Welches Problem löst die Viele-Welten-Interpretation eigentlich? Ist es eine Umformulierung des Messproblems?

Ich versuche mich kurz zu fassen. Die Kopenhagener Interpretation lässt sich im Wesentlichen auf zwei Axiome reduzieren:

1. Meistens entwickeln sich Quantenzustände im Laufe der Zeit gemäß der Schrödinger-Gleichung.
2. Wenn Messungen stattfinden, kollabiert der Zustand auf einen Eigenzustand des Quantenoperators, der mit der gemessenen klassischen Größe verbunden ist, wobei die Wahrscheinlichkeit durch die Born-Regel gegeben ist.

Axiom (2) erschien zutiefst unphysikalisch, seit es zum ersten Mal aufgestellt wurde. Um fair zu sein, gibt es andere Dinge über QM (wie Verschränkung), die vielen Physikern während der Entwicklung der Quantenmechanik wahrscheinlich noch mehr zuwider waren. Aber Axiom (2) erscheint im Zusammenhang mit anderen physikalischen Theorien lächerlich. Es ist nicht deterministisch; es bezieht den Beobachter in die Definition der Realität selbst ein; und das Konzept einer Messung ist unter anderem ziemlich willkürlich.

MWI ist im Grunde die Idee, dass wir Axiom (2) einfach aufgeben und immer noch die gleiche beobachtbare Physik erhalten. Als Everett es zum ersten Mal vorschlug, war die Idee düster und fast so magisch wie Axiom (2). Aber im modernen Kontext der Quantendekoherenz ist überhaupt nichts faul.

Im Grunde ist die Idee, dass, wenn Sie etwas einrichten, was wir eine „Messung“ nennen könnten, das, was wirklich passiert, eine Reihe von Verstrickungen ist. Erstens verschränkt sich das Quantensystem mit Ihrem makroskopischen Messgerät. Als nächstes sehen Sie sich die Anzeige auf dem Gerät an, und Ihr Körper und Ihr Gehirn verwickeln sich sowohl damit als auch mit dem ursprünglichen Quantensystem. Dann erzählst du deinem Kollegen die Ergebnisse, und auch er/sie verheddert sich. All dies geschieht allein durch die Zeitentwicklung der Schrödinger-Gleichung. (Untersuchen Sie die Dekohärenz für die Mechanik, wie dies geschieht.) Aber die verschiedenen Teile dieser Wellenfunktion, die verschiedenen Messungen und verschiedenen Zuständen Ihres Gehirns und Körpers entsprechen, sind dekohäriert, also effektiv(aus unserer menschlichen Perspektive) verhalten sich wie „Paralleluniversen“, die nicht interagieren.

In diesem Bild gibt es eine universelle Wellenfunktion, und ihre zeitliche Entwicklung ist vollständig deterministisch. Für MWI-Unterstützer passt dies viel mehr zum „Charakter des physikalischen Gesetzes“ (um einen nicht verwandten Ausdruck von Feynman zu verwenden) als Axiom (2). Und Sie erhalten die gleiche Physik, soweit jedes aktuelle Experiment zeigen kann.

Aber denken Sie daran, dass es verständliche Gründe gibt, warum Kritiker es als Pseudowissenschaft ansehen:

1. Soweit wir jetzt wissen, gibt es andere Interpretationen, die dieselbe Physik hervorbringen.
2. MWI erfordert die Existenz aller anderen Terme in der universellen Wellenfunktion mit anderen Kopien von uns selbst (dh dem „Paralleluniversum“). Es kann mit Recht behauptet werden, dass Kopenhagen in diesem Sinne einfacher ist; es hat ein zusätzliches unphysikalisches Axiom, aber nur eine beobachtbare „Realität“.

Also die Frage Warum verursacht eine Messung einen Kollaps der Wellenfunktion? (CI) wird zu Warum kann nur eine der senkrechten Realitäten beobachtet werden? (MWI).

Es stimmt nicht, dass in MWI nur eine Realität beobachtet wird. Sie werden alle beobachtet, nur nicht von denselben Leuten.

Ich denke, die Frage "Warum kann nur eine der senkrechten Realitäten beobachtet werden?" kann auf zwei Arten interpretiert werden. Es könnte als Sonderfall der philosophischen Frage „Warum bin ich ich und nicht jemand anderes?“ verstanden werden. Obwohl ich keine gute Antwort auf diese Frage habe, ist sie nicht spezifisch für MWI. Die Menschen in den anderen Welten sind nicht Sie (obwohl einige von ihnen Ihnen sehr ähnlich sind) und sie haben in Bezug auf diese Frage den gleichen Status wie Menschen in dieser Welt, die nicht Sie sind.

Einer der häufigsten Einwände gegen MWI ist, dass es nicht erklären kann, warum Sie eher eine Person sind, die ein wahrscheinlicheres Messergebnis sieht, als eine Person, die ein weniger wahrscheinliches Ergebnis sieht. Auch dies ist ein echtes Problem, aber nicht spezifisch für das MWI. Es ist etwas faul an allen Formen des anthropischen Denkens, wo Sie versuchen, die "Wahrscheinlichkeit, dass Sie Sie sind", herauszufinden, selbst wenn die anderen Menschen, die Sie sein könnten (aber nicht sind), nur andere Menschen auf der Erde oder intelligente Außerirdische sind in einer anderen Galaxie. Genau wie das Problem des Bewusstseins selbst weiß niemand, wie man es löst, aber es kann nicht vermieden werden (es sei denn, man gibt auf und wird zum Solipsisten).

Alternativ fragen Sie sich vielleicht, warum Menschen nur bestimmte Ergebnisse erfahren, die Eigenvektoren eines hermiteschen Operators entsprechen, und niemand (auf welcher Welt) andere Ergebnisse als diese erfährt. Ich kann das auch nicht ohne ein physikalisches Modell der bewussten Erfahrung beantworten, aber ich möchte darauf hinweisen, dass es keinen Grund gibt, zu erwarten, dass es nicht so ist. Die Leute scheinen oft zu erwarten, dass Distributivität oder Linearität gelten, wo dies nicht der Fall ist. In der klassischen Logik$B(P\vee Q)$ist nicht gleichbedeutend mit$BP\vee BQ$, Wo$B$bedeutet Glaube. (Ich glaube, die Anzahl der Haare auf meinem Kopf ist entweder ungerade oder gerade, aber ich glaube nicht, dass sie ungerade ist, und ich glaube nicht, dass sie gerade ist.) In Diskussionen über Schrödingers Katze höre ich oft das Wort "gespenstisch", wie obwohl ein Foto von$\left( α \left|\text{live cat}\right\rangle + β \left|\text{dead cat}\right\rangle \right)$sollte wie eine pixelweise Mischung aus einem Foto einer lebenden Katze und einer toten Katze aussehen. Es funktioniert einfach nicht so. Welcher körperliche Zustand auch immer einer bewussten Erfahrung entspricht, funktioniert offensichtlich auch nicht so.

Und was unterscheidet CI und MWI grundlegend in Bezug auf Messung, beobachtete Realität oder gar bewusstes Erleben?

Was MWI tut, was das Kollapsbild* nicht tut, ist der Versuchein vollständiges Modell der Realität zu sein. Das Kollapsbild beschreibt, was mit der Wellenfunktion passiert, wenn eine Messung auftritt, die einem bestimmten hermiteschen Operator entspricht, aber es sagt nichts darüber aus, wann dieser Prozess angewendet werden sollte oder welcher hermitesche Operator verwendet werden sollte. Im Kollapsbild ist nicht klar, ob Messungen durch etwas über den Zustand der Welt kurz vor der Messung "ausgelöst" werden oder sogar durch den Zustand der Welt (es ist nicht die Wellenfunktion). MWI hingegen sagt, dass die Wellenfunktion der vollständige Zustand der Welt ist, dass die Zeiten und die Art der Messungen darin kodiert sind und dass Messungen im Verlauf der Hamiltonschen Evolution "automatisch" erfolgen. Was auch immer Sie von der Realisierbarkeit dieses Modells halten, es ist zumindest ein Modell.

* So haben Sie die Kopenhagener Interpretation genannt, aber ich denke, das ist ein schlechter Name dafür: siehe diese Antwort .

Die zuvor geposteten Antworten erklären die Motivation für die Berücksichtigung der Viele-Welten-Interpretation (MWI). Die Motivation lässt sich wie folgt zusammenfassen: Die Kollapsinterpretation ist schrecklich, und MWI hat keinen Kollaps, also ist MWI besser.

Das Ablehnen eines Zusammenbruchs ist jedoch nicht dasselbe wie das Befürworten von MWI, und das Ablehnen von MWI ist nicht dasselbe wie das Befürworten eines Zusammenbruchs. Die Ablehnung einer Interpretation ist nicht dasselbe wie die Billigung einer anderen. Die Quantentheorie kann formuliert und verwendet werden, ohne sich auf irgendeine "Interpretation" festzulegen, während sie ihre Fähigkeit, die bekannten experimentellen Fakten zu berücksichtigen, vollständig bewahrt.

In dieser Antwort bedeutet Interpretation jede Idee, die als beides klassifiziert werden kann$\psi$-ontisch oder$\psi$-epistem. Siehe diese Antwort für die Definitionen. Knapp:$\psi$-ontisch bedeutet, dass eine gegebene Realität nur mit einem reinen Zustand konsistent sein kann, und$\psi$-epistemisch bedeutet, dass eine gegebene Realität mit zwei oder mehr reinen Zuständen konsistent sein kann.

Sowohl Kollaps als auch MWI sind$\psi$-ontic, aber das ist nebensächlich. Der Punkt ist, dass wir die Quantentheorie formulieren und anwenden können, ohne uns auf irgendeine Interpretation festzulegen. Wenn wir uns zu keiner Interpretation verpflichten, ist die Theorie natürlich offensichtlich unvollständig. Aber es ist auf eine Weise unvollständig, die Experimente derzeit nicht erforschen können, und das Leben mit dieser Art von Unvollständigkeit ist in der Wissenschaft nur das Übliche. Die Leute könnten befürchten, dass die Nichtannahme einer bestimmten Interpretation ihre anmaßenden Kollegen glauben machen könnte, dass sie insgeheim eine andere spezifische Interpretation bevorzugen, aber das ist nur ein soziologisches Problem. Wenn ein anmaßender Peer den klaffenden Unterschied zwischen „Quantentheorie ist unvollständig“ und „Ich liebe Pilotwellentheorie“ nicht verstehen kann, ist das sein Verlust.

Dennoch denke ich, dass MWI bei einem praktischen Problem hilft. Es ist möglich , die Quantentheorie so zu formulieren, dass sie keiner Interpretation (wie oben definiert) verpflichtet ist, aber Dinge auf diese Weise auszudrücken, kann sie ungewohnt aussehen lassen, und das kann Leute davon abhalten, es zu lesen. Als Kompromiss verwende ich oft die MWI-Sprache. Es ist eine relativ vertraute, prägnante und einprägsame Art, einen Teil der Mathematik auszudrücken. Man könnte argumentieren, dass die Verwendung der Kollapssprache dasselbe Ziel erreicht, aber es gibt einen Unterschied: Fragen, die durch die Verwendung der MWI-Sprache erzeugt werden, sind tendenziell produktiver als Fragen, die durch die Verwendung der Kollapssprache erzeugt werden. Warum? Wahrscheinlich, weil die Mehrdeutigkeit in der Kollaps-Idee offensichtlich ist (deshalb fühlt es sich schrecklich an), während die Mehrdeutigkeit in MWI tiefer vergraben ist (deshalb fühlt es sich eleganter an). Bis wir die Dinge sorgfältig genug durchdacht haben, um die äquivalente Mehrdeutigkeit in MWI zu finden, Wir sind so viel näher an der Erkenntnis, dass Experimente uns noch keinen zwingenden Grund gegeben haben, eine bestimmte Interpretation anzunehmen. Vielleicht werden sie es eines Tages tun, aber ich halte nicht den Atem an.

Die Viele-Welten-Interpretation lässt das Kollaps-Postulat von CI fallen. Das ist gut, weil CI nicht quantitativ angibt, wann genau ein Kollaps eintritt. Das bedeutet, dass die Quantenmechanik unter CI eine UNVOLLSTÄNDIGE physikalische Theorie ist. Da CI uns eine unvollständige physikalische Theorie hinterlässt, löst es das Messproblem nicht.

MWI lässt das Kollapspostulat fallen und lässt uns mit der einheitlichen Evolution der Wellenfunktion zurück. Damit haben wir eine vollständige physikalische Theorie.

Aber auch MWI löst das Messproblem nicht. Dies liegt daran, dass MWI die Beziehung zwischen dem physikalischen Zustand des Universums (beschrieben durch die Wellenfunktion) und unserer subjektiven Erfahrung nicht erklärt. "Warum erleben wir nur eine Situation, wenn unser physisches Gehirn in einer Überlagerung ist, beide erlebt zu haben?".

Als anschaulicher Kontrapunkt, der meinen obigen Absatz besser erklärt und auch das gesamte Messproblem motiviert. CI erklärt * unter bestimmten philosophischen Annahmen den Zusammenhang zwischen dem physikalischen Zustand des Universums und unserer subjektiven Erfahrung. Dies geschieht, indem sichergestellt wird, dass sich das menschliche Gehirn niemals in Überlagerungen befindet. Das bedeutet, dass sich diese Gehirne in wohldefinierten Zuständen befinden. Wenn wir davon ausgehen, dass mentale Zustände 1:1 mit physischen Zuständen sind, dann haben wir eine Entsprechung zwischen der physikalischen Theorie und unserer Erfahrung. Das ist das Ziel jeder wissenschaftlichen Theorie.

Tatsächlich ist dies die gesamte Motivation für CI. Vor CI hatten wir tatsächlich nur nackte Quantenmechanik, einheitliche Evolution. Genau das ist MWI! Die frühen Physiker, die über Quantenmechanik nachdachten, verstanden, dass wir bei der einheitlichen Evolution Situationen haben könnten, in denen makroskopische Objekte (wie Katzen oder menschliche Gehirne) in Überlagerungen sein könnten. Wenn sich das Gehirn in einer Überlagerung physikalischer Zustände befindet, wie erklären wir dann die Tatsache, dass wir nur einzelne Ergebnisse subjektiv erfahren? Dies würde eine Viele-zu-Eins-Abbildung zwischen mentalen Zuständen und physischen Zuständen erfordern. Dies ist philosophisch unbequem, daher sagt das CI buchstäblich ad hoc einfach "nein, das ist nicht akzeptabel" und fordert, dass die Wellenfunktion zusammenbricht, bevor diese Viele-zu-Eins-Abbildung notwendig wird.

Beachten Sie, dass ich oben einen Rahmen für den Geist beschreibe, der einen dualistischen Rahmen annimmt und der Epiphänomenalismus annimmt , was die Idee ist, dass mentale Zustände durch physische Zustände „verursacht“ werden, aber nicht umgekehrt. Physiker und Wissenschaftler im Allgemeinen finden es tabu, über dieses philosophische Zeug zu sprechen, was ich traurig finde, weil ich denke, dass diese Geist-Körper-Korrespondenz tatsächlich von zentraler Bedeutung für das Messproblem ist und sowohl die Physik als auch die Philosophie des Geistes von einer genauen Betrachtung profitieren könnten. Außerdem denke ich, dass die meisten Physiker wahrscheinlich implizit eine epiphänomenale Sichtweise des Geistes annehmen.

Zusammenfassend: MWI behebt die physische Unvollständigkeit von CI. CI legt die Korrespondenz zwischen körperlichen und mentalen Zuständen fest, die von MWI nicht angesprochen wird. Keine liefert eine vollständig zufriedenstellende physikalische Theorie.

Sehen Sie sich „ Drei Messprobleme “ von Tim Maudlin an. Nicht sicher, ob es eine Open-Access-Version gibt. Schauen Sie sich auch viele Sachen von Jeffry Barrett an . The Quantum Mechanics of Minds and Worlds ist gut, zusammen mit dem Video auf seiner Webseite.

(Die bisherigen Antworten sind etwas anders als die meiner Meinung nach technisch richtige Antwort auf die Frage. Historisch gesehen glaube ich nicht, dass die Reduzierung eines CI-Axioms nicht der Grund für die Entwicklung von MWI war - obwohl ich denke, dass dies der Hauptanreiz ist von vielen Leuten, die daran glauben.)

F: "Welches Problem löst die Viele-Welten-Interpretation tatsächlich?"

A: Das Wigners-Freund-Paradoxon.

Everett war ein Schüler von Wigner, und Everett entwickelte MWI (damals Relativzustand genannt) als Lösung für Wigners Freundparadoxon. Im Wigner's Friend Paradoxon kann gezeigt werden, dass es eine Meinungsverschiedenheit zwischen den Beobachtungen eines Beobachters gibt, der eine Messung durchführt, und eines zweiten Beobachters, der vom ersten Beobachter isoliert ist. Wigners Lösung war, dass der Kollaps im Kopf des Beobachters stattfinden muss, während Everetts Lösung das MWI war.

QM wird standardmäßig in zwei Sätzen von Axiomen dargestellt. Der erste Satz gibt eine Beschreibung des Quantenzustands, der sich deterministisch entwickelt. Der zweite Satz beschreibt, was bei der Messung des Quantenzustands passiert. Es kollabiert zu einem Eigenzustand des Observablen. Auch dies ist eine Evolution, aber im Gegensatz zum ersten Fall ist diese Evolution nicht deterministisch – sie ist nicht deterministisch.

Einige Physiker mögen diese Unterteilung in eine Art unterbrochene Evolution nicht, bei der sich ein Zustand deterministisch entwickelt, nur um bei der Messung indeterministisch zusammenzubrechen. Es ist erwähnenswert, dass in Rovellis relationalem QM alle Interaktionen als Messungen angesehen werden. Ich persönlich stimme dem zu.

Viele Welten versuchen dies zu lösen, indem sie einfach das Kollapspostulat leugnen. Persönlich denke ich, dass sie versuchen, ein Nicht-Problem zu lösen. Es gibt keinen philosophischen Grund, warum die Natur in all ihren Aspekten deterministisch sein sollte. Tatsächlich wurde diese Frage schon früh aufgeworfen, als Aristoteles in seiner Metaphysik daran erinnerte , dass einige Philosophen „den Zufall als Ursache erklären“. Darüber hinaus wurde meiner Meinung nach nicht genug betont, dass das Kollapspostulat uns auch eine Zeitrichtung vorgibt. Es ist berüchtigt, dass die klassische Physik im Kleinen agnostisch gegenüber der Richtung der Zeit ist. Beispielsweise schreibt Rudolf Haag in seinem Buch Local Quantum Physics :

Wenn man das Wort „Messergebnis“ durch „Ereignis“ ersetzt, wird mit hoher Sicherheit klar, dass ein Blitz auf einem Szintillationsschirm, die Schwärzung eines Korns auf einer Fotoplatte, der Tod einer Katze … sein kann als Tatsachen angesehen werden, unabhängig von der Anwesenheit eines Beobachters. Aber kann man Ereignisse mit absoluter Präzision isolieren? Kann man das Universum als eine Reihe von Ereignissen beschreiben, die mit der Zeit zunehmen? Dies würde die Einführung der Irreversibilität in einem grundlegenden Maßstab und eine Revision der Konzepte von Raum und Zeit erfordern ...

Schade, dass versteckte Variablen nicht erwähnt werden. Dies ist keine Interpretation der Quantenmechanik, sondern eine völlig neue Theorie über einige seltsame deterministische Dinge hinter der Dynamik der Wahrscheinlichkeiten in der Quantentheorie. Offensichtlich ist die Verrücktheit des deterministischen Zeugs der Nachteil. Sie können es nicht beobachten, obwohl die Auswirkungen da sind. Man kann es nicht beobachten, aber mathematisch beschreiben. Es ist irgendwie befriedigender als die inhärente Wahrscheinlichkeit. Zumindest für mich (und natürlich für die Befürworter des Zeugs). Lassen Sie uns also einige Worte zu dieser Theorie schreiben.
Louis-Victor-Pierre-Raymond de Broglie schlug zunächst die Pilotwelle vor, die eine physikalische Welle ist, die der Wellenfunktion entspricht, und David Bohm widmete später einen Großteil seiner Arbeit der Konstruktion einer konsistenten (was auch immer das bedeutet) Theorie einschließlich einer solchen Welle. Ich denke, Einstein hätte die Theorie gemocht, da er den Gedanken nicht ertragen konnte, dass Gott den Tod spielt. Wenn dieser Denkrichtung zu Beginn der Quantenmechanikgeschichte mehr Beachtung geschenkt worden wäre, dann wäre das vielleicht heute das vorherrschende Bild. Anstelle der Kopenhagener Interpretation .
Was beinhaltet es? In der HV-Interpretation ist die Wellenfunktion nicht nur eine mathematische Einheit (Konstrukt, Objekt, Gerät), um physikalische Beobachtungen zu beschreiben und die Wahrscheinlichkeiten zu berechnen, diese zu finden. Die Wellenfunktion ist aus verborgenen Variablen aufgebaut, ähnlich wie ein Gas oder eine Flüssigkeit die Bewegung eines darin schwebenden kleinen Teilchens ( Brownsche Bewegung ) beeinflusst. Das Gas oder die Flüssigkeit stellt die Wellenfunktion dar, die ein Teilchen "umgibt" (die Quantenfeldtheorie verwendet auch die Brownsche Bewegung: siehe hier ).
Diese physikalische Wellenfunktion wirkt kontinuierlich auf das Teilchen ein. Das Teilchen, das der Wellenfunktion entspricht, entspricht im wörtlichen Sinne. Die Position und Geschwindigkeit des Teilchens sind zu jedem Zeitpunkt gut definiert. Sie ändern sich jedoch ständig entsprechend der Welle.
Was genau sind diese Variablen? Wer weiß? Sie sind versteckt! Sie bestehen nicht aus dem gleichen Stoff wie der Stoff, aus dem das Medium besteht, das das Brownsche Teilchen umgibt. Ich bin mir nicht sicher, was Bohm (oder van 't Hooft, ein niederländischer Physiker, der im Bereich der Quantenfeldtheorie und Verfechter verborgener Variablen bekannt ist) im Sinn hat (hatte), wenn man sich das jemals vorstellen kann. Die Existenz von lokalen verborgenen Variablen wurde durch Bells Experiment
ausgeschlossen , das ein Experiment mit einbeziehtQuantenverschränkung. Nicht überraschend! Schließlich ist die Quantenverschränkung ein nicht-lokales Phänomen. Wenn eine Messung durchgeführt wird, beeinflusst das physikalische Korrelat der Wellenfunktion ein weit entferntes Teilchen (verschränkt mit einem Teilchen, an dem eine Beobachtung oder Messung durchgeführt wird) augenblicklich. Dies zeigt nur, wie seltsam sich diese versteckten Variablen (Partikel?) Verhalten. Beachten Sie, dass der sofortige Einfluss auf ein weit entferntes Teilchen nicht bedeutet, dass die Lichtgeschwindigkeit überschritten wird. Keine Informationen werden schneller als diese Geschwindigkeit übertragen, obwohl Sie vielleicht denken, dass Informationen über ein Teilchen sofort von dem anderen Teilchen empfangen werden. Ich erinnere mich, dass es mir schwer fiel, dies einem Professor für Philosophie der Wissenschaften zu erklären, der sogar Physik studiert hatte. Ich nahm einige Exemplare eines populären Artikels über das Experiment von 1982 mit ins CollegeAlain Aspekt , ein weiteres Experiment im Bereich der Verschränkung (offensichtlich ist Quantenverschränkung sehr sexy!). Es ist verlockend, die beiden speziell getrennten Teilchen als Ganzes zu betrachten (Bohms bemerkenswertestes Buch ist etwas New-Age-ähnlich mit dem Titel Wholeness and Implicate Order .
Die verborgenen Variablen bilden die Wellenfunktion. Die Sammlungen verborgener Variablen (Wellenfunktionen) kollabieren, wenn sie interagieren (durch eines der Spin-1-Felder) mit anderen Sammlungen von versteckten Variablen. Hier kann der Vergleich mit Brownschen Teilchen offensichtlich nicht angestellt werden. Das ganze deterministische Zeug kann gleichzeitig zusammenbrechen. Man kann sogar argumentieren, dass die Raumzeit selbst versteckte Variablen umgibt Partikel, obwohl das Konzept aufgrund der versteckten Qualität immer problematisch sein wird.
Eine letzte Sache. Es wurde einmal gesagt, dass der bloße Akt des Beobachtens die Wellenfunktion zum Kollabieren bringt. Wenn dies der Fall wäre, hätte sich das Leben niemals entwickeln können. Alles Existierende (vor der Ankunft der Menschen) wäre in einer sich entwickelnden Überlagerung gewesen, was bedeutet, dass es unmöglich wäre, sich zu entwickeln.