הרצאה על קוסמולוגיה, יקומים מקבילים, ריבוי עולמות מקבילים, תורת הקוונטים, תורת היחסות, תורת המיתרים, פירוש העולמות המרובים, החתול של שרדינגר ועוד

מתוך ויקיפדיה, על הנושא:

יקום מקביל הוא יקום נוסף המתנהל במקביל ליקום שלנו. קיומם של יקומים מקבילים הוא בגדר השערה בלבד, והוויכוח עליו עדיין שריר וקיים. התורות העיקריות השואפות לתת ביסוס מדעי לנושא הן מכניקת הקוונטים, תורת היחסות הכללית ותורת המיתרים. מוטיב היקום המקביל מופיע תכופות בסוגת המדע הבדיוני.

*

פירוש העולמות המרובים

פירוש העולמות המרובים (Many World Theory או Many Worlds Interpertation), אותו הציע לראשונה יו אוורט (Hugh Everett) ב - 1957, הוא פרשנות למוזרויותיה של מכניקת הקוונטים. לפי פירוש זה, כאשר מתבצעת מדידה של מערכת קוונטים, היקום מתפצל קוונטית למספר יקומים כאשר בכל יקום מתרחשת אחת מהתוצאות האפשריות. על פי פירוש זה פונקציית הגל הינה פונקציה "עולמית" הכוללת את המערכת הפיזיקלית, הצופה, התקני המדידה וכך הלאה. עם ביצוע המדידה עוברת פונקציית הגל המוכללת טרנספורמציה רציפה ואינה קורסת ומשמעות הדבר שמרחב המצבים מכיל כעת כמה עולמות אשר בכל אחד מהם יש מידע שונה על אותה מדידה עצמה. כך, במקום "קו עולם" יחיד או היסטוריה בודדת יש לנו עץ אפשרויות שבו כל ענף מהווה היסטוריה שהתרחשה באחד היקומים. ההסבר מדוע תודעתנו קולטת רק יקום אחד ולא "רואה" את שאר היקומים הוא שהמצב הקוונטי של תודעת המודד נשזר בתוצאה, כך שבעקבות הפיצול הקוונטי של הניסוי גם התודעה מתפצלת.

*

עולמות מקבילים קוונטיים

מכניקת הקוונטים, שאין היום מערערים על נכונותה, סיפקה פריצות דרך מדעיות רבות. אך במקביל לשלל ההישגים הופיעו גם מספר תוצאות "לא נעימות" הנוגדות את האינטואיציה הקלאסית. אחת מהן היא האופי ההסתברותי האינטרנזי של התאוריה (החלקיק מתואר באמצעות פונקציית גל שהיא סופרפוזיציה של כל התוצאות האפשרות לגביו) והשנייה היא קריסת פונקציית הגל. שתי בעיות אלה מהוות את מה שהפיזיקאים והפילוסופים מכנים בעיית המדידה. בעיה זו גרמה למספר פרדוקסים לוגיים קשים, אחד מהם הוא פרדוקס "החתול של שרדינגר". (מומלץ לקרוא על בעיית המדידה והחתול של שרדינגר לצורך הבנת המשך המאמר).

קריסת פונקציית הגל היא אחת הבעיות הבולטות של מכניקת הקוונטים מאחר שמדובר בתופעה הנצפית במעבדה אך אין לה זכר בפורמליזם של התאוריה. משוואת שרדינגר אינה חוזה קריסה של פונקציית גל והביטוי "קריסת פונקציית הגל" פשוט בא לתאר את חוסר ההבנה האנושי לתופעה שבה לאחר מדידת מצב קוונטי שהיה פעם בסופרפוזיציה ומקבלים שהמצב הוא A, אזי כל מדידה נוספת תחזיר שהמצב A. על כך אומרים ש"פונקציית הגל קרסה למצב A".

קריסת פונקציית הגל, בהיותה תופעה לא מובנת, מעידה למעשה על אי - שלמות של מכניקת הקוונטים. מרבית הפיזיקאים, דוגמת נילס בוהר, קיבלו את עובדת הקריסה כתופעה פיזיקלית המתרחשת לפי הסתברויות המוכתבות על ידי פונקציית הגל. למרות זאת, לא מעט פיזיקאים חשו "שלא בנוח" עם קבלת קריסת פונקציית הגל, מאחר שמדובר בפתרון "לא אלגנטי" שגרר לא מעט פרדוקסים מחשבתיים.

ב - 1957 הציע הפיזיקאי יו אוורט את "פירוש העולמות המרובים" למכניקת הקוונטים. לפי פירוש זה, כאשר מתבצעת מדידה - פונקציית הגל לא קורסת למצב אחד - אלא היקום כולו מתפצל, כאשר בכל יקום נמדדת אחת מהתופעות האפשריות בניסוי. כלומר: היקום הפיזיקלי הוא סופרפוזיציה של כל פונקציית הגל הרלוונטיות

כלומר, בפירוש זה פונקציית הגל המתארת את כל היקום לא עוברת שום קריסה. פתרון זה ניתן לגבות גם באמצעות ניסוח מתמטי עקבי ואין בו שום שגיאה פיזיקלית. ברם, הרעיון של הוספת אינספור יקומים מקבילים הנוצרים בכל מדידה קוונטית הוא רדיקלי מאוד, ומאחר שאיננו עדים לאף אחד מאותם יקומים מקבילים - קשה מאוד לקבלו. למרות זאת, הרעיון התקבל בקרב מספר לא מבוטל של פיזיקאים. הללו הרחיבו את עבודתו של אוורט והצליחו להסביר קושיות שונות העולות בתאוריה (כמו - מדוע איננו רואים את היקומים המקבילים ותופשים רק יקום אחד?). הפיזיקאים הישראלים פרופ' יקיר אהרונוב ופרופ' לב ויידמן אף הרחיבו את התורה ופיתחו לאמפליטודות של פונקציות הגל פירוש "כמו - הסתברותי" והגדירו לכל יקום "מידת קיום". הם אף נתנו פירוש הסתברותי מחודש לשאלה "מה ההסתברות שבמדידת מצב קוונטי מסוים נקבל את המצב 1" (שכן בעולמות מרובים תמיד קיים עולם שבו נקבל 1).

*

אותו יקום, תנאי התחלה שונים

המונח מציין למעשה "עולם מקביל" לשלנו הנמצא באותו יקום פיזיקלי.

הדעה הרווחת כיום בנוגע למבנה היקום היא שמדובר ביקום שטוח אינסופי מתפשט בעל קבוע קוסמולוגי וצפיפות חומר של. מאחר שמדובר ביקום בעל נפח אינסופי וצפיפות חומר שונה מאפס, נובע שיש בו אינסוף גלקסיות.

יתרה מכך, לפי תורת היחסות, היקום הנראה סביבנו (כלומר: כל חלקי היקום הנמצאים במרחק כאשר t0 הוא גיל היקום כיום, בקירוב 14 מיליארד שנה) הוא החלק היחיד ביקום הכולל הנגיש לנו לתצפית ויכול להשפיע עלינו פיזיקלית ברגע זה (ראו הרחבה בנושא בתורת היחסות הפרטית). לגבול היקום הנראה, שהוא רדיוס הכדור קוראים "אופק האירועים" של היקום שלנו. את הדיון לעיל אפשר לסכם בכך שמבחינתנו רק היקום הכלוא בתוך אופק האירועים שלנו הוא יקום נגיש פיזיקלית. כלומר: אנו חיים בתוך "בועה".

לפי המודל הקוסמולוגי הרווח כיום, קצב התפשטותו הנוכחי של היקום הוא אקספוננציאלי, בעוד שאופק האירועים גדל לינארית בזמן. כתוצאה מכך, ככל שעובר יותר זמן, כך פחות ופחות חלקים מהיקום נגישים עבורנו ולעולם לא יהיה לנו קשר פיזיקלי (ובפרט, קשר סיבתי) איתם. משיקולי אינסופיות היקום (ובאופן אנלוגי לטיעון בפסקה הראשונה של סעיף זה) נובע שיש אינסוף "בועות" כמו שלנו, המופרדות לחלוטין זו מזו.

מאחר שקיימות אינסוף בועות מעין אלה, נובע שקיים לפחות עוד (אינסוף) יקום בעלי תנאי התחלה זהים ליקום שלנו. אם אנו מניחים שהפיזיקה דטרמיניסטית נובע שקיימת בועה הזהה לבועת היקום שלנו, ובה גלקסיה הזהה לשביל החלב שלנו, ובה שמש הזהה לשמש שלנו, וסביבה סובב כוכב לכת הזהה לכדור הארץ וכן הלאה. אפשר להשתמש בתוצאות של כאוס כדי לבצע שינויים קטנים (פרטורבציות) בתנאי ההתחלה של אותה בועה (כלומר: מסתכלים על בועה שבה תנאי ההתחלה שונים באפסילון משלנו) על מנת להשיג עולם דומה מאוד לשלנו, אך עם שינויים קטנים (למשל: ארצות הברית לא הייתה משתחררת משלטון הבריטים). יקומים אלה הם הפופולריים בסדרות וסיפורי מדע בדיוני בהן רוצים לשלוח את הגיבורים ליקומים דומים עד זהים לשלנו, למעט "טוויסט" קטן המוסיף עניין ומתח לעלילה.

*

אותו יקום, פיזיקה שונה

יקומים אלה הם עדיין בגדר השערה תאורטית. מדובר בתוצאות שונות של שבירת סימטריה של המודל הסטנדרטי בעת המעבר מאנרגיות גבוהות לאנרגיות נמוכות, בחלקים מופרדים של היקום הבראשיתי. בגלל שבירת סימטריה שונה ייתכן שנקבל פיזיקה שונה או יקום בו הקבועים הפיזיקליים היסודיים שונים מאלה של יקומינו.

*

יקומים מקבילים וחורי תולעת

כיצד ניתן לגשת ליקומים מקבילים? ישנה תאוריה העונה לשם "גשר איינשטיין - רוזן" הגורסת כי לאחר כניסה לחור שחור והישרדות בו, יעביר החור השחור את הנכנס לחור שחור ביקום אחר. "גשרים" אלה נקראים באופן עממי "חורי תולעת".

*

יקומים מקבילים במדע בדיוני

הנושא של יקומים מקבילים פופולרי ביותר בסדרות וספרי המדע הבדיוני. הסיבה העיקרית לכך היא שבאמצעות "יקומים מקבילים" אפשר ליצור אינספור עולמות דומים לשלנו, אך שונים במקצת - ולעתים בשינוי אחד מהותי מאוד, שאליו צריכים גיבורי העלילה להסתגל. עוד קונספט בנושא זה הוא הפגישה של אדם מיקום אחד בכפיל שלו מהיקום המקביל.

ברוב סדרות הטלוויזיה, הגלישה בין יקומים מקבילים נקראת "מעבר בין ממדים" אף על פי שהמשמעות הפיזיקלית של המילה "ממד" שונה לחלוטין מזו שאליה התכוונו כותבי הסדרה. הבלבול הזה נפוץ במיוחד בסדרות טלוויזיה לילדים.

דוגמה לזה היה ניתן לראות בסדרת הטלוויזיה "גולשים בזמן" שבה ניתן היה לראות כיצד סטודנט צעיר מוצא נוסחה מתמטית המאפשרת לו לגלוש ליקומים מקבלים לפי נקודת ציון שיש לכל יקום.

גם בסדרת הספרים "חומריו האפלים" יש שימוש ביקומים מקבילים שבהם ההיסטוריה מתפתחת בצורה שונה.

*

פירוש העולמות המרובים

פירוש העולמות המרובים (Many World Theory או Many Worlds Interpertation), אותו הציע לראשונה יו אוורט (Hugh Everett) ב - 1957, הוא פרשנות למוזרויותיה של מכניקת הקוונטים. לפי פירוש זה, כאשר מתבצעת מדידה של מערכת קוונטים, היקום מתפצל קוונטית למספר יקומים כאשר בכל יקום מתרחשת אחת מהתוצאות האפשריות. על פי פירוש זה פונקציית הגל הינה פונקציה "עולמית" הכוללת את המערכת הפיזיקלית, הצופה, התקני המדידה וכך הלאה. עם ביצוע המדידה עוברת פונקציית הגל המוכללת טרנספורמציה רציפה ואינה קורסת ומשמעות הדבר שמרחב המצבים מכיל כעת כמה עולמות אשר בכל אחד מהם יש מידע שונה על אותה מדידה עצמה. כך, במקום "קו עולם" יחיד או היסטוריה בודדת יש לנו עץ אפשרויות שבו כל ענף מהווה היסטוריה שהתרחשה באחד היקומים. ההסבר מדוע תודעתנו קולטת רק יקום אחד ולא "רואה" את שאר היקומים הוא שהמצב הקוונטי של תודעת המודד נשזר בתוצאה, כך שבעקבות הפיצול הקוונטי של הניסוי גם התודעה מתפצלת.

*

דוגמה - החתול של שרדינגר

אחת הסיבות שהביאו לאימוץ תאוריה בידי מספר לא מבוטל של פיזיקאים הינה פרדוקס החתול של שרדינגר בו המצב הקוונטי של החתול נמצא בסופרפוזיציה של "חי" ו"מת" בו זמנית, כל עוד לא נמדד מצבו.

במקרה שלנו, לפני המדידה מצב החתול הוא

ולכן מצב המערכת המורכבת מהחתול ומהמודד בוהר הוא

ואילו אחרי המדידה (שמתבצעת על ידי, נניח, המדען בוהר) המצב הוא

כלומר, בכל עולם נשזרת תוצאת המדידה בתודעת הצופה כך שהוא תופש בחושיו כאילו התרחשה קריסה של פונקציית הגל והוא איננו מודע לעולמות האחרים (בהם התקבלו תוצאות שונות).

זהו פתרון אפשרי לפרדוקס החתול של שרדינגר אם כי גם הוא לוקה בבעיה שהוא אינו מגדיר היטב מתי מתרחש "פיצול קוונטי" (במקום "קריסה" בפרשנות קופנהגן). פתרון זה שנוי במחלוקת ופיזיקאים ברחבי העולם עדיין מתווכחים עליו במרץ.

*

תחליף להסתברות

פירוש זה מבטל את הפירוש ההסתברותי של מכניקת הקוונטים (פרשנות קופנהגן), שכן אין עוד הסתברות שתוצאה מסוימת תתרחש אלא כל התוצאות מתרחשות (כל אחת ביקום אחר). בפירוש העולמות המרובים אמפליטודת פונקציית הגל איננה מייצגת עוד הסתברות (שכן כל האפשריות קורות), אלא גודל אחר שנקרא "מידת קיום" שמייצג את מספר העולמות בהם מתרחשת תוצאה קוונטית מסוימת. את ההסתברות מחליף המושג של "הסתברות בדיעבד". הסתברות זו היא לא ההסתברות שתוצאה מסוימת תתרחש אלא ההסתברות שהתודעה נמצאת בעולם בו קרתה תוצאה מסוימת. הסתברות זו נתונה על ידי מידת הקיום, שהיא ריבוע האמפליטודה של פונקציית הגל.

*

יתרונות וחסרונות

יתרונות:

1.פירוש העולמות המרובים מנוסח בצורה אקסיומטית ומדויקת מתמטית.

2.לפי פירוש העולמות המרובים מכניקת הקוונטים היא דטרמיניסטית, ריאליסטית ולוקלית - דבר המקרב אותה לפיזיקה הקלאסית ואפילו היחסותית. זאת לעומת פרשנות קופנהגן שמציגה חוסר דטרמיניזם ואי - לוקליות.

3.לפי פירוש זה אין צורך בקריסת פונקציית הגל, שלא מופיעה בניסוח הפורמלי של מכניקת הקוונטים ומהווה יסוד בעייתי ומסתורי בפרשנות קופנהגן.

4.בניסוחים מאוחרים יותר המשתמשים בדה - קוהרנטיות קוונטית נקבע מתי יתרחשו "פיצולים קוונטיים" ומתי מערכת תתנהג כמו מערכת קלאסית.

5.פירוש העולמות המרובים פותר גם את בעיית העיקרון האנתרופי ובעיית הכוונון הדק של היקום: היקום לא התכוונן במיוחד כדי שיוכלו להתקיים בו בני אדם אלא הוא אחד מאינספור אפשרויות, שבאחת מהם היקום מתאים לקיום חיי אדם.

החסרון הבולט של התאוריה הזאת הוא הצורך להניח אינספור יקומים מקבילים מבלי שניתן לראות אותם או לחוש בהם בתודעה.

נכון ל - 2006 אין ניסוי שיבדיל בינה לבין פרשנות קופנהגן ויקבע מי מביניהן נכונה.

*

החתול של שרדינגר

הֶחתול של שרדינגר הוא ניסוי מחשבתי בעל אופי פרדוקסאלי בתורת הקוונטים, אותו הגה ארווין שרדינגר, מיוצריה של תורה זו.

את הרעיון העלה שרדינגר כדי להמחיש את הבעייתיות של פרשנות קופנהגן בבואנו לעבור מהמערכות התת - אטומיות אל אלו המאקרוסקופיות. הרעיון מתאר ניסוי מחשבתי, שבמסגרתו חתול נמצא במצב אבסורדי, גם חי וגם מת.

הניסוי נועד להמחיש את המוזרויות שבמכניקה הקוואנטית ואת המתמטיקה הדרושה לתיאור מצבים קוואנטיים. הרעיון של חלקיק הנמצא בסופרפוזיציה של מצבים אפשריים, אף שהוא מוגדר כעובדה במכניקה הקוואנטית, הוא קונספט שלא מועבר בקלות למערכות בקנה מידה גדול, כמו חתולים.

מכניקת הגלים

בהתבסס על עבודותיהם של אלברט איינשטיין ולואי דה ברויי פיתח שרדינגר את משוואת שרדינגר, שהיא מעין משוואת גלים, הקובעת כיצד מתפתחת מערכת קוואנטית בזמן. שרדינגר יצא מההנחה של דה - ברויי, שלכל חלקיק מתאימה חבורת גלים, שהאמפליטודה שלה ממורכזת סביב המקום הקלאסי של החלקיק. הנחה זו הצליחה להסביר תופעות ניסיוניות בניסויי חלקיקים, שנראו עד אז בלתי הגיוניות עבור חלקיקים, אך טריוויאליות עבור גלים.

שרדינגר גילה שיש קשר בין האמפליטודה של הגל לבין מיקומו של החלקיק, אך את הפירוש שקשר זה הוא הסתברותי הציע הפיזיקאי מקס בורן. על פי פירוש זה ריבוע האמפליטודה (עוצמת הגל) במצב כלשהו מבטא את ההסתברות שהחלקיק יהיה במצב זה. איינשטיין ושרדינגר התנגדו לפירוש ההסתברותי, מאחר שהוא מפר עקרונות יסוד של הפיזיקה הלא - קוונטית (כגון דטרמיניזם ולוקליות).

פרשנות קופנהגן

לפי פרשנות קופנהגן למכניקת הקוונטים, מיסודו של נילס בוהר, אפשר לדעת את מצבו של חלקיק קוואנטי רק כאשר מתבצעת מדידה של גודל פיזיקלי כלשהו שלו (המונח המקובל הוא קריסת פונקציית הגל). כל עוד לא קרסה הפונקציה, יש רק מידות שונות של הסתברות לאפשרויות השונות של המצב החלקיקי, והחלקיק נמצא בסופרפוזיציה של כל התוצאות האפשריות. בניסוי שני הסדקים למשפט זה יש מובן פיזיקלי מדיד. האלקטרון בניסוי זה מתנהג כמו גל, שכל עוד לא נמדד מקומו הוא נמצא בכל המקומות האפשריים בו זמנית ומבצע התאבכות עם עצמו. אך כיצד קורסת הפונקציה? הקריסה מתרחשת רק כאשר בא צופה מן הצד ובודק את המצב.

*

ניסוי המחשבה של שרדינגר

כדי להוקיע את האבסורד שברעיון זה, תיאר שרדינגר את ניסוי המחשבה הבא:

הניסוי הבסיסי

איור הממחיש את ניסוי החתול של שרדינגרמניחים חתול בתיבה אטומה; בתוך התיבה נמצא מתקן ובו אטום בודד של חומר רדיואקטיבי, שיש לו הסתברות של 50% בדיוק להתפרק במהלך הניסוי. אם יתפרק החומר, ירגיש בכך חיישן המצוי במתקן שבתיבה ויגרום לפליטת רעל שימית את החתול; אם לא יתפרק החומר, יישאר החתול בחיים. בתום הזמן הקצוב לניסוי פותחים את התיבה ואז יודעים אם החתול חי או מת, אבל מה מצבו כל עוד התיבה סגורה? התשובה המתבקשת, לשיטתו של בוהר, היא: "לא חי ולא מת, אלא חצי מזה וחצי מזה".

מסקנות

"החתול של שרדינגר" המחיש את הבעיות הנובעות מניסיון לפרשנות של תורת הקוואנטים בצורה ציורית, והבאת הדברים לידי הוכחה בדרך השלילה. בדרך זו ניסה שרדינגר (כפי שניסה איינשטיין, בדרכים דומות) להפריך את פרשנות קופנהגן; אך עד היום לא נמצאה פרשנות למכניקת הקוואנטים המקובלת על כלל הפיזיקאים, ובכל הפרשנויות הקיימות אפשר למצוא אבסורדים דומים.

וריאציות על הניסוי

וריאציות נוספות כוללות שלבים נוספים בניסוי וסיבוכים מחשבתיים נוספים. כל וריאציה נועדה לתקוף זווית בעייתית אחרת בניסוח ההסתברות והקריסה.

וריאציה נפוצה היא זו המערבת מספר מודדים. בווריאציה זו, אם הניסוי מתבצע בגרמניה, אחד המודדים נמצא בארצות הברית ומקבל את התוצאות בדואר. כאשר מגיעה אליו המעטפה (המודד הראשון פתח את התיבה ורשם האם החתול חי או מת) נשאלת השאלה - מה מצבה לפני שהמודד השני פתח אותה? המודד השני איננו יודע מה היו תוצאות הניסוי ומבחינתו הפתק נמצא בסופרפוזיציה (של רשום "החתול חי" או רשום "החתול מת"), אך זה אומר שמבחינתו גם המודד הראשון נמצא בסופרפוזיציה.

עוד וריאציה דווקא מערבת את תורת היחסות הפרטית: מבצעים את הניסוי בתחנת חלל. המדענים בתחנה כבר יודעים את מצב החתול, אבל בגלל שהעברת המידע מוגבלת למהירות האור, קיים פרק זמן בו כל תחנת החלל נמצאת בסופרפוזיציה, כי המידע לא יכול היה להגיע אל כדור הארץ.

גרסאות אלו מראות שמושג המדידה והמודד (או "הצופה החיצוני") אינם מוגדרים היטב ולכן הפירוש של בוהר, שמכיל קריסה, בניסוחו הנוכחי, הוא בעייתי ואינו מוגדר היטב.

*

פירוש העולמות המרובים

האבסורדים שנובעים מפרדוקס החתול של שרדינגר והוריאציות המערבות מספר מודדים, גרמו למספר לא מבוטל של פיזיקאים לאמץ את פירוש העולמות המרובים (Many World Theory או Many Worlds Interpertation). לפי גישה זו, אין קריסה של פונקציית הגל, אלא "פיצול קוואנטי" למספר עולמות, כך שבכל עולם מתרחשת אחת מהתוצאות האפשריות.

הערה: מומלץ לקרוא את הערך סימון דיראק (ואת הסעיף על מרחבי מכפלה) לפני קריאת פסקה זו.

במקרה שלנו, לפני המדידה מצב החתול הוא

ולכן מצב המערכת המורכבת מהחתול ומהמודד בוהר הוא

ואילו אחרי המדידה (שמתבצעת על ידי, נניח, המדען בוהר) המצב הוא

כלומר, בכל עולם נשזרת תוצאת המדידה בתודעת הצופה כך שהוא תופש בחושיו כאילו התרחשה קריסה של פונקציית הגל והוא איננו מודע לעולמות האחרים (בהם התקבלו תוצאות שונות).

זהו פתרון אפשרי לפרדוקס החתול של שרדינגר אם כי גם הוא לוקה בבעיה שהוא אינו מגדיר היטב מתי מתרחש "פיצול קוונטי" (במקום "קריסה" בפרשנות קופנהגן). פתרון זה שנוי במחלוקת ופיזיקאים ברחבי העולם עדיין מתווכחים עליו במרץ.

*

פרשנות קופנהגן

פרשנות קופנהגן היא אחת הפרשנויות של מכניקת הקוונטים, המשויכת לפיזיקאי נילס בוהר ותלמידיו (אשר מקום מושבם היה בעיר קופנהגן שבדנמרק). על פי פרשנות זו, גדלים פיזיקליים קיימים ומוגדרים היטב רק לאחר שנמדדו בפועל על ידי מערכת מדידה מוגדרת היטב (בוהר השתמש במונח "מערכת מדידה" במקום המונח "צופה" כדי להימנע מבעיות תאולוגיות בנוגע לתודעה ולנפש). כלומר, גודל פיזיקלי כלשהו נקבע רק בעת ביצוע המדידה, וקביעה זו של ערכו היא אקראית לחלוטין. הפרשנות גורסת כי לצופה ישנה משמעות מכרעת בקביעת הגדרות תוצאת הניסוי. כלומר, הצופה יכול באורח שרירותי לקבוע אם האלקטרון הוא גל או חלקיק בכפוף לאופי הניסוי שאותו הוא מחליט לבצע (דואליות גל - חלקיק). לפני המדידה האלקטרון נמצא במצב קוונטי שהוא סופרפוזיציה של כל המצבים האפשריים, בצירוף ההסתברות למדוד כל מצב. אחריה, האלקטרון נמצא במצב מוגדר (המצב בו הוא נמדד) ונשאר במצב זה.

ראוי לציין שאף בין בוהר לתלמידיו לא שררה אחידות - דעות מוחלטת, כך למשל נחלקו הוא וורנר הייזנברג בשאלת ממשותה של פונקציית הגל.

פרשנות זו, הגם שהיא הנפוצה ביותר כיום, מעלה תמיהות רבות. הגדולות שבהן עוסקות בקריסת פונקציית הגל, באי - הדטרמיניזם הטבוע בתאוריה (לכן פרשנות זו נקראת "הפירוש ההסתברותי למכניקת הקוונטים"), בבעיית המדידה וכן בפרדוקסים הנוגעים לקיומם של דברים וגדלים פיזיקליים בממשות, ביניהם: החתול של שרדינגר והפרדוקס של איינשטיין - פודולסקי - רוזן.

*

עקרונות פרשנות קופנהגן

על פי פרשנות זו, שמקורה באקטואליזם החריף שהחזיק בו נילס בוהר, גדלים פיזיקליים קיימים ומוגדרים היטב רק אחרי שנמדדו בפועל על ידי מערכת מדידה מוגדרת היטב. כלומר, גודל פיזיקלי כלשהו נקבע רק בעת ביצוע המדידה.

לדוגמה: בניסוי שני הסדקים, לאלקטרון אין מיקום מוגדר אלא ברגע שהצופה מחליט לבצע מדידה על ידי סגירת אחד הסדקים (או כאשר האלקטרון פוגע במסך). באופן חריף יותר, לפי פרשנות זו בניסוחו החריף של בוהר, לא ניתן להתייחס למהירות של אלקטרון לפני שהתבצע ניסוי למדוד אותה, כי רק אחרי המדידה לאלקטרון יש מהירות.

הפרשנות גורסת כי לפני המדידה לחלקיק אין מצב מוגדר אלא פונקציית גל - מצב קוונטי שמתאר את התוצאות האפשריות במדידה בצירוף ההסתברות לקבל אותן. רק בעת המדידה עצמה - מתרחשת "קריסה" ובה החלקיק קובע לעצמו מצב פיזיקלי מוגדר (אחת מהתוצאות האפשריות). בוהר קבע ש"קריסה" זו וקביעת המצב שאליו קורסת פונקציית הגל מתרחשת באופן אקראי לחלוטין, כאשר ההסתברות לקרוס למצב מסוים עומד ביחס ישיר לריבוע הערך המוחלט של האמפליטודה שלו בפונקציית הגל. כך מפורש הפורמליזם של שרדינגר וסימון דיראק ("ברה - קט").

לדוגמה, אם פונקציית הגל של החלקיק היא

אזי בעת מדידת מיקום החלקיק נקבל שההסתברות למצוא את האלקטרון בצד ימין היא ואילו ההסתברות למצוא אותו בצד שמאל היא.

מסיבה זו ידועה פרשנות קופנהגן כ"פירוש ההסתברותי למכניקת הקוונטים". קריסת פונקציית הגל שמתרחשת בעת מדידה - חלק חשוב בהתאמת פרשנות קופנהגן למציאות כפי שהיא נצפית בניסוי - לא קיים בפורמליזם של מכניקת הקוונטים מאחר שמשוואת שרדינגר היא דטרמיניסטית לחלוטין. עובדה זו תהווה את אחד המקורות העיקריים לבעייתיות של פרשנות קופנהגן ולהיותה שנויה במחלוקת.

*

משמעויות פילוסופיות של הפרשנות

פרשנות קופנהגן הולידה פרשנויות פילוסופיות רבות שהולידו בתורן מאמרים רבים, ספרים ואפילו סרטים. חשוב להבין כי כל הפרשנויות הללו אינן תורות מדעיות משום שהן אינן ניתנות להפרכה, בהיותן מבוססות, בהגדרתן, על הנחות בלתי מדידות. אין גם כל הכרח להגיע למסקנות פילוסופיות מעין אלה עקב התמיהות שמעלה פרשנות קופנהגן. נילס בוהר עצמו לא דגל באף אחת מהן וטען כי עלינו פשוט להשלים עם אי יכולתנו לדעת הכל.

יש שגזרו מפרשנות קופנהגן משמעות פילוסופית, כי עלינו לזנוח את ראיית העולם התומכת בהיות ההכרה כלי המספק שיקוף של המציאות ועלינו להתחיל לחשוב על ההכרה ככלי מכונן מציאות (בדומה לאקטואליזם הקיצוני של ג'ורג' ברקלי ודייוויד יום). כך שהשאלה מהו האלקטרון כשלעצמו, ללא צופה, אין לה פשר של ממש. כך, ניתן להסיק כי תודעת האדם קובעת את המציאות - את הנחלים, העצים, בעלי החיים ואף בני אדם אחרים. העולם בעיני המתבונן היא פרשנות אידאליסטית קיצונית, או כפי שאלברט איינשטיין התבטא פעם בלעג (משום ששלל את פרשנות קופנהגן), "האם כשאני עוצם את עיני, הירח נעלם?". ראייה זו מעמידה את פרשנות קופנהגן כהמשכה הפיזיקלי של תורת קאנט, שטען כי משמעותם היחידה של החלל והזמן הוא האספקט התודעתי שלהם (ב"עולם התופעות"), כאשר לא ניתן לדבר על עולם ה"דברים כשהם לעצמם", ובעצם תודעת האדם היא הקובעת את המציאות הרלוונטית.

דרך שונה במקצת להסתכל על פרשנות קופנהגן היא לומר שבמקום לחשוב על היקום כעשוי מעצמים המקיימים ביניהם אינטראקציות, אפשר לחשוב עליו כאינטראקציה מאוד מורכבת שלפעמים מתנהגת בצורה מדידה (כלומר בצורה שמתאימה לחוקי הפיזיקה היחסותית). הסתכלות כזו אינה מקדמת אותנו יותר מהאחרות מבחינת ההבנה המדעית, אולם יתרונה הוא שהיא אינה מכפיפה את החוקיות הפיזיקלית לתודעת הצופה. ההתערבות של הצופה בהתאם להסתכלות זו מתבטאת בבחירת המתווה של הניסוי ולא בהשפעה מסתורית כלשהי של תודעתו על התוצאות.

משמעות פילוסופית אחרת מעבירה את הפרשנות לשדה התאולוגיה. "האם כשאני עוצם את עיני, הירח נעלם?", שאל איינשטיין. ברור לנו שלא, וברור לנו שלא יהיה זה המצב גם אם כולנו נעצום את עינינו. ואולם, כיצד אנו בטוחים שהוא קיים, למרות שאין צופה? התשובה התאולוגית היא שעדיין קיים צופה, והרי הוא אלוהים, שבזכות צפייתו בכל, העולם קיים. הפילוסוף ג'ורג' ברקלי (שהיה כומר בהכשרתו) השתמש בפתרון זה כדי לברוח מן האבסורד של האקטואליזם הקיצוני שפותח. פילוסופים שהם אתאיסטים בהשקפתם חולקים על פתרון זה.

*

מדוע מרבית הפיזיקאים אינם מוטרדים מבעיות אלה?

לשאלה זו שתי תשובות עיקריות.

ראשית, הניבויים של מכניקת הקוונטים - כלומר, כל מה שאפשר לבדוק בניסוי - ברורים, ולכן למחלוקת הפילוסופית באשר למשמעויותיה אין השלכות מעשיות מבחינת הפיזיקאי. לפי הגישה האמפיריציסטית, אין למחלוקת זו משמעות כלל.

שנית, התאוריה של דה - קוהרנטיות קוונטית נותנת תשובה לשאלה באלו מקרים תתרחש קריסת פונקציית הגל ובאלו לא תתרחש קריסה כזו. אם מתייחסים לפונקציית הגל כאל תיאור מתמטי של מצב החלקיק רק זמן מה לפני ביצוע מדידה או זמן מה אחריה, אין צורך לעסוק בשאלה מתי בדיוק קורסת פונקציית הגל, ומקבלים תורה שלמה מבחינה מתמטית המנבאת במדויק כל תוצאה של ניסוי שניתן לבצע...