thumb|upright=1.2|alt=Niels Bohr i Albert Einstein|Niels Bohr (z lewej) i Albert Einstein w mieszkaniu Paula Ehrenfesta w Lejdzie, ok. 1925; ich wieloletnia o sensie mechaniki kwantowej dała początek wielu współczesnym sporom interpretacyjnym. Interpretacje mechaniki kwantowej – zbiorcze określenie stanowisk filozoficznych i fizycznych próbujących wyjaśnić, jak matematyczny formalizm mechaniki kwantowej odnosi się do obserwowanej rzeczywistości. Mechanika kwantowa należy do najlepiej potwierdzonych teorii fizycznych w historii nauki, ale jej podstawowe pojęcia – stan kwantowy, funkcja falowa, superpozycja, prawdopodobieństwo i pomiar – nie narzucają jednoznacznej odpowiedzi na pytanie, co właściwie dzieje się w pojedynczym procesie kwantowym. Z tego powodu od końca lat 20. XX wieku rozwinęło się kilkanaście konkurujących ze sobą ujęć jej znaczenia fizycznego i ontologicznego.
Spór interpretacyjny dotyczy między innymi tego, czy deterministyczna jest sama mechanika kwantowa, czy mówi ona o pojedynczych układach, czy o zbiorach pomiarów, czy funkcja falowa jest elementem rzeczywistości fizycznej, czy narzędziem obliczeniowym, czy pomiar wymaga fizycznej redukcji stanu, jak rozumieć prawdopodobieństwo, jakim ograniczeniom podlega oraz czy opis kwantowy jest kompletny. Część stanowisk stara się jedynie inaczej odczytać standardowy formalizm, natomiast inne – zwłaszcza teorie obiektywnego kolapsu – proponują jego empirycznie testowalne modyfikacje, dlatego granica między „interpretacją” a alternatywną teorią pozostaje nieostra.
Mimo niemal stulecia dyskusji i wielu subtelnych eksperymentów żadna interpretacja nie zyskała powszechnej akceptacji. Ankiety wśród badaczy zajmujących się fundamentami mechaniki kwantowej pokazują wyraźne i utrzymujące się rozbieżności poglądów. Polski filozof i fizyk Andrzej Staruszkiewicz określił tę sytuację jako „nieustępliwość problemu interpretacji”, podkreślając, że osiemdziesiąt lat wysiłków wybitnych uczonych dało rzetelny formalizm, lecz nie rozstrzygnęło, jak ten formalizm odnosi się do rzeczywistości fizycznej.
Geneza problemu thumb|center|upright=2.2|alt=Uczestnicy V Kongresu Solvayowskiego w Brukseli, 1927|Uczestnicy V Kongresu Solvayowskiego (Bruksela, 1927), na którym intensywnie dyskutowano nową mechanikę kwantową; w pierwszym rzędzie m.in. Albert Einstein i Maria Skłodowska-Curie, w drugim rzędzie m.in. Born i Bohr, a w trzecim rzędzie Schrödinger i Heisenberg. Mechanika kwantowa powstała w pierwszych dekadach XX wieku jako odpowiedź na zjawiska, których nie wyjaśniała fizyka klasyczna. Dwa równolegle rozwijane formalizmy – mechanika macierzowa Heisenberga, Borna i Jordana (1925) oraz mechanika falowa Schrödingera (1926) – okazały się równoważne, lecz operowały odmiennymi obiektami matematycznymi. Już w tym okresie pojawiło się pytanie, co właściwie te obiekty opisują.
Schrödinger początkowo rozumiał funkcję falową elektronu realistycznie – jako rozmyty rozkład ładunku w przestrzeni. Max Born zaproponował jednak w 1926 roku, by kwadrat modułu funkcji falowej traktować jako gęstość prawdopodobieństwa znalezienia cząstki w danym punkcie. Zasada ta, znana dziś jako reguła Borna, znakomicie zgadzała się z doświadczeniem i stała się trwałym składnikiem standardowej mechaniki kwantowej, ale nasunęła pytanie, czy teoria opisuje pojedynczy układ, czy raczej rozkłady wyników pomiarów.
Stanowiska Nielsa Bohra, Heisenberga, Borna i ich współpracowników z lat 20. i 30. XX wieku później zaczęto określać zbiorczo jako interpretację kopenhaską, choć termin ten nie oznaczał jednolitej doktryny – sami Bohr i Heisenberg nie posługiwali się nim jako wspólną nazwą programu, a samo określenie utrwaliło się dopiero w połowie lat 50. XX wieku (w szczególności w pracach Heisenberga z 1955 r.). Wspólnym motywem była zasada komplementarności, ostrożność wobec przypisywania układom kwantowym klasycznych własności przed pomiarem oraz nacisk na rolę klasycznie opisanego układu pomiarowego. Już na piątym kongresie solvayowskim w 1927 roku ujawnił się fundamentalny spór: Einstein, Schrödinger i de Broglie wątpili w kompletność takiego opisu, podczas gdy Bohr, Heisenberg i Born uznali go za wystarczający.
Przełomowa dla przeniesienia sporu z poziomu czysto filozoficznego na grunt fizyki doświadczalnej okazała się praca Einsteina, Borisa Podolskiego i Nathana Rosena z 1935 roku, dziś znana jako argument EPR. Trzy dekady później John Stewart Bell wykazał, że pewne założenia o lokalnych ukrytych zmiennych prowadzą do nierówności sprawdzalnych eksperymentalnie. Eksperymenty Alaina Aspecta z początku lat 80. XX wieku, a następnie tzw. testy wolne od luk z 2015 roku (Hensen, Giustina, Shalm i inni) potwierdziły naruszenie nierówności Bella, wykluczając lokalne teorie ukrytych zmiennych spełniające standardowe założenia testów Bella, w szczególności założenie niezależności wyboru ustawień pomiarowych. Przyznanie Nagrody Nobla z fizyki w 2022 roku Aspectowi, Johnowi Clauserowi i Antonowi Zeilingerowi „za eksperymenty z fotonami splątanymi, ustalenie naruszenia nierówności Bella i pionierskie prace w informatyce kwantowej” utrwaliło pozycję badań nad podstawami mechaniki kwantowej jako żywej dziedziny fizyki.
W literaturze przeglądowej dotyczącej fundamentów mechaniki kwantowej wyróżnia się niekiedy trzy okresy w historii sporów interpretacyjnych: dominację „szkoły kopenhaskiej” do około 1950 roku, rewizję podstaw w latach 1950–1970 (z pracami Bohma, Everetta, Bella i powstaniem programu dekoherencji) oraz rozwój „eksperymentalnej metafizyki” od lat 70. XX wieku, gdy subtelne testy nierówności Bella, kontekstualności i modeli kolapsu zaczęły zawężać krąg możliwych interpretacji.
Wyzwania interpretacyjne Pytania, które dzielą poszczególne interpretacje, można sprowadzić do kilku stałych osi sporu. Każda interpretacja musi zająć stanowisko wobec każdej z nich, a sposób, w jaki to robi, w dużej mierze decyduje o jej charakterze.
Status funkcji falowej Czy funkcja falowa jest realnym składnikiem świata fizycznego, czy narzędziem do obliczania prawdopodobieństw wyników pomiarów? W literaturze utrwaliło się rozróżnienie ujęć ψ-ontycznych, traktujących funkcję falową jako element rzeczywistości, oraz ψ-epistemicznych, traktujących ją jako reprezentację wiedzy obserwatora. Twierdzenie Puseya, Barretta i Rudolpha pokazało, że przy dodatkowych założeniach o niezależnym przygotowywaniu układów czysto epistemiczna interpretacja stanu kwantowego podlega silnym ograniczeniom.
Problem pomiaru Problem pomiaru to pytanie, dlaczego liniowa, deterministyczna ewolucja Schrödingera dopuszczająca superpozycje prowadzi w konkretnym doświadczeniu do jednego, określonego wyniku, oraz czy wymaga to dodatkowego postulatu kolapsu funkcji falowej. Wokół tego pytania skupiają się wszystkie współczesne interpretacje: jedne przyjmują specjalny postulat redukcji stanu w opisie pomiaru (część ujęć kopenhaskich i von neumannowskich), inne wprowadzają fizyczny mechanizm kolapsu jako modyfikację dynamiki (teorie obiektywnego kolapsu), jeszcze inne negują kolaps jako zdarzenie fizyczne (ujęcia everettowskie, bohmowskie, relacyjne), a kolejne traktują go jako aktualizację stanu wiedzy lub przekonań agenta (QBism, ujęcia informacyjne).
Prawdopodobieństwo i reguła Borna Reguła Borna przypisuje prawdopodobieństwa wynikom pomiarów na podstawie kwadratu modułu funkcji falowej, lecz różne interpretacje rozumieją to prawdopodobieństwo odmiennie – jako klasyczny rozkład wiedzy, częstość względną w nieskończonej serii pomiarów, bornowską miarę wag gałęzi (wyznaczoną przez kwadraty modułów amplitud) w uniwersalnej funkcji falowej albo subiektywną miarę stopnia przekonania agenta.
Lokalność i nielokalność Eksperymentalnie potwierdzone naruszenie nierówności Bella wyklucza lokalne teorie z ukrytymi zmiennymi spełniające klasyczne warunki swobody pomiarów. Każda interpretacja zgodna z formalizmem mechaniki kwantowej musi więc zrezygnować z któregoś z założeń: lokalności, kontrfaktycznej określoności, swobody wyboru pomiarów albo unikatowości wyników. Stąd biorą się takie cechy interpretacji, jak nielokalność dynamiki w teorii de Broglie’a-Bohma czy rezygnacja z jednej historii w interpretacjach everettowskich.
Rola obserwatora i „ruchomy podział” W standardowych sformułowaniach mechaniki kwantowej istnieje swobodny, ruchomy podział między układem opisywanym kwantowo a klasycznie opisywaną aparaturą; N. David Mermin nazwał go shifty split i przekonywał, że jego trwałe występowanie świadczy o tym, że standardowa teoria jest niedokończona. W zależności od interpretacji obserwator może być wyróżnionym, świadomym podmiotem (świadomościowe ujęcia kolapsu), zwykłym układem fizycznym (Everett, Bohm), agentem podejmującym decyzje na podstawie własnych doświadczeń (QBism) albo jednym z wielu układów odniesienia o równym statusie (relacyjna mechanika kwantowa).
Granica klasyczna i dekoherencja Dekoherencja – utrata obserwowalnych interferencji wskutek splątania układu z otoczeniem – wyjaśnia, dlaczego makroskopowe superpozycje są w praktyce niemożliwe do zaobserwowania, a pewne bazy stanów stają się efektywnie klasyczne. Sama dekoherencja nie wybiera jednak pojedynczego wyniku pomiaru, dlatego pełni ona różne role w różnych interpretacjach: w ujęciach Everetta jest mechanizmem rozgałęziania, w teoriach kolapsu skraca jego skutki, a w interpretacji kopenhaskiej dostarcza fizycznego pomostu między kwantowym a klasycznym poziomem opisu.
Główne rodziny interpretacji Interpretacja kopenhaska
thumb|upright=1.4|alt=Diagram kota Schrödingera w superpozycji|Eksperyment myślowy kota Schrödingera ilustruje napięcie między liniową ewolucją funkcji falowej a doświadczanym jednoznacznym wynikiem pomiaru – kluczowym problemem interpretacji kopenhaskiej. Interpretacja kopenhaska jest najstarszą i najczęściej omawianą rodziną ujęć, kojarzoną przede wszystkim z Bohrem, Heisenbergiem i Johnem von Neumannem. Jej odmiany łączy przekonanie, że formalizm kwantowy służy do przewidywania możliwych wyników doświadczeń, a klasyczne pytania o własności układu przed pomiarem wymagają ostrożności. Warianty kopenhaskie różnią się jednak istotnie: Bohr akcentował komplementarność i klasyczne warunki opisu doświadczenia, Heisenberg silniej rozróżniał obserwatora i układ oraz mówił o przejściu od „możliwości” do „aktualności”, a von Neumann sformalizował odrębny postulat redukcji, wprowadzając rozróżnienie między procesem „1” (nieciągłą redukcją stanu w pomiarze) a procesem „2” (ciągłą, deterministyczną ewolucją Schrödingera).
W typowej interpretacji kopenhaskiej mechanika kwantowa jest z natury niedeterministyczna, prawdopodobieństwa wyznacza reguła Borna, a niektóre pary wielkości (np. położenie i pęd) podlegają komplementarności – nie mogą być jednocześnie dobrze określone. Ujęcia pragmatyczne i instrumentalistyczne, choć nie zawsze klasyfikowane jako osobne interpretacje, podkreślają, że formalizm kwantowy działa niezależnie od konkretnej ontologii, którą się mu przypisze. Takie stanowisko bywa wygodne w praktyce fizycznej, ale samo nie odpowiada na pytanie, dlaczego pomiar daje określony wynik.
Interpretacja statystyczna (ansamblowa)
Interpretacja statystyczna, znana też jako ansamblowa, traktuje funkcję falową nie jako opis pojedynczego układu, lecz jako abstrakcyjną wielkość statystyczną przypisaną zespołowi podobnie przygotowanych układów. Najbardziej znanym współczesnym jej zwolennikiem jest Leslie Ballentine, autor podręcznika Quantum Mechanics: A Modern Development i pracy z 1970 roku formalizującej to podejście. Einstein wielokrotnie sympatyzował z podobnym stanowiskiem, traktując mechanikę kwantową jako teorię niekompletną i mającą charakter statystyczny. Krytycy zwracają jednak uwagę, że ujęcie ansamblowe nie odpowiada wprost na pytanie, dlaczego pojedynczy pomiar daje konkretny wynik, oraz że eksperymenty na pojedynczych jonach i fotonach mocno zawężają możliwą rolę „nieoznaczonych statystyk” w teorii.