Interpretarea de la Copenhaga este o explicație a mecanicii cuantice formulată de Niels Bohr și Werner Heisenberg în 1927, când oamenii de știință lucrau împreună la Copenhaga. Bohr și Heisenberg au reușit să îmbunătățească interpretarea probabilistică a funcției formulată de M. Born și au încercat să răspundă la o serie de întrebări care apar din cauza dualității undă-particulă. Acest articol va lua în considerare ideile principale ale interpretării de la Copenhaga a mecanicii cuantice și impactul lor asupra fizicii moderne.
Probleme
Interpretările mecanicii cuantice au numit concepții filozofice asupra naturii mecanicii cuantice ca teorie care descrie lumea materială. Cu ajutorul lor, a fost posibil să se răspundă la întrebări despre esența realității fizice, metoda de studiere a acesteia, natura cauzalității și determinismului, precum și esența statisticii și locul ei în mecanica cuantică. Mecanica cuantică este considerată a fi cea mai rezonantă teorie din istoria științei, dar încă nu există un consens în înțelegerea ei profundă. Există o serie de interpretări ale mecanicii cuantice șiastăzi ne vom familiariza cu cele mai populare dintre ele.
Idei cheie
După cum știți, lumea fizică este formată din obiecte cuantice și instrumente de măsură clasice. Modificarea stării instrumentelor de măsură descrie un proces statistic ireversibil de modificare a caracteristicilor micro-obiectelor. Atunci când un micro-obiect interacționează cu atomii dispozitivului de măsurare, suprapunerea este redusă la o stare, adică funcția de undă a obiectului de măsurat este redusă. Ecuația Schrödinger nu descrie acest rezultat.
Din punctul de vedere al interpretării de la Copenhaga, mecanica cuantică nu descrie micro-obiectele în sine, ci proprietățile acestora, care se manifestă în condiții macro create de instrumentele de măsură tipice în timpul observației. Comportarea obiectelor atomice nu poate fi distinsă de interacțiunea lor cu instrumentele de măsură care stabilesc condițiile de apariție a fenomenelor.
O privire asupra mecanicii cuantice
Mecanica cuantică este o teorie statică. Acest lucru se datorează faptului că măsurarea unui micro-obiect duce la o schimbare a stării acestuia. Deci există o descriere probabilistică a poziției inițiale a obiectului, descrisă de funcția de undă. Funcția de undă complexă este un concept central în mecanica cuantică. Funcția de undă se schimbă într-o nouă dimensiune. Rezultatul acestei măsurători depinde de funcția de undă, în mod probabilistic. Doar pătratul modulului funcției de undă are semnificație fizică, ceea ce confirmă probabilitatea ca studiulmicroobiectul este situat într-un anumit loc în spațiu.
În mecanica cuantică, legea cauzalității este îndeplinită în raport cu funcția de undă, care variază în timp în funcție de condițiile inițiale, și nu în raport cu coordonatele vitezei particulelor, ca în interpretarea clasică a mecanicii. Datorită faptului că doar pătratul modulului funcției de undă este înzestrat cu o valoare fizică, valorile sale inițiale nu pot fi determinate în principiu, ceea ce duce la o anumită imposibilitate de a obține cunoștințe exacte despre starea inițială a sistemului cuantic..
Baze filozofice
Din punct de vedere filozofic, baza interpretării de la Copenhaga sunt principiile epistemologice:
- Observabilitate. Esența sa constă în excluderea din teoria fizică a acelor afirmații care nu pot fi verificate prin observație directă.
- Suplimente. Presupune că valul și descrierea corpusculară a obiectelor microlumii se completează reciproc.
- Incertitudini. Spune că coordonatele micro-obiectelor și impulsul lor nu pot fi determinate separat și cu o acuratețe absolută.
- Determinism static. Se presupune că starea actuală a sistemului fizic este determinată de stările sale anterioare nu clar, ci doar cu un anumit grad de probabilitate de implementare a tendințelor de schimbare stabilite în trecut.
- Potrivire. Conform acestui principiu, legile mecanicii cuantice sunt transformate în legile mecanicii clasice atunci când este posibil să neglijăm mărimea cuantumului de acțiune.
Beneficii
În fizica cuantică, informațiile despre obiectele atomice, obținute prin configurații experimentale, sunt într-o relație particulară între ele. În relațiile de incertitudine ale lui Werner Heisenberg, există o proporționalitate inversă între inexactitățile în fixarea variabilelor cinetice și dinamice care determină starea unui sistem fizic în mecanica clasică.
Un avantaj semnificativ al interpretării de la Copenhaga a mecanicii cuantice este faptul că nu operează cu declarații detaliate în mod direct despre cantități neobservabile fizic. În plus, cu un minim de cerințe prealabile, construiește un sistem conceptual care descrie exhaustiv faptele experimentale disponibile în acest moment.
Semnificația funcției de undă
Conform interpretării de la Copenhaga, funcția de undă poate fi supusă a două procese:
- Evoluție unitară, care este descrisă de ecuația Schrödinger.
- Măsurare.
Nimeni nu a avut îndoieli cu privire la primul proces în comunitatea științifică, iar al doilea proces a provocat discuții și a dat naștere la o serie de interpretări, chiar și în cadrul interpretării de la Copenhaga a conștiinței însăși. Pe de o parte, există toate motivele să credem că funcția de undă nu este altceva decât un obiect fizic real și că se prăbușește în timpul celui de-al doilea proces. Pe de altă parte, funcția de undă poate să nu fie o entitate reală, ci un instrument matematic auxiliar, al cărui singur scopeste de a oferi capacitatea de a calcula probabilitatea. Bohr a subliniat că singurul lucru care poate fi prezis este rezultatul experimentelor fizice, așa că toate problemele secundare nu ar trebui să fie legate de știința exactă, ci de filozofie. El a profesat în dezvoltările sale conceptul filozofic al pozitivismului, cerând ca știința să discute doar lucruri cu adevărat măsurabile.
Experiment cu dublă fantă
Într-un experiment cu două fante, lumina care trece prin două fante cade pe ecran, pe care apar două franjuri de interferență: întuneric și deschis. Acest proces se explică prin faptul că undele luminoase se pot amplifica reciproc în unele locuri și se pot anula reciproc în altele. Pe de altă parte, experimentul ilustrează faptul că lumina are proprietățile unei părți de flux, iar electronii pot prezenta proprietăți de undă, oferind în același timp un model de interferență.
Se poate presupune că experimentul este efectuat cu un flux de fotoni (sau electroni) de o intensitate atât de scăzută încât doar o particulă trece prin sloturi de fiecare dată. Cu toate acestea, la adăugarea punctelor în care fotonii lovesc ecranul, același model de interferență este obținut din unde suprapuse, în ciuda faptului că experimentul se referă la particule presupuse separate. Acest lucru se datorează faptului că trăim într-un univers „probabilistic”, în care fiecare eveniment viitor are un grad de posibilitate redistribuit, iar probabilitatea ca ceva complet neprevăzut să se întâmple în următorul moment de timp este destul de mică.
Întrebări
Slit experiența pune astfelîntrebări:
- Care vor fi regulile de comportare a particulelor individuale? Legile mecanicii cuantice indică locația ecranului în care se vor afla particulele, statistic. Acestea vă permit să calculați locația benzilor luminoase, care este probabil să conțină multe particule, și a benzilor întunecate, unde este probabil să cadă mai puține particule. Cu toate acestea, legile care guvernează mecanica cuantică nu pot prezice unde va ajunge de fapt o particulă individuală.
- Ce se întâmplă cu particulele în momentul dintre emisie și înregistrare? Conform rezultatelor observațiilor, se poate crea impresia că particula este în interacțiune cu ambele fante. Se pare că acest lucru contrazice regularitățile comportamentului unei particule punctiforme. În plus, atunci când o particulă este înregistrată, aceasta devine un punct.
- Sub influența a ce își schimbă o particulă comportamentul de la static la non-static și invers? Când o particulă trece prin fante, comportamentul ei este determinat de o funcție de undă nelocalizată care trece prin ambele fante în același timp. În momentul înregistrării unei particule, aceasta este întotdeauna fixată ca punct și nu se obține niciodată un pachet de undă neclară.
Răspunsuri
Teoria de la Copenhaga a interpretării cuantice răspunde la întrebările puse după cum urmează:
- Este fundamental imposibil de eliminat natura probabilistică a predicțiilor mecanicii cuantice. Adică, nu poate indica cu exactitate limitarea cunoștințelor umane despre orice variabile latente. La fizica clasică se referăprobabilitate în acele cazuri când este necesar să se descrie un proces precum aruncarea zarurilor. Adică, probabilitatea înlocuiește cunoștințele incomplete. Interpretarea de la Copenhaga a mecanicii cuantice de către Heisenberg și Bohr, dimpotrivă, afirmă că rezultatul măsurătorilor în mecanica cuantică este fundamental nedeterminist.
- Fizica este o știință care studiază rezultatele proceselor de măsurare. Este greșit să speculăm cu privire la ceea ce se întâmplă ca urmare a acestora. Conform interpretării de la Copenhaga, întrebările despre locul unde se afla particula înainte de momentul înregistrării ei și alte invenții similare sunt lipsite de sens și, prin urmare, ar trebui excluse de la reflecție.
- Actul de măsurare duce la o prăbușire instantanee a funcției de undă. Prin urmare, procesul de măsurare alege aleatoriu doar una dintre posibilitățile pe care le permite funcția de undă a unei stări date. Și pentru a reflecta această alegere, funcția de undă trebuie să se schimbe instantaneu.
Formulare
Formularea interpretării de la Copenhaga în forma sa originală a dat naștere mai multor variații. Cea mai comună dintre ele se bazează pe abordarea unor evenimente consistente și pe un astfel de concept precum decoerența cuantică. Decoerența vă permite să calculați granița neclară dintre macro și microlumi. Variațiile rămase diferă în ceea ce privește gradul de „realism al lumii valurilor”.
Critice
Valabilitatea mecanicii cuantice (răspunsul lui Heisenberg și Bohr la prima întrebare) a fost pusă la îndoială într-un experiment de gândire condus de Einstein, Podolsky șiRosen (paradoxul EPR). Astfel, oamenii de știință au vrut să demonstreze că existența parametrilor ascunși este necesară pentru ca teoria să nu conducă la „acțiune pe distanță lungă” instantanee și non-locale. Cu toate acestea, în timpul verificării paradoxului EPR, posibil de inegalitățile lui Bell, s-a dovedit că mecanica cuantică este corectă, iar diferitele teorii ale variabilelor ascunse nu au nicio confirmare experimentală.
Dar cel mai problematic răspuns a fost răspunsul lui Heisenberg și Bohr la a treia întrebare, care a plasat procesele de măsurare într-o poziție specială, dar nu a determinat prezența unor trăsături distinctive în ele.
Mulți oameni de știință, atât fizicieni, cât și filozofi, au refuzat categoric să accepte interpretarea de la Copenhaga a fizicii cuantice. Primul motiv pentru aceasta a fost că interpretarea lui Heisenberg și Bohr nu a fost deterministă. Și al doilea este că a introdus o noțiune vagă de măsurare care a transformat funcțiile de probabilitate în rezultate valide.
Einstein era sigur că descrierea realității fizice dată de mecanica cuantică, așa cum a fost interpretată de Heisenberg și Bohr, era incompletă. Potrivit lui Einstein, el a găsit o oarecare logică în interpretarea de la Copenhaga, dar instinctele sale științifice au refuzat să o accepte. Așa că Einstein nu s-a putut opri din căutarea unui concept mai complet.
În scrisoarea sa către Born, Einstein a spus: „Sunt sigur că Dumnezeu nu aruncă zarurile!”. Niels Bohr, comentând această frază, i-a spus lui Einstein să nu-i spună lui Dumnezeu ce să facă. Și în conversația sa cu Abraham Pais, Einstein a exclamat: „Chiar crezi că luna existădoar când te uiți la ea?”.
Erwin Schrödinger a venit cu un experiment de gândire cu o pisică, prin care a vrut să demonstreze inferioritatea mecanicii cuantice în timpul tranziției de la sistemele subatomice la cele microscopice. În același timp, prăbușirea necesară a funcției de undă în spațiu a fost considerată problematică. Conform teoriei relativității a lui Einstein, instantaneitatea și simultaneitatea au sens doar pentru un observator care se află în același cadru de referință. Astfel, nu există timp care să devină unul pentru toți, ceea ce înseamnă că colapsul instantaneu nu poate fi determinat.
Distribuție
Un sondaj informal realizat în mediul academic în 1997 a arătat că interpretarea Copenhaga dominantă anterior, discutată pe scurt mai sus, a fost susținută de mai puțin de jumătate dintre respondenți. Cu toate acestea, are mai mulți adepți decât celel alte interpretări individual.
alternativă
Mulți fizicieni sunt mai aproape de o altă interpretare a mecanicii cuantice, care se numește „niciuna”. Esența acestei interpretări este exprimată exhaustiv în dictonul lui David Mermin: „Taci și calculează!”, care este adesea atribuit lui Richard Feynman sau Paul Dirac.
