Копенхагенската интерпретация е обяснение на квантовата механика, формулирано от Нилс Бор и Вернер Хайзенберг през 1927 г., когато учените работят заедно в Копенхаген. Бор и Хайзенберг успяха да подобрят вероятностната интерпретация на функцията, формулирана от М. Борн, и се опитаха да отговорят на редица въпроси, които възникват поради дуалността вълна-частица. Тази статия ще разгледа основните идеи на Копенхагенската интерпретация на квантовата механика и тяхното влияние върху съвременната физика.
Проблеми
Интерпретациите на квантовата механика, наречени философски възгледи за природата на квантовата механика като теория, която описва материалния свят. С тяхна помощ беше възможно да се отговори на въпроси за същността на физическата реалност, метода на нейното изследване, естеството на причинно-следствената връзка и детерминизма, както и същността на статистиката и нейното място в квантовата механика. Квантовата механика се счита за най-резонансната теория в историята на науката, но все още няма консенсус в нейното дълбоко разбиране. Има редица интерпретации на квантовата механика иднес ще се запознаем с най-популярните от тях.
Ключови идеи
Както знаете, физическият свят се състои от квантови обекти и класически измервателни инструменти. Промяната в състоянието на измервателните уреди описва необратим статистически процес на промяна на характеристиките на микрообектите. Когато микрообект взаимодейства с атомите на измервателното устройство, суперпозицията се свежда до едно състояние, тоест вълновата функция на измервателния обект се намалява. Уравнението на Шрьодингер не описва този резултат.
От гледна точка на Копенхагенската интерпретация, квантовата механика не описва самите микрообекти, а техните свойства, които се проявяват в макро условия, създадени от типични измервателни уреди по време на наблюдение. Поведението на атомните обекти не може да се различи от взаимодействието им с измервателни уреди, които определят условията за възникване на явления.
Поглед към квантовата механика
Квантовата механика е статична теория. Това се дължи на факта, че измерването на микрообект води до промяна в състоянието му. Така че има вероятностно описание на първоначалното положение на обекта, описано от вълновата функция. Сложната вълнова функция е централно понятие в квантовата механика. Вълновата функция се променя в ново измерение. Резултатът от това измерване зависи от вълновата функция по вероятностен начин. Само квадратът на модула на вълновата функция има физическо значение, което потвърждава вероятността, че изследванатамикрообектът се намира на определено място в пространството.
В квантовата механика законът за причинно-следствената връзка е изпълнен по отношение на вълновата функция, която варира във времето в зависимост от началните условия, а не по отношение на координатите на скоростта на частиците, както е в класическата интерпретация на механиката. Поради факта, че само квадратът на модула на вълновата функция е надарен с физическа стойност, първоначалните му стойности не могат да бъдат определени по принцип, което води до известна невъзможност за получаване на точни знания за първоначалното състояние на квантовата система.
Философска основа
От философска гледна точка основата на тълкуването от Копенхаген са епистемологични принципи:
- Наблюдаемост. Същността му се крие в изключване от физическата теория на тези твърдения, които не могат да бъдат проверени чрез пряко наблюдение.
- Екстри. Приема, че вълновото и корпускулярното описание на обектите на микросвета се допълват взаимно.
- Несигурности. Казва, че координатите на микрообектите и техният импулс не могат да бъдат определени отделно и с абсолютна точност.
- Статичен детерминизъм. Предполага се, че текущото състояние на физическата система се определя от предишните й състояния не еднозначно, а само с известна степен на вероятност за прилагане на тенденциите на промяна, заложени в миналото.
- Съвпадение. Съгласно този принцип законите на квантовата механика се трансформират в законите на класическата механика, когато е възможно да се пренебрегне величината на кванта на действие.
Предимства
В квантовата физика информацията за атомни обекти, получена чрез експериментални настройки, е в особена връзка помежду си. В отношенията за неопределеност на Вернер Хайзенберг има обратна пропорционалност между неточностите при фиксирането на кинетичните и динамичните променливи, които определят състоянието на физическа система в класическата механика.
Съществено предимство на Копенхагенската интерпретация на квантовата механика е фактът, че тя не оперира директно с подробни твърдения за физически ненаблюдаеми величини. Освен това, с минимум предпоставки, той изгражда концептуална система, която описва изчерпателно експерименталните факти, налични в момента.
Значението на вълновата функция
Според тълкуването на Копенхаген, вълновата функция може да бъде обект на два процеса:
- Унитарна еволюция, която се описва с уравнението на Шрьодингер.
- Измерване.
Никой нямаше съмнения относно първия процес в научната общност, а вторият процес предизвика дискусии и породи редица интерпретации, дори в рамките на Копенхагенската интерпретация на самото съзнание. От една страна, има всички основания да се смята, че вълновата функция не е нищо друго освен реален физически обект и че се срива по време на втория процес. От друга страна, вълновата функция може да не е реална единица, а спомагателен математически инструмент, чиято единствена целе да осигури възможност за изчисляване на вероятността. Бор подчертава, че единственото, което може да се предвиди, е резултатът от физически експерименти, така че всички второстепенни въпроси не трябва да бъдат свързани с точната наука, а с философията. Той изповядва в своите разработки философската концепция за позитивизма, изискваща науката да обсъжда само наистина измерими неща.
Експеримент с двоен прорез
При експеримент с два процепа светлината, преминаваща през два процепа, пада върху екрана, на който се появяват две интерференционни ресни: тъмна и светла. Този процес се обяснява с факта, че светлинните вълни могат взаимно да се усилват на някои места и да се отменят на други. От друга страна, експериментът илюстрира, че светлината има свойствата на поток и електроните могат да проявяват вълнови свойства, като същевременно дават интерференционен модел.
Може да се приеме, че експериментът се провежда с поток от фотони (или електрони) с толкова нисък интензитет, че само една частица преминава през процепите всеки път. Независимо от това, при добавяне на точките, в които фотоните удрят екрана, се получава същата интерференционна картина от насложени вълни, въпреки факта, че експериментът засяга уж отделни частици. Това е така, защото живеем в "вероятностна" вселена, в която всяко бъдещо събитие има преразпределена степен на възможност и вероятността нещо напълно непредвидено да се случи в следващия момент от време е доста малка.
Въпроси
Slit опит поставя такивавъпроси:
- Какви ще бъдат правилата за поведението на отделните частици? Законите на квантовата механика показват местоположението на екрана, в който ще бъдат частиците, статистически. Те ви позволяват да изчислите местоположението на светлите ленти, които вероятно съдържат много частици, и тъмните ленти, където е вероятно да паднат по-малко частици. Въпреки това, законите, които управляват квантовата механика, не могат да предскажат къде всъщност ще се озове отделна частица.
- Какво се случва с частицата в момента между излъчването и регистрацията? Според резултатите от наблюденията може да се създаде впечатлението, че частицата е във взаимодействие и с двата процепа. Изглежда, че това противоречи на закономерностите на поведението на точковата частица. Освен това, когато една частица е регистрирана, тя се превръща в точка.
- Под влияние на какво една частица променя поведението си от статично към нестатично и обратно? Когато една частица преминава през процепите, нейното поведение се определя от нелокализирана вълнова функция, преминаваща през двата процепа едновременно. В момента на регистрация на частица тя винаги е фиксирана като точка и никога не се получава замъглен вълнов пакет.
Отговори
Копенхагенската теория за квантовата интерпретация отговаря на въпросите, поставени по следния начин:
- По принцип е невъзможно да се елиминира вероятностната природа на прогнозите на квантовата механика. Тоест, не може точно да посочи ограничението на човешкото познание за латентни променливи. Класическата физика се отнася довероятност в случаите, когато е необходимо да се опише процес като хвърляне на зарове. Тоест вероятността замества непълното знание. Копенхагенската интерпретация на квантовата механика от Хайзенберг и Бор, напротив, заявява, че резултатът от измерванията в квантовата механика е фундаментално недетерминиран.
- Физиката е наука, която изучава резултатите от измервателните процеси. Погрешно е да се спекулира какво се случва в резултат на тях. Според тълкуването от Копенхаген въпросите за това къде е била частицата преди момента на нейната регистрация и други подобни измислици са безсмислени и следователно трябва да бъдат изключени от размисъл.
- Актът на измерване води до моментален колапс на вълновата функция. Следователно процесът на измерване избира произволно само една от възможностите, които позволява вълновата функция на дадено състояние. И за да отрази този избор, вълновата функция трябва да се промени моментално.
Формуляри
Формулирането на тълкуването от Копенхаген в оригиналния му вид породи няколко вариации. Най-често срещаният от тях се основава на подхода на последователни събития и такава концепция като квантова декохерентност. Декохерентността ви позволява да изчислите размитата граница между макро- и микросветовете. Останалите вариации се различават по степента на "реализъм на света на вълните."
Критика
Валидността на квантовата механика (отговорът на Хайзенберг и Бор на първия въпрос) беше поставена под въпрос в мисловен експеримент, проведен от Айнщайн, Подолски иРосен (парадокс на EPR). По този начин учените искаха да докажат, че съществуването на скрити параметри е необходимо, така че теорията да не води до мигновено и нелокално „действие на далечни разстояния“. Въпреки това, по време на проверката на EPR парадокса, станал възможен от неравенствата на Бел, беше доказано, че квантовата механика е вярна и различните теории за скрити променливи нямат експериментално потвърждение.
Но най-проблематичният отговор беше отговорът на Хайзенберг и Бор на третия въпрос, който поставя измервателните процеси в специална позиция, но не определя наличието на отличителни черти в тях.
Много учени, както физици, така и философи, категорично отказаха да приемат копенхагенската интерпретация на квантовата физика. Първата причина за това е, че тълкуването на Хайзенберг и Бор не е детерминистично. И второто е, че въвежда неясно понятие за измерване, което превръща функциите на вероятността във валидни резултати.
Айнщайн беше сигурен, че описанието на физическата реалност, дадено от квантовата механика, както е интерпретирано от Хайзенберг и Бор, е непълно. Според Айнщайн той е намерил известна логика в интерпретацията на Копенхаген, но научните му инстинкти отказват да я приемат. Така че Айнщайн не можеше да спре да търси по-пълна концепция.
В писмото си до Борн Айнщайн казва: "Сигурен съм, че Бог не хвърля зарове!". Нилс Бор, коментирайки тази фраза, каза на Айнщайн да не казва на Бог какво да прави. И в разговора си с Ейбрахам Паис, Айнщайн възкликна: „Вие наистина мислите, че луната съществувасамо когато го погледнеш?".
Ервин Шрьодингер излезе с мисловен експеримент с котка, чрез който искаше да демонстрира малоценността на квантовата механика по време на прехода от субатомни към микроскопични системи. В същото време необходимият колапс на вълновата функция в пространството се счита за проблематичен. Според теорията на относителността на Айнщайн, моментността и едновременността имат смисъл само за наблюдател, който е в една и съща референтна система. По този начин няма време, което да стане едно за всички, което означава, че моменталният срив не може да бъде определен.
Разпространение
Неформално проучване, проведено в академичните среди през 1997 г., показа, че предишната доминираща интерпретация на Копенхаген, обсъдена накратко по-горе, е била подкрепена от по-малко от половината от респондентите. Той обаче има повече привърженици от другите интерпретации поотделно.
Алтернатива
Много физици са по-близо до друга интерпретация на квантовата механика, която се нарича "никоя". Същността на това тълкуване е изчерпателно изразена в изречението на Дейвид Мермин: „Млъкни и смятай!“, което често се приписва на Ричард Файнман или Пол Дирак.
