert hundrede million år. [9] Selvom kollaps er meget sjældent, betyder det absolutte antal partikler i et målesystem, at sandsynligheden for, at et kollaps sker et sted i systemet er høj. Da hele målesystemet er sammenfiltret (ved kvantesammenfiltring), initierer sammenbruddet af en partikel kollapset af hele måleinstrumentet.
Erich Yus og en:H. Dieter Zeh hævder, at fænomenet kvantedekohærens , som tog fart i 1980'erne, løser problemet. [10] Tanken er, at miljøet er årsagen til det klassiske udseende af makroskopiske objekter. Zech fortsætter med at fastslå, at dekohærens gør det muligt at identificere den uklare grænse mellem kvantemikrokosmos og verden, hvor klassisk intuition er anvendelig. [11] [12] Kvantedekohærens er blevet foreslået i forbindelse med mange-verdensfortolkningen , men den er også ved at blive en vigtig del af nogle moderne opdateringer til københavnerfortolkningen baseret på konsensuelle historier . [13] [14] Kvantedekohærens beskriver ikke selve sammenbruddet af bølgefunktionen, men det forklarer overgangen af kvantesandsynligheder (som udviser interferenseffekter) til almindelige klassiske sandsynligheder. Se for eksempel Zurek [3] , Zech [11] og Schlosshauer [15] .
Denne situation bliver gradvist klarere, som beskrevet i et papir fra 2006 af Schlosshauer [16] :
Adskillige ikke-dekohærens-forslag er blevet fremsat tidligere for at forklare betydningen af sandsynligheder og er kommet frem til Borns regel... Det er rimeligt at sige, at der tilsyneladende ikke er draget nogen endelig konklusion om disse konklusioners succes. … Som det er velkendt [som mange af Bohrs noter insisterer på] den grundlæggende rolle af klassiske begreber. Eksperimentelt bevis for superpositioner af makroskopisk forskellige tilstande på stadig større længdeskalaer modvirker et sådant ordsprog. Superpositioner viser sig at være usædvanlige og individuelt eksisterende tilstande, ofte uden tvillinger. Kun de fysiske interaktioner mellem systemer bestemmer den specifikke nedbrydning til klassiske tilstande ud fra hvert enkelt systems synspunkt. De klassiske begreber skal således forstås som lokalt opståede i betydningen en relativ tilstand, og de må ikke længere gøre krav på en fundamental rolle i fysisk teori.Den fjerde tilgang er givet af modeller for objektiv reduktion . I sådanne modeller modificeres Schrödinger-ligningen og får ikke-lineære betingelser. Disse ikke-lineære modifikationer af stokastisk karakter fører til adfærd, der for mikroskopiske kvanteobjekter, såsom elektroner eller atomer, er umådeligt tæt på den, der opnås med den almindelige Schrödinger-ligning. For makroskopiske objekter bliver denne ikke-lineære modifikation imidlertid vigtig og forårsager kollaps af bølgefunktionen. Objektive reduktionsmodeller refererer til fænomenologiske teorier . Den stokastiske modifikation anses for at skyldes et eksternt ikke-kvantefelt, men arten af dette felt er ukendt. En mulig kandidat er gravitationsinteraktionen i både Diosi-modellerne og Penrose-fortolkningen . Den største forskel mellem objektive reduktionsmodeller sammenlignet med andre forsøg er, at de laver falsificerbare forudsigelser, der adskiller sig fra standard kvantemekanik. Eksperimenter er allerede tæt på parameterregimet, hvor disse forudsigelser kan testes. [17]