mały|Paradoks „kota Schrödingera” według interpretacji wielu światów. W ujęciu Everetta pomiar nie powoduje fundamentalnego kolapsu funkcji falowej: stan obejmuje gałąź, w której obserwator widzi kota żywego, oraz gałąź, w której widzi kota martwego. Po dekoherencji gałęzie te praktycznie nie interferują ze sobą Interpretacja wielu światów (, MWI), nazywana też wieloświatową interpretacją mechaniki kwantowej – interpretacja mechaniki kwantowej, w której każdy możliwy wynik pomiaru rzeczywiście się realizuje, lecz w osobnej, niedostępnej dla obserwatora gałęzi rzeczywistości, potocznie nazywanej „światem”. W odróżnieniu od ujęć zakładających, że pomiar wybiera jeden wynik i usuwa pozostałe możliwości (czyli powoduje kolaps funkcji falowej), interpretacja wielu światów odrzuca taki dodatkowy proces. Przyjmuje ona, że stan kwantowy układu – a w wersji uniwersalnej całego wszechświata – ewoluuje zawsze w ten sam, ciągły sposób, zgodny z liniową i unitarną dynamiką teorii. Taka ewolucja nie gubi informacji i zachowuje sumę prawdopodobieństw wszystkich wyników. Koncepcja wywodzi się ze sformułowania stanów względnych Hugh Everetta III.

W ujęciu technicznym chodzi nie o proste kopie klasycznych wszechświatów, lecz o rozgałęziające się składniki stanu kwantowego, które po dekoherencji efektywnie przestają ze sobą interferować i mogą być opisywane jako quasi-klasyczne gałęzie. „Światy” są więc przybliżonym opisem struktur wyłaniających się z uniwersalnej funkcji falowej.

Zwolennicy interpretacji wielu światów przedstawiają ją jako realistyczne i deterministyczne odczytanie mechaniki kwantowej, w którym nie wprowadza się osobnego, nielokalnego mechanizmu kolapsu funkcji falowej. Należy do głównych alternatyw wobec interpretacji kopenhaskiej, teorii z rzeczywistym kolapsem stanu oraz teorii ukrytych zmiennych, takich jak teoria de Broglie’a-Bohma. Jej zwolennicy podkreślają, że pozwala traktować obserwatora, aparaturę i badany układ w ramach tego samego formalizmu, bez osobnego postulatu redukcji stanu. Krytycy wskazują przede wszystkim na trudności z rozumieniem prawdopodobieństwa, reguły Borna, liczby i statusu gałęzi oraz empirycznego odróżnienia stanowiska od innych interpretacji mechaniki kwantowej.

Nazwa i zakres Historycznym punktem wyjścia interpretacji wielu światów była praca Everetta z 1957 roku, w której autor mówił o sformułowaniu stanów względnych. Nazwę spopularyzował Bryce DeWitt w serii artykułów oraz we współredagowanym z R. Neillem Grahamem zbiorze poświęconym interpretacji mechaniki kwantowej Everetta.

Część autorów nie traktuje stanowiska Everetta wyłącznie jako jednej z wielu równoważnych interpretacji formalizmu. Everett i John Archibald Wheeler mówili raczej o sformułowaniu stanów względnych, a David Deutsch argumentował, że chodzi o dosłowny opis rzeczywistości, a nie tylko o sposób odczytania równań.

Określenie „wiele światów” bywa mylące, jeśli sugeruje mechaniczne powstawanie oddzielnych wszechświatów w zwykłym, klasycznym sensie. We współczesnych rekonstrukcjach często podkreśla się, że gałęzie są strukturami efektywnymi: wynikają z korelacji między układem, aparaturą i środowiskiem, a ich granice mogą być przybliżone i zależne od poziomu opisu. Z tego powodu część autorów mówi raczej o interpretacji Everetta, o mechanice falowej bez kolapsu albo o everettowskiej mechanice kwantowej.

Interpretację wielu światów należy odróżnić od szerszego pojęcia wieloświata. W kosmologii i filozofii „wieloświat” może oznaczać wiele hipotez o wielu domenach kosmicznych, inflacji wiecznej albo pejzażu teorii strun. Interpretacja wielu światów jest natomiast konkretnym stanowiskiem dotyczącym formalizmu mechaniki kwantowej i problemu pomiaru; jej „światy” są gałęziami stanu kwantowego, a nie z konieczności oddzielnymi regionami przestrzeni kosmicznej.

Założenia formalne W standardowym opisie kwantowym stan układu ewoluuje zgodnie z równaniem Schrödingera, dopóki nie nastąpi pomiar; w wielu podręcznikowych ujęciach wprowadza się wtedy dodatkowy postulat redukcji stanu do jednego wyniku. Interpretacja wielu światów usuwa ten drugi postulat. Pomiar jest w niej zwykłym oddziaływaniem fizycznym, które splątuje stan badanego układu ze stanem aparatury i obserwatora. Postulat kolapsu bywał uznawany za sztuczny i wprowadzony ad hoc, dlatego poszukiwano interpretacji wyprowadzającej zachowanie pomiaru z bardziej podstawowych zasad fizycznych.

Schematycznie, jeśli układ może dać wyniki oznaczone jako i to po oddziaływaniu pomiarowym stan układ–obserwator nie wybiera jednej z możliwości przez kolaps. Przyjmuje on postać superpozycji składników, w których obserwator jest skorelowany z odpowiednim zapisem wyniku, na przykład Każdy składnik jest stanem względnym: wynik po stronie układu ma sens w relacji do odpowiedniego stanu aparatu lub obserwatora.

W takim ujęciu nie ma zewnętrznego obserwatora stojącego poza teorią. Człowiek, detektor, zapis w pamięci komputera i otoczenie są układami fizycznymi podlegającymi tym samym prawom kwantowym. Uniwersalny stan kwantowy może więc ewoluować deterministycznie, chociaż obserwator wewnątrz jednej gałęzi doświadcza wyniku jako losowego i nie ma dostępu do pozostałych gałęzi.

Istotnym założeniem programu jest liniowość teorii. Gdyby fundamentalna dynamika kwantowa okazała się nieliniowa albo gdyby istniał realny mechanizm obiektywnego kolapsu, prosta wersja interpretacji wielu światów wymagałaby poważnej modyfikacji albo zostałaby odrzucona. Dlatego stanowisko to jest ściśle związane z pytaniem, czy standardowa mechanika kwantowa obowiązuje bez wyjątku także dla układów makroskopowych i dla wszechświata jako całości. Interpretacja wielu światów umożliwia stosowanie mechaniki kwantowej do całego wszechświata, co miało znaczenie dla późniejszego rozwoju . Klasyczne ujęcia kopenhaskie, zakładające istnienie klasycznej dziedziny poza opisem kwantowym, bywały z tego powodu krytykowane jako niewystarczające dla potrzeb kosmologii kwantowej.

Pomiar i rozgałęzienie

Interpretacja wielu światów powstała jako odpowiedź na problem pomiaru. Problem ten dotyczy napięcia między liniową ewolucją funkcji falowej a faktem, że w doświadczeniu widzi się pojedynczy, określony wynik. Odpowiedź Everetta głosi, że pojedynczy wynik jest własnością gałęzi, w której znajduje się dany obserwator, a nie wynikiem fundamentalnego zniszczenia pozostałych składników superpozycji.

W oryginalnym ujęciu Everetta kluczowe było pojęcie stanu względnego. Po oddziaływaniu dwa lub więcej podukładów staje się skorelowanych – w dzisiejszej terminologii splątanych – a stan całości można zapisać jako sumę iloczynów stanów, w których każdy podukład pozostaje w stanie określonym względem pozostałych. Po pomiarze jeden z podukładów pełni rolę układu obserwowanego, a drugi rolę aparatury, która może obejmować obserwatora i zachowuje zapis wyniku. Na zarzut, że rozszczepiania się świata nigdy się nie obserwuje, odpowiadał już sam Everett: same prawa mechaniki kwantowej wykluczają możliwość zaobserwowania takiego rozszczepienia, gdyż żaden eksperyment w danej gałęzi nie ujawnia wyniku uzyskanego w innej. W przypisie dodanym do publikacji z 1957 roku porównał ten zarzut do zarzutu wobec teorii Kopernika: ruch obrotowy Ziemi nie jest odczuwalny, ponieważ prawa fizyki Newtona wykluczają jego dostrzegalne efekty.

mały|left|Schematyczne przedstawienie opisu pomiaru w interpretacji wielu światów. Po pomiarze całkowity stan układu i aparatury można opisać jako superpozycję skorelowanych stanów względnych. Stan samego podukładu otrzymuje się przez wzięcie po pozostałych stopniach swobody

Rozgałęzienie nie musi oznaczać nagłego, punktowego aktu „rozdzielenia światów”. W nowoczesnym ujęciu jest to proces fizyczny związany z utratą obserwowalnej interferencji między makroskopowo różnymi składnikami stanu. Gdy informacja o wyniku rozchodzi się do aparatury i środowiska, gałęzie stają się względem siebie praktycznie autonomiczne: późniejsze zapisy w danej gałęzi pozostają zgodne z wcześniejszymi zapisami w tej samej gałęzi.

Przykład kota Schrödingera ilustruje tę intuicję. W wersji Everetta nie zakłada się, że przy otwarciu pudełka superpozycja zostaje zastąpiona jednym wynikiem przez dodatkowy proces fizyczny. Zamiast tego stan obejmuje składnik, w którym obserwator widzi żywego kota, oraz składnik, w którym obserwator widzi kota martwego; po dekoherencji składniki te nie tworzą praktycznie dostępnych interferencji na poziomie makroskopowego doświadczenia.

Odrębnym wyzwaniem technicznym jest precyzyjne matematyczne zdefiniowanie granic między gałęziami. Weingarten zaproponował definicję opartą na złożoności obwodów kwantowych, a podobną strategię rozwinęli Taylor i McCulloch. Są to jednak propozycje szczegółowe, a nie element standardowej, powszechnie przyjmowanej definicji interpretacji wielu światów.

Dekoherencja

Dekoherencja odgrywa kluczową rolę w większości współczesnych wersji interpretacji wielu światów. Oddziaływanie układu z otoczeniem sprawia, że różne składniki superpozycji szybko tracą zdolność do obserwowalnej interferencji. Dzięki temu można wyjaśnić, dlaczego w praktyce widzi się stabilne, quasi-klasyczne zapisy, a nie dowolne kombinacje stanów kwantowych. Podejścia dekoherencyjne do interpretacji teorii kwantowej rozwijano intensywnie od lat 70. XX wieku, począwszy od prac , a następnie Wojciecha Żurka i innych autorów.

Dekoherencja nie jest jednak samodzielną pełną interpretacją prawdopodobieństwa. Wyjaśnia ona, dlaczego gałęzie przestają praktycznie interferować i dlaczego opis klasyczny jest dobrym przybliżeniem, ale nie usuwa wszystkich pytań o to, jak przypisywać wagi gałęziom oraz dlaczego subiektywne oczekiwania obserwatora powinny być zgodne z regułą Borna. Bardziej szczegółowe rekonstrukcje pokazują, jak z dynamiki układów otwartych wyłaniają się quasi-klasyczne „dziedziny” o stabilnych, w przybliżeniu klasycznych regularnościach.

Problem bazy preferowanej Interpretacja wielu światów w pierwotnych ujęciach Everetta i DeWitta przyznawała pomiarom szczególną rolę: to one wyznaczały, która baza przestrzeni Hilberta definiuje „światy”. Bez tego arbitralnego wyboru teoria byłaby niejednoznaczna – ten sam stan kwantowy można matematycznie rozwinąć na nieskończenie wiele sposobów. Ten problem stał się znany jako problem bazy preferowanej.

Współczesna odpowiedź zwolenników interpretacji (m.in. Saundersa i Wallace’a) odwołuje się do wywoływanej przez środowisko superselekcji (): tylko niektóre stany – tzw. stany wskaźnikowe () – są odporne na oddziaływanie z otoczeniem i dlatego nadają się do roli stabilnych makroskopowych zapisów. Baza preferowana wyłania się wtedy z fizycznej dynamiki, nie musi być postulowana z zewnątrz. Wallace argumentuje, że nie jest to problematyczne: pokazuje jedynie, że gałęzie nie należą do podstawowej ontologii teorii, lecz do ontologii emergentnej, a posługiwanie się takimi przybliżonymi, efektywnymi opisami jest w naukach fizycznych rutyną. Realność gałęzi Wallace wiąże z koncepcją „realnych wzorców” () Daniela Dennetta: makroskopowy obiekt jest wzorcem, którego realność zależy od mocy wyjaśniającej i predykcyjnej teorii uwzględniających go w swojej ontologii. Tak jak tygrys czy temperatura pozostają realne, mimo że nie występują wprost w opisie cząstek elementarnych, tak gałęzie są realnymi, niezależnymi od obserwatora wzorcami wyłaniającymi się z dekoherencji. i Wallace argumentowali, że jeśli gałęzie wyprowadza się z dekoherencji, to powinny one występować również w innych interpretacjach pozbawionych mechanizmu kolapsu, w tym w mechanice Bohma.

Krytycy wskazują na pewną kołowość tego rozwiązania: wyprowadzenie bazy preferowanej przez dekoherencję samo zakłada pojęcie prawdopodobieństwa, które interpretacja wielu światów ma dopiero uzasadnić. Wallace odpowiadał, że dekoherencja nie zakłada rachunku prawdopodobieństwa, lecz jedynie uprawomocnienie przybliżeń stosowanych powszechnie w fizyce.