A koppenhágai értelmezés a kvantummechanika magyarázata, amelyet Niels Bohr és Werner Heisenberg fogalmazott meg 1927-ben, amikor a tudósok együtt dolgoztak Koppenhágában. Bohr és Heisenberg javítani tudta a M. Born által megfogalmazott függvény valószínűségi értelmezését, és számos, a hullám-részecske kettősség miatt felmerülő kérdésre próbált választ adni. Ez a cikk megvizsgálja a kvantummechanika koppenhágai értelmezésének főbb gondolatait, és ezek hatását a modern fizikára.
Problémák
A kvantummechanika értelmezései filozófiai nézeteknek nevezik a kvantummechanika mint az anyagi világot leíró elmélet természetét. Segítségükkel a fizikai valóság lényegére, vizsgálatának módszerére, az oksági és determinizmus természetére, valamint a statisztika lényegére és a kvantummechanikában elfogl alt helyére vonatkozó kérdésekre lehetett választ adni. A kvantummechanikát a tudománytörténet legnagyobb visszhangot kiváltó elméletének tartják, de még mindig nincs konszenzus a mély megértésében. A kvantummechanikának számos értelmezése létezik, illma ezek közül a legnépszerűbbekkel fogunk megismerkedni.
Főbb ötletek
Mint tudod, a fizikai világ kvantumobjektumokból és klasszikus mérőműszerekből áll. A mérőműszerek állapotának változása a mikroobjektumok jellemzőinek változásának visszafordíthatatlan statisztikai folyamatát írja le. Amikor egy mikroobjektum kölcsönhatásba lép a mérőeszköz atomjaival, a szuperpozíció egy állapotra csökken, vagyis a mérőtárgy hullámfüggvénye csökken. A Schrödinger-egyenlet nem írja le ezt az eredményt.
A koppenhágai értelmezés szempontjából a kvantummechanika nem magukat a mikroobjektumokat írja le, hanem azok tulajdonságait, amelyek a megfigyelés során jellemző mérőeszközök által létrehozott makroviszonyokban nyilvánulnak meg. Az atomi objektumok viselkedése nem különböztethető meg a jelenségek előfordulásának feltételeit rögzítő mérőműszerekkel való kölcsönhatásuktól.
Egy pillantás a kvantummechanikára
A kvantummechanika egy statikus elmélet. Ez annak köszönhető, hogy egy mikroobjektum mérése állapotváltozáshoz vezet. Tehát van egy valószínűségi leírás az objektum kezdeti helyzetéről, amelyet a hullámfüggvény ír le. A komplex hullámfüggvény központi fogalom a kvantummechanikában. A hullámfüggvény új dimenzióba változik. Ennek a mérésnek az eredménye valószínűségi módon függ a hullámfüggvénytől. Csak a hullámfüggvény modulusának négyzete bír fizikai jelentőséggel, ami megerősíti annak valószínűségét, hogy a vizsgálta mikroobjektum a tér egy bizonyos helyén található.
A kvantummechanikában az ok-okozati összefüggés törvénye a kezdeti feltételektől függően időben változó hullámfüggvény tekintetében teljesül, nem pedig a részecskesebesség koordinátáira, mint a mechanika klasszikus értelmezése szerint. Tekintettel arra, hogy csak a hullámfüggvény modulusának négyzete van fizikai értékkel felruházva, ennek kezdeti értékei elvileg nem határozhatók meg, ami némileg lehetetlenné teszi a kvantumrendszer kezdeti állapotának pontos ismeretét..
Filozófiai alapok
Filozófiai szempontból a koppenhágai értelmezés alapja az ismeretelméleti elvek:
- Megfigyelhetőség. Lényege abban rejlik, hogy kizárják a fizikai elméletből azokat az állításokat, amelyek közvetlen megfigyeléssel nem ellenőrizhetők.
- Extrák. Feltételezi, hogy a mikrovilág objektumainak hullám- és korpuszkuláris leírása kiegészíti egymást.
- Bizonytalanságok. Azt mondja, hogy a mikroobjektumok koordinátája és lendülete nem határozható meg külön, és abszolút pontossággal.
- Statikus determinizmus. Feltételezi, hogy a fizikai rendszer jelenlegi állapotát a korábbi állapotok határozzák meg nem egyértelműen, hanem csak bizonyos fokú valószínűséggel a múltban lefektetett változási trendek megvalósulásának.
- Egyezés. Ezen elv szerint a kvantummechanika törvényei a klasszikus mechanika törvényeivé alakulnak át, ha elhanyagolható a hatáskvantum nagysága.
Előnyök
A kvantumfizikában az atomi objektumokra vonatkozó, kísérleti beállításokkal nyert információk különös kapcsolatban állnak egymással. Werner Heisenberg bizonytalansági viszonyaiban fordított arányosság mutatható ki a klasszikus mechanikában a fizikai rendszer állapotát meghatározó kinetikai és dinamikus változók rögzítésének pontatlanságai között.
A kvantummechanika koppenhágai értelmezésének jelentős előnye az a tény, hogy nem operál közvetlenül a fizikailag nem megfigyelhető mennyiségekre vonatkozó részletes kijelentésekkel. Ezenkívül minimális előfeltételek mellett olyan fogalmi rendszert épít fel, amely kimerítően írja le a jelenleg rendelkezésre álló kísérleti tényeket.
A hullámfüggvény jelentése
A koppenhágai értelmezés szerint a hullámfüggvény két folyamatnak lehet alávetve:
- Egységes evolúció, amelyet a Schrödinger-egyenlet ír le.
- Mérés.
Senkinek nem volt kétsége az első folyamatot illetően a tudományos közösségben, a második folyamat pedig vitákat váltott ki és számos értelmezést adott, még magának a tudatnak a koppenhágai értelmezése keretein belül is. Egyrészt minden okunk megvan azt hinni, hogy a hullámfüggvény nem más, mint egy valós fizikai objektum, és a második folyamat során összeomlik. Másrészt a hullámfüggvény lehet, hogy nem egy valós entitás, hanem egy segéd matematikai eszköz, amelynek egyetlen céljaaz, hogy lehetőséget biztosítson a valószínűség kiszámítására. Bohr hangsúlyozta, hogy csak a fizikai kísérletek eredménye lehet megjósolni, ezért minden másodlagos kérdést nem az egzakt tudományhoz, hanem a filozófiához kell kötni. Fejlesztéseiben a pozitivizmus filozófiai koncepcióját vallotta, megkövetelve, hogy a tudomány csak igazán mérhető dolgokat tárgyaljon.
Dupla rés kísérlet
Egy kétréses kísérletben a két résen áthaladó fény a képernyőre esik, amelyen két interferenciaperem jelenik meg: a sötét és a világos. Ez a folyamat azzal magyarázható, hogy a fényhullámok egyes helyeken kölcsönösen felerősíthetik, másutt pedig kiolthatják egymást. Másrészt a kísérlet azt szemlélteti, hogy a fény áramlási rész tulajdonságaival rendelkezik, és az elektronok hullámtulajdonságokat mutathatnak, miközben interferenciamintát adnak.
Feltételezhető, hogy a kísérletet fotonok (vagy elektronok) olyan alacsony intenzitású áramával hajtják végre, hogy minden alkalommal csak egy részecske halad át a réseken. Mindazonáltal, ha összeadjuk azokat a pontokat, ahol a fotonok elérik a képernyőt, ugyanazt az interferenciamintát kapjuk az egymásra helyezett hullámokból, annak ellenére, hogy a kísérlet állítólag különálló részecskékre vonatkozik. Ez azért van így, mert egy "valószínűségi" univerzumban élünk, amelyben minden jövőbeli eseménynek újra elosztott a valószínűsége, és meglehetősen kicsi annak a valószínűsége, hogy a következő pillanatban valami teljesen előre nem látható dolog történjen.
Kérdések
Slit tapasztalat tesz ilyenkérdések:
- Milyen szabályok vonatkoznak majd az egyes részecskék viselkedésére? A kvantummechanika törvényei statisztikailag jelzik annak a képernyőnek a helyét, amelyben a részecskék lesznek. Lehetővé teszik a világos sávok elhelyezkedését, amelyek valószínűleg sok részecskét tartalmaznak, és a sötét sávok elhelyezkedését, ahol valószínűleg kevesebb részecske esik le. A kvantummechanikát szabályozó törvények azonban nem tudják megjósolni, hogy az egyes részecske valójában hova kerül.
- Mi történik a részecskével a kibocsátás és a regisztráció közötti pillanatban? A megfigyelések eredményei alapján azt a benyomást kelthetjük, hogy a részecske kölcsönhatásban van mindkét réssel. Úgy tűnik, ez ellentmond egy pontrészecske viselkedésének törvényszerűségeinek. Sőt, amikor egy részecskét regisztrálunk, ponttá válik.
- Minek hatására változik meg egy részecske viselkedése statikusról nem statikusra, és fordítva? Amikor egy részecske áthalad a réseken, viselkedését egy nem lokalizált hullámfüggvény határozza meg, amely egyszerre halad át mindkét résen. A részecske regisztrálásának pillanatában mindig pontként rögzítve van, és soha nem kapunk elmosódott hullámcsomagot.
Válaszok
A kvantumértelmezés koppenhágai elmélete a következőképpen válaszol a feltett kérdésekre:
- A kvantummechanika előrejelzéseinek valószínűségi jellegét alapvetően lehetetlen kiküszöbölni. Vagyis nem tudja pontosan jelezni a rejtett változókkal kapcsolatos emberi tudás korlátozottságát. A klasszikus fizika arra utalvalószínűsége azokban az esetekben, amikor szükséges egy folyamat leírása, például a kockadobás. Vagyis a valószínűség helyettesíti a hiányos tudást. A kvantummechanika Heisenberg és Bohr koppenhágai értelmezése ezzel szemben azt állítja, hogy a kvantummechanikában végzett mérések eredménye alapvetően nem determinisztikus.
- A fizika olyan tudomány, amely a mérési folyamatok eredményeit vizsgálja. Helytelen spekulálni arról, hogy mi lesz ezek eredményeként. A koppenhágai értelmezés szerint az arra vonatkozó kérdések, hogy hol volt a részecske regisztrációja előtt, és más hasonló kitalációk értelmetlenek, ezért ezeket ki kell zárni az elmélkedésből.
- A mérés a hullámfüggvény azonnali összeomlásához vezet. Ezért a mérési folyamat véletlenszerűen csak egyet választ a lehetőségek közül, amelyet egy adott állapot hullámfüggvénye megenged. És ennek a választásnak a tükrözéséhez a hullámfüggvénynek azonnal megváltoznia kell.
Űrlapok
A koppenhágai értelmezés eredeti formájában történő megfogalmazása több variációt is szült. A leggyakoribb ezek közül a konzisztens események megközelítésén és egy olyan koncepción alapul, mint a kvantumdekoherencia. A dekoherencia lehetővé teszi a makro- és mikrovilág közötti fuzzy határ kiszámítását. A fennmaradó változatok a "hullámvilág realizmusának" fokában különböznek.
Kritika
A kvantummechanika érvényességét (Heisenberg és Bohr válasza az első kérdésre) megkérdőjelezték egy gondolatkísérletben, amelyet Einstein, Podolsky ésRosen (EPR paradoxon). A tudósok tehát be akarták bizonyítani, hogy a rejtett paraméterek megléte szükséges ahhoz, hogy az elmélet ne vezessen azonnali és nem lokális „hosszú távú cselekvéshez”. A Bell-féle egyenlőtlenségek által lehetővé tett EPR-paradoxon igazolása során azonban bebizonyosodott, hogy a kvantummechanika helyes, és a különféle rejtett változós elméleteknek nincs kísérleti megerősítése.
A legproblémásabb válasz azonban Heisenberg és Bohr válasza volt a harmadik kérdésre, amely a mérési folyamatokat különleges helyzetbe hozta, de nem határozta meg a megkülönböztető jegyek jelenlétét bennük.
Sok tudós, fizikus és filozófus is határozottan elutasította a kvantumfizika koppenhágai értelmezését. Ennek első oka az volt, hogy Heisenberg és Bohr értelmezése nem volt determinisztikus. A második pedig az, hogy bevezette a mérés homályos fogalmát, amely a valószínűségi függvényeket érvényes eredményekké változtatta.
Einstein biztos volt abban, hogy a kvantummechanika által adott fizikai valóság leírása Heisenberg és Bohr értelmezésében hiányos. Einstein szerint talált némi logikát a koppenhágai értelmezésben, de tudományos ösztönei nem voltak hajlandók elfogadni. Tehát Einstein nem tudta abbahagyni a teljesebb koncepció keresését.
A Bornnak írt levelében Einstein ezt mondta: "Biztos vagyok benne, hogy Isten nem dob kockát!". Niels Bohr, kommentálva ezt a mondatot, azt mondta Einsteinnek, hogy ne mondja meg Istennek, mit tegyen. Abraham Pais-szal folytatott beszélgetése során Einstein így kiáltott fel: „Tényleg azt hiszed, hogy a Hold létezikcsak ha ránézel?”.
Erwin Schrödinger egy macskával végzett gondolatkísérletet dolgozott ki, amellyel be akarta mutatni a kvantummechanika alsóbbrendűségét a szubatomi rendszerekről a mikroszkopikus rendszerekre való átmenet során. Ugyanakkor problémásnak tartották a hullámfüggvény szükségszerű összeomlását a térben. Einstein relativitáselmélete szerint a pillanatnyiságnak és az egyidejűségnek csak egy olyan megfigyelő számára van értelme, aki ugyanabban a vonatkoztatási rendszerben van. Így nincs idő, amely mindenki számára eggyé válhatna, ami azt jelenti, hogy a pillanatnyi összeomlás nem határozható meg.
Terjesztés
Egy 1997-ben tudományos körökben végzett informális felmérés kimutatta, hogy a korábban domináns koppenhágai értelmezést, amelyet röviden fentebb tárgy altunk, a válaszadók kevesebb mint fele támogatta. Ennek azonban több híve van, mint a többi értelmezésnek külön-külön.
Alternatíva
Sok fizikus közelebb áll a kvantummechanika egy másik értelmezéséhez, amelyet "nincs"-nek neveznek. Ennek az értelmezésnek a lényegét kimerítően kifejezi David Mermin mondása: „Csends, és számolj!”, amelyet gyakran Richard Feynmannek vagy Paul Diracnak tulajdonítanak.
