La interpretació de Copenhaguen és una explicació de la mecànica quàntica formulada per Niels Bohr i Werner Heisenberg el 1927 quan els científics treballaven junts a Copenhaguen. Bohr i Heisenberg van ser capaços de millorar la interpretació probabilística de la funció formulada per M. Born i van intentar respondre una sèrie de preguntes que sorgeixen a causa de la dualitat ona-partícula. Aquest article considerarà les idees principals de la interpretació de Copenhaguen de la mecànica quàntica i el seu impacte en la física moderna.
Problemes
Les interpretacions de la mecànica quàntica s'anomenen visions filosòfiques sobre la naturalesa de la mecànica quàntica com a teoria que descriu el món material. Amb la seva ajuda, va ser possible respondre preguntes sobre l'essència de la realitat física, el mètode d'estudiar-la, la naturalesa de la causalitat i el determinisme, així com l'essència de l'estadística i el seu lloc en la mecànica quàntica. Es considera que la mecànica quàntica és la teoria més ressonant de la història de la ciència, però encara no hi ha consens en la seva profunda comprensió. Hi ha una sèrie d'interpretacions de la mecànica quàntica, iavui coneixerem els més populars d'ells.
Idees clau
Com sabeu, el món físic està format per objectes quàntics i instruments de mesura clàssics. El canvi en l'estat dels instruments de mesura descriu un procés estadístic irreversible de canvi de les característiques dels microobjectes. Quan un microobjecte interacciona amb els àtoms del dispositiu de mesura, la superposició es redueix a un estat, és a dir, la funció d'ona de l'objecte de mesura es redueix. L'equació de Schrödinger no descriu aquest resultat.
Des del punt de vista de la interpretació de Copenhaguen, la mecànica quàntica no descriu els microobjectes en si, sinó les seves propietats, que es manifesten en condicions macro creades per instruments de mesura típics durant l'observació. El comportament dels objectes atòmics no es pot distingir de la seva interacció amb instruments de mesura que fixen les condicions per a l'ocurrència dels fenòmens.
Una mirada a la mecànica quàntica
La mecànica quàntica és una teoria estàtica. Això es deu al fet que la mesura d'un microobjecte comporta un canvi en el seu estat. Així doncs, hi ha una descripció probabilística de la posició inicial de l'objecte, descrita per la funció d'ona. La funció d'ona complexa és un concepte central en mecànica quàntica. La funció d'ona canvia a una nova dimensió. El resultat d'aquesta mesura depèn de la funció d'ona, de manera probabilística. Només el quadrat del mòdul de la funció d'ona té significació física, la qual cosa confirma la probabilitat que s'estudiïel microobjecte es troba en un lloc determinat de l'espai.
En mecànica quàntica, la llei de la causalitat es compleix respecte a la funció d'ona, que varia en el temps en funció de les condicions inicials, i no respecte a les coordenades de velocitat de les partícules, com en la interpretació clàssica de la mecànica. A causa del fet que només el quadrat del mòdul de la funció d'ona està dotat d'un valor físic, els seus valors inicials no es poden determinar en principi, la qual cosa comporta una certa impossibilitat d'obtenir un coneixement precís sobre l'estat inicial del sistema quàntic..
Base filosòfica
Des d'un punt de vista filosòfic, la base de la interpretació de Copenhaguen són els principis epistemològics:
- Observabilitat. La seva essència rau en l'exclusió de la teoria física d'aquelles afirmacions que no es poden verificar per observació directa.
- Extres. Se suposa que la descripció ondulatòria i corpuscular dels objectes del micromón es complementen.
- Incerteses. Diu que la coordenada dels microobjectes i el seu impuls no es poden determinar per separat i amb una precisió absoluta.
- Determinisme estàtic. Se suposa que l'estat actual del sistema físic està determinat pels seus estats anteriors no sense ambigüitats, sinó només amb un cert grau de probabilitat de la implementació de les tendències de canvi establertes en el passat.
- Coincidència. Segons aquest principi, les lleis de la mecànica quàntica es transformen en les de la mecànica clàssica quan és possible descuidar la magnitud del quàntic d'acció.
Avantatges
A la física quàntica, la informació sobre objectes atòmics, obtinguda mitjançant configuracions experimentals, té una relació peculiar entre elles. En les relacions d'incertesa de Werner Heisenberg, hi ha una proporcionalitat inversa entre les imprecisions en la fixació de les variables cinètiques i dinàmiques que determinen l'estat d'un sistema físic en mecànica clàssica.
Un avantatge significatiu de la interpretació de Copenhaguen de la mecànica quàntica és el fet que no funciona amb declaracions detallades directament sobre quantitats físicament no observables. A més, amb un mínim de requisits previs, construeix un sistema conceptual que descriu de manera exhaustiva els fets experimentals disponibles en aquest moment.
El significat de la funció d'ona
Segons la interpretació de Copenhaguen, la funció d'ona pot estar subjecta a dos processos:
- Evolució unitària, que es descriu per l'equació de Schrödinger.
- Mesuració.
Ningú va tenir dubtes sobre el primer procés a la comunitat científica, i el segon procés va provocar discussions i va donar lloc a diverses interpretacions, fins i tot en el marc de la interpretació de la consciència de Copenhaguen. D'una banda, hi ha moltes raons per creure que la funció d'ona no és més que un objecte físic real, i que s'ensorra durant el segon procés. D' altra banda, la funció d'ona pot no ser una entitat real, sinó una eina matemàtica auxiliar, l'únic propòsit de la qualés proporcionar la capacitat de calcular la probabilitat. Bohr va subratllar que l'únic que es pot predir és el resultat d'experiments físics, de manera que totes les qüestions secundàries no haurien d'estar relacionades amb la ciència exacta, sinó amb la filosofia. En els seus desenvolupaments va professar el concepte filosòfic del positivisme, que requeria que la ciència només discutís coses realment mesurables.
Experiment de doble escletxa
En un experiment de dues escletxes, la llum que passa per dues escletxes cau a la pantalla, on apareixen dos serrells d'interferència: fosc i clar. Aquest procés s'explica pel fet que les ones de llum es poden amplificar mútuament en alguns llocs i cancel·lar-se mútuament en altres. D' altra banda, l'experiment il·lustra que la llum té les propietats d'una part de flux i que els electrons poden mostrar propietats ondulatòries, alhora que donen un patró d'interferència.
Es pot suposar que l'experiment es porta a terme amb un corrent de fotons (o electrons) d'una intensitat tan baixa que només una partícula passa per les ranures cada vegada. No obstant això, en afegir els punts on els fotons toquen la pantalla, s'obté el mateix patró d'interferència a partir d'ones superposades, malgrat que l'experiment es refereix a partícules suposadament separades. Això es deu al fet que vivim en un univers "probabilístic", en el qual cada esdeveniment futur té un grau de possibilitat redistribuït, i la probabilitat que passi alguna cosa completament imprevista en el proper moment és més aviat petita.
Preguntes
L'experiència de
Slit posa aixòpreguntes:
- Quines seran les regles per al comportament de les partícules individuals? Les lleis de la mecànica quàntica indiquen la ubicació de la pantalla en la qual estaran les partícules, estadísticament. Us permeten calcular la ubicació de les bandes clares, que probablement continguin moltes partícules, i les bandes fosques, on és probable que caiguin menys partícules. Tanmateix, les lleis que regeixen la mecànica quàntica no poden predir on acabarà una partícula individual.
- Què passa amb la partícula en el moment entre l'emissió i el registre? Segons els resultats de les observacions, es pot crear la impressió que la partícula està en interacció amb ambdues escletxes. Sembla que això contradiu les regularitats del comportament d'una partícula puntual. A més, quan es registra una partícula, es converteix en un punt.
- Sota la influència de què canvia una partícula el seu comportament d'estàtica a no estàtica, i viceversa? Quan una partícula passa per les escletxes, el seu comportament ve determinat per una funció d'ona no localitzada que passa per les dues escletxes alhora. En el moment del registre d'una partícula, sempre es fixa com a punt i mai s'obté un paquet d'ona borrosa.
Respostes
La teoria de Copenhaguen de la interpretació quàntica respon a les preguntes plantejades de la següent manera:
- És fonamentalment impossible eliminar la naturalesa probabilística de les prediccions de la mecànica quàntica. És a dir, no pot indicar amb precisió la limitació del coneixement humà sobre cap variable latent. Es refereix a la física clàssicaprobabilitat en aquells casos en què cal descriure un procés com el llançament de daus. És a dir, la probabilitat substitueix el coneixement incomplet. La interpretació de Copenhaguen de la mecànica quàntica feta per Heisenberg i Bohr, per contra, afirma que el resultat de les mesures en mecànica quàntica és fonamentalment no determinista.
- La física és una ciència que estudia els resultats dels processos de mesura. És incorrecte especular sobre què passa com a conseqüència d'ells. Segons la interpretació de Copenhaguen, les preguntes sobre on es trobava la partícula abans del moment del seu registre i altres fabricacions similars no tenen sentit i, per tant, s'han d'excloure de la reflexió.
- L'acte de mesurar provoca un col·lapse instantani de la funció d'ona. Per tant, el procés de mesura tria aleatòriament només una de les possibilitats que permet la funció d'ona d'un estat donat. I per reflectir aquesta elecció, la funció d'ona ha de canviar a l'instant.
Formularis
La formulació de la interpretació de Copenhaguen en la seva forma original ha donat lloc a diverses variacions. El més comú d'ells es basa en l'enfocament d'esdeveniments consistents i un concepte com la decoherència quàntica. La decoherència us permet calcular la frontera difusa entre el macro i el micromón. Les variacions restants difereixen en el grau de "realisme del món ondulat".
Crítica
La validesa de la mecànica quàntica (la resposta de Heisenberg i Bohr a la primera pregunta) va ser qüestionada en un experiment mental realitzat per Einstein, Podolsky iRosen (paradoxa EPR). Així, els científics volien demostrar que l'existència de paràmetres ocults és necessària perquè la teoria no condueixi a una "acció de llarg abast" instantània i no local. Tanmateix, durant la verificació de la paradoxa de l'EPR, possible gràcies a les desigu altats de Bell, es va demostrar que la mecànica quàntica és correcta, i diverses teories de variables ocultes no tenen confirmació experimental.
Però la resposta més problemàtica va ser la resposta de Heisenberg i Bohr a la tercera pregunta, que situava els processos de mesura en una posició especial, però no determinava la presència de trets distintius en ells.
Molts científics, tant físics com filòsofs, es van negar rotundament a acceptar la interpretació de Copenhaguen de la física quàntica. La primera raó d'això va ser que la interpretació de Heisenberg i Bohr no era determinista. I la segona és que va introduir una noció vaga de mesura que va convertir les funcions de probabilitat en resultats vàlids.
Einstein estava segur que la descripció de la realitat física donada per la mecànica quàntica interpretada per Heisenberg i Bohr era incompleta. Segons Einstein, va trobar una mica de lògica en la interpretació de Copenhaguen, però el seu instint científic es va negar a acceptar-la. Així que Einstein no va poder deixar de buscar un concepte més complet.
A la seva carta a Born, Einstein va dir: "Estic segur que Déu no llança els daus!". Niels Bohr, comentant aquesta frase, va dir a Einstein que no li digués a Déu què havia de fer. I en la seva conversa amb Abraham Pais, Einstein va exclamar: “De debò penses que la lluna existeix.només quan ho mires?”.
Erwin Schrödinger va fer un experiment mental amb un gat, a través del qual volia demostrar la inferioritat de la mecànica quàntica durant la transició dels sistemes subatòmics als microscòpics. Al mateix temps, el necessari col·lapse de la funció d'ona a l'espai es va considerar problemàtic. Segons la teoria de la relativitat d'Einstein, la instantània i la simultaneïtat només tenen sentit per a un observador que es troba en el mateix marc de referència. Per tant, no hi ha temps que pugui ser un per a tots, la qual cosa significa que no es pot determinar el col·lapse instantani.
Distribució
Una enquesta informal realitzada a l'acadèmia l'any 1997 va mostrar que la interpretació de Copenhaguen que abans dominava, comentada breument anteriorment, estava recolzada per menys de la meitat dels enquestats. Tanmateix, té més adherents que les altres interpretacions individualment.
Alternativa
Molts físics estan més a prop d'una altra interpretació de la mecànica quàntica, que s'anomena "cap". L'essència d'aquesta interpretació s'expressa de manera exhaustiva en el dictum de David Mermin: "Calla i calcula!", que sovint s'atribueix a Richard Feynman o Paul Dirac.
