The Copenhagen Interpretation er en forklaring på kvantemekanikken formuleret af Niels Bohr og Werner Heisenberg i 1927, da forskerne arbejdede sammen i København. Bohr og Heisenberg var i stand til at forbedre den probabilistiske fortolkning af funktionen formuleret af M. Born og forsøgte at besvare en række spørgsmål, der opstår på grund af bølge-partikel dualitet. Denne artikel vil overveje hovedideerne i den københavnske fortolkning af kvantemekanik og deres indvirkning på moderne fysik.
Problems
Fortolkninger af kvantemekanik kaldet filosofiske synspunkter om karakteren af kvantemekanik som en teori, der beskriver den materielle verden. Med deres hjælp var det muligt at besvare spørgsmål om essensen af den fysiske virkelighed, metoden til at studere den, arten af kausalitet og determinisme, såvel som essensen af statistik og dens plads i kvantemekanikken. Kvantemekanik anses for at være den mest resonante teori i videnskabens historie, men der er stadig ingen konsensus i dens dybe forståelse. Der er en række fortolkninger af kvantemekanik, ogi dag vil vi stifte bekendtskab med de mest populære af dem.
Nøgleideer
Som du ved, består den fysiske verden af kvanteobjekter og klassiske måleinstrumenter. Ændringen i måleinstrumenternes tilstand beskriver en irreversibel statistisk proces med ændring af mikroobjekters egenskaber. Når et mikroobjekt interagerer med måleapparatets atomer, reduceres superpositionen til én tilstand, det vil sige, at måleobjektets bølgefunktion reduceres. Schrödinger-ligningen beskriver ikke dette resultat.
Set fra københavnerfortolkningens synspunkt beskriver kvantemekanikken ikke selve mikroobjekter, men deres egenskaber, som manifesterer sig i makroforhold skabt af typiske måleinstrumenter under observation. Atomobjekters adfærd kan ikke skelnes fra deres interaktion med måleinstrumenter, der fastlægger betingelserne for forekomsten af fænomener.
Et kig på kvantemekanik
Kvantemekanik er en statisk teori. Dette skyldes det faktum, at målingen af et mikroobjekt fører til en ændring i dets tilstand. Så der er en probabilistisk beskrivelse af objektets begyndelsesposition, beskrevet af bølgefunktionen. Den komplekse bølgefunktion er et centr alt begreb i kvantemekanikken. Bølgefunktionen ændres til en ny dimension. Resultatet af denne måling afhænger af bølgefunktionen på en sandsynlig måde. Kun kvadratet af bølgefunktionens modul har fysisk betydning, hvilket bekræfter sandsynligheden for, at den undersøgtemikroobjektet er placeret et bestemt sted i rummet.
I kvantemekanikken er kausalitetsloven opfyldt med hensyn til bølgefunktionen, som varierer i tid afhængig af startbetingelserne, og ikke med hensyn til partikelhastighedskoordinaterne, som i den klassiske fortolkning af mekanik. På grund af det faktum, at kun kvadratet af modulet af bølgefunktionen er udstyret med en fysisk værdi, kan dens begyndelsesværdier i princippet ikke bestemmes, hvilket fører til en vis umulighed at opnå nøjagtig viden om kvantesystemets begyndelsestilstand.
Filosofisk grundlag
Fra et filosofisk synspunkt er grundlaget for den københavnske fortolkning epistemologiske principper:
- Observabilitet. Dens essens ligger i udelukkelsen fra den fysiske teori af de udsagn, som ikke kan verificeres ved direkte observation.
- Ekstra. Antager, at bølgebeskrivelsen og den korpuskulære beskrivelse af objekterne i mikroverdenen komplementerer hinanden.
- Usikkerheder. Siger, at koordinaten for mikroobjekter og deres momentum ikke kan bestemmes separat og med absolut nøjagtighed.
- Statisk determinisme. Den antager, at den nuværende tilstand af det fysiske system ikke er entydigt bestemt af dets tidligere tilstande, men kun med en vis grad af sandsynlighed for implementeringen af de forandringstendenser, der er fastlagt i fortiden.
- Matchende. Ifølge dette princip omdannes kvantemekanikkens love til den klassiske mekaniks love, når det er muligt at negligere størrelsen af handlingskvantet.
Benefits
I kvantefysikken er information om atomare objekter, opnået gennem eksperimentelle opstillinger, i et ejendommeligt forhold til hinanden. I Werner Heisenbergs usikkerhedsrelationer er der en omvendt proportionalitet mellem unøjagtighederne i fikseringen af de kinetiske og dynamiske variable, der bestemmer tilstanden af et fysisk system i klassisk mekanik.
En væsentlig fordel ved den københavnske fortolkning af kvantemekanik er, at den ikke opererer med detaljerede udsagn direkte om fysisk uobserverbare størrelser. Derudover bygger den med et minimum af forudsætninger et konceptuelt system, der udtømmende beskriver de eksperimentelle fakta, der er tilgængelige i øjeblikket.
Betydningen af bølgefunktionen
Ifølge københavnerfortolkningen kan bølgefunktionen være genstand for to processer:
- Unitary evolution, som er beskrevet af Schrödinger-ligningen.
- Measuring.
Ingen var i tvivl om den første proces i det videnskabelige samfund, og den anden proces gav anledning til diskussioner og gav anledning til en række fortolkninger, også inden for rammerne af selve den københavnske bevidsthedsfortolkning. På den ene side er der al mulig grund til at tro, at bølgefunktionen ikke er andet end en virkelig fysisk genstand, og at den kollapser under den anden proces. På den anden side er bølgefunktionen måske ikke en reel enhed, men et matematisk hjælpeværktøj, hvis eneste formåler at give mulighed for at beregne sandsynligheden. Bohr understregede, at det eneste, der kan forudsiges, er resultatet af fysiske eksperimenter, så alle sekundære spørgsmål bør ikke relateres til eksakt videnskab, men til filosofi. Han bekendte sig i sin udvikling til det filosofiske begreb positivisme, idet han krævede, at videnskaben kun diskuterede virkelig målbare ting.
Dobbelt sp alteeksperiment
I et eksperiment med to sp alter falder lys, der passerer gennem to sp alter, ned på skærmen, hvor der opstår to interferenskanter: mørk og lys. Denne proces forklares ved, at lysbølger kan forstærke hinanden nogle steder, og ophæve hinanden andre. På den anden side illustrerer eksperimentet, at lys har egenskaberne som en strømningsdel, og elektroner kan udvise bølgeegenskaber, mens de giver et interferensmønster.
Det kan antages, at eksperimentet udføres med en strøm af fotoner (eller elektroner) af så lav intensitet, at kun én partikel passerer gennem sp alterne hver gang. Ikke desto mindre, når man tilføjer de punkter, hvor fotoner rammer skærmen, opnås det samme interferensmønster fra overlejrede bølger, på trods af at eksperimentet vedrører angiveligt separate partikler. Det skyldes, at vi lever i et "sandsynlighedsmæssigt" univers, hvor enhver fremtidig begivenhed har en omfordelt grad af mulighed, og sandsynligheden for, at noget helt uforudset vil ske i det næste øjeblik af tiden er ret lille.
Spørgsmål
Sp alteoplevelse sætter sådanspørgsmål:
- Hvad bliver reglerne for individuelle partiklers adfærd? Kvantemekanikkens love angiver placeringen af skærmen, hvori partiklerne vil være, statistisk. De giver dig mulighed for at beregne placeringen af lyse bånd, som sandsynligvis indeholder mange partikler, og mørke bånd, hvor færre partikler sandsynligvis vil falde. Lovene, der styrer kvantemekanikken, kan dog ikke forudsige, hvor en individuel partikel rent faktisk ender.
- Hvad sker der med partiklen i øjeblikket mellem emission og registrering? Ifølge resultaterne af observationer kan der skabes indtryk af, at partiklen er i vekselvirkning med begge sp alter. Det ser ud til, at dette modsiger regelmæssigheden af en punktpartikels adfærd. Desuden, når en partikel registreres, bliver den et punkt.
- Under indflydelse af hvad ændrer en partikel sin adfærd fra statisk til ikke-statisk og omvendt? Når en partikel passerer gennem sp alterne, bestemmes dens opførsel af en ikke-lokaliseret bølgefunktion, der passerer gennem begge sp alter på samme tid. I det øjeblik, hvor en partikel registreres, er den altid fikseret som et punkt, og en sløret bølgepakke opnås aldrig.
Answers
Kvantefortolkningsteorien i København besvarer de stillede spørgsmål som følger:
- Det er fundament alt umuligt at eliminere den probabilistiske natur af forudsigelserne fra kvantemekanikken. Det vil sige, at det ikke nøjagtigt kan indikere begrænsningen af menneskelig viden om eventuelle latente variabler. Klassisk fysik refererer tilsandsynlighed i de tilfælde, hvor det er nødvendigt at beskrive en proces såsom at kaste terninger. Det vil sige, at sandsynlighed erstatter ufuldstændig viden. Den københavnske fortolkning af kvantemekanikken af Heisenberg og Bohr siger tværtimod, at resultatet af målinger i kvantemekanikken grundlæggende er ikke-deterministisk.
- Fysik er en videnskab, der studerer resultaterne af måleprocesser. Det er forkert at spekulere i, hvad der sker som følge af dem. Ifølge den københavnske fortolkning er spørgsmål om, hvor partiklen befandt sig før tidspunktet for dens registrering, og andre lignende fremstillinger meningsløse og bør derfor udelukkes fra refleksion.
- Målehandlingen fører til et øjeblikkeligt sammenbrud af bølgefunktionen. Derfor vælger måleprocessen tilfældigt kun én af de muligheder, som bølgefunktionen i en given tilstand tillader. Og for at afspejle dette valg skal bølgefunktionen ændres øjeblikkeligt.
Forms
Formuleringen af københavnerfortolkningen i dens oprindelige form har givet anledning til flere variationer. Den mest almindelige af dem er baseret på tilgangen til konsistente begivenheder og et sådant koncept som kvantedekohærens. Dekohærens giver dig mulighed for at beregne den uklare grænse mellem makro- og mikroverdenen. De resterende variationer adskiller sig i graden af "realisme i bølgeverdenen."
Kritik
Gyldigheden af kvantemekanik (Heisenberg og Bohrs svar på det første spørgsmål) blev stillet spørgsmålstegn ved et tankeeksperiment udført af Einstein, Podolsky ogRosen (EPR-paradoks). Forskere ønskede således at bevise, at eksistensen af skjulte parametre er nødvendig, så teorien ikke fører til øjeblikkelig og ikke-lokal "lang-rækkende handling". Men under verificeringen af EPR-paradokset, muliggjort af Bells uligheder, blev det bevist, at kvantemekanikken er korrekt, og forskellige skjulte variable teorier har ingen eksperimentel bekræftelse.
Men det mest problematiske svar var Heisenberg og Bohrs svar på det tredje spørgsmål, som placerede måleprocesser i en særlig position, men ikke afgjorde tilstedeværelsen af særpræg i dem.
Mange videnskabsmænd, både fysikere og filosoffer, nægtede blankt at acceptere den københavnske fortolkning af kvantefysik. Den første grund til dette var, at fortolkningen af Heisenberg og Bohr ikke var deterministisk. Og den anden er, at den introducerede et vagt begreb om måling, der gjorde sandsynlighedsfunktioner til gyldige resultater.
Einstein var sikker på, at beskrivelsen af den fysiske virkelighed givet af kvantemekanikken som fortolket af Heisenberg og Bohr var ufuldstændig. Ifølge Einstein fandt han en vis logik i københavnerfortolkningen, men hans videnskabelige instinkter nægtede at acceptere det. Så Einstein kunne ikke stoppe med at lede efter et mere komplet koncept.
I sit brev til Born sagde Einstein: "Jeg er sikker på, at Gud ikke kaster terninger!". Niels Bohr, der kommenterede denne sætning, fort alte Einstein ikke at fortælle Gud, hvad han skulle gøre. Og i sin samtale med Abraham Pais udbrød Einstein:”Du tror virkelig, at månen eksistererkun når du ser på det?”.
Erwin Schrödinger fandt på et tankeeksperiment med en kat, hvorigennem han ville demonstrere kvantemekanikkens underlegenhed under overgangen fra subatomare til mikroskopiske systemer. Samtidig blev det nødvendige sammenbrud af bølgefunktionen i rummet anset for problematisk. Ifølge Einsteins relativitetsteori giver øjeblikkelighed og samtidighed kun mening for en iagttager, der er i samme referenceramme. Der er således ingen tid, der kan blive én for alle, hvilket betyder, at øjeblikkelig kollaps ikke kan bestemmes.
Distribution
En uformel undersøgelse foretaget i den akademiske verden i 1997 viste, at den tidligere dominerende københavnerfortolkning, kort omt alt ovenfor, blev støttet af mindre end halvdelen af de adspurgte. Den har dog flere tilhængere end de andre fortolkninger individuelt.
Alternativ
Mange fysikere er tættere på en anden fortolkning af kvantemekanik, som kaldes "ingen". Essensen af denne fortolkning er udtømmende udtrykt i David Mermins diktum: "Hold kæft og beregn!", som ofte tilskrives Richard Feynman eller Paul Dirac.
