Kopenhagenska interpretacija je objašnjenje kvantne mehanike koje su formulirali Niels Bohr i Werner Heisenberg 1927. godine kada su naučnici zajedno radili u Kopenhagenu. Bohr i Heisenberg su uspjeli poboljšati probabilističku 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 uticaj 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 suštini fizičke stvarnosti, načinu njenog proučavanja, prirodi kauzalnosti i determinizma, kao i o suštini statistike i njenom mjestu u kvantnoj mehanici. Kvantna mehanika se smatra najrezonantnijom teorijom u istoriji nauke, ali još uvek nema konsenzusa u njenom dubokom razumevanju. Postoji niz interpretacija kvantne mehanike, idanas ćemo se upoznati sa 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. Kada mikro-objekt stupi u interakciju s atomima mjernog uređaja, superpozicija se svodi na jedno stanje, odnosno smanjuje se valna funkcija mjernog objekta. Schrödingerova jednadžba ne opisuje ovaj rezultat.
Sa tačke gledišta Kopenhagenske interpretacije, kvantna mehanika ne opisuje same mikro-objekte, već njihova svojstva, koja se manifestuju u makro uslovima koje stvaraju tipični merni instrumenti tokom posmatranja. Ponašanje atomskih objekata ne može se razlikovati od njihove interakcije sa mernim instrumentima koji fiksiraju uslove za pojavu fenomena.
Pogled na kvantnu mehaniku
Kvantna mehanika je statička teorija. To je zbog činjenice da mjerenje mikro-objekta dovodi do promjene njegovog stanja. Dakle, postoji probabilistički opis početne pozicije objekta, opisan talasnom funkcijom. Kompleksna valna funkcija je centralni koncept u kvantnoj mehanici. Talasna funkcija mijenja se u novu dimenziju. Rezultat ovog mjerenja zavisi od valne funkcije, na vjerovatnoćan način. Samo kvadrat modula valne funkcije ima fizički značaj, što potvrđuje vjerovatnoću da je proučavanamikro-objekt se nalazi na određenom mjestu u prostoru.
U kvantnoj mehanici, zakon kauzalnosti je ispunjen u odnosu na talasnu funkciju, koja varira u vremenu u zavisnosti od početnih uslova, a ne u odnosu 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 principu ne mogu odrediti, što dovodi do određene nemogućnosti da se dobije tačna saznanja o početnom stanju kvantnog sistema..
Filozofska osnova
Sa filozofske tačke gledišta, osnova Kopenhagenske interpretacije su epistemološki principi:
- Observability. Njegova suština leži u isključivanju iz fizičke teorije onih iskaza koji se ne mogu provjeriti direktnim posmatranjem.
- Dodaci. Pretpostavlja da se talasni i korpuskularni opis objekata mikrosvijeta međusobno nadopunjuju.
- Neizvjesnosti. Kaže da se koordinate mikro-objekata i njihov impuls ne mogu odrediti odvojeno i sa apsolutnom tačnošću.
- Statički determinizam. Pretpostavlja se da je trenutno stanje fizičkog sistema određeno njegovim prethodnim stanjima ne jednoznačno, već samo sa određenim stepenom vjerovatnoće implementacije trendova promjena utvrđenih u prošlosti.
- Podudaranje. Prema ovom principu, zakoni kvantne mehanike se transformišu u zakone klasične mehanike kada je moguće zanemariti veličinu kvanta akcije.
Pogodnosti
U kvantnoj fizici, informacije o atomskim objektima, dobijene kroz eksperimentalne postavke, su u posebnom međusobnom odnosu. U relacijama nesigurnosti Wernera Heisenberga, postoji inverzna proporcionalnost između nepreciznosti u fiksiranju kinetičkih i dinamičkih varijabli koje određuju stanje fizičkog sistema u klasičnoj mehanici.
Značajna prednost kopenhaške interpretacije kvantne mehanike je činjenica da ona ne operiše direktno sa detaljnim izjavama o fizički neuočljivim veličinama. Osim toga, uz minimum preduvjeta, gradi konceptualni sistem 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 jednačinom.
- Mjerenje.
Niko nije sumnjao u prvi proces u naučnoj zajednici, a drugi proces izazvao je rasprave i podstakao niz tumačenja, čak iu okviru Kopenhagenske interpretacije same svijesti. S jedne strane, postoje svi razlozi za vjerovanje da valna funkcija nije ništa drugo do stvarni fizički objekt i da se urušava tokom drugog procesa. S druge strane, valna funkcija možda nije stvarni entitet, već pomoćni matematički alat, čija je jedina svrhaje pružiti mogućnost izračunavanja vjerovatnoće. Bohr je naglasio da je jedino što se može predvidjeti rezultat fizičkih eksperimenata, tako da sva sporedna pitanja ne bi trebala biti vezana za egzaktnu nauku, već za filozofiju. On je u svojim razvojima ispovijedao filozofski koncept pozitivizma, zahtijevajući da nauka raspravlja samo o stvarno mjerljivim stvarima.
Eksperiment sa dvostrukim prorezom
U eksperimentu sa dva proreza, svjetlost koja prolazi kroz dva proreza pada na ekran, na kojem se pojavljuju dvije interferencijske ivice: tamna i svijetla. Ovaj proces se objašnjava činjenicom da se svjetlosni valovi na nekim mjestima mogu međusobno pojačavati, a na drugima poništavati. S druge strane, eksperiment ilustruje da svjetlost ima svojstva protočnog dijela, a elektroni mogu pokazati svojstva valova, dajući pritom interferencijski obrazac.
Može se pretpostaviti da je eksperiment izveden sa strujom fotona (ili elektrona) tako niskog intenziteta da samo jedna čestica prođe kroz proreze svaki put. Ipak, kada se dodaju tačke u kojima fotoni udaraju u ekran, isti interferentni obrazac se dobija od superponiranih talasa, uprkos činjenici da se eksperiment odnosi na navodno odvojene čestice. To je zato što živimo u "vjerovatnom" univerzumu, u kojem svaki budući događaj ima preraspodijeljeni stepen mogućnosti, a vjerovatnoća da će se nešto potpuno nepredviđeno dogoditi u sljedećem trenutku je prilično mala.
Pitanja
Slit iskustvo stavlja takvepitanja:
- Koja će biti pravila za ponašanje pojedinačnih čestica? Zakoni kvantne mehanike statistički ukazuju na lokaciju ekrana u kojoj će se nalaziti čestice. Oni vam omogućavaju da izračunate lokaciju svijetlih traka, koje će vjerovatno sadržavati mnogo čestica, i tamnih traka, gdje će vjerovatno pasti manje čestica. Međutim, zakoni koji upravljaju kvantnom mehanikom ne mogu predvidjeti gdje će pojedinačna čestica zapravo završiti.
- Šta se dešava sa česticom u trenutku između emisije i registracije? Prema rezultatima posmatranja, može se stvoriti utisak da je čestica u interakciji sa oba proreza. Čini se da je to u suprotnosti sa pravilnostima ponašanja tačkaste čestice. Štaviše, kada je čestica registrovana, ona postaje tačka.
- Pod uticajem čega čestica menja svoje ponašanje iz statičkog u nestatičko, i obrnuto? Kada čestica prođe kroz proreze, njeno ponašanje je određeno nelokaliziranom valnom funkcijom koja prolazi kroz oba proreza u isto vrijeme. U trenutku registracije čestice, ona je uvijek fiksirana kao tačka, a zamućeni talasni paket se nikada ne dobija.
Odgovori
Kopenhaška teorija kvantne interpretacije odgovara na pitanja postavljena na sljedeći način:
- U osnovi je nemoguće eliminirati vjerovatnoću prirode predviđanja kvantne mehanike. To jest, ne može precizno ukazati na ograničenost ljudskog znanja o bilo kojoj latentnoj varijabli. Klasična fizika se odnosi navjerovatnoća u onim slučajevima kada je potrebno opisati proces kao što je bacanje kocke. To jest, vjerovatnoća 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 nauka koja proučava rezultate mernih procesa. Pogrešno je spekulisati o tome šta se dešava kao rezultat njih. Prema tumačenju 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. Dakle, proces mjerenja nasumično bira samo jednu od mogućnosti koje dopušta valna funkcija datog stanja. A da bi 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 zasniva se na pristupu konzistentnih događaja i konceptu kao što je kvantna dekoherencija. Dekoherencija vam omogućava da izračunate nejasnu granicu između makro- i mikrosvijeta. Preostale varijacije se razlikuju po stepenu "realizma talasnog svijeta."
Kritika
Važnost kvantne mehanike (Heisenbergov i Borov odgovor na prvo pitanje) dovedena je u pitanje u misaonom eksperimentu koji su proveli Einstein, Podolsky iRosen (EPR paradoks). Tako su naučnici hteli da dokažu da je postojanje skrivenih parametara neophodno kako teorija ne bi dovela do trenutnog i ne-lokalnog „dejstva dugog dometa“. Međutim, tokom verifikacije EPR paradoksa, omogućenog Bellovim nejednakostima, dokazano je da je kvantna mehanika ispravna, a različite teorije skrivenih varijabli nemaju eksperimentalnu potvrdu.
Ali najproblematičniji odgovor bio je odgovor Heisenberga i Bora na treće pitanje, koji je mjerne procese stavio u poseban položaj, ali nije odredio prisustvo karakterističnih karakteristika u njima.
Mnogi naučnici, i fizičari i filozofi, glatko su odbili da prihvate 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 funkcije vjerovatnoće pretvorio u validne 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 Ajnštajnu, pronašao je neku logiku u tumačenju Kopenhagena, ali su njegovi naučni instinkti odbili da je prihvate. Dakle, Einstein nije mogao prestati tražiti potpuniji koncept.
U svom pismu Bornu, Ajnštajn je rekao: "Siguran sam da Bog ne baca kockice!". Niels Bohr je, komentarišući ovu frazu, rekao Ajnštajnu da ne govori Bogu šta da radi. A u svom razgovoru sa Abrahamom Paisom, Ajnštajn je uzviknuo: „Vi zaista mislite da mesec postojisamo kad ga pogledaš?”.
Erwin Schrödinger je smislio misaoni eksperiment s mačkom, kroz koji je želio pokazati inferiornost kvantne mehanike tokom tranzicije sa subatomskih na mikroskopske sisteme. Istovremeno, neophodan kolaps valne funkcije u prostoru smatran je problematičnim. Prema Ajnštajnovoj teoriji relativnosti, trenutnost i istovremenost imaju smisla samo za posmatrača koji se nalazi u istom referentnom okviru. Dakle, ne postoji vrijeme koje bi moglo postati jedno za sve, što znači da se trenutni kolaps ne može odrediti.
Distribucija
Neformalna anketa sprovedena u akademskim krugovima 1997. godine pokazala je da je ranije dominantno tumačenje Kopenhagena, o kojem se ukratko govorilo gore, podržalo manje od polovine ispitanika. Međutim, ima više pristalica od ostalih tumačenja pojedinačno.
Alternativa
Mnogi fizičari su bliži drugoj interpretaciji kvantne mehanike, koja se zove "nijedna". Suština ovog tumačenja iscrpno je izražena u izreci Davida Mermina: "Umukni i kalkuliraj!", koja se često pripisuje Richardu Feynmanu ili Paulu Diracu.
