De Kopenhagen-interpretatie is een uitleg van de kwantummechanica, geformuleerd door Niels Bohr en Werner Heisenberg in 1927 toen de wetenschappers samenwerkten in Kopenhagen. Bohr en Heisenberg waren in staat om de probabilistische interpretatie van de door M. Born geformuleerde functie te verbeteren en probeerden een aantal vragen te beantwoorden die ontstaan als gevolg van de dualiteit van golven en deeltjes. Dit artikel gaat in op de belangrijkste ideeën van de Kopenhagen-interpretatie van de kwantummechanica en hun impact op de moderne natuurkunde.
Problemen
Interpretaties van de kwantummechanica genaamd filosofische opvattingen over de aard van de kwantummechanica als een theorie die de materiële wereld beschrijft. Met hun hulp was het mogelijk om vragen te beantwoorden over de essentie van de fysieke realiteit, de methode om deze te bestuderen, de aard van causaliteit en determinisme, evenals de essentie van statistiek en zijn plaats in de kwantummechanica. Kwantummechanica wordt beschouwd als de meest resonerende theorie in de geschiedenis van de wetenschap, maar er is nog steeds geen consensus over het diepgaande begrip ervan. Er zijn een aantal interpretaties van de kwantummechanica, envandaag zullen we kennis maken met de meest populaire van hen.
Belangrijkste ideeën
Zoals je weet, bestaat de fysieke wereld uit kwantumobjecten en klassieke meetinstrumenten. De verandering in de toestand van meetinstrumenten beschrijft een onomkeerbaar statistisch proces van het veranderen van de kenmerken van micro-objecten. Wanneer een micro-object interageert met de atomen van het meetinstrument, wordt de superpositie teruggebracht tot één toestand, dat wil zeggen, de golffunctie van het meetobject wordt verminderd. De Schrödingervergelijking beschrijft dit resultaat niet.
Vanuit het oogpunt van de Kopenhagen-interpretatie beschrijft de kwantummechanica niet de micro-objecten zelf, maar hun eigenschappen, die zich manifesteren in macro-omstandigheden die worden gecreëerd door typische meetinstrumenten tijdens observatie. Het gedrag van atomaire objecten kan niet worden onderscheiden van hun interactie met meetinstrumenten die de voorwaarden bepalen voor het optreden van verschijnselen.
Een blik op de kwantummechanica
Kwantummechanica is een statische theorie. Dit komt door het feit dat de meting van een micro-object leidt tot een verandering in zijn toestand. Er is dus een probabilistische beschrijving van de beginpositie van het object, beschreven door de golffunctie. De complexe golffunctie is een centraal concept in de kwantummechanica. De golffunctie krijgt een nieuwe dimensie. Het resultaat van deze meting hangt op een probabilistische manier af van de golffunctie. Alleen het kwadraat van de modulus van de golffunctie heeft fysieke betekenis, wat de waarschijnlijkheid bevestigt dat de bestudeerdehet micro-object bevindt zich op een bepaalde plaats in de ruimte.
In de kwantummechanica wordt voldaan aan de wet van causaliteit met betrekking tot de golffunctie, die in de tijd varieert afhankelijk van de beginvoorwaarden, en niet met betrekking tot de deeltjessnelheidscoördinaten, zoals in de klassieke interpretatie van mechanica. Vanwege het feit dat alleen het kwadraat van de modulus van de golffunctie een fysieke waarde heeft, kunnen de beginwaarden ervan in principe niet worden bepaald, wat leidt tot enige onmogelijkheid om nauwkeurige kennis te verkrijgen over de begintoestand van het kwantumsysteem.
Filosofische basis
Vanuit filosofisch oogpunt is de basis van de Kopenhagen-interpretatie epistemologische principes:
- Waarneembaarheid. De essentie ervan ligt in de uitsluiting van de fysische theorie van die uitspraken die niet kunnen worden geverifieerd door directe observatie.
- Extra's. Neemt aan dat de golf- en corpusculaire beschrijving van de objecten van de microwereld elkaar aanvullen.
- Onzekerheden. Zegt dat de coördinaat van micro-objecten en hun momentum niet afzonderlijk en met absolute nauwkeurigheid kunnen worden bepaald.
- Statisch determinisme. Het gaat ervan uit dat de huidige toestand van het fysieke systeem wordt bepaald door zijn eerdere toestanden, niet ondubbelzinnig, maar alleen met een zekere mate van waarschijnlijkheid van de implementatie van de trends van verandering die in het verleden zijn vastgelegd.
- Overeenkomen. Volgens dit principe worden de wetten van de kwantummechanica omgezet in de wetten van de klassieke mechanica wanneer het mogelijk is om de grootte van het kwantum van actie te verwaarlozen.
Voordelen
In de kwantumfysica staat informatie over atomaire objecten, verkregen via experimentele opstellingen, in een eigenaardige relatie met elkaar. In de onzekerheidsrelaties van Werner Heisenberg is er een omgekeerde evenredigheid tussen de onnauwkeurigheden bij het vaststellen van de kinetische en dynamische variabelen die de toestand van een fysiek systeem in de klassieke mechanica bepalen.
Een belangrijk voordeel van de Kopenhagen-interpretatie van de kwantummechanica is het feit dat het niet werkt met gedetailleerde uitspraken over fysiek niet-waarneembare grootheden. Bovendien bouwt het, met een minimum aan vereisten, een conceptueel systeem op dat de experimentele feiten die momenteel beschikbaar zijn uitputtend beschrijft.
De betekenis van de golffunctie
Volgens de interpretatie van Kopenhagen kan de golffunctie onderhevig zijn aan twee processen:
- Unitaire evolutie, beschreven door de Schrödingervergelijking.
- Meten.
Niemand had twijfels over het eerste proces in de wetenschappelijke gemeenschap, en het tweede proces veroorzaakte discussies en gaf aanleiding tot een aantal interpretaties, zelfs binnen het kader van de Kopenhagen-interpretatie van bewustzijn zelf. Enerzijds is er alle reden om aan te nemen dat de golffunctie niets anders is dan een echt fysiek object, en dat het tijdens het tweede proces instort. Aan de andere kant is de golffunctie misschien geen echte entiteit, maar een wiskundig hulpmiddel, waarvan het enige doel:is om de mogelijkheid te bieden om de kans te berekenen. Bohr benadrukte dat het enige dat kan worden voorspeld het resultaat van fysieke experimenten is, dus alle secundaire kwesties moeten niet gerelateerd zijn aan exacte wetenschap, maar aan filosofie. Hij beleed in zijn ontwikkelingen het filosofische concept van het positivisme, waarbij hij vereiste dat de wetenschap alleen echt meetbare dingen bespreekt.
Dubbelspletenexperiment
In een experiment met twee spleten v alt licht dat door twee spleten gaat op het scherm, waarop twee interferentieranden verschijnen: donker en licht. Dit proces wordt verklaard door het feit dat lichtgolven elkaar op sommige plaatsen kunnen versterken en elkaar op andere kunnen opheffen. Aan de andere kant illustreert het experiment dat licht de eigenschappen heeft van een stroomdeel en dat elektronen golfeigenschappen kunnen vertonen, terwijl het een interferentiepatroon geeft.
Aangenomen mag worden dat het experiment wordt uitgevoerd met een stroom fotonen (of elektronen) van zo'n lage intensiteit dat er telkens maar één deeltje door de sleuven gaat. Desalniettemin, wanneer de punten worden toegevoegd waar fotonen het scherm raken, wordt hetzelfde interferentiepatroon verkregen van op elkaar gestapelde golven, ondanks het feit dat het experiment zogenaamd afzonderlijke deeltjes betreft. Dit komt omdat we in een "probabilistisch" universum leven, waarin elke toekomstige gebeurtenis een herverdeelde mate van mogelijkheid heeft, en de kans dat er iets totaal onvoorziens zal gebeuren in de volgende tijd vrij klein is.
Vragen
Slit-ervaring zet zulkevragen:
- Wat zijn de regels voor het gedrag van individuele deeltjes? De wetten van de kwantummechanica geven statistisch gezien de locatie van het scherm aan waarin de deeltjes zullen zijn. Hiermee kun je de locatie berekenen van lichte banden, die waarschijnlijk veel deeltjes bevatten, en donkere banden, waar waarschijnlijk minder deeltjes zullen vallen. De wetten die de kwantummechanica beheersen, kunnen echter niet voorspellen waar een individueel deeltje daadwerkelijk zal eindigen.
- Wat gebeurt er met het deeltje op het moment tussen emissie en registratie? Volgens de resultaten van waarnemingen kan de indruk worden gewekt dat het deeltje in wisselwerking staat met beide spleten. Het lijkt erop dat dit in tegenspraak is met de regelmatigheden van het gedrag van een puntdeeltje. Bovendien, wanneer een deeltje wordt geregistreerd, wordt het een punt.
- Onder invloed van wat verandert een deeltje zijn gedrag van statisch naar niet-statisch, en vice versa? Wanneer een deeltje door de spleten gaat, wordt zijn gedrag bepaald door een niet-gelokaliseerde golffunctie die tegelijkertijd door beide spleten gaat. Op het moment van registratie van een deeltje wordt het altijd vastgelegd als een punt en wordt er nooit een wazig golfpakket verkregen.
Antwoorden
De Kopenhagen-theorie van kwantuminterpretatie beantwoordt de gestelde vragen als volgt:
- Het is fundamenteel onmogelijk om de probabilistische aard van de voorspellingen van de kwantummechanica te elimineren. Dat wil zeggen, het kan de beperking van de menselijke kennis over eventuele latente variabelen niet nauwkeurig aangeven. Klassieke natuurkunde verwijst naar:waarschijnlijkheid in die gevallen waarin het nodig is om een proces zoals dobbelstenen te beschrijven. Dat wil zeggen, waarschijnlijkheid vervangt onvolledige kennis. De Kopenhagen-interpretatie van de kwantummechanica door Heisenberg en Bohr daarentegen stelt dat het resultaat van metingen in de kwantummechanica fundamenteel niet-deterministisch is.
- Natuurkunde is een wetenschap die de resultaten van meetprocessen bestudeert. Het is verkeerd om te speculeren over wat er als gevolg daarvan gebeurt. Volgens de Kopenhagen-interpretatie zijn vragen over waar het deeltje zich bevond vóór het moment van registratie en andere soortgelijke verzinsels zinloos en zouden daarom van reflectie moeten worden uitgesloten.
- Het meten leidt tot een onmiddellijke ineenstorting van de golffunctie. Daarom kiest het meetproces willekeurig slechts één van de mogelijkheden die de golffunctie van een bepaalde toestand toelaat. En om deze keuze te weerspiegelen, moet de golffunctie onmiddellijk veranderen.
Formulieren
De formulering van de Kopenhagen-interpretatie in zijn oorspronkelijke vorm heeft aanleiding gegeven tot verschillende variaties. De meest voorkomende is gebaseerd op de benadering van consistente gebeurtenissen en een concept als kwantumdecoherentie. Decoherentie stelt je in staat om de vage grens tussen de macro- en microwerelden te berekenen. De overige variaties verschillen in de mate van 'realisme van de golfwereld'.
Kritiek
De geldigheid van de kwantummechanica (het antwoord van Heisenberg en Bohr op de eerste vraag) werd in twijfel getrokken in een gedachte-experiment uitgevoerd door Einstein, Podolsky enRosen (EPR-paradox). Zo wilden wetenschappers bewijzen dat het bestaan van verborgen parameters noodzakelijk is, zodat de theorie niet leidt tot onmiddellijke en niet-lokale "actie op lange termijn". Tijdens de verificatie van de EPR-paradox, mogelijk gemaakt door de ongelijkheden van Bell, werd echter bewezen dat de kwantummechanica correct is, en verschillende theorieën over verborgen variabelen hebben geen experimentele bevestiging.
Maar het meest problematische antwoord was het antwoord van Heisenberg en Bohr op de derde vraag, dat meetprocessen in een speciale positie plaatste, maar niet de aanwezigheid van onderscheidende kenmerken daarin vaststelde.
Veel wetenschappers, zowel natuurkundigen als filosofen, weigerden botweg de Kopenhagen-interpretatie van de kwantumfysica te accepteren. De eerste reden hiervoor was dat de interpretatie van Heisenberg en Bohr niet deterministisch was. En de tweede is dat het een vaag begrip van meten introduceerde dat waarschijnlijkheidsfuncties in geldige resultaten veranderde.
Einstein was er zeker van dat de beschrijving van de fysieke realiteit gegeven door de kwantummechanica zoals geïnterpreteerd door Heisenberg en Bohr onvolledig was. Volgens Einstein vond hij enige logica in de Kopenhagen-interpretatie, maar zijn wetenschappelijke instincten weigerden die te accepteren. Einstein kon dus niet stoppen met zoeken naar een completer concept.
In zijn brief aan Born zei Einstein: "Ik weet zeker dat God niet met dobbelstenen gooit!". Niels Bohr gaf commentaar op deze zin en zei tegen Einstein dat hij God niet moest vertellen wat hij moest doen. En in zijn gesprek met Abraham Pais riep Einstein uit: "Je denkt echt dat de maan bestaat"alleen als je ernaar kijkt?”.
Erwin Schrödinger bedacht een gedachte-experiment met een kat, waarmee hij de minderwaardigheid van de kwantummechanica wilde aantonen tijdens de overgang van subatomaire naar microscopische systemen. Tegelijkertijd werd de noodzakelijke ineenstorting van de golffunctie in de ruimte als problematisch ervaren. Volgens Einsteins relativiteitstheorie zijn ogenblikkelijkheid en gelijktijdigheid alleen zinvol voor een waarnemer die zich in hetzelfde referentiekader bevindt. Er is dus geen tijd die één voor allen kan worden, wat betekent dat een onmiddellijke ineenstorting niet kan worden bepaald.
Distributie
Uit een informeel onderzoek in de academische wereld in 1997 bleek dat de voorheen dominante interpretatie van Kopenhagen, hierboven kort besproken, door minder dan de helft van de respondenten werd gesteund. Het heeft echter meer aanhangers dan de andere interpretaties afzonderlijk.
Alternatief
Veel natuurkundigen staan dichter bij een andere interpretatie van de kwantummechanica, die 'geen' wordt genoemd. De essentie van deze interpretatie wordt uitputtend uitgedrukt in de uitspraak van David Mermin: "Hou je mond en bereken!", dat vaak wordt toegeschreven aan Richard Feynman of Paul Dirac.
