Interpretacja Kopenhaska jest wyjaśnieniem mechaniki kwantowej sformułowanej przez Nielsa Bohra i Wernera Heisenberga w 1927 roku, kiedy naukowcy pracowali razem w Kopenhadze. Bohr i Heisenberg byli w stanie poprawić probabilistyczną interpretację funkcji sformułowaną przez M. Borna i próbowali odpowiedzieć na szereg pytań, które pojawiają się w związku z dualizmem falowo-cząsteczkowym. W tym artykule rozważymy główne idee kopenhaskiej interpretacji mechaniki kwantowej oraz ich wpływ na współczesną fizykę.
Problemy
Interpretacje mechaniki kwantowej zwane poglądami filozoficznymi na naturę mechaniki kwantowej jako teorii opisującej świat materialny. Za ich pomocą można było odpowiedzieć na pytania o istotę rzeczywistości fizycznej, sposób jej badania, naturę przyczynowości i determinizmu, a także istotę statystyki i jej miejsce w mechanice kwantowej. Mechanika kwantowa jest uważana za najbardziej rezonansową teorię w historii nauki, ale nadal nie ma zgody co do jej głębokiego zrozumienia. Istnieje wiele interpretacji mechaniki kwantowej idzisiaj zapoznamy się z najpopularniejszymi z nich.
Kluczowe pomysły
Jak wiesz, świat fizyczny składa się z obiektów kwantowych i klasycznych przyrządów pomiarowych. Zmiana stanu przyrządów pomiarowych opisuje nieodwracalny statystyczny proces zmiany charakterystyk mikroobiektów. Gdy mikroobiekt wchodzi w interakcję z atomami urządzenia pomiarowego, superpozycja zostaje zredukowana do jednego stanu, to znaczy funkcja falowa mierzonego przedmiotu zostaje zredukowana. Równanie Schrödingera nie opisuje tego wyniku.
Z punktu widzenia interpretacji kopenhaskiej mechanika kwantowa nie opisuje samych mikroobiektów, ale ich właściwości, które przejawiają się w makrowarunkach tworzonych przez typowe przyrządy pomiarowe podczas obserwacji. Zachowania obiektów atomowych nie można odróżnić od ich interakcji z przyrządami pomiarowymi, które ustalają warunki występowania zjawisk.
Spojrzenie na mechanikę kwantową
Mechanika kwantowa jest teorią statyczną. Wynika to z faktu, że pomiar mikroobiektu prowadzi do zmiany jego stanu. Mamy więc probabilistyczny opis początkowej pozycji obiektu, opisanej funkcją falową. Złożona funkcja falowa jest centralnym pojęciem w mechanice kwantowej. Funkcja falowa zmienia się w nowy wymiar. Wynik tego pomiaru zależy w sposób probabilistyczny od funkcji falowej. Jedynie kwadrat modułu funkcji falowej ma znaczenie fizyczne, co potwierdza prawdopodobieństwo, że badanamikroobiekt znajduje się w określonym miejscu w przestrzeni.
W mechanice kwantowej prawo przyczynowości jest spełnione w odniesieniu do funkcji falowej, która zmienia się w czasie w zależności od warunków początkowych, a nie w odniesieniu do współrzędnych prędkości cząstek, jak w klasycznej interpretacji mechaniki. Ze względu na to, że tylko kwadrat modułu funkcji falowej jest obdarzony wartością fizyczną, w zasadzie nie można określić jego wartości początkowych, co prowadzi do pewnej niemożności uzyskania dokładnej wiedzy o stanie początkowym układu kwantowego.
Podstawy filozoficzne
Z filozoficznego punktu widzenia podstawą interpretacji kopenhaskiej są zasady epistemologiczne:
- Obserwowalność. Jego istota polega na wykluczeniu z teorii fizycznej tych twierdzeń, których nie można zweryfikować przez bezpośrednią obserwację.
- Dodatki. Zakłada, że opis falowy i korpuskularny obiektów mikroświata wzajemnie się uzupełniają.
- Niepewności. Mówi, że współrzędnej mikroobiektów i ich pędu nie można określić oddzielnie i z absolutną dokładnością.
- Determinizm statyczny. Zakłada ona, że aktualny stan systemu fizycznego jest determinowany przez jego poprzednie stany nie w sposób jednoznaczny, a jedynie z pewnym prawdopodobieństwem realizacji trendów zmian określonych w przeszłości.
- Dopasowanie. Zgodnie z tą zasadą prawa mechaniki kwantowej są przekształcane w prawa mechaniki klasycznej, gdy można pominąć wielkość kwantu działania.
Korzyści
W fizyce kwantowej informacje o obiektach atomowych, uzyskane za pomocą konfiguracji eksperymentalnych, są ze sobą w osobliwym związku. W relacjach niepewności Wernera Heisenberga istnieje odwrotna proporcjonalność między niedokładnościami w ustalaniu zmiennych kinetycznych i dynamicznych, które określają stan układu fizycznego w mechanice klasycznej.
Istotną zaletą kopenhaskiej interpretacji mechaniki kwantowej jest fakt, że nie operuje ona szczegółowymi stwierdzeniami bezpośrednio o wielkościach fizycznie nieobserwowalnych. Ponadto, przy minimalnych wymaganiach wstępnych, buduje system pojęciowy, który wyczerpująco opisuje dostępne w danej chwili fakty eksperymentalne.
Znaczenie funkcji falowej
Według interpretacji kopenhaskiej, funkcja falowa może podlegać dwóm procesom:
- Ewolucja jednostkowa, którą opisuje równanie Schrödingera.
- Pomiar.
Nikt nie miał wątpliwości co do pierwszego procesu w środowisku naukowym, a drugi proces wywołał dyskusje i dał początek wielu interpretacjom, nawet w ramach kopenhaskiej interpretacji samej świadomości. Z jednej strony istnieją wszelkie powody, by sądzić, że funkcja falowa jest niczym innym jak rzeczywistym obiektem fizycznym i że zapada się podczas drugiego procesu. Z drugiej strony funkcja falowa może nie być bytem realnym, ale pomocniczym narzędziem matematycznym, którego jedynym celem jestjest zapewnienie umiejętności obliczania prawdopodobieństwa. Bohr podkreślił, że jedyne, co można przewidzieć, to wynik eksperymentów fizycznych, więc wszelkie drugorzędne kwestie nie powinny dotyczyć nauk ścisłych, ale filozofii. W swoich opracowaniach wyznawał filozoficzną koncepcję pozytywizmu, wymagającą, aby nauka omawiała tylko rzeczy naprawdę mierzalne.
Eksperyment z podwójną szczeliną
W eksperymencie z dwiema szczelinami światło przechodzące przez dwie szczeliny pada na ekran, na którym pojawiają się dwie prążki interferencyjne: ciemna i jasna. Proces ten tłumaczy się tym, że w niektórych miejscach fale świetlne mogą się wzajemnie wzmacniać, aw innych znosić. Z drugiej strony eksperyment pokazuje, że światło ma właściwości części przepływowej, a elektrony mogą wykazywać właściwości falowe, dając wzór interferencji.
Można założyć, że eksperyment przeprowadzany jest ze strumieniem fotonów (lub elektronów) o tak małym natężeniu, że za każdym razem przez szczeliny przechodzi tylko jedna cząstka. Niemniej jednak, dodając punkty, w których fotony uderzają w ekran, ten sam wzór interferencyjny uzyskuje się z nałożonych fal, mimo że eksperyment dotyczy rzekomo oddzielnych cząstek. Dzieje się tak, ponieważ żyjemy w "probabilistycznym" wszechświecie, w którym każde przyszłe zdarzenie ma redystrybuowany stopień prawdopodobieństwa, a prawdopodobieństwo, że w następnej chwili wydarzy się coś zupełnie nieprzewidzianego, jest raczej niewielkie.
Pytania
Doświadczenie szczeliny stawia takiepytania:
- Jakie będą zasady zachowania poszczególnych cząstek? Prawa mechaniki kwantowej wskazują statystycznie położenie ekranu, w którym będą znajdować się cząstki. Pozwalają obliczyć położenie jasnych pasm, które prawdopodobnie zawierają wiele cząstek, oraz ciemnych pasm, gdzie mniej cząstek prawdopodobnie spadnie. Jednak prawa rządzące mechaniką kwantową nie mogą przewidzieć, gdzie dana cząstka faktycznie trafi.
- Co dzieje się z cząstką w momencie pomiędzy emisją a rejestracją? Zgodnie z wynikami obserwacji można stworzyć wrażenie, że cząstka wchodzi w interakcję z obiema szczelinami. Wydaje się, że jest to sprzeczne z regularnościami zachowania cząstki punktowej. Co więcej, gdy cząstka jest zarejestrowana, staje się punktem.
- Pod wpływem czego cząsteczka zmienia swoje zachowanie ze statycznego na niestatyczne i odwrotnie? Kiedy cząstka przechodzi przez szczeliny, jej zachowanie jest określane przez niezlokalizowane funkcje falowe przechodzące przez obie szczeliny w tym samym czasie. W momencie rejestracji cząstki jest ona zawsze ustalana jako punkt i nigdy nie uzyskuje się rozmytej paczki falowej.
Odpowiedzi
Kopenhaska teoria interpretacji kwantowej odpowiada na następujące pytania:
- Zupełnie niemożliwe jest wyeliminowanie probabilistycznej natury przewidywań mechaniki kwantowej. Oznacza to, że nie może dokładnie wskazać ograniczenia ludzkiej wiedzy na temat jakichkolwiek zmiennych ukrytych. Fizyka klasyczna odnosi się doprawdopodobieństwo w tych przypadkach, gdy konieczne jest opisanie procesu, takiego jak rzucanie kostką. Oznacza to, że prawdopodobieństwo zastępuje niepełną wiedzę. Wręcz przeciwnie, kopenhaska interpretacja mechaniki kwantowej Heisenberga i Bohra stwierdza, że wynik pomiarów w mechanice kwantowej jest zasadniczo niedeterministyczny.
- Fizyka to nauka zajmująca się badaniem wyników procesów pomiarowych. Błędem jest spekulowanie o tym, co się w ich wyniku dzieje. Zgodnie z interpretacją kopenhaską pytania o to, gdzie znajdowała się cząsteczka przed momentem jej rejestracji, oraz inne podobne wymysły są bez znaczenia i dlatego należy je wykluczyć z refleksji.
- Działanie pomiaru prowadzi do natychmiastowego załamania funkcji falowej. Dlatego proces pomiaru losowo wybiera tylko jedną z możliwości, na które pozwala funkcja falowa danego stanu. Aby odzwierciedlić ten wybór, funkcja fali musi się natychmiast zmienić.
Formularze
Sformułowanie interpretacji kopenhaskiej w jej pierwotnej formie dało początek kilku odmianom. Najczęstsze z nich opierają się na podejściu spójnych zdarzeń i takim pojęciu jak dekoherencja kwantowa. Dekoherencja pozwala obliczyć rozmytą granicę między makro- i mikroświatem. Pozostałe odmiany różnią się stopniem „realizmu świata fal”.
Krytyka
Właściwość mechaniki kwantowej (odpowiedź Heisenberga i Bohra na pierwsze pytanie) została zakwestionowana w eksperymencie myślowym przeprowadzonym przez Einsteina, Podolsky'ego iRosen (paradoks EPR). Dlatego naukowcy chcieli udowodnić, że istnienie ukrytych parametrów jest konieczne, aby teoria nie prowadziła do natychmiastowego i nielokalnego „działania dalekiego zasięgu”. Jednak podczas weryfikacji paradoksu EPR, możliwego dzięki nierównościom Bella, udowodniono, że mechanika kwantowa jest poprawna, a różne teorie ukrytych zmiennych nie mają potwierdzenia eksperymentalnego.
Najbardziej problematyczną odpowiedzią była jednak odpowiedź Heisenberga i Bohra na trzecie pytanie, które stawiało procesy pomiarowe na szczególnej pozycji, ale nie określało obecności w nich cech dystynktywnych.
Wielu naukowców, zarówno fizyków, jak i filozofów, stanowczo odmówiło przyjęcia kopenhaskiej interpretacji fizyki kwantowej. Pierwszym powodem tego było to, że interpretacja Heisenberga i Bohra nie była deterministyczna. Po drugie, wprowadzono niejasne pojęcie pomiaru, które przekształciło funkcje prawdopodobieństwa w prawidłowe wyniki.
Einstein był pewien, że opis rzeczywistości fizycznej podany przez mechanikę kwantową w interpretacji Heisenberga i Bohra jest niekompletny. Według Einsteina, znalazł pewną logikę w interpretacji kopenhaskiej, ale jego naukowe instynkty nie chciały jej zaakceptować. Więc Einstein nie mógł przestać szukać pełniejszej koncepcji.
W liście do Borna Einstein powiedział: "Jestem pewien, że Bóg nie rzuca kostką!". Niels Bohr, komentując to zdanie, powiedział Einsteinowi, aby nie mówił Bogu, co ma robić. A w rozmowie z Abrahamem Paisem Einstein wykrzyknął: „Naprawdę myślisz, że księżyc istniejetylko kiedy na to patrzysz?”.
Erwin Schrödinger wymyślił eksperyment myślowy z kotem, dzięki któremu chciał wykazać niższość mechaniki kwantowej podczas przechodzenia od układów subatomowych do mikroskopowych. Jednocześnie za problematyczne uznano konieczne załamanie funkcji falowej w przestrzeni. Zgodnie z teorią względności Einsteina, natychmiastowość i jednoczesność mają sens tylko dla obserwatora znajdującego się w tym samym układzie odniesienia. Tak więc nie ma czasu, który mógłby stać się jednym dla wszystkich, co oznacza, że nie można określić natychmiastowego zawalenia.
Dystrybucja
Nieformalne badanie przeprowadzone w środowisku akademickim w 1997 r. wykazało, że dotychczas dominująca interpretacja kopenhaska, omówiona pokrótce powyżej, została poparta przez mniej niż połowę respondentów. Ma jednak więcej zwolenników niż inne interpretacje indywidualnie.
Alternatywna
Wielu fizyków jest bliższych innej interpretacji mechaniki kwantowej, zwanej „żadną”. Istotę tej interpretacji wyczerpująco wyraża dictum Davida Mermina: „Zamknij się i kalkuluj!”, które często przypisuje się Richardowi Feynmanowi czy Paulowi Diracowi.
