Kopenhāgenas interpretācija ir kvantu mehānikas skaidrojums, ko formulēja Nīls Bors un Verners Heizenbergs 1927. gadā, kad zinātnieki strādāja kopā Kopenhāgenā. Bors un Heizenbergs spēja uzlabot M. Borna formulētās funkcijas varbūtības interpretāciju un mēģināja atbildēt uz vairākiem jautājumiem, kas rodas viļņu-daļiņu dualitātes dēļ. Šajā rakstā tiks aplūkotas galvenās idejas Kopenhāgenas kvantu mehānikas interpretācijā un to ietekme uz mūsdienu fiziku.
Problēmas
Kvantu mehānikas interpretācijas sauc par filozofiskiem uzskatiem par kvantu mehānikas kā teorijas būtību, kas apraksta materiālo pasauli. Ar viņu palīdzību bija iespējams atbildēt uz jautājumiem par fiziskās realitātes būtību, tās izpētes metodi, cēloņsakarības un determinisma būtību, kā arī statistikas būtību un vietu kvantu mehānikā. Kvantu mehānika tiek uzskatīta par visrezonējošāko teoriju zinātnes vēsturē, taču tās dziļajā izpratnē joprojām nav vienprātības. Pastāv vairākas kvantu mehānikas interpretācijas, unšodien iepazīsimies ar populārākajām no tām.
Galvenās idejas
Kā jūs zināt, fiziskā pasaule sastāv no kvantu objektiem un klasiskajiem mērinstrumentiem. Mērinstrumentu stāvokļa izmaiņas raksturo neatgriezenisku statistisku mikroobjektu raksturlielumu maiņas procesu. Mikroobjektam mijiedarbojoties ar mērierīces atomiem, superpozīcija tiek samazināta līdz vienam stāvoklim, tas ir, tiek samazināta mērīšanas objekta viļņu funkcija. Šrēdingera vienādojums šo rezultātu neapraksta.
No Kopenhāgenas interpretācijas viedokļa kvantu mehānika apraksta nevis pašus mikroobjektus, bet gan to īpašības, kas izpaužas makroapstākļos, ko novērošanas laikā rada tipiski mērinstrumenti. Atomu objektu uzvedību nevar atšķirt no to mijiedarbības ar mērinstrumentiem, kas nosaka parādību rašanās nosacījumus.
Apskats kvantu mehānikā
Kvantu mehānika ir statiska teorija. Tas ir saistīts ar faktu, ka mikroobjekta mērīšana noved pie tā stāvokļa izmaiņām. Tātad ir iespējams objekta sākotnējās pozīcijas apraksts, ko apraksta viļņu funkcija. Sarežģītā viļņu funkcija ir kvantu mehānikas centrālais jēdziens. Viļņu funkcija mainās uz jaunu dimensiju. Šī mērījuma rezultāts varbūtības veidā ir atkarīgs no viļņa funkcijas. Fiziska nozīme ir tikai viļņa funkcijas moduļa kvadrātam, kas apstiprina varbūtību, ka pētītaismikroobjekts atrodas noteiktā telpas vietā.
Kvantu mehānikā cēloņsakarības likums tiek izpildīts attiecībā uz viļņa funkciju, kas mainās laikā atkarībā no sākotnējiem apstākļiem, nevis attiecībā uz daļiņu ātruma koordinātām, kā tas ir klasiskajā mehānikas interpretācijā. Sakarā ar to, ka tikai viļņa funkcijas moduļa kvadrāts ir apveltīts ar fizisko vērtību, tā sākotnējās vērtības principā nevar noteikt, kas rada zināmu neiespējamību iegūt precīzas zināšanas par kvantu sistēmas sākotnējo stāvokli..
Filozofiskais pamatojums
No filozofiskā viedokļa Kopenhāgenas interpretācijas pamatā ir epistemoloģiskie principi:
- Novērojamība. Tās būtība ir tādu apgalvojumu izslēgšana no fizikālās teorijas, kurus nevar pārbaudīt ar tiešu novērojumu.
- Papildus. Pieņem, ka mikropasaules objektu vilnis un korpuskulārais apraksts viens otru papildina.
- Neskaidrības. Saka, ka mikroobjektu koordinātas un to impulsu nevar noteikt atsevišķi un ar absolūtu precizitāti.
- Statiskais determinisms. Tas pieņem, ka fiziskās sistēmas pašreizējo stāvokli nosaka tās iepriekšējie stāvokļi nevis viennozīmīgi, bet tikai ar zināmu varbūtības pakāpi pagātnē noteikto pārmaiņu tendenču īstenošanai.
- Atbilstība. Saskaņā ar šo principu kvantu mehānikas likumi tiek pārveidoti par klasiskās mehānikas likumiem, ja ir iespējams neievērot darbības kvantu lielumu.
Priekšrocības
Kvantu fizikā informācija par atomu objektiem, kas iegūta, izmantojot eksperimentālos iestatījumus, ir savdabīgās attiecībās viena ar otru. Vernera Heizenberga nenoteiktības attiecībās pastāv apgriezta proporcionalitāte starp kinētisko un dinamisko mainīgo fiksēšanas neprecizitātēm, kas nosaka fiziskās sistēmas stāvokli klasiskajā mehānikā.
Kvantu mehānikas Kopenhāgenas interpretācijas būtiska priekšrocība ir fakts, ka tā nedarbojas ar detalizētiem apgalvojumiem tieši par fiziski nenovērojamiem lielumiem. Turklāt ar minimāliem priekšnoteikumiem tā izveido konceptuālu sistēmu, kas izsmeļoši apraksta šobrīd pieejamos eksperimentālos faktus.
Viļņu funkcijas nozīme
Saskaņā ar Kopenhāgenas interpretāciju viļņu funkciju var pakļaut diviem procesiem:
- Unitāra evolūcija, ko apraksta Šrēdingera vienādojums.
- Mērīšana.
Nevienam nebija šaubu par pirmo procesu zinātnieku aprindās, un otrais process izraisīja diskusijas un radīja vairākas interpretācijas pat pašas Kopenhāgenas apziņas interpretācijas ietvaros. No vienas puses, ir pamats uzskatīt, ka viļņu funkcija nav nekas cits kā reāls fizisks objekts un ka otrā procesa laikā tā sabrūk. No otras puses, viļņu funkcija var būt nevis reāla vienība, bet gan matemātisks palīgrīks, kura vienīgais mērķisir nodrošināt iespēju aprēķināt varbūtību. Bors uzsvēra, ka vienīgais, ko var paredzēt, ir fizisku eksperimentu rezultāts, tāpēc visi sekundārie jautājumi nav saistīti ar eksakto zinātni, bet gan ar filozofiju. Savos izstrādēs viņš apliecināja pozitīvisma filozofisko koncepciju, pieprasot, lai zinātne apspriestu tikai patiešām izmērāmas lietas.
Dubultā spraugas eksperiments
Divu spraugu eksperimentā gaisma, kas iet cauri divām spraugām, nokrīt uz ekrāna, uz kuras parādās divas interferences joslas: tumšā un gaišā. Šis process ir izskaidrojams ar to, ka gaismas viļņi dažās vietās var savstarpēji pastiprināties, bet citās - izslēgt viens otru. No otras puses, eksperiments parāda, ka gaismai ir plūsmas daļas īpašības un elektroniem var būt viļņu īpašības, vienlaikus radot traucējumu modeli.
Var pieņemt, ka eksperiments tiek veikts ar tik zemas intensitātes fotonu (vai elektronu) plūsmu, ka katru reizi spraugām iziet tikai viena daļiņa. Neskatoties uz to, ka eksperiments attiecas uz it kā atsevišķām daļiņām, pievienojot punktus, kur fotoni ietriecas ekrānā, no pārklājošiem viļņiem tiek iegūts tāds pats traucējumu modelis. Tas ir tāpēc, ka mēs dzīvojam "varbūtības" Visumā, kurā katram nākotnes notikumam ir pārdalīta iespējamības pakāpe, un varbūtība, ka nākamajā laika mirklī notiks kaut kas pilnīgi neparedzēts, ir diezgan maza.
Jautājumi
Šķēra pieredze liek tādujautājumi:
- Kādi būs atsevišķu daļiņu uzvedības noteikumi? Kvantu mehānikas likumi statistiski norāda ekrāna atrašanās vietu, kurā būs daļiņas. Tie ļauj aprēķināt gaišo joslu atrašanās vietu, kas, iespējams, satur daudzas daļiņas, un tumšās joslas, kurās, iespējams, nokrīt mazāk daļiņu. Tomēr likumi, kas regulē kvantu mehāniku, nevar paredzēt, kur atsevišķa daļiņa patiesībā nonāks.
- Kas notiek ar daļiņu brīdī starp emisiju un reģistrāciju? Pēc novērojumu rezultātiem var radīt iespaidu, ka daļiņa atrodas mijiedarbībā ar abiem spraugām. Šķiet, ka tas ir pretrunā ar punktveida daļiņas uzvedības likumsakarībām. Turklāt, kad daļiņa tiek reģistrēta, tā kļūst par punktu.
- Kā ietekmē daļiņa maina savu uzvedību no statiskas uz nestatisku un otrādi? Kad daļiņa iziet cauri spraugām, tās uzvedību nosaka nelokalizēta viļņu funkcija, kas vienlaikus iet cauri abām spraugām. Daļiņas reģistrācijas brīdī tā vienmēr tiek fiksēta kā punkts, un izplūdušu viļņu pakete nekad netiek iegūta.
Atbildes
Kopenhāgenas kvantu interpretācijas teorija atbild uz uzdotajiem jautājumiem šādi:
- Ir būtībā neiespējami novērst kvantu mehānikas prognožu varbūtības raksturu. Tas nozīmē, ka tas nevar precīzi norādīt uz cilvēka zināšanu ierobežojumu par jebkādiem latentiem mainīgajiem. Klasiskā fizika attiecas uzvarbūtība tajos gadījumos, kad nepieciešams aprakstīt tādu procesu kā kauliņu mešana. Tas ir, varbūtība aizstāj nepilnīgas zināšanas. Gluži pretēji, Heizenberga un Bora kvantu mehānikas interpretācija Kopenhāgenā norāda, ka mērījumu rezultāts kvantu mehānikā būtībā nav deterministisks.
- Fizika ir zinātne, kas pēta mērīšanas procesu rezultātus. Ir nepareizi spekulēt par to, kas notiek to rezultātā. Saskaņā ar Kopenhāgenas interpretāciju jautājumi par to, kur daļiņa atradās pirms tās reģistrācijas brīža, un citi līdzīgi izdomājumi ir bezjēdzīgi, tāpēc tie ir jāizslēdz no pārdomas.
- Mērīšanas darbība izraisa momentānu viļņu funkcijas sabrukumu. Tāpēc mērīšanas procesā nejauši tiek izvēlēta tikai viena no iespējām, ko pieļauj dotā stāvokļa viļņu funkcija. Un, lai atspoguļotu šo izvēli, viļņu funkcijai ir nekavējoties jāmainās.
Veidlapas
Kopenhāgenas interpretācijas formulējums tās sākotnējā formā ir radījis vairākas variācijas. Visizplatītākā no tām ir balstīta uz konsekventu notikumu pieeju un tādu jēdzienu kā kvantu dekoherence. Dekoherence ļauj aprēķināt izplūdušo robežu starp makro un mikropasaulēm. Atlikušās variācijas atšķiras pēc "viļņu pasaules reālisma" pakāpes.
Kritika
Kvantu mehānikas derīgums (Heizenberga un Bora atbilde uz pirmo jautājumu) tika apšaubīts domu eksperimentā, ko veica Einšteins, Podoļskis unRozens (EPR paradokss). Tādējādi zinātnieki vēlējās pierādīt, ka slēpto parametru esamība ir nepieciešama, lai teorija nenovestu pie momentānas un nelokālas “tāldarbības”. Tomēr, pārbaudot EPR paradoksu, ko ļāva Bela nevienādības, tika pierādīts, ka kvantu mehānika ir pareiza, un dažādām slēpto mainīgo teorijām nav eksperimentāla apstiprinājuma.
Bet visproblemātiskākā atbilde bija Heizenberga un Bora atbilde uz trešo jautājumu, kas mērīšanas procesus nostādīja īpašā pozīcijā, bet nenoteica tajos atšķirīgu pazīmju klātbūtni.
Daudzi zinātnieki, gan fiziķi, gan filozofi, kategoriski atteicās pieņemt Kopenhāgenas kvantu fizikas interpretāciju. Pirmais iemesls tam bija tas, ka Heizenberga un Bora interpretācija nebija deterministiska. Un otrs ir tas, ka tas ieviesa neskaidru mērīšanas jēdzienu, kas pārvērta varbūtības funkcijas derīgos rezultātos.
Einšteins bija pārliecināts, ka kvantu mehānikas sniegtais fiziskās realitātes apraksts Heizenberga un Bora interpretācijā bija nepilnīgs. Pēc Einšteina domām, viņš Kopenhāgenas interpretācijā atrada zināmu loģiku, taču viņa zinātniskie instinkti atteicās to pieņemt. Tāpēc Einšteins nevarēja beigt meklēt pilnīgāku koncepciju.
Savā vēstulē Bornam Einšteins teica: "Esmu pārliecināts, ka Dievs nemet kauliņus!". Nīls Bors, komentējot šo frāzi, lika Einšteinam nesaka Dievam, kas jādara. Un sarunā ar Ābrahamu Paisu Einšteins iesaucās: “Tu tiešām domā, ka mēness eksistē.tikai tad, kad uz to skatāties?”.
Ervins Šrēdingers nāca klajā ar domu eksperimentu ar kaķi, ar kura palīdzību viņš vēlējās demonstrēt kvantu mehānikas nepilnvērtīgumu pārejā no subatomiskām uz mikroskopiskām sistēmām. Tajā pašā laikā par problemātisku tika uzskatīts nepieciešamais viļņu funkcijas sabrukums telpā. Saskaņā ar Einšteina relativitātes teoriju momentanitātei un vienlaicībai ir jēga tikai novērotājam, kurš atrodas vienā atskaites sistēmā. Tādējādi nav laika, kas varētu kļūt par vienu visiem, kas nozīmē, ka momentānu sabrukumu nevar noteikt.
Izplatīšana
Neformāla aptauja, kas tika veikta akadēmiskajās aprindās 1997. gadā, parādīja, ka iepriekš dominējošo Kopenhāgenas interpretāciju, kas īsi apspriesta iepriekš, atbalstīja mazāk nekā puse respondentu. Tomēr tai ir vairāk piekritēju nekā citām interpretācijām atsevišķi.
Alternatīva
Daudzi fiziķi ir tuvāk citai kvantu mehānikas interpretācijai, ko sauc par "nav". Šīs interpretācijas būtība ir izsmeļoši izteikta Deivida Mermina teikumā: "Aizveries un parēķini!", ko nereti piedēvē Ričardam Feinmenam vai Polam Dirakam.
