Ha egy tudományos kísérletet megfelelően végeznek el, akkor mérhető eredményt ad. A rendszer (kísérlet) minden pillanatban a lehetséges állapotok egyikében van. A végén a kísérlet egy végső állapotba kerül. Minden egyes időpontban mérhető a rendszer állapota.

A kvantummechanikai kísérletek ugyanígy működnek. A különbség a klasszikus mechanikához képest az, hogy minden egyes időpontban több állapot szuperponálódik (átfedésben van), hogy leírja azt az állapotot, amelyben a kísérlet van. Ezeket az állapotokat sajátállapotoknak nevezzük. A klasszikus mechanikához hasonlóan, ha mérést végzünk, egyetlen eredményt kapunk. Ez az eredmény az egyik sajátállapot sajátértéke. Ez azt jelenti, hogy a mérés a több lehetséges állapotot egyetlen állapottá redukálja összeadással. A mérés után a rendszer a mért állapotban lesz. A koppenhágai értelmezésben ezt a redukciót hullámfüggvény-összeomlásnak nevezik. Az összeomlás egyike annak a két folyamatnak, amelyek révén a kvantumrendszerek időben fejlődnek. A másik a folyamatos fejlődés a Schrödinger-egyenleten keresztül.

Werner Heisenberg volt az elsők között, aki ezt a helyzetet megmagyarázta egy 1927-ben megjelent tanulmányában. Ez az eredmény ellentmondásos. Erwin Schrödinger a Schrödinger macskája gondolatkísérletet használta ennek az ellentmondásnak a bemutatására.

Mi történik méréskor — rövid, közérthető magyarázat

A hullámfüggvény-összeomlás azt írja le, hogyan lesz egy kvantumrendszer kezdeti szuperpozíciójából egyetlen, jól meghatározott eredmény a mérés pillanatában. Matematikaian a rendszer állapotát a hullámfüggvény vagy állapotvektor írja le, amely több sajátállapot súlyozott kombinációja lehet. Ha mérünk egy jellemzőt (például a részecske helyét vagy spinjét), a lehetséges kimenetek az operátor sajátértékei, és a mérés valamilyen sajátértéket ad vissza.

A mérés eredményének valószínűségét a Born-szabály adja meg: a hullámfüggvény komponenseinek abszolútérték-négyzete arányos a hozzá tartozó eredmény bekövetkezésének valószínűségével. Például egy spin-1/2 részecske esetén, ha a hullámfüggvény a "felfelé" és "lefelé" állapotok szuperpozíciója, akkor méréskor vagy "felfelé" vagy "lefelé" eredményt kapunk, a valószínűségek pedig a megfelelő amplitúdók négyzetei.

A folyamatok kétféle természete

A kvantumidőfejlődés két jellegzetes módon történhet:

  • Unitárius, folyamatos fejlődés: a Schrödinger-egyenlet szerinti determinisztikus, visszafordítható evolúció, amely a hullámfüggvény amplitúdóit időben megváltoztatja.
  • Összeomlás (projekció): a mérés pillanatában történt, látszólag nem-determinisztikus és nem-unitárius folyamat, amikor a rendszer állapota a mérés eredményéhez tartozó sajátállapotba kerül.

Értelmezések és a "mérés problémája"

A hullámfüggvény-összeomlás körüli nehézség részben abból adódik, hogy nem egyértelmű, mi minősül "mérésnek" és mi váltja ki a hirtelen összeomlást. Többféle elméleti választ javasoltak:

  • Koppenhágai értelmezés: a mérés speciális szerepet kap: amikor a rendszer kölcsönhatásba lép a mérőeszközzel (vagy megfigyelővel), a hullámfüggvény összeomlik az egyik sajátállapotba. Itt a kollapszus posztulátumként szerepel a formalizmusban.
  • Sok Világ (Many-Worlds): az összeomlás nem valósul meg — a mérés unitáriusan kiterjeszti a hullámfüggvényt úgy, hogy minden lehetséges eredmény megvalósul egy-egy ágazatban vagy világban. A megfigyelő is szuperponálódik, de minden ágban egyetlen eredményt tapasztalnak.
  • Dezkoherencia: a környezettel való kölcsönhatás nagyon gyorsan elnyomja az eltérő ágak közötti interferenciát, így a rendszer gyakorlatilag klasszikus keverékként viselkedik. A dezkoherencia megmagyarázza, miért tűnnek el a makroszkopikus szuperpozíciók, de önmagában nem ad „valódi” összeomlást (nem választ egyetlen ágat a sok közül).
  • Objektív összeomlásos modellek (például GRW): ezek a modellek a kvantummechanikát kiegészítik egy valódi, sztochasztikus összeomlási mechanizmussal, amely ritkán, de véges valószínűséggel történik meg, és így magyarázza a klasszikus világ megjelenését.

Gyakorlati szemlélet

Gyakorlati kísérletekben a hullámfüggvény-összeomlást úgy kezeljük, hogy ha mérünk, akkor azonnal a mérés eredményének megfelelő állapotba tekintjük a rendszert — ez a projekció posztulátuma, amely lehetővé teszi a kísérletek valószínűségeinek kiszámítását. A modern kvantumtechnológiákban (kvantumszámítógépek, kvantumszenzorok) a mérés és a környezeti hatások pontos modellezése létfontosságú, mert a decoherencia és a nem kívánt projekciók rontják a teljesítményt.

Példák

  • Stern–Gerlach kísérlet: egy spin-1/2 részecske szuperponált spinállapotából vagy "fel" vagy "le" lesz mérve egy mágneses térben, az eredmény véletlenszerű a kvantum valószínűségek szerint.
  • Fotonszintű polarizációmérés: egy polarizációs mérő ad egy vonalbeli kimenetet; a foton vagy átmegy a polarizációs szűrőn, vagy elnyelődik — a kimenet egyetlen, határozott állapot lesz.

Összegzés

A hullámfüggvény-összeomlás a kvantummechanika alapvető, de vitatott fogalma: leírja, hogyan jelenik meg egyetlen, jól meghatározott mérési eredmény egy korábban szuperponált állapotból. A jelenség matematikailag jól használható és kísérletileg igazolt a valószínűségi előrejelzésekben, ugyanakkor a mögöttes ontológiai magyarázat — hogy "mi történik valójában" a mérés pillanatában — különböző értelmezések között megoszlik, és a mai napig aktív kutatás tárgya.