The Copenhagen Interpretation är en förklaring av kvantmekaniken formulerad av Niels Bohr och Werner Heisenberg 1927 när forskarna arbetade tillsammans i Köpenhamn. Bohr och Heisenberg kunde förbättra den probabilistiska tolkningen av funktionen formulerad av M. Born och försökte svara på ett antal frågor som uppstår på grund av våg-partikeldualitet. Den här artikeln kommer att överväga huvudidéerna i Köpenhamnstolkningen av kvantmekanik och deras inverkan på modern fysik.
Problems
Tolkningar av kvantmekanik som kallas filosofiska synpunkter på kvantmekanikens natur som en teori som beskriver den materiella världen. Med deras hjälp var det möjligt att svara på frågor om den fysiska verklighetens väsen, metoden att studera den, karaktären av kausalitet och determinism, såväl som statistikens väsen och dess plats i kvantmekaniken. Kvantmekaniken anses vara den mest resonanta teorin i vetenskapens historia, men det finns fortfarande ingen konsensus i dess djupa förståelse. Det finns ett antal tolkningar av kvantmekanik, ochidag kommer vi att bekanta oss med de mest populära av dem.
nyckelidéer
Som ni vet består den fysiska världen av kvantobjekt och klassiska mätinstrument. Förändringen i mätinstrumentens tillstånd beskriver en irreversibel statistisk process för att förändra egenskaperna hos mikroobjekt. När ett mikroobjekt interagerar med atomerna i mätanordningen reduceras överlagringen till ett tillstånd, det vill säga mätobjektets vågfunktion reduceras. Schrödinger-ekvationen beskriver inte detta resultat.
Från Köpenhamnstolkningens synvinkel beskriver kvantmekaniken inte själva mikroobjekten, utan deras egenskaper, som visar sig i makroförhållanden skapade av typiska mätinstrument under observation. Atomobjekts beteende kan inte särskiljas från deras interaktion med mätinstrument som fixerar villkoren för förekomsten av fenomen.
En titt på kvantmekaniken
Kvantmekanik är en statisk teori. Detta beror på det faktum att mätningen av ett mikroobjekt leder till en förändring i dess tillstånd. Så det finns en probabilistisk beskrivning av objektets initiala position, beskriven av vågfunktionen. Den komplexa vågfunktionen är ett centr alt begrepp inom kvantmekaniken. Vågfunktionen ändras till en ny dimension. Resultatet av denna mätning beror på vågfunktionen, på ett probabilistiskt sätt. Endast kvadraten på vågfunktionens modul har fysisk betydelse, vilket bekräftar sannolikheten att den studerademikroobjektet är placerat på en viss plats i rymden.
Inom kvantmekaniken är kausalitetslagen uppfylld med avseende på vågfunktionen, som varierar i tid beroende på initialförhållandena, och inte med avseende på partikelhastighetskoordinaterna, som i den klassiska tolkningen av mekanik. På grund av det faktum att endast kvadraten på vågfunktionens modul är utrustad med ett fysiskt värde, kan dess initiala värden i princip inte bestämmas, vilket leder till en viss omöjlighet att få exakt kunskap om det initiala tillståndet för kvantsystemet.
Filosofisk grund
Från en filosofisk synvinkel är grunden för Köpenhamnstolkningen epistemologiska principer:
- Observerbarhet. Dess väsen ligger i uteslutningen från den fysiska teorin av de påståenden som inte kan verifieras genom direkt observation.
- Extra. Antar att våg- och korpuskulär beskrivning av objekten i mikrovärlden kompletterar varandra.
- Osäkerheter. Säger att koordinaten för mikroobjekt och deras rörelsemängd inte kan bestämmas separat och med absolut noggrannhet.
- Statisk determinism. Den antar att det fysiska systemets nuvarande tillstånd inte bestäms av dess tidigare tillstånd, utan endast med en viss grad av sannolikhet för genomförandet av de förändringstrender som fastställts i det förflutna.
- Matchande. Enligt denna princip omvandlas kvantmekanikens lagar till den klassiska mekanikens lagar när det är möjligt att försumma storleken på handlingskvantet.
Förmåner
Inom kvantfysiken står information om atomobjekt, erhållen genom experimentella uppställningar, i ett märkligt förhållande till varandra. I Werner Heisenbergs osäkerhetsrelationer finns det en omvänd proportionalitet mellan de felaktigheter i fixeringen av de kinetiska och dynamiska variablerna som bestämmer tillståndet för ett fysiskt system i klassisk mekanik.
En betydande fördel med Köpenhamnstolkningen av kvantmekanik är det faktum att den inte arbetar med detaljerade uttalanden direkt om fysiskt oobserverbara storheter. Dessutom bygger den, med ett minimum av förutsättningar, ett konceptuellt system som uttömmande beskriver de experimentella fakta som är tillgängliga för tillfället.
Betydningen av vågfunktionen
Enligt Köpenhamnstolkningen kan vågfunktionen vara föremål för två processer:
- Unitary evolution, som beskrivs av Schrödinger-ekvationen.
- Mätning.
Ingen tvivlade på den första processen i vetenskapssamfundet, och den andra processen orsakade diskussioner och gav upphov till ett antal tolkningar, även inom ramen för Köpenhamnstolkningen av medvetandet i sig. Å ena sidan finns det all anledning att tro att vågfunktionen inte är något annat än ett verkligt fysiskt föremål, och att den kollapsar under den andra processen. Å andra sidan kan vågfunktionen inte vara en verklig enhet, utan ett matematiskt hjälpverktyg, vars enda syfteär att ge möjlighet att beräkna sannolikheten. Bohr betonade att det enda som kan förutsägas är resultatet av fysiska experiment, så alla sekundära frågor bör inte relateras till exakt vetenskap, utan till filosofi. Han bekände sig i sin utveckling till det filosofiska begreppet positivism, och krävde att vetenskapen endast diskuterade riktigt mätbara saker.
Experiment med dubbla slits
I ett experiment med två sp alter faller ljus som passerar genom två slitsar på skärmen, på vilka två interferensfransar visas: mörkt och ljust. Denna process förklaras av det faktum att ljusvågor kan ömsesidigt förstärka på vissa ställen, och ta ut varandra på andra. Å andra sidan illustrerar experimentet att ljus har egenskaperna hos en flödesdel, och elektroner kan uppvisa vågegenskaper samtidigt som de ger ett interferensmönster.
Det kan antas att experimentet utförs med en ström av fotoner (eller elektroner) med så låg intensitet att endast en partikel passerar genom slitsarna varje gång. Ändå, när man lägger till de punkter där fotoner träffar skärmen, erhålls samma interferensmönster från överlagrade vågor, trots att experimentet avser förment separata partiklar. Detta beror på att vi lever i ett "probabilistiskt" universum, där varje framtida händelse har en omfördelad grad av möjlighet, och sannolikheten att något helt oförutsett kommer att hända i nästa ögonblick är ganska liten.
Frågor
Slit erfarenhet sätter sådanafrågor:
- Vilka blir reglerna för enskilda partiklars beteende? Kvantmekanikens lagar indikerar platsen för skärmen där partiklarna kommer att vara, statistiskt sett. De låter dig beräkna platsen för ljusa band, som sannolikt innehåller många partiklar, och mörka band, där färre partiklar sannolikt faller. Lagarna som styr kvantmekaniken kan dock inte förutsäga var en enskild partikel faktiskt kommer att hamna.
- Vad händer med partikeln för tillfället mellan emission och registrering? Enligt resultaten av observationer kan intrycket skapas att partikeln är i samverkan med båda slitsarna. Det verkar som att detta motsäger regelbundenheterna hos en punktpartikels beteende. När en partikel registreras blir den dessutom en punkt.
- Under inflytande av vad ändrar en partikel sitt beteende från statisk till icke-statisk, och vice versa? När en partikel passerar genom slitsarna bestäms dess beteende av en icke-lokaliserad vågfunktion som passerar genom båda slitsarna samtidigt. Vid registreringsögonblicket för en partikel är den alltid fixerad som en punkt, och ett suddigt vågpaket erhålls aldrig.
Answers
Köpenhamnsteorin om kvanttolkning svarar på frågorna som ställs enligt följande:
- Det är i grunden omöjligt att eliminera den probabilistiska karaktären hos kvantmekanikens förutsägelser. Det vill säga, det kan inte korrekt indikera begränsningen av mänsklig kunskap om några latenta variabler. Klassisk fysik syftar påsannolikhet i de fall då det är nödvändigt att beskriva en process som att kasta tärningar. Det vill säga sannolikhet ersätter ofullständig kunskap. Köpenhamnstolkningen av kvantmekaniken av Heisenberg och Bohr säger tvärtom att resultatet av mätningar inom kvantmekaniken är i grunden icke-deterministiskt.
- Fysik är en vetenskap som studerar resultaten av mätprocesser. Det är fel att spekulera i vad som händer till följd av dem. Enligt Köpenhamnstolkningen är frågor om var partikeln befann sig före registreringsögonblicket och andra liknande påhitt meningslösa och bör därför uteslutas från reflektion.
- Mätningen leder till en omedelbar kollaps av vågfunktionen. Därför väljer mätprocessen slumpmässigt endast en av de möjligheter som vågfunktionen för ett givet tillstånd tillåter. Och för att återspegla detta val måste vågfunktionen ändras omedelbart.
Forms
Formuleringen av Köpenhamnstolkningen i dess ursprungliga form har gett upphov till flera variationer. Den vanligaste av dem är baserad på tillvägagångssättet för konsekventa händelser och ett sådant koncept som kvantdekoherens. Dekoherens gör att du kan beräkna den suddiga gränsen mellan makro- och mikrovärlden. De återstående variationerna skiljer sig åt i graden av "vågvärldens realism".
Kritik
Viltigheten av kvantmekaniken (Heisenberg och Bohrs svar på den första frågan) ifrågasattes i ett tankeexperiment utfört av Einstein, Podolsky ochRosen (EPR-paradox). Således ville forskare bevisa att förekomsten av dolda parametrar är nödvändig så att teorin inte leder till omedelbar och icke-lokal "lång räckvidd". Men under verifieringen av EPR-paradoxen, möjliggjord av Bells ojämlikheter, bevisades det att kvantmekaniken är korrekt, och olika teorier om dolda variabel har ingen experimentell bekräftelse.
Men det mest problematiska svaret var Heisenbergs och Bohrs svar på den tredje frågan, som placerade mätprocesser i en särställning, men inte avgjorde förekomsten av särdrag i dem.
Många vetenskapsmän, både fysiker och filosofer, vägrade bestämt att acceptera Köpenhamnstolkningen av kvantfysik. Det första skälet till detta var att tolkningen av Heisenberg och Bohr inte var deterministisk. Och den andra är att den introducerade en vag uppfattning om mätning som gjorde sannolikhetsfunktioner till giltiga resultat.
Einstein var säker på att beskrivningen av den fysiska verkligheten som gavs av kvantmekaniken som tolkats av Heisenberg och Bohr var ofullständig. Enligt Einstein fann han en viss logik i Köpenhamnstolkningen, men hans vetenskapliga instinkter vägrade acceptera det. Så Einstein kunde inte sluta leta efter ett mer komplett koncept.
I sitt brev till Born sa Einstein: "Jag är säker på att Gud inte kastar tärning!". Niels Bohr, som kommenterade denna fras, sa åt Einstein att inte berätta för Gud vad han skulle göra. Och i sitt samtal med Abraham Pais utbrast Einstein:”Du tror verkligen att månen finnsbara när du tittar på det?”.
Erwin Schrödinger kom på ett tankeexperiment med en katt, genom vilket han ville demonstrera kvantmekanikens underlägsenhet under övergången från subatomära till mikroskopiska system. Samtidigt ansågs den nödvändiga kollapsen av vågfunktionen i rymden vara problematisk. Enligt Einsteins relativitetsteori är ögonblicklighet och samtidighet vettiga endast för en betraktare som befinner sig i samma referensram. Det finns alltså ingen tid som kan bli en för alla, vilket innebär att omedelbar kollaps inte kan fastställas.
Distribution
En informell undersökning som genomfördes i den akademiska världen 1997 visade att den tidigare dominerande Köpenhamnstolkningen, som kort diskuterats ovan, stöddes av mindre än hälften av de tillfrågade. Den har dock fler anhängare än de andra tolkningarna individuellt.
Alternativ
Många fysiker är närmare en annan tolkning av kvantmekaniken, som kallas "ingen". Kärnan i denna tolkning är uttömmande uttryckt i David Mermins påstående: "Håll käften och räkna ut!", som ofta tillskrivs Richard Feynman eller Paul Dirac.
