Cal é a interpretación de Copenhague?

A interpretación de Copenhague é unha explicación da mecánica cuántica formulada por Niels Bohr e Werner Heisenberg en 1927, cando os científicos traballaron xuntos en Copenhague. Bohr e Heisenberg foron capaces de mellorar a interpretación probabilística da función formulada por M. Born e intentaron responder a unha serie de preguntas, cuxa aparición é debido ao dualismo das ondas de partículas. Este artigo considerará as ideas principais da interpretación de Copenhague da mecánica cuántica ea súa influencia na física moderna.

Problemas

As interpretacións da mecánica cuántica chaman opinións filosóficas sobre a natureza da mecánica cuántica, como unha teoría que describe o mundo material. Coa súa axuda, foi posible responder preguntas sobre a esencia da realidade física, a forma na que se estudia, a natureza da causalidade eo determinismo, e tamén a esencia das estatísticas eo seu lugar na mecánica cuántica. A mecánica cuántica é considerada a teoría máis resonante da historia da ciencia, pero aínda non hai consenso no seu profundo entendemento. Hai unha serie de interpretacións da mecánica cuántica, e hoxe imos coñecer o máis popular deles.

Ideas básicas

Como sabes, o mundo físico consiste en obxectos cuánticos e instrumentos clásicos para medir. O cambio no estado dos dispositivos de medida describe un proceso estatístico irreversíbel de cambiar as características dos microobjetivos. Cando un microobjeto interactúa cos átomos dun instrumento de medición, a superposición reduce a un estado, é dicir, a redución da función de onda do obxecto de medición. A ecuación de Schrödinger non describe este resultado.

Desde o punto de vista da interpretación de Copenhague, a mecánica cuántica non describe os microobjetos en si mesmos, senón as súas propiedades, que se manifestan nas condicións macro producidas polos instrumentos de medida típicos durante a observación. O comportamento dos obxectos atómicos non se pode separar da súa interacción cos instrumentos para medicións, que fixan as condicións para a orixe dos fenómenos.

Unha mirada á mecánica cuántica

A mecánica cuántica é unha teoría estática. Isto débese ao feito de que a medición dun microobjetivo conduce a un cambio no seu estado. Isto dá lugar a unha descrición probabilística da posición inicial do obxecto, descrita pola función de onda. A función de onda complexa é o concepto central da mecánica cuántica. A función de onda cambia a unha nova dimensión. O resultado desta medida depende da función de onda, de forma probabilística. O valor físico é só o cadrado do módulo da función de onda, o que confirma a probabilidade de que o microobjeto que se está a estudar estea nun espazo específico no espazo.

Na mecánica cuántica, a lei de causalidade realízase con respecto a unha función de onda que varía co tempo en relación ás condicións iniciais e non ás coordenadas de velocidade das partículas, como no tratamento clásico da mecánica. Debido ao feito de que só o cadrado do módulo da función de onda está asignado ao valor físico, os seus valores iniciais non se poden determinar en principio, o que leva a algunha imposibilidade de obter un coñecemento preciso do estado inicial do sistema cuántico.

Base filosófica

Desde o punto de vista filosófico, a base da interpretación de Copenhague é principios epistemolóxicos:

1. Observabilidade. A súa esencia consiste en excluír da teoría física aquelas afirmacións que non se poden verificar mediante a observación directa.
2. Adicionalidade. Supón que a onda e a descrición corpuscular dos obxectos da microondas se complementan.
3. Incertidumbre. Di que a coordenada dos microobjetos eo seu momento non se pode determinar separadamente e con precisión absoluta.
4. Determinismo estático. Supón que o estado actual dun sistema físico está determinado polos seus estados anteriores non exclusivamente, senón só cunha parte da probabilidade de implementar as tendencias do cambio establecidas no pasado.
5. Conformidade. Segundo este principio, as leis da mecánica cuántica transfórmanse nas leis da mecánica clásica, cando é posible descoidar a magnitude do cuántico de acción.

Beneficios

Na física cuántica, a información sobre obxectos atómicos, obtida a través de instalacións experimentais, ten unha relación peculiar entre si. Nas relacións de incerteza de Werner Heisenberg, vese a proporcionalidade inversa entre as imprecisións na fixación das variables cinéticas e dinámicas que determinan o estado do sistema físico na mecánica clásica.

Unha vantaxe significativa da interpretación de Copenhague da mecánica cuántica é o feito de que non opera con declaracións detalladas directamente sobre cantidades físicamente non observadas. Ademais, cun mínimo de requisitos previos, constrúe un sistema conceptual que describe exhaustivamente os feitos experimentais que están dispoñibles no momento.

O significado da función de onda

Segundo a interpretación de Copenhague, a función de onda pode estar suxeita a dous procesos:

1. Evolución unitaria, que se describe pola ecuación de Schrödinger.
2. Medición.

Non había ningunha dúbida sobre o primeiro proceso en círculos científicos de calquera, eo segundo proceso suscitaba discusión e xerou varias interpretacións, incluso no marco da interpretación de Copenhague da conciencia. Por unha banda, hai todos os motivos para crer que a función de onda non é máis que un obxecto físico real e que sofre un colapso durante o segundo proceso. Doutra banda, a función de onda pode actuar como unha entidade real, pero como ferramenta matemática auxiliar, o único obxectivo é proporcionar unha oportunidade para calcular a probabilidade. Bohr enfatizou que o único que se pode prever é o resultado de experimentos físicos, polo tanto, todos os problemas secundarios non deben estar relacionados coa ciencia exacta, senón coa filosofía. Profesou nos seus traballos o concepto filosófico do positivismo, o que esixe que a ciencia discuta só cousas realistas.

Experiencia con dúas fendas

Nun experimento de dúas fendas, a luz que pasa por dúas fendas cae nunha pantalla na que aparecen dúas franxas de interferencia: escuras e lixeiras. Este proceso explícase polo feito de que as ondas de luz poden amplificarse mutuamente nalgúns lugares e noutras poden ser extinguidas entre si. Doutra banda, o experimento ilustra que a luz ten propiedades de transmisión dunha parte, e os electróns poden exhibir propiedades de onda, dando así un patrón de interferencia.

Pódese supoñer que o experimento realízase cun fluxo de fotóns (ou electróns) de baixa intensidade que só unha única partícula pasa por cada tragamonedas. Non obstante, cando os puntos de fotóns alcanzan a pantalla, a partir de ondas superpuestas, obtense o mesmo patrón de interferencia, a pesar de que a experiencia refírese ás partículas supostamente separadas. Isto explícase polo feito de que vivimos nun universo "probabilístico" no cal cada evento futuro ten un grao de oportunidade redistribuído, ea probabilidade de que algo inesperado se produza no próximo momento sexa bastante pequeno.

Problemas

A experiencia de Slit suscita tales preguntas:

1. Cales son as regras para o comportamento das partículas individuais? As leis da mecánica cuántica apuntan cara ao lugar da pantalla onde as partículas aparecerán estatísticas. Permiten calcular a localización das bandas lixeiras, nas que, moi probablemente, haberá moitas partículas e bandas escuras onde poidan caer menos partículas. Non obstante, as leis ás que a mecánica cuántica obedece non poden prever onde a partícula individual realmente resulta ser.
2. Que pasa coa partícula no momento entre emisión e rexistro? Segundo os resultados das observacións, pode parecer que a partícula está en interacción coas dúas lagoas. Parece que isto contradi as leis que rexen o comportamento dunha partícula puntual. Ademais, cando se rexistra unha partícula, faise punto similar.
3. Baixo a acción de que a partícula cambia o seu comportamento de estático a non estático e viceversa? Cando unha partícula pasa polas fendas, o seu comportamento é causado por unha función de onda non localizada que pasa simultaneamente a través de dúas fendas. No momento de rexistrar unha partícula, sempre se fixa como punto e nunca se obtén un paquete de ondas borrosas.

Respostas

A teoría de Copenhague da interpretación cuántica responde ás preguntas que se presentan como segue:

1. É fundamentalmente imposible eliminar a natureza probabilística das predicións da mecánica cuántica. É dicir, non pode testificar con precisión a limitación do coñecemento humano sobre as variables ocultas. A física clásica refírese á probabilidade neses casos cando é necesario describir un proceso de lanzar un tipo de dados. É dicir, a probabilidade substitúe o coñecemento incompleto. A interpretación de Copenhague da mecánica cuántica de Heisenberg e Bohr, pola contra, afirma que o resultado das medicións na mecánica cuántica é fundamentalmente non determinista.
2. A física é unha ciencia que estudia os resultados dos procesos de medición. É un erro pensar no que pasa na súa investigación. Segundo a interpretación de Copenhague, as preguntas sobre onde estaba a partícula antes do seu rexistro, e outras fabricacións deste tipo non teñen sentido e, polo tanto, deben ser excluídas de consideración.
3. O acto de medida conduce a un colapso instantáneo da función de onda. En consecuencia, o proceso de medición aleatoriamente selecciona só unha das posibilidades que permite a función de onda dun determinado estado. E para reflectir esta opción, a función de onda debe cambiar de forma instantánea.

Formulacións

A formulación da interpretación de Copenhague na súa forma orixinal deu orixe a varias variacións. O máis común deles baséase no achegamento de eventos non contraditorios e un concepto como a descoherencia cuántica. A decocência permite calcular o límite difuso entre os macro e os micro mundos. As variacións restantes diferéncianse no grao de "realismo do mundo das ondas".

Crítica

O valor total da mecánica cuántica (resposta de Heisenberg e Bohr á primeira pregunta) foi cuestionada no experimento de pensamento realizado por Einstein, Podolsky e Rosen (paradoxo EPR). Deste xeito, os científicos querían demostrar que a existencia de parámetros ocultos é necesaria para que a teoría non leve a unha acción instantánea e non local de "longo alcance". Non obstante, durante a verificación da paradoxa EPR, que se fixo posible debido ás desigualdades de Bell, demostrouse que a mecánica cuántica é correcta e que varias teorías de parámetros ocultos non teñen confirmación experimental.

Pero o máis problemático foi a resposta de Heisenberg e Bohr á terceira cuestión, que colocou os procesos de medición nunha posición especial, pero non determinou a presenza de características distintivas neles.

Moitos científicos, tanto físicos como filósofos, negáronse rotundamente a aceptar a interpretación de Copenhague da física cuántica. O primeiro motivo foi que a interpretación de Heisenberg e Bohr non era determinista. E o segundo - en que introduciu un concepto indefinido de medida, o que converteu as funcións probabilísticas en resultados confiables.

Einstein estaba convencido de que a descrición da realidade física, dada pola mecánica cuántica na interpretación de Heisenberg e Bohr, era insuficiente. Segundo Einstein, atopou unha parte da lóxica na interpretación de Copenhague, pero os seus instintos científicos negáronse a aceptalo. Polo tanto, Einstein non puido negarse a buscar un concepto máis completo.

Na súa carta a Borne Einstein dixo: "¡Estou seguro de que Deus non arroxa dados!". Niels Bohr, comentando esta frase, díxolle a Einstein que non lle dixo a Deus que facer. E na súa conversación con Abraham Pice, Einstein exclamou: "¿De verdade crees que a Lúa existe só cando o mires?"

Erwin Schroedinger inventou un experimento de pensamento cun gato, polo que quería demostrar a inferioridade da mecánica cuántica durante a transición dos sistemas subatómicos a microscópicos. Ao mesmo tempo, o colapso necesario da función de onda no espazo considerábase problemático. Segundo a teoría da relatividade de Einstein, a instantaneidade ea simultaneidade son só significativas para un observador situado nun único cadro de referencia. Deste xeito, non hai tempo que poida converterse nun para todos e, polo tanto, non se pode determinar un colapso instantáneo.

Difusión

Unha enquisa informal realizada en círculos científicos en 1997 mostrou que a anterior interpretación preliminar de Copenhague, brevemente discutida anteriormente, está apoiada por menos da metade dos entrevistados. Con todo, ela ten máis adeptos que outras interpretacións individualmente.

Alternativa

Moitos físicos están máis próximos a outra interpretación da mecánica cuántica, que se chama "non". A esencia desta interpretación é exhaustivamente expresada no dito de David Mermin: "Cálase e calcula", que moitas veces se atribúe a Richard Feynman ou a Paul Dirac.