מה פירוש קופנהגן?

פרשנות קופנהגן היא הסבר על מכניקת הקוונטים שגובשו על ידי נילס בוהר וורנר הייזנברג בשנת 1927, כאשר מדענים עבדו יחד בקופנהגן. בוהר והייזנברג הצליחו לשפר את הפרשנות ההסתברותית של הפונקציה שגובשה על ידי מ 'בורן וניסה לענות על מספר שאלות, שהופעתו נובעת מדואליזם של גל חלקיק. מאמר זה ישקול את הרעיונות העיקריים של פרשנות קופנהגן של מכניקת הקוונטים, והשפעתם על הפיזיקה המודרנית.

בעיות

פרשנות של מכניקת הקוונטים נקראת השקפות פילוסופיות על אופי מכניקת הקוונטים, כתיאוריה המתארת את עולם החומר. בעזרתם אפשר היה לענות על שאלות על מהות המציאות הגופנית, על הדרך בה היא נחקרת, על טבע הסיבתיות ועל הדטרמיניזם, ועל מהות הסטטיסטיקה ועל מקומה במכניקת הקוונטים. מכניקת הקוונטים נחשבת לתיאוריה המהדהדת ביותר בהיסטוריה של המדע, אך עדיין אין קונצנזוס בהבנה העמוקה שלה. ישנם מספר פרשנויות של מכניקת הקוונטים, והיום נתוודע לפופולרי ביותר.

רעיונות בסיסיים

כפי שאתה יודע, העולם הפיזי מורכב אובייקטים קוונטיים ומכשירים קלאסיים למדידה. השינוי במצב של מכשירי מדידה מתאר תהליך סטטיסטי בלתי הפיך של שינוי המאפיינים של microobjects. כאשר microobject אינטראקציה עם האטומים של מכשיר מדידה, סופרפוזיציה מצטמצם למצב אחד, כלומר, הפחתת פונקציית הגל של אובייקט המדידה מתרחשת. משוואת שרדינגר אינה מתארת תוצאה זו.

מנקודת המבט של הפרשנות של קופנהגן, מכניקת הקוונטים מתארת לא מיקרואובייקטים בעצמם, אלא את תכונותיהם, המתבטאות בתנאי המאקרו שנוצרו על ידי מכשירי מדידה אופייניים במהלך תצפית. לא ניתן להפריד בין התנהגותם של חפצים אטומיים לבין האינטראקציה שלהם עם מכשירים למדידות, אשר קובעים את התנאים למקור התופעות.

מבט על מכניקת הקוונטים

מכניקת הקוונטים היא תיאוריה סטטית. זאת בשל העובדה כי המדידה של microobject מוביל לשינוי במצב שלה. זה יוצר תיאור הסתברותי של המיקום הראשוני של האובייקט, המתואר על ידי פונקציית הגל. פונקציית הגל המורכבת היא המושג המרכזי של מכניקת הקוונטים. פונקציית הגל משתנה למאפיין חדש. התוצאה של מדידה זו תלויה בפונקציית הגל, באופן הסתברותי. הערך הפיזי הוא רק ריבוע של מודולוס של פונקציית הגל, אשר מאשרת את ההסתברות כי microobject הנחקר נמצא במקום מסוים בחלל.

במכניקת הקוונטים, חוק הסיבתיות מתבצע ביחס לפונקציית גל המשתנה עם הזמן ביחס לתנאים ההתחלתיים, ולא ביחס לקואורדינטות מהירות החלקיקים, כמו בטיפול הקלאסי של מכניקה. בשל העובדה כי רק את הריבוע של מודולוס של פונקצית הגל מוקצה הערך הפיזי, הערכים הראשוניים שלה לא ניתן לקבוע באופן עקרוני, מה שמוביל כמה בלתי אפשרי של קבלת ידע מדויק של המצב הראשוני של המערכת הקוונטית.

בסיס פילוסופי

מנקודת מבט פילוסופית, הבסיס לפרשנות קופנהגן הוא עקרונות אפיסטמולוגיים:

1. שמישות. המהות שלה כוללת להוציא מן התיאוריה הפיזית את ההצהרות כי לא ניתן לאמת על ידי התבוננות ישירה.
2. תוספת. היא מניחה שהגל והתיאור הגופני של האובייקטים של עולם המיקרו משלימים זה את זה.
3. אי ודאות. זה אומר כי הקואורדינטות של microobjects המומנטום שלהם לא ניתן לקבוע בנפרד, עם דיוק מוחלט.
4. דטרמיניזם סטטי. נניח שהמצב הנוכחי של מערכת פיזית נקבע על ידי מצבים קודמים לא ייחודיים, אלא רק עם חלק מההסתברות ליישם את מגמות השינוי שנקבעו בעבר.
5. קונפורמיות. על פי עיקרון זה, חוקי מכניקת הקוונטים הופכים לחוקי המכניקה הקלאסית, כאשר ניתן להזניח את גודל הקוונטים של הפעולה.

הטבות

בפיסיקה קוונטית, מידע על אובייקטים אטומיים, המתקבל באמצעות מתקנים ניסיוניים, הוא ביחסים מוזרים זה עם זה. ביחסי אי הוודאות של ורנר הייזנברג, היחס ההפוךתי בין אי-דיוקים בקביעת משתנים קינטיים ודינאמיים הקובעים את מצב המערכת הפיזית במכניקה הקלאסית.

יתרון משמעותי של הפרשנות של קופנהגן של מכניקת הקוונטים היא העובדה כי היא אינה פועלת עם הצהרות מפורטות ישירות על כמויות פיזית לא נצפו. בנוסף, עם מינימום של תנאים מוקדמים, הוא בונה מערכת מושגית המתארת באופן ממצה את העובדות הניסוייות הזמינות כרגע.

המשמעות של פונקציית הגל

על פי פרשנות קופנהגן, פונקציית הגל יכולה להיות כפופה לשני תהליכים:

1. האבולוציה האוניטרית, המתוארת על ידי משוואת שרדינגר.
2. מדידה.

לא היה ספק לגבי התהליך הראשון בחוגים המדעיים של כל אחד, והתהליך השני עורר דיון והביא לידי מספר פרשנויות, אפילו במסגרת הפרשנות של קופנהגן לתודעה. מצד אחד, יש כל סיבה להאמין שתפקיד הגל הוא לא יותר מאשר אובייקט פיזי אמיתי, וכי הוא עובר קריסה במהלך התהליך השני. מאידך גיסא, פונקציית הגל יכולה לפעול לא כישות אמיתית, אלא ככלי עזר מתמטי, שהמטרה היחידה שלו היא לספק הזדמנות לחשב את ההסתברות. בוהר הדגיש כי הדבר היחיד שניתן לחזות הוא תוצאה של ניסויים פיזיים, ולכן כל סוגיות משניות לא צריך להיות קשור למדע המדויק, אלא לפילוסופיה. הוא הכריז ביצירתו את המושג הפילוסופי של הפוזיטיביזם, המחייב שהמדע ידון רק על דברים ריאליסטיים.

חוויה כפולה סדק

בניסוי דו-פעמי, האור העובר דרך שני חריצים נופל על מסך שעליו מופיעות שתי שולי הפרעות: כהה ואור. תהליך זה מוסבר על ידי העובדה כי גלי אור יכול להגביר הדדית במקומות מסוימים, ובמקרים אחרים הם יכולים להיות כיבוי הדדית. מצד שני, הניסוי מדגים כי לאור יש מאפיינים זרם של חלק, ואלקטרונים יכולים להציג מאפייני גל, ובכך נותן דפוס התערבות.

יש להניח כי הניסוי מתבצע עם שטף של פוטונים (או אלקטרונים) של עוצמה נמוכה כל כך, כי רק חלקיק אחד עובר דרך החריצים בכל פעם. אף על פי כן, כאשר נקודות הפוטונים פוגעות במסך, מגלים חופפים, מתקבל דפוס התנגשות זהה , למרות שהחוויה נוגעת לחלקיקים נפרדים לכאורה. זה מוסבר על ידי העובדה שאנחנו חיים ביקום "הסתברותי" שבו לכל אירוע עתידי יש מידה של חלוקה מחדש, וההסתברות שמשהו בלתי צפוי יקרה ברגע הבא של הזמן הוא קטן למדי.

בעיות

חוויית חריץ מעלה שאלות כאלה:

1. מהם הכללים להתנהגות של חלקיקים בודדים? חוקי מכניקת הקוונטים מצביעים על מקומו של המסך שבו חלקיקים יופיעו סטטיסטית. הם מאפשרים לחשב את המיקום של להקות אור, שבו, ככל הנראה, יהיו הרבה חלקיקים, להקות כהה, שבו פחות חלקיקים צפויים ליפול. עם זאת, החוקים אשר מכניקת הקוונטים מציית לא יכול לנבא היכן החלקיקים הפרט מתברר להיות.
2. מה קורה לחלקיקים בזמן בין פליטה לרישום? על פי תוצאות תצפיות, זה עשוי להופיע כי החלקיקים הוא אינטראקציה עם שני הפערים. נראה כי זה סותר את החוקים המסדירים את ההתנהגות של חלקיק נקודה. יתר על כן, כאשר חלקיק רשום, זה הופך להיות כמו נקודה.
3. תחת הפעולה של אשר החלקיקים משנה את התנהגותו סטטי סטטי שאינו סטטי, ולהיפך? כאשר חלקיק עובר דרך החריצים, התנהגותו נגרמת על ידי פונקציית גל לא מקומית, העוברת בו זמנית דרך שני החריצים. ברגע רישום חלקיק, הוא תמיד קבוע כנקודה, מנות גל מטושטשת לא מתקבל.

תשובות

התיאוריה של קופנהגן על פרשנות קוונטית עונה על השאלות שהוצגו כדלקמן:

1. זה בלתי אפשרי ביסודו של דבר לחסל את אופי הסתברותי של תחזיות של מכניקת הקוונטים. כלומר, אין היא יכולה להעיד במדויק על הגבלת הידע האנושי על כל המשתנים הנסתרים. הפיזיקה הקלאסית מתייחסת להסתברות באותם מקרים שבהם יש צורך לתאר תהליך של השלכת סוג הקוביות. כלומר, הסתברות מחליפה ידע חסר. פרשנות קופנהגן של מכניקת הקוונטים של הייזנברג ובור, לעומת זאת, טוענת שתוצאת המדידות במכניקת הקוונטים אינה מיסודית.
2. הפיזיקה היא מדע החוקר את תוצאות תהליכי המדידה. אין זה נכון לחשוב על מה שקורה בחקירתם. על פי הפרשנות של קופנהגן, שאלות לגבי המקום שבו החלקיק היה לפני רישומו, ובדיקות אחרות כאלה חסרות משמעות, ולכן יש להוציאן מכלל אפשרות.
3. פעולת המדידה מובילה לקריסה מיידית של פונקציית הגל. כתוצאה מכך, תהליך המדידה בוחר באופן אקראי רק אחת האפשרויות שמאפשרת פונקציית הגל של מדינה מסוימת. וכדי לשקף בחירה זו, פונקציית הגל חייבת להשתנות באופן מיידי.

פורמולציות

ניסוח פרשנות קופנהגן בצורתה המקורית הוליד מספר וריאציות. הנפוץ שבהם מבוסס על גישה של אירועים שאינם סותרים וקונספט כזה של קוהרנטיות קוונטית. Decoherence מאפשר לחשב את הגבול מטושטשת בין עולמות מאקרו ומיקרו. שאר הווריאציות שונות במידת ה"ריאליזם של עולם הגל ".

ביקורת

הערך המלא של מכניקת הקוונטים (תשובתו של הייזנברג ובוהר לשאלה הראשונה) נחקר בניסוי החשיבה שערך איינשטיין, פודולסקי ורוזן (פרדוקס ה- EPR). לפיכך, המדענים רצו להוכיח כי יש צורך בפרמטרים נסתרים כדי שהתיאוריה לא תוביל לפעולה "מיידית לטווח" מיידית ולא מקומית. עם זאת, במהלך האימות של פרדוקס EPR, אשר התאפשר בשל חוסר השוויון של בל, הוכח כי מכניקת הקוונטים נכונה, ותיאוריות שונות של פרמטרים מוסתרים אין אישור ניסיוני.

אבל הבעיה הבעייתית ביותר היתה תשובתם של הייזנברג ובור לשאלה השלישית, שהניחה את תהליכי המדידה בעמדה מיוחדת, אך לא קבעה את נוכחותם של תכונות ייחודיות בהם.

מדענים רבים, פיזיקאים ופילוסופים כאחד, סירבו בתוקף לקבל את הפירוש של קופנהגן לפיסיקה קוונטית. הסיבה הראשונה היתה שהפרשנות של הייזנברג ובור לא היתה דטרמיניסטית. והשני - בכך שהוא הציג מושג בלתי מוגבל של מדידה, אשר הפך פונקציות הסתברותי לתוך תוצאות אמינות.

איינשטיין היה משוכנע כי תיאור המציאות הפיזית, שניתן על ידי מכניקת הקוונטים בפרשנות הייזנברג ובור, אינו מספק. לדברי איינשטיין, הוא מצא חלק לוגי בפרשנות קופנהגן, אבל האינסטינקטים המדעיים שלו סירבו לקבל את זה. לכן, איינשטיין לא יכול לסרב לחפש רעיון שלם יותר.

במכתבו לברן אמר איינשטיין: "אני בטוח שאלוהים לא זורק קוביות!". נילס בוהר, שהגיב על הביטוי הזה, אמר לאיינשטיין שהוא לא אומר לאלוהים מה לעשות. ובשיחתו עם אברהם פייס, קרא אינשטיין: "אתה באמת חושב שהירח קיים רק כשאתה מסתכל עליו?"

ארווין שרדינגר המציא ניסוי מחשבתי עם חתול, שבאמצעותו הוא רצה להוכיח את נחיתות מכניקת הקוונטים במהלך המעבר ממערכות תת-אטומיות למיקרוסקופים. יחד עם זאת, ההתמוטטות הדרושה של פונקציית הגל בחלל נחשבה בעייתי. על פי תורת היחסות של אינשטיין, מיידיות ובדיטניות הן משמעותיות רק עבור משקיף הנמצא במסגרת התייחסות אחת. לכן, אין זמן שיכול להיות אחד לכל, ולכן קריסה מיידית לא ניתן לקבוע.

הפצה

סקר בלתי רשמי שנערך בחוגים מדעיים ב -1997 הראה כי הפרשנות המוקדמת של קופנהגן, שנדונו בקצרה, נתמכת על ידי פחות ממחצית מהנשאלים. עם זאת, יש לה יותר חסידים מאשר פרשנויות אחרות בנפרד.

אלטרנטיבי

פיזיקאים רבים קרובים יותר לפרשנות אחרת של מכניקת הקוונטים, הנקראת "לא". תמצית פרשנות זו באה לידי ביטוי מלא באמירתו של דוד מרמין: "שתוק וחשב!", אשר מיוחסת לעתים קרובות ריצ'רד פיינמן או פול דיראק.