Kopenhagenska interpretacija je objašnjenje kvantne mehanike koje su formulirali Niels Bohr i Werner Heisenberg 1927. godine kada su znanstvenici zajedno radili u Kopenhagenu. Bohr i Heisenberg uspjeli su poboljšati vjerojatnostnu interpretaciju funkcije koju je formulirao M. Born i pokušali su odgovoriti na brojna pitanja koja se nameću zbog dualnosti val-čestica. Ovaj članak će razmotriti glavne ideje kopenhagenske interpretacije kvantne mehanike i njihov utjecaj na modernu fiziku.
Problemi
Tumačenja kvantne mehanike nazivaju se filozofski pogledi na prirodu kvantne mehanike kao teorije koja opisuje materijalni svijet. Uz njihovu pomoć bilo je moguće odgovoriti na pitanja o biti fizičke stvarnosti, načinu njenog proučavanja, prirodi kauzalnosti i determinizma, kao i o biti statistike i njenom mjestu u kvantnoj mehanici. Kvantna mehanika smatra se najrezonantnijom teorijom u povijesti znanosti, ali još uvijek nema konsenzusa u njezinom dubokom razumijevanju. Postoji niz interpretacija kvantne mehanike, idanas ćemo se upoznati s najpopularnijim od njih.
Ključne ideje
Kao što znate, fizički svijet se sastoji od kvantnih objekata i klasičnih mjernih instrumenata. Promjena stanja mjernih instrumenata opisuje nepovratan statistički proces promjene karakteristika mikro objekata. Kod interakcije mikroobjekta s atomima mjernog uređaja, superpozicija se svodi na jedno stanje, odnosno smanjuje se valna funkcija mjernog objekta. Schrödingerova jednadžba ne opisuje ovaj rezultat.
Sa stajališta Kopenhagenske interpretacije, kvantna mehanika ne opisuje same mikro-objekte, već njihova svojstva koja se očituju u makrouvjetima koje stvaraju tipični mjerni instrumenti tijekom promatranja. Ponašanje atomskih objekata ne može se razlikovati od njihove interakcije s mjernim instrumentima koji fiksiraju uvjete za pojavu pojava.
Pogled na kvantnu mehaniku
Kvantna mehanika je statična teorija. To je zbog činjenice da mjerenje mikro-objekta dovodi do promjene njegovog stanja. Dakle, postoji vjerojatnostni opis početnog položaja objekta, opisan valnim funkcijama. Složena valna funkcija središnji je koncept u kvantnoj mehanici. Valna funkcija mijenja se u novu dimenziju. Rezultat ovog mjerenja ovisi o valnoj funkciji, na vjerojatnosni način. Fizički značaj ima samo kvadrat modula valne funkcije, što potvrđuje vjerojatnost da je proučavanamikroobjekt se nalazi na određenom mjestu u prostoru.
U kvantnoj mehanici zakon uzročnosti je ispunjen s obzirom na valnu funkciju, koja varira u vremenu ovisno o početnim uvjetima, a ne s obzirom na koordinate brzine čestica, kao u klasičnoj interpretaciji mehanike. Zbog činjenice da je samo kvadrat modula valne funkcije obdaren fizičkom vrijednošću, njegove početne vrijednosti se u načelu ne mogu odrediti, što dovodi do neke nemogućnosti dobivanja točnog znanja o početnom stanju kvantnog sustava..
Filozofska osnova
S filozofske točke gledišta, temelj tumačenja Kopenhagena su epistemološki principi:
- Uočljivost. Njegova je bit u isključivanju iz fizičke teorije onih tvrdnji koje se ne mogu provjeriti izravnim promatranjem.
- Dodaci. Pretpostavlja da se val i korpuskularni opis objekata mikrosvijeta međusobno nadopunjuju.
- Neizvjesnosti. Kaže da se koordinate mikro-objekata i njihov zamah ne mogu odrediti odvojeno i s apsolutnom točnošću.
- Statični determinizam. Pretpostavlja da je sadašnje stanje fizičkog sustava određeno njegovim prethodnim stanjima ne jednoznačno, već samo s određenim stupnjem vjerojatnosti implementacije trendova promjena utvrđenih u prošlosti.
- Podudaranje. Prema ovom principu, zakoni kvantne mehanike pretvaraju se u zakone klasične mehanike kada je moguće zanemariti veličinu kvanta djelovanja.
Pogodnosti
U kvantnoj fizici, informacije o atomskim objektima, dobivene eksperimentalnim postavkama, međusobno su u posebnom odnosu. U relacijama nesigurnosti Wernera Heisenberga postoji inverzna proporcionalnost između netočnosti u fiksiranju kinetičkih i dinamičkih varijabli koje određuju stanje fizičkog sustava u klasičnoj mehanici.
Značajna prednost kopenhaške interpretacije kvantne mehanike je činjenica da ne operira s detaljnim izjavama izravno o fizički neuočljivim veličinama. Osim toga, uz minimum preduvjeta, gradi konceptualni sustav koji iscrpno opisuje eksperimentalne činjenice dostupne u ovom trenutku.
Značenje valne funkcije
Prema tumačenju Kopenhagena, valna funkcija može biti predmet dva procesa:
- Jedinstvena evolucija, koja je opisana Schrödingerovom jednadžbom.
- Mjerenje.
Nitko nije sumnjao u prvi proces u znanstvenoj zajednici, a drugi proces izazvao je rasprave i potaknuo niz tumačenja, čak iu okviru kopenhaškog tumačenja same svijesti. S jedne strane, postoje svi razlozi vjerovati da valna funkcija nije ništa drugo nego stvarni fizički objekt, te da se urušava tijekom drugog procesa. S druge strane, valna funkcija možda nije stvarni entitet, već pomoćni matematički alat, čija je jedina svrhaje pružiti mogućnost izračunavanja vjerojatnosti. Bohr je naglasio da je jedino što se može predvidjeti rezultat fizikalnih eksperimenata, pa sva sporedna pitanja ne bi trebala biti vezana uz egzaktnu znanost, već uz filozofiju. Ispovijedao je u svom razvoju filozofski koncept pozitivizma, zahtijevajući da znanost raspravlja samo o stvarno mjerljivim stvarima.
Eksperiment s dvostrukim prorezom
U eksperimentu s dva proreza, svjetlost koja prolazi kroz dva proreza pada na ekran, na kojem se pojavljuju dvije interferencijske rubove: tamna i svijetla. Taj se proces objašnjava činjenicom da se svjetlosni valovi na nekim mjestima mogu međusobno pojačavati, a na drugima poništavati. S druge strane, eksperiment ilustrira da svjetlost ima svojstva protočnog dijela, a elektroni mogu pokazivati valna svojstva, dajući pritom interferencijski uzorak.
Može se pretpostaviti da se eksperiment provodi sa strujom fotona (ili elektrona) tako niskog intenziteta da samo jedna čestica svaki put prođe kroz proreze. Ipak, pri zbrajanju točaka u kojima fotoni udaraju u ekran, isti se interferencijski uzorak dobiva iz superponiranih valova, unatoč činjenici da se eksperiment odnosi na navodno odvojene čestice. To je zato što živimo u "vjerojatnom" svemiru, u kojem svaki budući događaj ima preraspodijeljen stupanj mogućnosti, a vjerojatnost da će se nešto potpuno nepredviđeno dogoditi u sljedećem trenutku je prilično mala.
Pitanja
Slit iskustvo stavlja takvepitanja:
- Koja će biti pravila ponašanja pojedinih čestica? Zakoni kvantne mehanike statistički ukazuju na mjesto zaslona u kojem će se nalaziti čestice. Omogućuju vam izračunavanje položaja svijetlih traka, koje će vjerojatno sadržavati mnogo čestica, i tamnih traka na koje će vjerojatno pasti manje čestica. Međutim, zakoni koji upravljaju kvantnom mehanikom ne mogu predvidjeti gdje će pojedinačna čestica zapravo završiti.
- Što se događa s česticom u trenutku između emisije i registracije? Prema rezultatima promatranja može se stvoriti dojam da je čestica u interakciji s oba proreza. Čini se da je to u suprotnosti s pravilnostima ponašanja točkaste čestice. Štoviše, kada se čestica registrira, ona postaje točka.
- Pod utjecajem čega čestica mijenja svoje ponašanje iz statičkog u nestatično, i obrnuto? Kada čestica prođe kroz proreze, njeno ponašanje određuje nelokalizirana valna funkcija koja prolazi kroz oba proreza u isto vrijeme. U trenutku registracije čestica je uvijek fiksirana kao točka, a zamućeni valni paket se nikada ne dobiva.
Odgovori
Kopenhaška teorija kvantne interpretacije odgovara na pitanja postavljena na sljedeći način:
- U osnovi je nemoguće eliminirati vjerojatnosnu prirodu predviđanja kvantne mehanike. To jest, ne može točno naznačiti ograničenost ljudskog znanja o bilo kojim latentnim varijablama. Klasična fizika se odnosi navjerojatnost u onim slučajevima kada je potrebno opisati proces kao što je bacanje kocke. To jest, vjerojatnost zamjenjuje nepotpuno znanje. Kopenhaška interpretacija kvantne mehanike od strane Heisenberga i Bohra, naprotiv, navodi da je rezultat mjerenja u kvantnoj mehanici u osnovi nedeterministički.
- Fizika je znanost koja proučava rezultate mjernih procesa. Pogrešno je spekulirati o tome što se događa kao rezultat njih. Prema tumačenju iz Kopenhagena, pitanja o tome gdje se čestica nalazila prije trenutka registracije i druge slične izmišljotine su besmislena, te ih stoga treba isključiti iz refleksije.
- Čin mjerenja dovodi do trenutnog kolapsa valne funkcije. Stoga proces mjerenja nasumično bira samo jednu od mogućnosti koje dopušta valna funkcija danog stanja. A da bi se odrazio ovaj izbor, valna funkcija se mora odmah promijeniti.
Obrasci
Formulacija kopenhagenske interpretacije u svom izvornom obliku dovela je do nekoliko varijacija. Najčešći od njih temelji se na pristupu dosljednih događaja i konceptu kao što je kvantna dekoherencija. Dekoherencija vam omogućuje izračunavanje nejasne granice između makro- i mikrosvijeta. Preostale varijacije razlikuju se po stupnju "realizma svijeta valova".
Kritika
Valjenost kvantne mehanike (Heisenbergov i Bohrov odgovor na prvo pitanje) dovedena je u pitanje u misaonom eksperimentu koji su proveli Einstein, Podolsky iRosen (EPR paradoks). Tako su znanstvenici željeli dokazati da je postojanje skrivenih parametara neophodno kako teorija ne bi dovela do trenutačnog i ne-lokalnog “djelovanja dugog dometa”. Međutim, tijekom provjere EPR paradoksa, omogućenog Bellovim nejednakostima, dokazano je da je kvantna mehanika točna, a razne teorije skrivenih varijabli nemaju eksperimentalnu potvrdu.
Ali najproblematičniji je odgovor bio Heisenbergov i Bohrov odgovor na treće pitanje, koji je mjerne procese stavio u poseban položaj, ali nije odredio prisutnost karakterističnih značajki u njima.
Mnogi znanstvenici, i fizičari i filozofi, glatko su odbili prihvatiti kopenhagensko tumačenje kvantne fizike. Prvi razlog za to bio je taj što tumačenje Heisenberga i Bohra nije bilo determinističko. A drugo je da je uveo nejasan pojam mjerenja koji je pretvorio funkcije vjerojatnosti u valjane rezultate.
Einstein je bio siguran da je opis fizičke stvarnosti dat od strane kvantne mehanike kako su je tumačili Heisenberg i Bohr bio nepotpun. Prema Einsteinu, pronašao je neku logiku u tumačenju Kopenhagena, ali su ga njegovi znanstveni instinkti odbili prihvatiti. Tako Einstein nije mogao prestati tražiti potpuniji koncept.
U svom pismu Bornu, Einstein je rekao: "Siguran sam da Bog ne baca kockice!". Niels Bohr, komentirajući ovu frazu, rekao je Einsteinu da ne govori Bogu što da radi. A u svom razgovoru s Abrahamom Paisom, Einstein je uzviknuo: “Stvarno mislite da mjesec postojisamo kad ga pogledaš?".
Erwin Schrödinger smislio je misaoni eksperiment s mačkom, kroz koji je želio pokazati inferiornost kvantne mehanike tijekom prijelaza sa subatomskih na mikroskopske sustave. Istodobno, nužni kolaps valne funkcije u prostoru smatran je problematičnim. Prema Einsteinovoj teoriji relativnosti, trenutnost i simultanost imaju smisla samo za promatrača koji se nalazi u istom referentnom okviru. Dakle, ne postoji vrijeme koje bi moglo postati jedno za sve, što znači da se trenutačni kolaps ne može odrediti.
Distribucija
Neformalna anketa provedena u akademskim krugovima 1997. godine pokazala je da je prethodno dominantno tumačenje Kopenhagena, o kojem se ukratko govorilo gore, podržalo manje od polovice ispitanika. Međutim, ima više pristalica od ostalih tumačenja pojedinačno.
Alternativa
Mnogi su fizičari bliži drugoj interpretaciji kvantne mehanike, koja se zove "nijedna". Suština ovog tumačenja iscrpno je izražena u izreci Davida Mermina: "Šuti i računaj!", koja se često pripisuje Richardu Feynmanu ili Paulu Diracu.
