Η Ερμηνεία της Κοπεγχάγης είναι μια εξήγηση της κβαντικής μηχανικής που διατυπώθηκε από τους Niels Bohr και Werner Heisenberg το 1927 όταν οι επιστήμονες εργάζονταν μαζί στην Κοπεγχάγη. Ο Bohr και ο Heisenberg μπόρεσαν να βελτιώσουν την πιθανολογική ερμηνεία της συνάρτησης που διατύπωσε ο M. Born και προσπάθησαν να απαντήσουν σε μια σειρά από ερωτήματα που προκύπτουν λόγω της δυαδικότητας κύματος-σωματιδίου. Αυτό το άρθρο θα εξετάσει τις κύριες ιδέες της ερμηνείας της κβαντικής μηχανικής της Κοπεγχάγης και τον αντίκτυπό τους στη σύγχρονη φυσική.
Προβλήματα
Ερμηνείες της κβαντικής μηχανικής που ονομάζονται φιλοσοφικές απόψεις για τη φύση της κβαντικής μηχανικής ως θεωρία που περιγράφει τον υλικό κόσμο. Με τη βοήθειά τους, ήταν δυνατό να απαντηθούν ερωτήσεις σχετικά με την ουσία της φυσικής πραγματικότητας, τη μέθοδο μελέτης της, τη φύση της αιτιότητας και του ντετερμινισμού, καθώς και την ουσία της στατιστικής και τη θέση της στην κβαντική μηχανική. Η κβαντομηχανική θεωρείται η πιο ηχηρή θεωρία στην ιστορία της επιστήμης, αλλά δεν υπάρχει ακόμη συναίνεση στη βαθιά κατανόησή της. Υπάρχει μια σειρά από ερμηνείες της κβαντικής μηχανικής, καισήμερα θα γνωρίσουμε τα πιο δημοφιλή από αυτά.
Βασικές Ιδέες
Όπως γνωρίζετε, ο φυσικός κόσμος αποτελείται από κβαντικά αντικείμενα και κλασικά όργανα μέτρησης. Η αλλαγή στην κατάσταση των οργάνων μέτρησης περιγράφει μια μη αναστρέψιμη στατιστική διαδικασία αλλαγής των χαρακτηριστικών των μικροαντικειμένων. Όταν ένα μικροαντικείμενο αλληλεπιδρά με τα άτομα της συσκευής μέτρησης, η υπέρθεση μειώνεται σε μία κατάσταση, δηλαδή μειώνεται η κυματική συνάρτηση του αντικειμένου μέτρησης. Η εξίσωση Schrödinger δεν περιγράφει αυτό το αποτέλεσμα.
Από την άποψη της ερμηνείας της Κοπεγχάγης, η κβαντομηχανική δεν περιγράφει τα ίδια τα μικροαντικείμενα, αλλά τις ιδιότητές τους, οι οποίες εκδηλώνονται σε μακρο-συνθήκες που δημιουργούνται από τυπικά όργανα μέτρησης κατά την παρατήρηση. Η συμπεριφορά των ατομικών αντικειμένων δεν μπορεί να διακριθεί από την αλληλεπίδρασή τους με όργανα μέτρησης που καθορίζουν τις συνθήκες για την εμφάνιση φαινομένων.
Μια ματιά στην κβαντική μηχανική
Η κβαντική μηχανική είναι μια στατική θεωρία. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η μέτρηση ενός μικροαντικειμένου οδηγεί σε αλλαγή της κατάστασής του. Υπάρχει λοιπόν μια πιθανολογική περιγραφή της αρχικής θέσης του αντικειμένου, που περιγράφεται από την κυματική συνάρτηση. Η συνάρτηση μιγαδικών κυμάτων είναι μια κεντρική έννοια στην κβαντική μηχανική. Η συνάρτηση κύματος αλλάζει σε μια νέα διάσταση. Το αποτέλεσμα αυτής της μέτρησης εξαρτάται από την κυματική συνάρτηση, με πιθανολογικό τρόπο. Μόνο το τετράγωνο του συντελεστή της κυματικής συνάρτησης έχει φυσική σημασία, γεγονός που επιβεβαιώνει την πιθανότητα ότι η μελέτητο μικροαντικείμενο βρίσκεται σε μια συγκεκριμένη θέση στο διάστημα.
Στην κβαντική μηχανική, ο νόμος της αιτιότητας πληρούται σε σχέση με την κυματική συνάρτηση, η οποία ποικίλλει χρονικά ανάλογα με τις αρχικές συνθήκες και όχι ως προς τις συντεταγμένες της ταχύτητας των σωματιδίων, όπως στην κλασική ερμηνεία της μηχανικής. Λόγω του γεγονότος ότι μόνο το τετράγωνο του συντελεστή της συνάρτησης κύματος είναι εφοδιασμένο με φυσική τιμή, οι αρχικές του τιμές δεν μπορούν να προσδιοριστούν κατ' αρχήν, γεγονός που οδηγεί σε κάποια αδυναμία απόκτησης ακριβών γνώσεων σχετικά με την αρχική κατάσταση του κβαντικού συστήματος.
Φιλοσοφική βάση
Από φιλοσοφική άποψη, η βάση της ερμηνείας της Κοπεγχάγης είναι γνωσιολογικές αρχές:
- Παρατηρησιμότητα. Η ουσία του έγκειται στον αποκλεισμό από τη φυσική θεωρία εκείνων των δηλώσεων που δεν μπορούν να επαληθευτούν με άμεση παρατήρηση.
- Έξτρα. Υποθέτει ότι το κύμα και η σωματική περιγραφή των αντικειμένων του μικροκόσμου αλληλοσυμπληρώνονται.
- Αβεβαιότητες. Λέει ότι η συντεταγμένη των μικροαντικειμένων και η ορμή τους δεν μπορούν να προσδιοριστούν χωριστά και με απόλυτη ακρίβεια.
- Στατικός ντετερμινισμός. Υποθέτει ότι η τρέχουσα κατάσταση του φυσικού συστήματος καθορίζεται από τις προηγούμενες καταστάσεις του όχι μονοσήμαντα, αλλά μόνο με έναν ορισμένο βαθμό πιθανότητας εφαρμογής των τάσεων αλλαγής που καθορίστηκαν στο παρελθόν.
- Ταίριασμα. Σύμφωνα με αυτή την αρχή, οι νόμοι της κβαντικής μηχανικής μετατρέπονται σε νόμους της κλασικής μηχανικής όταν είναι δυνατόν να παραμεληθεί το μέγεθος του κβαντικού της δράσης.
Πλεονεκτήματα
Στην κβαντική φυσική, οι πληροφορίες για τα ατομικά αντικείμενα, που λαμβάνονται μέσω πειραματικών ρυθμίσεων, βρίσκονται σε μια περίεργη σχέση μεταξύ τους. Στις σχέσεις αβεβαιότητας του Werner Heisenberg, υπάρχει μια αντίστροφη αναλογία μεταξύ των ανακρίβειων στον καθορισμό των κινητικών και δυναμικών μεταβλητών που καθορίζουν την κατάσταση ενός φυσικού συστήματος στην κλασική μηχανική.
Ένα σημαντικό πλεονέκτημα της ερμηνείας της Κοπεγχάγης της κβαντικής μηχανικής είναι το γεγονός ότι δεν λειτουργεί με λεπτομερείς δηλώσεις απευθείας σχετικά με φυσικά μη παρατηρήσιμα μεγέθη. Επιπλέον, με ελάχιστες προϋποθέσεις, δημιουργεί ένα εννοιολογικό σύστημα που περιγράφει εξαντλητικά τα πειραματικά δεδομένα που είναι διαθέσιμα αυτή τη στιγμή.
Η σημασία της συνάρτησης κύματος
Σύμφωνα με την ερμηνεία της Κοπεγχάγης, η συνάρτηση κύματος μπορεί να υπόκειται σε δύο διαδικασίες:
- Ενιαία εξέλιξη, η οποία περιγράφεται από την εξίσωση Schrödinger.
- Μέτρηση.
Κανείς δεν είχε αμφιβολίες για την πρώτη διαδικασία στην επιστημονική κοινότητα, και η δεύτερη διαδικασία προκάλεσε συζητήσεις και οδήγησε σε μια σειρά από ερμηνείες, ακόμη και στο πλαίσιο της ίδιας της ερμηνείας της συνείδησης της Κοπεγχάγης. Από τη μία πλευρά, υπάρχει κάθε λόγος να πιστεύουμε ότι η κυματική συνάρτηση δεν είναι παρά ένα πραγματικό φυσικό αντικείμενο και ότι καταρρέει κατά τη δεύτερη διαδικασία. Από την άλλη πλευρά, η συνάρτηση κύματος μπορεί να μην είναι μια πραγματική οντότητα, αλλά ένα βοηθητικό μαθηματικό εργαλείο, ο μόνος σκοπός του οποίουείναι να παρέχει τη δυνατότητα υπολογισμού της πιθανότητας. Ο Bohr τόνισε ότι το μόνο που μπορεί να προβλεφθεί είναι το αποτέλεσμα φυσικών πειραμάτων, επομένως όλα τα δευτερεύοντα ζητήματα δεν πρέπει να σχετίζονται με την ακριβή επιστήμη, αλλά με τη φιλοσοφία. Ομολογούσε στις εξελίξεις του τη φιλοσοφική έννοια του θετικισμού, απαιτώντας από την επιστήμη να συζητά μόνο πραγματικά μετρήσιμα πράγματα.
Πείραμα διπλής σχισμής
Σε ένα πείραμα δύο σχισμών, το φως που διέρχεται από δύο σχισμές πέφτει στην οθόνη, στην οποία εμφανίζονται δύο κρόσσια παρεμβολής: σκοτεινό και ανοιχτό. Αυτή η διαδικασία εξηγείται από το γεγονός ότι τα κύματα φωτός μπορούν αμοιβαία να ενισχύονται σε ορισμένα σημεία και να αλληλοεξουδετερώνονται σε άλλα. Από την άλλη πλευρά, το πείραμα δείχνει ότι το φως έχει τις ιδιότητες ενός τμήματος ροής και τα ηλεκτρόνια μπορούν να παρουσιάζουν κυματικές ιδιότητες, ενώ δίνουν ένα μοτίβο παρεμβολής.
Μπορεί να υποτεθεί ότι το πείραμα πραγματοποιείται με ένα ρεύμα φωτονίων (ή ηλεκτρονίων) τόσο χαμηλής έντασης που μόνο ένα σωματίδιο διέρχεται από τις σχισμές κάθε φορά. Ωστόσο, όταν προσθέτουμε τα σημεία όπου τα φωτόνια χτυπούν στην οθόνη, προκύπτει το ίδιο μοτίβο παρεμβολής από υπερτιθέμενα κύματα, παρά το γεγονός ότι το πείραμα αφορά υποτιθέμενα ξεχωριστά σωματίδια. Αυτό συμβαίνει επειδή ζούμε σε ένα «πιθανολογικό» σύμπαν, στο οποίο κάθε μελλοντικό γεγονός έχει έναν ανακατανεμημένο βαθμό πιθανότητας και η πιθανότητα να συμβεί κάτι εντελώς απρόβλεπτο την επόμενη στιγμή είναι μάλλον μικρή.
Ερωτήσεις
Η εμπειρία σχισμής το λέειερωτήσεις:
- Ποιοι θα είναι οι κανόνες για τη συμπεριφορά των μεμονωμένων σωματιδίων; Οι νόμοι της κβαντικής μηχανικής υποδεικνύουν τη θέση της οθόνης στην οποία θα βρίσκονται τα σωματίδια, στατιστικά. Σας επιτρέπουν να υπολογίσετε τη θέση των φωτεινών ζωνών, που είναι πιθανό να περιέχουν πολλά σωματίδια, και των σκοτεινών ζωνών, όπου είναι πιθανό να πέσουν λιγότερα σωματίδια. Ωστόσο, οι νόμοι που διέπουν την κβαντική μηχανική δεν μπορούν να προβλέψουν πού θα καταλήξει πραγματικά ένα μεμονωμένο σωματίδιο.
- Τι συμβαίνει με το σωματίδιο τη στιγμή μεταξύ της εκπομπής και της καταχώρισης; Σύμφωνα με τα αποτελέσματα των παρατηρήσεων, μπορεί να δημιουργηθεί η εντύπωση ότι το σωματίδιο βρίσκεται σε αλληλεπίδραση και με τις δύο σχισμές. Φαίνεται ότι αυτό έρχεται σε αντίθεση με τις κανονικότητες της συμπεριφοράς ενός σημειακού σωματιδίου. Επιπλέον, όταν ένα σωματίδιο καταχωρείται, γίνεται ένα σημείο.
- Υπό την επίδραση τι αλλάζει ένα σωματίδιο τη συμπεριφορά του από στατικό σε μη στατικό και αντίστροφα; Όταν ένα σωματίδιο διέρχεται από τις σχισμές, η συμπεριφορά του καθορίζεται από μια μη εντοπισμένη κυματική συνάρτηση που διέρχεται και από τις δύο σχισμές ταυτόχρονα. Τη στιγμή της καταχώρησης ενός σωματιδίου, είναι πάντα σταθερό ως ένα σημείο και δεν λαμβάνεται ποτέ ένα θολό κυματικό πακέτο.
Απαντήσεις
Η θεωρία της Κοπεγχάγης για την κβαντική ερμηνεία απαντά στα ερωτήματα που τίθενται ως εξής:
- Είναι θεμελιωδώς αδύνατο να εξαλειφθεί η πιθανολογική φύση των προβλέψεων της κβαντικής μηχανικής. Δηλαδή, δεν μπορεί να υποδείξει με ακρίβεια τον περιορισμό της ανθρώπινης γνώσης για τυχόν λανθάνουσες μεταβλητές. Η κλασική φυσική αναφέρεται σεπιθανότητα σε εκείνες τις περιπτώσεις που είναι απαραίτητο να περιγραφεί μια διαδικασία όπως η ρίψη ζαριών. Δηλαδή, η πιθανότητα αντικαθιστά την ελλιπή γνώση. Η ερμηνεία της Κοπεγχάγης της κβαντικής μηχανικής από τους Heisenberg και Bohr, αντίθετα, δηλώνει ότι το αποτέλεσμα των μετρήσεων στην κβαντική μηχανική είναι θεμελιωδώς μη ντετερμινιστικό.
- Η φυσική είναι μια επιστήμη που μελετά τα αποτελέσματα των διαδικασιών μέτρησης. Είναι λάθος να κάνουμε εικασίες για το τι συμβαίνει ως αποτέλεσμα αυτών. Σύμφωνα με την ερμηνεία της Κοπεγχάγης, οι ερωτήσεις σχετικά με το πού βρισκόταν το σωματίδιο πριν από τη στιγμή της καταχώρισής του, καθώς και άλλες παρόμοιες κατασκευές δεν έχουν νόημα, και επομένως θα πρέπει να αποκλειστούν από τον προβληματισμό.
- Η πράξη της μέτρησης οδηγεί σε στιγμιαία κατάρρευση της κυματικής συνάρτησης. Επομένως, η διαδικασία μέτρησης επιλέγει τυχαία μόνο μία από τις δυνατότητες που επιτρέπει η κυματική συνάρτηση μιας δεδομένης κατάστασης. Και για να αντικατοπτρίζει αυτή την επιλογή, η συνάρτηση κύματος πρέπει να αλλάξει αμέσως.
Forms
Η διατύπωση της ερμηνείας της Κοπεγχάγης στην αρχική της μορφή έχει προκαλέσει πολλές παραλλαγές. Το πιο κοινό από αυτά βασίζεται στην προσέγγιση συνεπών γεγονότων και σε μια τέτοια έννοια όπως η κβαντική αποσυνοχή. Η αποσυνοχή σάς επιτρέπει να υπολογίσετε το ασαφές όριο μεταξύ του μακρο- και του μικροκόσμου. Οι υπόλοιπες παραλλαγές διαφέρουν ως προς τον βαθμό "ρεαλισμού του κυματοκοσμικού κόσμου."
Κριτική
Η εγκυρότητα της κβαντικής μηχανικής (η απάντηση των Heisenberg και Bohr στην πρώτη ερώτηση) αμφισβητήθηκε σε ένα σκεπτικό πείραμα που διεξήχθη από τους Einstein, Podolsky καιRosen (παράδοξο EPR). Έτσι, οι επιστήμονες ήθελαν να αποδείξουν ότι η ύπαρξη κρυφών παραμέτρων είναι απαραίτητη ώστε η θεωρία να μην οδηγεί σε στιγμιαία και μη τοπική «δράση μεγάλης εμβέλειας». Ωστόσο, κατά την επαλήθευση του παραδόξου EPR, που έγινε δυνατή από τις ανισότητες του Bell, αποδείχθηκε ότι η κβαντική μηχανική είναι σωστή και ότι διάφορες κρυφές θεωρίες μεταβλητών δεν έχουν πειραματική επιβεβαίωση.
Αλλά η πιο προβληματική απάντηση ήταν η απάντηση του Heisenberg και του Bohr στην τρίτη ερώτηση, η οποία τοποθετούσε τις διαδικασίες μέτρησης σε ειδική θέση, αλλά δεν καθόριζε την παρουσία διακριτικών χαρακτηριστικών σε αυτές.
Πολλοί επιστήμονες, τόσο φυσικοί όσο και φιλόσοφοι, αρνήθηκαν κατηγορηματικά να δεχτούν την ερμηνεία της κβαντικής φυσικής στην Κοπεγχάγη. Ο πρώτος λόγος για αυτό ήταν ότι η ερμηνεία των Heisenberg και Bohr δεν ήταν ντετερμινιστική. Και το δεύτερο είναι ότι εισήγαγε μια ασαφή έννοια μέτρησης που μετέτρεψε τις συναρτήσεις πιθανότητας σε έγκυρα αποτελέσματα.
Ο Αϊνστάιν ήταν σίγουρος ότι η περιγραφή της φυσικής πραγματικότητας που δόθηκε από την κβαντομηχανική όπως ερμηνεύτηκε από τους Χάιζενμπεργκ και Μπορ ήταν ελλιπής. Σύμφωνα με τον Αϊνστάιν, βρήκε κάποια λογική στην ερμηνεία της Κοπεγχάγης, αλλά τα επιστημονικά του ένστικτα αρνήθηκαν να τη δεχτούν. Έτσι ο Αϊνστάιν δεν μπορούσε να σταματήσει να αναζητά μια πιο ολοκληρωμένη ιδέα.
Στην επιστολή του προς τον Born, ο Αϊνστάιν είπε: "Είμαι σίγουρος ότι ο Θεός δεν ρίχνει ζάρια!". Ο Niels Bohr, σχολιάζοντας αυτή τη φράση, είπε στον Αϊνστάιν να μην πει στον Θεό τι να κάνει. Και στη συνομιλία του με τον Αβραάμ Πάις, ο Αϊνστάιν αναφώνησε: «Πραγματικά πιστεύεις ότι το φεγγάρι υπάρχειμόνο όταν το κοιτάς;».
Ο Έρβιν Σρέντινγκερ σκέφτηκε ένα πείραμα σκέψης με μια γάτα, μέσω του οποίου ήθελε να αποδείξει την κατωτερότητα της κβαντικής μηχανικής κατά τη μετάβαση από τα υποατομικά σε μικροσκοπικά συστήματα. Ταυτόχρονα, η απαραίτητη κατάρρευση της κυματικής συνάρτησης στο διάστημα θεωρήθηκε προβληματική. Σύμφωνα με τη θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν, η στιγμιαία και η ταυτόχρονη αίσθηση έχουν νόημα μόνο για έναν παρατηρητή που βρίσκεται στο ίδιο πλαίσιο αναφοράς. Έτσι, δεν υπάρχει χρόνος που θα μπορούσε να γίνει ένας για όλους, πράγμα που σημαίνει ότι δεν μπορεί να προσδιοριστεί η στιγμιαία κατάρρευση.
Διανομή
Μια άτυπη έρευνα που διεξήχθη στον ακαδημαϊκό χώρο το 1997 έδειξε ότι η προηγουμένως κυρίαρχη ερμηνεία της Κοπεγχάγης, που συζητήθηκε εν συντομία παραπάνω, υποστηρίχθηκε από λιγότερους από τους μισούς ερωτηθέντες. Ωστόσο, έχει περισσότερους οπαδούς από τις άλλες ερμηνείες μεμονωμένα.
Εναλλακτική
Πολλοί φυσικοί είναι πιο κοντά σε μια άλλη ερμηνεία της κβαντικής μηχανικής, η οποία ονομάζεται "καμία". Η ουσία αυτής της ερμηνείας εκφράζεται εξαντλητικά στο ρητό του Ντέιβιντ Μέρμιν: «Σώπασε και υπολόγισε!», που συχνά αποδίδεται στον Ρίτσαρντ Φάινμαν ή στον Πωλ Ντιράκ.
