Kööpenhaminan tulkinta on kvanttimekaniikan selitys, jonka Niels Bohr ja Werner Heisenberg muotoilivat vuonna 1927, kun tiedemiehet työskentelivät yhdessä Kööpenhaminassa. Bohr ja Heisenberg pystyivät parantamaan M. Bornin muotoileman funktion probabilistista tulkintaa ja yrittivät vastata useisiin kysymyksiin, joita syntyy a alto-hiukkasten kaksinaisuudesta. Tässä artikkelissa tarkastellaan Kööpenhaminan kvanttimekaniikan tulkinnan pääideoita ja niiden vaikutusta moderniin fysiikkaan.
Ongelmia
Kvanttimekaniikan tulkinnat kutsuivat filosofisia näkemyksiä kvanttimekaniikan luonteesta aineellista maailmaa kuvaavaksi teoriaksi. Heidän avullaan pystyttiin vastaamaan kysymyksiin fyysisen todellisuuden olemuksesta, sen tutkimusmenetelmästä, kausaalisuuden ja determinismin luonteesta sekä tilastojen olemuksesta ja sen paikasta kvanttimekaniikassa. Kvanttimekaniikkaa pidetään tieteen historian kaikuvampana teoriana, mutta sen syvällisestä ymmärryksestä ei ole vielä päästy yksimielisyyteen. Kvanttimekaniikasta on useita tulkintoja, jatänään tutustumme niistä suosituimpiin.
Avainideat
Kuten tiedätte, fyysinen maailma koostuu kvanttiobjekteista ja klassisista mittauslaitteista. Mittauslaitteiden tilan muutos kuvaa peruuttamatonta tilastollista prosessia, jossa mikroobjektien ominaisuudet muuttuvat. Kun mikroobjekti on vuorovaikutuksessa mittauslaitteen atomien kanssa, superpositio pelkistyy yhteen tilaan, eli mittauskohteen a altofunktio pienenee. Schrödingerin yhtälö ei kuvaa tätä tulosta.
Kööpenhaminan tulkinnan näkökulmasta kvanttimekaniikka ei kuvaa itse mikroobjekteja, vaan niiden ominaisuuksia, jotka ilmenevät tyypillisten mittauslaitteiden havainnoinnin aikana luomissa makroolosuhteissa. Atomiobjektien käyttäytymistä ei voida erottaa niiden vuorovaikutuksesta mittauslaitteiden kanssa, jotka määrittävät olosuhteet ilmiöiden esiintymiselle.
Katsaus kvanttimekaniikkaan
Kvanttimekaniikka on staattinen teoria. Tämä johtuu siitä, että mikroobjektin mittaus johtaa sen tilan muutokseen. Joten on olemassa todennäköisyyspohjainen kuvaus kohteen alkupaikasta, jota a altofunktio kuvaa. Monimutkainen a altofunktio on keskeinen käsite kvanttimekaniikassa. A altofunktio muuttuu uuteen ulottuvuuteen. Tämän mittauksen tulos riippuu a altofunktiosta todennäköisyydellä. Vain a altofunktion moduulin neliöllä on fyysinen merkitys, mikä vahvistaa todennäköisyyden, että tutkittumikroobjekti sijaitsee tietyssä paikassa avaruudessa.
Kvanttimekaniikassa kausaalisuuden laki toteutuu suhteessa a altofunktioon, joka vaihtelee ajassa alkuolosuhteista riippuen, eikä suhteessa hiukkasten nopeuskoordinaatteihin, kuten mekaniikan klassisessa tulkinnassa. Koska vain a altofunktion moduulin neliö on varustettu fyysisellä arvolla, sen alkuarvoja ei voida periaatteessa määrittää, mikä johtaa siihen, että on mahdotonta saada tarkkaa tietoa kvanttijärjestelmän alkutilasta.
Filosofinen perusta
Filosofisesta näkökulmasta Kööpenhaminan tulkinnan perustana ovat epistemologiset periaatteet:
- Havaittavuus. Sen ydin on sellaisten väitteiden sulkeminen pois fysikaalisesta teoriasta, joita ei voida varmistaa suoralla havainnolla.
- Extrat. Oletetaan, että mikromaailman esineiden a alto- ja korpuskulaarinen kuvaus täydentävät toisiaan.
- Epävarmuustekijät. Sanoo, että mikroobjektien koordinaattia ja niiden liikemäärää ei voida määrittää erikseen ja absoluuttisella tarkkuudella.
- Staattinen determinismi. Se olettaa, että fyysisen järjestelmän nykyinen tila määräytyy sen aikaisempien tilojen perusteella, ei yksiselitteisesti, vaan vain tietyllä todennäköisyydellä menneisyydessä määriteltyjen muutossuuntien toteutumiselle.
- Vastaavuus. Tämän periaatteen mukaan kvanttimekaniikan lait muuttuvat klassisen mekaniikan laeiksi, kun on mahdollista jättää huomiotta toiminnan kvantin suuruus.
Edut
Kvanttifysiikassa kokeellisilla asetuksilla saadut tiedot atomiobjekteista ovat omituisessa suhteessa toisiinsa. Werner Heisenbergin epävarmuussuhteissa on käänteinen suhteellisuus niiden kineettisten ja dynaamisten muuttujien kiinnittämisessä, jotka määrittävät fysikaalisen järjestelmän tilan klassisessa mekaniikassa.
Kööpenhaminan kvanttimekaniikan tulkinnan merkittävä etu on se, että se ei toimi yksityiskohtaisilla lausunnoilla suoraan fysikaalisesti havaitsemattomista suureista. Lisäksi se rakentaa vähimmäisedellytyksin käsitteellisen järjestelmän, joka kuvaa tyhjentävästi tällä hetkellä saatavilla olevat kokeelliset tosiasiat.
A altofunktion merkitys
Kööpenhaminan tulkinnan mukaan a altofunktio voi olla kahden prosessin alainen:
- Yksittäinen evoluutio, jota kuvaa Schrödingerin yhtälö.
- Mittaus.
Kenelläkään ei ollut epäilystäkään ensimmäisestä prosessista tiedeyhteisössä, ja toinen prosessi aiheutti keskustelua ja aiheutti lukuisia tulkintoja jopa itse Kööpenhaminan tietoisuuden tulkinnan puitteissa. Toisa alta on täysi syy uskoa, että a altofunktio on vain todellinen fyysinen esine ja että se romahtaa toisen prosessin aikana. Toisa alta a altofunktio ei välttämättä ole todellinen kokonaisuus, vaan matemaattinen aputyökalu, jonka ainoa tarkoitus onon tarjota mahdollisuus laskea todennäköisyys. Bohr korosti, että ainoa ennustettavissa oleva asia on fysikaalisten kokeiden tulos, joten kaikkien toissijaisten asioiden ei pitäisi liittyä eksaktitieteeseen, vaan filosofiaan. Hän tunnusti kehitystyössään filosofisen positivismin käsitteen, joka vaati tieteen keskustelevan vain todella mitattavissa olevista asioista.
Kaksoisrakokoe
Kahden raon kokeessa kahden raon läpi kulkeva valo putoaa näytölle, johon ilmestyy kaksi interferenssireunaa: tumma ja vaalea. Tämä prosessi selittyy sillä, että valoaallot voivat vahvistaa toisiaan joissakin paikoissa ja kumota toisensa toisissa. Toisa alta koe osoittaa, että valolla on virtausosan ominaisuuksia ja elektronit voivat osoittaa a alto-ominaisuuksia antaen samalla interferenssikuvion.
Voidaan olettaa, että koe suoritetaan fotonien (tai elektronien) virralla, jonka intensiteetti on niin alhainen, että vain yksi hiukkanen kulkee rakojen läpi joka kerta. Kuitenkin, kun lasketaan yhteen kohdat, joissa fotonit osuvat näyttöön, saadaan sama häiriökuvio päällekkäisistä aalloista huolimatta siitä, että koe koskee oletettavasti erillisiä hiukkasia. Tämä johtuu siitä, että elämme "todennäköisyyspohjaisessa" universumissa, jossa jokaisella tulevalla tapahtumalla on uudelleen jaettu mahdollisuus, ja todennäköisyys, että jotain täysin odottamatonta tapahtuu seuraavana ajanhetkenä, on melko pieni.
Kysymyksiä
Rakokokemus laittaa tällaisenkysymykset:
- Mitkä säännöt ovat yksittäisten hiukkasten käyttäytymiselle? Kvanttimekaniikan lait osoittavat tilastollisesti sen näytön sijainnin, jossa hiukkaset tulevat olemaan. Niiden avulla voit laskea vaaleiden vyöhykkeiden sijainnin, jotka todennäköisesti sisältävät monia hiukkasia, ja tummien vyöhykkeiden, joihin todennäköisesti putoaa vähemmän hiukkasia. Kvanttimekaniikkaa hallitsevat lait eivät kuitenkaan voi ennustaa, minne yksittäinen hiukkanen todella päätyy.
- Mitä hiukkaselle tapahtuu päästön ja rekisteröinnin välisellä hetkellä? Havaintojen tulosten perusteella voidaan luoda vaikutelma, että hiukkanen on vuorovaikutuksessa molempien rakojen kanssa. Tämä näyttää olevan ristiriidassa pistehiukkasen käyttäytymisen säännönmukaisuuksien kanssa. Lisäksi kun hiukkanen rekisteröidään, siitä tulee piste.
- Miden vaikutuksen alaisena hiukkanen muuttaa käyttäytymistään staattisesta ei-staattiseksi ja päinvastoin? Kun hiukkanen kulkee rakojen läpi, sen käyttäytymisen määrää lokalisoimaton a altofunktio, joka kulkee molempien rakojen läpi samanaikaisesti. Hiukkasen rekisteröintihetkellä se on aina kiinnitetty pisteeksi, eikä sumentunutta a altopakettia saada koskaan.
Vastaukset
Kööpenhaminan kvanttitulkintateoria vastaa esitettyihin kysymyksiin seuraavasti:
- On periaatteessa mahdotonta eliminoida kvanttimekaniikan ennusteiden todennäköisyyspohjaisuutta. Toisin sanoen se ei voi osoittaa tarkasti ihmisten tietämyksen rajoituksia mistään piilevistä muuttujista. Klassinen fysiikka viittaatodennäköisyys niissä tapauksissa, joissa on tarpeen kuvata prosessia, kuten nopan heittoa. Eli todennäköisyys korvaa epätäydellisen tiedon. Heisenbergin ja Bohrin Kööpenhaminan tulkinta kvanttimekaniikasta sitä vastoin väittää, että kvanttimekaniikan mittausten tulos on pohjimmiltaan epädeterministinen.
- Fysiikka on tiede, joka tutkii mittausprosessien tuloksia. On väärin spekuloida siitä, mitä niiden seurauksena tapahtuu. Kööpenhaminan tulkinnan mukaan kysymykset siitä, missä hiukkanen oli ennen sen rekisteröintiä, ja muut vastaavat fiktiot ovat merkityksettömiä, joten ne tulisi jättää pohdinnan ulkopuolelle.
- Mittaustapahtuma johtaa a altofunktion välittömään romahtamiseen. Siksi mittausprosessi valitsee satunnaisesti vain yhden tietyn tilan a altofunktion sallimista mahdollisuuksista. Ja tämän valinnan heijastamiseksi a altofunktion on muututtava välittömästi.
Lomakkeet
Kööpenhaminan tulkinnan muotoilu alkuperäisessä muodossaan on synnyttänyt useita muunnelmia. Yleisin niistä perustuu johdonmukaisten tapahtumien lähestymistapaan ja sellaiseen käsitteeseen kuin kvanttidekoherenssi. Dekoherenssi antaa sinun laskea sumean rajan makro- ja mikromaailman välillä. Muut variaatiot eroavat "a altomaailman realismin" asteen mukaan.
Kritiikka
Kvanttimekaniikan pätevyys (Heisenbergin ja Bohrin vastaus ensimmäiseen kysymykseen) kyseenalaistettiin ajatuskokeessa, jonka suorittivat Einstein, Podolsky jaRosen (EPR-paradoksi). Siten tutkijat halusivat todistaa, että piiloparametrien olemassaolo on välttämätöntä, jotta teoria ei johtaisi välittömään ja ei-paikalliseen "pitkän kantaman toimintaan". EPR-paradoksin varmentamisen aikana, jonka Bellin epäyhtälöt mahdollistivat, kuitenkin todistettiin, että kvanttimekaniikka on oikea, eikä erilaisilla piilomuuttujateorioilla ole kokeellista vahvistusta.
Mutta ongelmallisin vastaus oli Heisenbergin ja Bohrin vastaus kolmanteen kysymykseen, joka asetti mittausprosessit erityiseen asemaan, mutta ei määrittänyt niissä erottuvia piirteitä.
Monet tiedemiehet, sekä fyysikot että filosofit, kieltäytyivät jyrkästi hyväksymästä kvanttifysiikan Kööpenhaminan tulkintaa. Ensimmäinen syy tähän oli, että Heisenbergin ja Bohrin tulkinta ei ollut deterministinen. Ja toinen on, että se esitteli epämääräisen mittauskäsityksen, joka muutti todennäköisyysfunktiot kelvollisiksi tuloksiksi.
Einstein oli varma, että kvanttimekaniikan antama kuvaus fyysisestä todellisuudesta Heisenbergin ja Bohrin tulkitsemana oli epätäydellinen. Einsteinin mukaan hän löysi Kööpenhaminan tulkinnasta logiikkaa, mutta hänen tieteelliset vaistonsa kieltäytyivät hyväksymästä sitä. Joten Einstein ei voinut lakata etsimästä täydellisempää konseptia.
Kirjeessään Bornille Einstein sanoi: "Olen varma, että Jumala ei heitä noppaa!". Niels Bohr kommentoi tätä lausetta ja käski Einsteinia olemaan kertomatta Jumalalle, mitä tehdä. Ja keskustelussaan Abraham Paisin kanssa Einstein huudahti: "Luuletko todella, että kuu on olemassavain kun katsot sitä?".
Erwin Schrödinger keksi ajatuskokeen kissalla, jolla hän halusi osoittaa kvanttimekaniikan alemmuuden siirtymisen aikana subatomisista järjestelmistä mikroskooppisiin järjestelmiin. Samalla pidettiin ongelmallisena a altofunktion välttämätön romahtaminen avaruudessa. Einsteinin suhteellisuusteorian mukaan hetkellisyydellä ja samanaikaisuudella on järkeä vain samassa viitekehyksessä olevalle havainnoijalle. Siten ei ole aikaa, josta voisi tulla yksi kaikille, mikä tarkoittaa, että välitöntä romahdusta ei voida määrittää.
Jakelu
Akateemisissa yrityksissä vuonna 1997 tehty epävirallinen tutkimus osoitti, että alle puolet vastaajista kannatti aiemmin vallitsevaa Kööpenhaminan tulkintaa, jota käsiteltiin lyhyesti edellä. Sillä on kuitenkin enemmän kannattajia kuin muilla tulkinnoilla erikseen.
Vaihtoehto
Monet fyysikot ovat lähempänä toista kvanttimekaniikan tulkintaa, jota kutsutaan "ei mihinkään". Tämän tulkinnan olemus ilmaistaan tyhjentävästi David Merminin sanalla: "Turpa kiinni ja laske!", joka usein liitetään Richard Feynmanin tai Paul Diracin ansioksi.
