Københavnska interpretacija je razlaga kvantne mehanike, ki sta jo oblikovala Niels Bohr in Werner Heisenberg leta 1927, ko so znanstveniki sodelovali v Kopenhagnu. Bohr in Heisenberg sta uspela izboljšati verjetnostno interpretacijo funkcije, ki jo je oblikoval M. Born, in skušala odgovoriti na številna vprašanja, ki se porajajo zaradi dualnosti valov-delec. Ta članek bo obravnaval glavne ideje københavnske interpretacije kvantne mehanike in njihov vpliv na sodobno fiziko.
Probleme
Interpretacije kvantne mehanike se imenujejo filozofski pogledi na naravo kvantne mehanike kot teorije, ki opisuje materialni svet. Z njihovo pomočjo je bilo mogoče odgovoriti na vprašanja o bistvu fizične realnosti, načinu njenega preučevanja, naravi vzročnosti in determinizma ter o bistvu statistike in njenem mestu v kvantni mehaniki. Kvantna mehanika velja za najbolj odmevno teorijo v zgodovini znanosti, vendar še vedno ni soglasja glede njenega globokega razumevanja. Obstajajo številne interpretacije kvantne mehanike indanes se bomo seznanili z najbolj priljubljenimi med njimi.
Ključne ideje
Kot veste, je fizični svet sestavljen iz kvantnih objektov in klasičnih merilnih instrumentov. Sprememba stanja merilnih instrumentov opisuje nepovraten statistični proces spreminjanja lastnosti mikroobjektov. Ko mikroobjek interagira z atomi merilne naprave, se superpozicija zmanjša na eno stanje, to je valovna funkcija merilnega predmeta. Schrödingerjeva enačba ne opisuje tega rezultata.
Z vidika kopenhagenske interpretacije kvantna mehanika ne opisuje samih mikroobjektov, temveč njihove lastnosti, ki se kažejo v makropogojih, ki jih ustvarijo tipični merilni instrumenti med opazovanjem. Obnašanje atomskih objektov ni mogoče razlikovati od njihove interakcije z merilnimi instrumenti, ki določajo pogoje za pojav pojavov.
Pogled na kvantno mehaniko
Kvantna mehanika je statična teorija. To je posledica dejstva, da meritev mikroobjekta vodi v spremembo njegovega stanja. Torej obstaja verjetnostni opis začetnega položaja predmeta, ki ga opisuje valovna funkcija. Kompleksna valovna funkcija je osrednji koncept v kvantni mehaniki. Valovna funkcija se spremeni v novo dimenzijo. Rezultat te meritve je na verjetnostni način odvisen od valovne funkcije. Samo kvadrat modula valovne funkcije ima fizični pomen, kar potrjuje verjetnost, da je proučevanomikro objekt se nahaja na določenem mestu v prostoru.
V kvantni mehaniki je zakon vzročnosti izpolnjen glede na valovno funkcijo, ki se časovno spreminja glede na začetne pogoje, in ne glede na koordinate hitrosti delcev, kot v klasični interpretaciji mehanike. Zaradi dejstva, da je samo kvadrat modula valovne funkcije obdarjen s fizično vrednostjo, njegovih začetnih vrednosti načeloma ni mogoče določiti, kar vodi v določeno nezmožnost pridobivanja natančnega znanja o začetnem stanju kvantnega sistema..
filozofska osnova
S filozofskega vidika so osnova københavnske razlage epistemološka načela:
- Opazljivost. Njegovo bistvo je v izključitvi iz fizične teorije tistih izjav, ki jih ni mogoče preveriti z neposrednim opazovanjem.
- Dodatki. Predpostavlja, da se valovni in korpuskularni opis predmetov mikrosveta dopolnjujeta.
- Negotovosti. Pravi, da koordinat mikroobjektov in njihovega zagona ni mogoče določiti ločeno in z absolutno natančnostjo.
- Statični determinizem. Predpostavlja, da trenutno stanje fizičnega sistema določajo njegova prejšnja stanja ne enoznačno, ampak le z določeno mero verjetnosti izvajanja trendov sprememb, ki so bili določeni v preteklosti.
- Ujemanje. Po tem principu se zakoni kvantne mehanike preoblikujejo v zakone klasične mehanike, ko je mogoče zanemariti velikost kvanta delovanja.
Ugodnosti
V kvantni fiziki so informacije o atomskih objektih, pridobljene z eksperimentalnimi nastavitvami, med seboj v posebnem razmerju. V razmerjih negotovosti Wernerja Heisenberga obstaja obratna sorazmernost med netočnostmi pri določanju kinetičnih in dinamičnih spremenljivk, ki določajo stanje fizičnega sistema v klasični mehaniki.
Pomembna prednost københavnske razlage kvantne mehanike je dejstvo, da ne deluje neposredno s podrobnimi izjavami o fizično neopaznih količinah. Poleg tega z minimalnimi predpogoji gradi konceptualni sistem, ki izčrpno opisuje eksperimentalna dejstva, ki so trenutno na voljo.
Pomen valovne funkcije
V skladu s köbenhavnsko interpretacijo je valovna funkcija lahko predmet dveh procesov:
- Enotna evolucija, ki jo opisuje Schrödingerjeva enačba.
- Merenje.
O prvem procesu v znanstveni skupnosti nihče ni dvomil, drugi proces pa je sprožil razprave in sprožil številne interpretacije tudi v okviru københavnske interpretacije zavesti same. Po eni strani obstajajo vsi razlogi za domnevo, da valovna funkcija ni nič drugega kot resničen fizični objekt in da se med drugim procesom sesuje. Po drugi strani pa valovna funkcija morda ni resnična entiteta, ampak pomožno matematično orodje, katerega edini namen jeje zagotoviti možnost izračuna verjetnosti. Bohr je poudaril, da je edina stvar, ki jo je mogoče predvideti, rezultat fizikalnih poskusov, zato vsa stranska vprašanja ne bi smela biti povezana z eksaktno znanostjo, temveč s filozofijo. V svojem razvoju je izpovedoval filozofski koncept pozitivizma, ki je zahteval, da znanost razpravlja samo o resnično merljivih stvareh.
preizkus z dvojno režo
V poskusu z dvema režama svetloba, ki prehaja skozi dve reži, pade na zaslon, na katerem se pojavita dva interferenčna obrobja: temna in svetla. Ta proces je razložen z dejstvom, da se lahko svetlobni valovi na nekaterih mestih medsebojno ojačajo, na drugih pa izničijo. Po drugi strani pa eksperiment ponazarja, da ima svetloba lastnosti pretočnega dela, elektroni pa lahko kažejo lastnosti valovanja, hkrati pa dajejo interferenčni vzorec.
Lahko predpostavimo, da je eksperiment izveden s tokom fotonov (ali elektronov) tako nizke intenzivnosti, da skozi reže preide vsakič samo en delec. Kljub temu se pri dodajanju točk, kjer fotoni udarijo v zaslon, dobimo enak interferenčni vzorec iz prekritih valov, kljub dejstvu, da poskus zadeva domnevno ločene delce. To je zato, ker živimo v "verjetnem" vesolju, v katerem ima vsak prihodnji dogodek prerazporejeno stopnjo možnosti in je verjetnost, da se bo v naslednjem trenutku zgodilo nekaj povsem nepredvidenega, precej majhna.
Vprašanja
Slit izkušnja postavlja takevprašanja:
- Kakšna bodo pravila za obnašanje posameznih delcev? Zakoni kvantne mehanike statistično kažejo lokacijo zaslona, v katerem bodo delci. Omogočajo vam izračun lokacije svetlih pasov, ki verjetno vsebujejo veliko delcev, in temnih pasov, kjer bo verjetno padlo manj delcev. Vendar zakoni, ki urejajo kvantno mehaniko, ne morejo predvideti, kje bo posamezni delec dejansko končal.
- Kaj se zgodi z delcem v trenutku med emisijo in registracijo? Glede na rezultate opazovanj se lahko ustvari vtis, da je delec v interakciji z obema režama. Zdi se, da je to v nasprotju z zakonitostmi obnašanja točkovnega delca. Poleg tega, ko je delec registriran, postane točka.
- Pod vplivom česa delec spremeni svoje obnašanje iz statičnega v nestatično in obratno? Ko delec prehaja skozi reže, je njegovo obnašanje določeno z nelokalizirano valovno funkcijo, ki poteka skozi obe reži hkrati. V trenutku registracije delca je vedno fiksiran kot točka in nikoli ne dobimo zamegljenega valovnega paketa.
Odgovori
Kopenhagenska teorija kvantne interpretacije odgovarja na naslednja vprašanja:
- V osnovi je nemogoče odpraviti verjetnostno naravo napovedi kvantne mehanike. To pomeni, da ne more natančno nakazati omejitve človeškega znanja o kakršnih koli latentnih spremenljivkah. Klasična fizika se nanaša naverjetnost v tistih primerih, ko je treba opisati proces, kot je metanje kocke. To pomeni, da verjetnost nadomesti nepopolno znanje. Kopenhagenska razlaga kvantne mehanike Heisenberga in Bohra, nasprotno, navaja, da je rezultat meritev v kvantni mehaniki v osnovi nedeterminističen.
- Fizika je znanost, ki preučuje rezultate merilnih procesov. Napačno je špekulirati o tem, kaj se zgodi zaradi njih. Po københavnski razlagi so vprašanja o tem, kje je bil delec pred registracijo, in druge podobne izmišljotine nesmiselna, zato jih je treba izključiti iz razmišljanja.
- Dejanje meritve vodi do trenutnega kolapsa valovne funkcije. Zato meritveni proces naključno izbere samo eno od možnosti, ki jih dopušča valovna funkcija danega stanja. In da odraža to izbiro, se mora valovna funkcija takoj spremeniti.
Obrazci
Formulacija københavnske razlage v izvirni obliki je povzročila več različic. Najpogostejši od njih temelji na pristopu konsistentnih dogodkov in takem konceptu, kot je kvantna dekoherenca. Dekoherenca vam omogoča, da izračunate mehko mejo med makro- in mikrosvetovi. Preostale različice se razlikujejo po stopnji "realizma valovnega sveta."
Kritika
Veljavnost kvantne mehanike (Heisenbergov in Bohrov odgovor na prvo vprašanje) je bila postavljena pod vprašaj v miselnem eksperimentu, ki so ga izvedli Einstein, Podolsky inRosen (paradoks EPR). Tako so znanstveniki želeli dokazati, da je obstoj skritih parametrov nujen, da teorija ne vodi v takojšnje in nelokalno "delovanje na dolge razdalje". Vendar pa je bilo med preverjanjem paradoksa EPR, ki ga omogočajo Bellove neenakosti, dokazano, da je kvantna mehanika pravilna, različne teorije skritih spremenljivk pa nimajo eksperimentalne potrditve.
A najbolj problematičen odgovor je bil Heisenbergov in Bohrov odgovor na tretje vprašanje, ki je merilne procese postavilo v poseben položaj, ni pa ugotovilo prisotnosti razlikovalnih značilnosti v njih.
Številni znanstveniki, tako fiziki kot filozofi, so odločno zavrnili københavnsko razlago kvantne fizike. Prvi razlog za to je bil, da interpretacija Heisenberga in Bohra ni bila deterministična. In drugi je, da je uvedel nejasno predstavo o merjenju, ki je verjetnostne funkcije spremenilo v veljavne rezultate.
Einstein je bil prepričan, da je opis fizične realnosti, ki ga je podala kvantna mehanika, kot sta jo interpretirala Heisenberg in Bohr, nepopoln. Po Einsteinu je našel nekaj logike v københavnski razlagi, vendar je njegovi znanstveni instinkti niso želeli sprejeti. Tako Einstein ni mogel nehati iskati bolj popolnega koncepta.
Einstein je v svojem pismu Bornu dejal: "Prepričan sem, da Bog ne meče kocke!". Niels Bohr je ob komentiranju te fraze rekel Einsteinu, naj ne govori Bogu, kaj naj naredi. In v pogovoru z Abrahamom Paisom je Einstein vzkliknil: »Res mislite, da luna obstajasamo ko ga pogledaš?".
Erwin Schrödinger je pripravil miselni eksperiment z mačko, s katerim je želel pokazati manjvrednost kvantne mehanike med prehodom iz subatomskih v mikroskopske sisteme. Hkrati se je nujen kolaps valovne funkcije v prostoru štel za problematičnega. Po Einsteinovi teoriji relativnosti sta trenutnost in simultanost smiselna le za opazovalca, ki je v istem referenčnem okviru. Tako ni časa, ki bi lahko postal en za vse, kar pomeni, da takojšnjega zloma ni mogoče določiti.
Distribucija
Neformalna raziskava, izvedena v akademskih krogih leta 1997, je pokazala, da je prej prevladujočo københavnsko razlago, o kateri smo na kratko razpravljali zgoraj, podprla manj kot polovica anketirancev. Vendar ima več privržencev kot druge interpretacije posamezno.
Alternativa
Mnogi fiziki so bližje drugi razlagi kvantne mehanike, ki se imenuje "nobena". Bistvo te interpretacije je izčrpno izraženo v izreku Davida Mermina: "Utihni in računaj!", ki ga pogosto pripisujejo Richardu Feynmanu ali Paulu Diracu.
