Kopenhaageni tõlgendus on kvantmehaanika seletus, mille koostasid Niels Bohr ja Werner Heisenberg 1927. aastal, kui teadlased Kopenhaagenis koos töötasid. Bohr ja Heisenberg suutsid parandada M. Borni sõnastatud funktsiooni tõenäosuslikku tõlgendust ning püüdsid vastata mitmetele küsimustele, mis tekivad laine-osakeste duaalsuse tõttu. Selles artiklis käsitletakse Kopenhaageni kvantmehaanika tõlgenduse peamisi ideid ja nende mõju tänapäevasele füüsikale.
Probleemid
Kvantmehaanika tõlgendused nimetasid filosoofilisi seisukohti kvantmehaanika kui materiaalset maailma kirjeldava teooria olemuse kohta. Nende abiga oli võimalik vastata küsimustele füüsilise reaalsuse olemuse, selle uurimismeetodi, põhjuslikkuse ja determinismi olemuse, aga ka statistika olemuse ja selle koha kohta kvantmehaanikas. Kvantmehaanikat peetakse teadusajaloo kõige kõlavamaks teooriaks, kuid selle sügavas mõistmises pole siiani üksmeelt. Kvantmehaanika tõlgendusi on mitmeid jatäna tutvume neist populaarseimatega.
Põhiideed
Nagu teate, koosneb füüsiline maailm kvantobjektidest ja klassikalistest mõõteriistadest. Mõõteriistade oleku muutumine kirjeldab pöördumatut statistilist protsessi mikroobjektide omaduste muutumisel. Kui mikroobjekt interakteerub mõõteseadme aatomitega, taandub superpositsioon ühte olekusse, see tähendab, et mõõteobjekti lainefunktsioon väheneb. Schrödingeri võrrand seda tulemust ei kirjelda.
Kopenhaageni tõlgenduse seisukoh alt ei kirjelda kvantmehaanika mikroobjekte endid, vaid nende omadusi, mis avalduvad tüüpiliste mõõteriistade poolt vaatluse käigus tekitatud makrotingimustes. Aatomiobjektide käitumist ei saa eristada nende vastasmõjust mõõteriistadega, mis fikseerivad nähtuste esinemise tingimused.
Pilk kvantmehaanikale
Kvantmehaanika on staatiline teooria. See on tingitud asjaolust, et mikroobjekti mõõtmine toob kaasa selle oleku muutumise. Seega on olemas objekti algse asukoha tõenäosuslik kirjeldus, mida kirjeldab lainefunktsioon. Kompleksne lainefunktsioon on kvantmehaanika keskne kontseptsioon. Lainefunktsioon muutub uueks dimensiooniks. Selle mõõtmise tulemus sõltub tõenäosuslikult lainefunktsioonist. Füüsikalist tähtsust omab ainult lainefunktsiooni mooduli ruut, mis kinnitab tõenäosust, et uuritudmikroobjekt asub ruumis kindlas kohas.
Kvantmehaanikas on põhjuslikkuse seadus täidetud lainefunktsiooni suhtes, mis varieerub ajas sõltuv alt algtingimustest, mitte aga osakeste kiiruse koordinaatide suhtes, nagu mehaanika klassikalises tõlgenduses. Kuna ainult lainefunktsiooni mooduli ruut on varustatud füüsikalise väärtusega, ei saa selle algväärtusi põhimõtteliselt määrata, mis põhjustab kvantsüsteemi algoleku kohta täpsete teadmiste saamise võimatust..
Filosoofiline alus
Filosoofilisest vaatenurgast on Kopenhaageni tõlgenduse aluseks epistemoloogilised põhimõtted:
- Vaatavus. Selle olemus seisneb nende väidete välistamises füüsikateooriast, mida ei saa otsese vaatlusega kontrollida.
- Lisad. Eeldab, et mikromaailma objektide laine- ja korpuskulaarne kirjeldus täiendavad teineteist.
- Ebakindlus. Ütleb, et mikroobjektide koordinaati ja nende impulssi ei saa eraldi ja absoluutse täpsusega määrata.
- Staatiline determinism. See eeldab, et füüsilise süsteemi hetkeseisu ei määra selle eelnevad olekud mitte üheselt, vaid ainult teatud tõenäosusega, et minevikus kindlaks määratud muutuste suundumused realiseeruvad.
- Sobivus. Selle põhimõtte kohaselt muudetakse kvantmehaanika seadused klassikalise mehaanika seadusteks, kui on võimalik jätta tähelepanuta toimekvant.
Eelised
Kvantfüüsikas on eksperimentaalsete seadistustega saadud teave aatomiobjektide kohta üksteisega omapärases seoses. Werner Heisenbergi määramatuse suhetes on klassikalises mehaanikas füüsikalise süsteemi seisundit määravate kineetiliste ja dünaamiliste muutujate fikseerimise ebatäpsuste vahel pöördvõrdeline.
Kvantmehaanika Kopenhaageni tõlgenduse oluline eelis on asjaolu, et see ei tööta üksikasjalike väidetega, mis puudutavad otseselt füüsiliselt jälgimatuid suurusi. Lisaks loob see minimaalsete eeltingimustega kontseptuaalse süsteemi, mis kirjeldab ammendav alt hetkel saadaolevaid eksperimentaalseid fakte.
Lainefunktsiooni tähendus
Kopenhaageni tõlgenduse kohaselt saab lainefunktsiooni allutada kahele protsessile:
- Ühtne evolutsioon, mida kirjeldab Schrödingeri võrrand.
- Mõõtmine.
Esimeses protsessis ei kahelnud teadlaskonnas keegi ning teine protsess tekitas diskussioone ja tõi kaasa mitmeid tõlgendusi isegi teadvuse enda Kopenhaageni tõlgenduse raames. Ühest küljest on põhjust arvata, et lainefunktsioon pole midagi muud kui reaalne füüsiline objekt ja see kukub kokku teise protsessi käigus. Teisest küljest ei pruugi lainefunktsioon olla reaalne üksus, vaid abistav matemaatiline tööriist, mille ainus eesmärkeesmärk on anda võimalus arvutada tõenäosust. Bohr rõhutas, et ainus, mida saab ennustada, on füüsikaliste katsete tulemus, mistõttu ei peaks kõik teisejärgulised küsimused olema seotud täppisteaduse, vaid filosoofiaga. Ta tunnistas oma arendustes positivismi filosoofilist kontseptsiooni, nõudes, et teadus arutleks ainult tõeliselt mõõdetavate asjade üle.
Kahekordne pilukatse
Kahe piluga katses langeb kahe pilu läbiv valgus ekraanile, millele ilmuvad kaks interferentsiriba: tume ja hele. Seda protsessi seletatakse asjaoluga, et valguslained võivad mõnes kohas vastastikku võimendada ja teistes kohtades üksteist kustutada. Teisest küljest näitab katse, et valgusel on vooluosa omadused ja elektronidel võivad olla laineomadused, andes samal ajal interferentsi mustri.
Võib eeldada, et katse viiakse läbi nii madala intensiivsusega footonite (või elektronide) vooluga, et pilusid läbib iga kord ainult üks osake. Sellegipoolest, lisades punktid, kus footonid ekraani tabavad, saadakse sama interferentsmuster kattuvatest lainetest, hoolimata asjaolust, et katse puudutab väidetav alt eraldiseisvaid osakesi. Selle põhjuseks on asjaolu, et me elame "tõenäosuslikus" universumis, kus igal tulevasel sündmusel on võimalikkuse aste ümber jaotatud ning tõenäosus, et järgmisel ajahetkel juhtub midagi täiesti ettenägematut, on üsna väike.
Küsimused
Pilukogemus paneb sellisedküsimused:
- Millised saavad olema üksikute osakeste käitumise reeglid? Kvantmehaanika seadused näitavad statistiliselt ekraani asukohta, milles osakesed asuvad. Need võimaldavad teil arvutada heledate ribade asukoha, mis tõenäoliselt sisaldavad palju osakesi, ja tumedate ribade asukohta, kuhu tõenäoliselt langeb vähem osakesi. Kuid kvantmehaanikat reguleerivad seadused ei suuda ennustada, kuhu üksikosake tegelikult jõuab.
- Mis juhtub osakesega heite ja registreerimise vahelisel hetkel? Vaatluste tulemuste põhjal võib jääda mulje, et osake on vastasmõjus mõlema piluga. Tundub, et see läheb vastuollu punktosakese käitumise seaduspärasustega. Veelgi enam, kui osake on registreeritud, muutub see punktiks.
- Mille mõjul muudab osake oma käitumist staatilisest mittestaatiliseks ja vastupidi? Kui osake läbib pilusid, määrab selle käitumise lokaliseerimata lainefunktsioon, mis läbib mõlemat pilu korraga. Osakese registreerimise hetkel fikseeritakse see alati punktina ja ähmast lainepaketti ei saada kunagi.
Vastused
Kopenhaageni kvanttõlgenduse teooria vastab esitatud küsimustele järgmiselt:
- Kvantmehaanika ennustuste tõenäosuslikku olemust on põhimõtteliselt võimatu kõrvaldada. See tähendab, et see ei saa täpselt näidata inimeste teadmiste piiratust mis tahes varjatud muutujate kohta. Klassikaline füüsika viitabtõenäosus nendel juhtudel, kui on vaja kirjeldada protsessi nagu täringuviskamine. See tähendab, et tõenäosus asendab mittetäielikud teadmised. Heisenbergi ja Bohri kvantmehaanika Kopenhaageni tõlgendus väidab vastupidi, et kvantmehaanika mõõtmiste tulemus on põhimõtteliselt mittedeterministlik.
- Füüsika on teadus, mis uurib protsesside mõõtmise tulemusi. On vale spekuleerida selle üle, mis nende tulemusena juhtub. Kopenhaageni tõlgenduse kohaselt on küsimused selle kohta, kus osake enne registreerimismomenti asus, ja muud sarnased väljamõeldised mõttetud ja seetõttu tuleks need kajastamisest välja jätta.
- Mõõtmine viib lainefunktsiooni hetkelise kokkuvarisemiseni. Seetõttu valib mõõtmisprotsess juhuslikult ainult ühe võimaluse, mida antud oleku lainefunktsioon võimaldab. Ja selle valiku kajastamiseks peab lainefunktsioon koheselt muutuma.
Vormid
Kopenhaageni tõlgenduse sõnastus selle algsel kujul on tekitanud mitmeid variatsioone. Levinuim neist põhineb järjekindlate sündmuste lähenemisel ja sellisel mõistel nagu kvantdekoherentsus. Dekoherentsus võimaldab arvutada makro- ja mikromaailma ähmase piiri. Ülejäänud variatsioonid erinevad "lainemaailma realismi" astme poolest.
Kriitika
Kvantmehaanika kehtivus (Heisenbergi ja Bohri vastus esimesele küsimusele) seati kahtluse alla mõtteeksperimendis, mille viisid läbi Einstein, Podolsky jaRosen (EPR paradoks). Seega tahtsid teadlased tõestada, et varjatud parameetrite olemasolu on vajalik selleks, et teooria ei tooks kaasa hetkelist ja mittelokaalset "kaugtoimet". Kuid EPR paradoksi kontrollimise käigus, mis sai võimalikuks Belli ebavõrdsuste tõttu, tõestati, et kvantmehaanika on õige ja erinevatel varjatud muutujate teooriatel pole eksperimentaalset kinnitust.
Kuid kõige problemaatilisem vastus oli Heisenbergi ja Bohri vastus kolmandale küsimusele, mis asetas mõõtmisprotsessid erilisele positsioonile, kuid ei määranud neis eripäraste tunnuste olemasolu.
Paljud teadlased, nii füüsikud kui ka filosoofid, keeldusid kindl alt aktsepteerimast kvantfüüsika Kopenhaageni tõlgendust. Selle esimene põhjus oli see, et Heisenbergi ja Bohri tõlgendus ei olnud deterministlik. Ja teine on see, et sellega võeti kasutusele ebamäärane mõõtmise mõiste, mis muutis tõenäosusfunktsioonid kehtivateks tulemusteks.
Einstein oli kindel, et kvantmehaanika poolt Heisenbergi ja Bohri tõlgendatud füüsikalise reaalsuse kirjeldus oli puudulik. Einsteini sõnul leidis ta Kopenhaageni tõlgenduses teatud loogikat, kuid tema teaduslikud instinktid keeldusid seda aktsepteerimast. Nii et Einstein ei suutnud lõpetada terviklikuma kontseptsiooni otsimist.
Oma kirjas Bornile ütles Einstein: "Ma olen kindel, et Jumal ei viska täringuid!". Niels Bohr ütles seda fraasi kommenteerides Einsteinile, et ta ei ütleks Jumalale, mida teha. Ja oma vestluses Abraham Paisiga hüüdis Einstein: "Sa arvad tõesti, et kuu on olemasainult siis, kui sa seda vaatad?”.
Erwin Schrödinger tuli välja mõtteeksperimendiga kassiga, mille kaudu ta soovis demonstreerida kvantmehaanika alaväärsust üleminekul subatomiliselt mikroskoopilistele süsteemidele. Samas peeti problemaatiliseks lainefunktsiooni vajalikku kollapsit ruumis. Einsteini relatiivsusteooria järgi on hetkelisus ja samaaegsus mõttekad ainult vaatleja jaoks, kes on samas võrdlusraamistikus. Seega pole aega, mis võiks saada kõigi jaoks üheks, mis tähendab, et hetkelist kokkuvarisemist ei saa kindlaks teha.
Levitamine
1997. aastal akadeemilistes ringkondades läbi viidud mitteametlik uuring näitas, et varem domineerinud Kopenhaageni tõlgendust, millest oli lühid alt eespool juttu, toetas vähem kui pooled vastanutest. Sellel on aga rohkem järgijaid kui teistel tõlgendustel eraldi.
Alternatiiv
Paljud füüsikud on lähemal teisele kvantmehaanika tõlgendusele, mida nimetatakse "puuduvaks". Selle tõlgenduse olemust väljendab ammendav alt David Mermini ütlus: "Ole vait ja arvuta!", mida sageli omistatakse Richard Feynmanile või Paul Diracile.
