Kopenhagos interpretacija yra kvantinės mechanikos paaiškinimas, kurį suformulavo Nielsas Bohras ir Werneris Heisenbergas 1927 m., kai mokslininkai dirbo kartu Kopenhagoje. Bohras ir Heisenbergas sugebėjo patobulinti M. Borno suformuluotos funkcijos tikimybinę interpretaciją ir bandė atsakyti į daugybę klausimų, kylančių dėl bangos ir dalelės dvilypumo. Šiame straipsnyje bus nagrinėjamos pagrindinės Kopenhagos kvantinės mechanikos interpretacijos idėjos ir jų įtaka šiuolaikinei fizikai.
Problemos
Kvantinės mechanikos interpretacijos vadinamos filosofinėmis pažiūromis į kvantinės mechanikos, kaip teorijos, apibūdinančios materialųjį pasaulį, prigimtį. Jų pagalba buvo galima atsakyti į klausimus apie fizinės tikrovės esmę, jos tyrimo metodą, priežastingumo ir determinizmo prigimtį, taip pat statistikos esmę ir vietą kvantinėje mechanikoje. Kvantinė mechanika laikoma labiausiai rezonansine teorija mokslo istorijoje, tačiau iki šiol nėra sutarimo dėl gilaus jos supratimo. Yra daugybė kvantinės mechanikos interpretacijų iršiandien susipažinsime su populiariausiais iš jų.
Pagrindinės idėjos
Kaip žinote, fizinį pasaulį sudaro kvantiniai objektai ir klasikiniai matavimo prietaisai. Matavimo priemonių būklės pokytis apibūdina negrįžtamą statistinį mikroobjektų charakteristikų kaitos procesą. Kai mikroobjektas sąveikauja su matavimo prietaiso atomais, superpozicija sumažinama iki vienos būsenos, tai yra, sumažėja matavimo objekto banginė funkcija. Schrödingerio lygtis šio rezultato neaprašo.
Kopenhagos interpretacijos požiūriu kvantinė mechanika aprašo ne pačius mikroobjektus, o jų savybes, kurios pasireiškia makro sąlygomis, kurias stebint sukuria tipiniai matavimo prietaisai. Atominių objektų elgesio negalima atskirti nuo jų sąveikos su matavimo prietaisais, kurie nustato reiškinių atsiradimo sąlygas.
Žvilgsnis į kvantinę mechaniką
Kvantinė mechanika yra statinė teorija. Taip yra dėl to, kad matuojant mikroobjektą pasikeičia jo būsena. Taigi yra tikimybinis pradinės objekto padėties aprašymas, aprašytas bangos funkcija. Sudėtinga bangų funkcija yra pagrindinė kvantinės mechanikos sąvoka. Bangos funkcija keičiasi į naują dimensiją. Šio matavimo rezultatas priklauso nuo bangos funkcijos tikimybiniu būdu. Fizinę reikšmę turi tik bangos funkcijos modulio kvadratas, o tai patvirtina tikimybę, kad tiriamamikroobjektas yra tam tikroje erdvės vietoje.
Kvantinėje mechanikoje priežastingumo dėsnis įvykdomas banginės funkcijos, kuri kinta laike priklausomai nuo pradinių sąlygų, atžvilgiu, o ne dalelių greičio koordinačių atžvilgiu, kaip klasikiniame mechanikos aiškinime. Dėl to, kad tik bangos funkcijos modulio kvadratas turi fizinę reikšmę, jo pradinės reikšmės iš esmės negali būti nustatytos, todėl neįmanoma gauti tikslių žinių apie pradinę kvantinės sistemos būseną..
Filosofinis pagrindas
Filosofiniu požiūriu Kopenhagos interpretacijos pagrindas yra epistemologiniai principai:
- Pastebėjimas. Jo esmė slypi tų teiginių, kurių negalima patikrinti tiesioginiu stebėjimu, pašalinimas iš fizinės teorijos.
- Priedai. Daroma prielaida, kad banginis ir korpuskulinis mikropasaulio objektų aprašymas papildo vienas kitą.
- Neaiškumai. Sako, kad mikroobjektų koordinačių ir jų impulso negalima nustatyti atskirai ir visiškai tiksliai.
- Statinis determinizmas. Daroma prielaida, kad dabartinę fizinės sistemos būseną jos ankstesnės būsenos lemia ne vienareikšmiškai, o tik su tam tikra praeityje nustatytų pokyčių tendencijų įgyvendinimo tikimybe.
- Atitikimas. Pagal šį principą kvantinės mechanikos dėsniai paverčiami klasikinės mechanikos dėsniais, kai galima nepaisyti veikimo kvanto dydžio.
Privalumai
Kvantinėje fizikoje informacija apie atominius objektus, gauta atliekant eksperimentines sąrankas, yra savitai tarpusavyje susijusi. Wernerio Heisenbergo neapibrėžtumo santykiuose yra atvirkštinis proporcingumas tarp kinetinių ir dinaminių kintamųjų fiksavimo netikslumų, lemiančių fizinės sistemos būseną klasikinėje mechanikoje.
Reikšmingas Kopenhagos kvantinės mechanikos aiškinimo pranašumas yra tai, kad jis neveikia su išsamiais teiginiais tiesiogiai apie fiziškai nepastebimus dydžius. Be to, su minimaliomis prielaidomis jis sukuria konceptualią sistemą, kuri išsamiai aprašo šiuo metu turimus eksperimentinius faktus.
Bangos funkcijos reikšmė
Pagal Kopenhagos aiškinimą bangos funkcijai gali būti taikomi du procesai:
- Vieninga evoliucija, kuri apibūdinama Šriodingerio lygtimi.
- Matavimas.
Mokslo bendruomenėje niekam nekilo abejonių dėl pirmojo proceso, o antrasis procesas sukėlė diskusijas ir sukėlė daugybę interpretacijų net ir pačios Kopenhagos sąmonės interpretacijos rėmuose. Viena vertus, yra pagrindo manyti, kad bangos funkcija yra ne kas kita, o tikras fizinis objektas, ir kad ji žlunga antrojo proceso metu. Kita vertus, bangų funkcija gali būti ne tikra esybė, o pagalbinė matematinė priemonė, kurios vienintelė paskirtisyra suteikti galimybę apskaičiuoti tikimybę. Bohras pabrėžė, kad vienintelis dalykas, kurį galima nuspėti, yra fizikinių eksperimentų rezultatas, todėl visi antraeiliai klausimai turėtų būti susiję ne su tiksliuoju mokslu, o su filosofija. Savo kūryboje jis išpažino filosofinę pozityvizmo sampratą, reikalaudamas, kad mokslas aptartų tik tikrai išmatuojamus dalykus.
Dvigubo plyšio eksperimentas
Atliekant eksperimentą su dviem plyšiais, šviesa, praeinanti per du plyšius, patenka į ekraną, ant kurio atsiranda du trukdžių pakraščiai: tamsi ir šviesi. Šis procesas paaiškinamas tuo, kad kai kuriose vietose šviesos bangos gali viena kitą sustiprinti, o kitose – panaikinti. Kita vertus, eksperimentas iliustruoja, kad šviesa turi srauto dalies savybes, o elektronai gali pasižymėti banginėmis savybėmis, tuo pačiu sudarydami trukdžių modelį.
Galima daryti prielaidą, kad eksperimentas atliekamas su tokio mažo intensyvumo fotonų (arba elektronų) srautu, kad kiekvieną kartą pro plyšius praeina tik viena dalelė. Nepaisant to, pridedant taškus, kuriuose fotonai patenka į ekraną, toks pat interferencijos modelis gaunamas iš uždengtų bangų, nepaisant to, kad eksperimentas susijęs su tariamai atskiromis dalelėmis. Taip yra todėl, kad gyvename „tikimybinėje“visatoje, kurioje kiekvienas būsimas įvykis turi perskirstytą tikimybės laipsnį, o tikimybė, kad kitą akimirką įvyks kažkas visiškai nenumatyto, yra gana maža.
Klausimai
Plyšio patirtis tokiasklausimai:
- Kokios bus atskirų dalelių elgesio taisyklės? Kvantinės mechanikos dėsniai statistiškai nurodo ekrano vietą, kurioje bus dalelės. Jie leidžia apskaičiuoti šviesių juostų, kuriose gali būti daug dalelių, ir tamsių juostų, kuriose gali nukristi mažiau dalelių, vietą. Tačiau kvantinę mechaniką reglamentuojantys dėsniai negali numatyti, kur iš tikrųjų atsidurs atskira dalelė.
- Kas nutinka dalelei nuo emisijos iki registracijos momentu? Remiantis stebėjimų rezultatais, galima susidaryti įspūdį, kad dalelė sąveikauja su abiem plyšiais. Atrodo, kad tai prieštarauja taškinės dalelės elgesio dėsningumams. Be to, kai dalelė registruojama, ji tampa tašku.
- Nuo ko veikiama dalelė keičia savo elgesį iš statinio į nestatinį ir atvirkščiai? Kai dalelė praeina pro plyšius, jos elgseną lemia nelokalizuota bangų funkcija, vienu metu praeinanti per abu plyšius. Dalelės registravimo momentu ji visada fiksuojama kaip taškas, o neryškus bangų paketas niekada negaunamas.
Atsakymai
Kopenhagos kvantinės interpretacijos teorija atsako į pateiktus klausimus taip:
- Iš esmės neįmanoma panaikinti kvantinės mechanikos prognozių tikimybinio pobūdžio. Tai reiškia, kad jis negali tiksliai nurodyti žmogaus žinių apie bet kokius latentinius kintamuosius ribotumo. Klasikinė fizika nurodotikimybė tais atvejais, kai reikia apibūdinti tokį procesą kaip kauliukų metimas. Tai yra, tikimybė pakeičia neišsamias žinias. Priešingai, Heisenbergo ir Bohro kvantinės mechanikos interpretacija Kopenhagoje teigia, kad kvantinės mechanikos matavimų rezultatas iš esmės yra nedeterministinis.
- Fizika yra mokslas, tiriantis procesų matavimo rezultatus. Neteisinga spėlioti, kas atsitiks dėl jų. Remiantis Kopenhagos aiškinimu, klausimai apie tai, kur dalelė buvo iki jos registracijos momento, ir kiti panašūs prasimanymai yra beprasmiai, todėl į juos nereikėtų atsižvelgti.
- Matavimo veiksmas veda prie momentinio bangos funkcijos žlugimo. Todėl matavimo procesas atsitiktinai pasirenka tik vieną iš galimybių, kurias leidžia tam tikros būsenos banginė funkcija. Ir kad atspindėtų šį pasirinkimą, bangos funkcija turi akimirksniu pasikeisti.
Formos
Kopenhagos aiškinimo formuluotė pirmine forma sukėlė keletą variantų. Dažniausias iš jų yra pagrįstas nuoseklių įvykių požiūriu ir tokia koncepcija kaip kvantinė dekoherence. Dekoherence leidžia apskaičiuoti neaiškią ribą tarp makro ir mikro pasaulių. Likę variantai skiriasi „bangų pasaulio tikroviškumo“laipsniu.
Kritika
Kvantinės mechanikos pagrįstumas (Heisenbergo ir Bohro atsakymas į pirmąjį klausimą) buvo suabejotas minties eksperimentu, kurį atliko Einšteinas, Podolskis irRosenas (EPR paradoksas). Taigi mokslininkai norėjo įrodyti, kad paslėptų parametrų egzistavimas yra būtinas, kad teorija nesukeltų momentinio ir nelokalinio „tolimo veikimo“. Tačiau tikrinant EPR paradoksą, kurį įgalino Bello nelygybės, buvo įrodyta, kad kvantinė mechanika yra teisinga, o įvairios paslėptų kintamųjų teorijos neturi eksperimentinio patvirtinimo.
Tačiau problemiškiausias buvo Heisenbergo ir Bohro atsakymas į trečiąjį klausimą, kuris matavimo procesus pastatė į ypatingą padėtį, tačiau nenustatė, ar juose yra skiriamųjų požymių.
Daugelis mokslininkų, tiek fizikų, tiek filosofų, kategoriškai atsisakė priimti Kopenhagos kvantinės fizikos interpretaciją. Pirmoji to priežastis buvo ta, kad Heisenbergo ir Bohro aiškinimas nebuvo deterministinis. Antra, buvo pateikta neaiški matavimo samprata, kuri pavertė tikimybių funkcijas tinkamais rezultatais.
Einšteinas buvo tikras, kad kvantinės mechanikos pateiktas fizinės tikrovės aprašymas, kaip interpretavo Heisenbergas ir Bohras, buvo neišsamus. Pasak Einšteino, Kopenhagos interpretacijoje jis rado tam tikrą logiką, tačiau jo moksliniai instinktai atsisakė tai priimti. Taigi Einšteinas negalėjo nustoti ieškoti išsamesnės koncepcijos.
Savo laiške Bornui Einšteinas pasakė: „Esu tikras, kad Dievas nemeta kauliukų!“. Nielsas Bohras, komentuodamas šią frazę, liepė Einšteinui nenurodinėti Dievui, ką daryti. Pokalbyje su Abraomu Paisu Einšteinas sušuko: „Tu tikrai manai, kad mėnulis egzistuoja.tik tada, kai pažiūri?“.
Erwinas Schrödingeris sugalvojo minties eksperimentą su kate, kuriuo norėjo parodyti kvantinės mechanikos nepilnavertiškumą pereinant nuo subatominių prie mikroskopinių sistemų. Tuo pačiu metu būtinas bangų funkcijos žlugimas erdvėje buvo laikomas problemišku. Remiantis Einšteino reliatyvumo teorija, momentiškumas ir vienalaikiškumas turi prasmę tik stebėtojui, kuris yra toje pačioje atskaitos sistemoje. Taigi nėra laiko, kuris galėtų tapti vienu visiems, o tai reiškia, kad negalima nustatyti momentinio žlugimo.
Platinimas
1997 m. akademinėje bendruomenėje atlikta neoficiali apklausa parodė, kad anksčiau vyravusią Kopenhagos interpretaciją, trumpai aptartą aukščiau, palaikė mažiau nei pusė respondentų. Tačiau jis turi daugiau šalininkų nei kiti aiškinimai atskirai.
Alternatyva
Daugelis fizikų yra arčiau kitos kvantinės mechanikos interpretacijos, kuri vadinama „nėra“. Šio aiškinimo esmė išsamiai išreikšta Davido Mermino posakyje: „Užsičiaupk ir pasiskaičiuok!“, kuris dažnai priskiriamas Richardui Feynmanui ar Paului Diracui.
