» » » » » » Interpretarea Copenhaga a mecanicii cuantice

Interpretarea Copenhaga a mecanicii cuantice

Institutul Niels Bohr din Copenhaga (Institutul Niels Bohr din Copenhaga, care a fost un punct focal pentru cercetătorii din domeniul mecanicii cuantice și al subiectelor conexe din anii 1920 și 1930. Cei mai cunoscuți fizicieni teoreticieni din lume au trecut pe acolo)

Interpretarea Copenhaga (sau Interpretarea de la Copenhaga) este o expresie a semnificației mecanicii cuantice care a fost în mare măsură concepută în anii 1925-1927 de către Niels Bohr și Werner Heisenberg. Rămâne una dintre cele mai frecvent predate interpretări ale mecanicii cuantice.

Conform interpretării de la Copenhaga, sistemele fizice, în general, nu au proprietăți clare înainte de a fi măsurate, iar mecanica cuantică nu poate prezice decât probabilitatea ca măsurătorile să producă anumite rezultate. Actul de măsurare afectează sistemul, determinând setul de probabilități să se reducă la doar una din valorile posibile imediat după măsurare. Această caracteristică este cunoscută sub numele de colaps al funcției de undă.

Au existat numeroase obiecții la interpretarea Copenhaga de-a lungul anilor. Acestea includ: salturi discontinue atunci când există o observație, elementul probabilistic introdus la observație, subiectivitatea solicitării unui observator, dificultatea de a defini un dispozitiv de măsurare și necesitatea invocării fizicii clasice pentru a descrie „laboratorul” în care rezultatele sunt măsurate.

Alternativele la interpretarea Copenhaga includ interpretarea mai multor lumi, interpretarea De Broglie-Bohm (pilot-und[) și teoriile decoerenței cuantice.

Fundal

Max Planck, Albert Einstein și Niels Bohr au postulat apariția energiei în cantități discrete (cuante) pentru a explica fenomene cum ar fi spectrul radiației corpului negru, efectul fotoelectric și stabilitatea și spectrul atomilor. Aceste fenomene au evitat explicația prin fizica clasică și chiar păreau a fi în contradicție cu aceasta. În timp ce particulele elementare prezintă proprietăți previzibile în multe experimente, ele devin din ce în ce mai imprevizibile în altele, cum ar fi încercările de a identifica traiectoriile particulare individuale printr-un aparat fizic simplu.

Fizica clasică trasează o distincție între particule și unde. De asemenea, se bazează pe continuitate și determinism în fenomenele naturale. La începutul secolului al XX-lea, fenomenele atomice și subatomice descoperite recent par să sfideze aceste concepții. În 1925-1926, mecanica cuantică a fost inventată ca un formalism matematic care descrie cu exactitate experimentele, dar pare să respingă acele concepții clasice. În schimb, ea susține că probabilitatea și discontinuitatea sunt fundamentale în lumea fizică. De asemenea, fizica clasică se bazează pe cauzalitate. Cauzalitatea în mecanica cuantică este contestată.

Mecanica cuantică nu poate fi ușor reconciliată cu limbajul și observația de zi cu zi și a părut adesea contra-intuitivă pentru fizicieni, inclusiv pentru dezvoltatorii săi.

Interpretarea Copenhaga intenționează să indice căile adecvate de gândire și vorbire despre semnificația fizică a formulelor matematice ale mecanicii cuantice și a rezultatelor experimentale corespunzătoare. Oferă respectul acordat discontinuității, probabilității și unei concepții a dualismului particulă-undă. În unele privințe, ea neagă cauzalitatea.

Principii

Nu există o declarație unică definitivă a interpretării Copenhaga. Ea se compune din opiniile dezvoltate de mai mulți oameni de știință și filozofi în timpul celui de-al doilea sfert al secolului XX. Bohr și Heisenberg nu au fost de acord total cu privire la modul de înțelegere a formalismului matematic al mecanicii cuantice. Bohr s-a distanțat odată de ceea ce el considera a fi interpretarea mai subiectivă a lui Heisenberg.

Diferiți comentatori și cercetători au asociat cu el diverse idei. Asher Peres a remarcat că opiniile foarte diferite, uneori opuse, sunt prezentate ca „interpretarea Copenhaga” de către diferiți autori.

Unele principii de bază acceptate în general ca parte a interpretării includ:

  1. Funcția de undă Ψ reprezintă starea sistemului. Aceasta cuprinde tot ceea ce poate fi cunoscut despre acest sistem înainte de o observație; nu există alți „parametri ascunși”. Funcția de undă evoluează fără probleme în timp ce este izolată de alte sisteme.
  2. Proprietățile sistemului sunt supuse unui principiu de incompatibilitate. Anumite proprietăți nu pot fi definite simultan pentru același sistem în același timp. Incompatibilitatea este exprimată cantitativ prin principiul incertitudinii lui Heisenberg. De exemplu, dacă o particulă într-un anumit moment are o locație definită, este lipsit de sens să vorbim despre impulsul ei în acel moment.
  3. În timpul unei observații, sistemul trebuie să interacționeze cu un dispozitiv de laborator. Atunci când dispozitivul face o măsurare, funcția de undă a sistemelor se spune că se prăbușește sau se reduce în mod ireversibil la o stare proprie a observabilei care este înregistrată.
  4. Rezultatele furnizate de dispozitivele de măsurare sunt în esență clasice și ar trebui descrise în limbajul obișnuit. Acest lucru a fost în mod special subliniat de Bohr și a fost acceptat de Heisenberg.
  5. Descrierea dată de funcția de undă este probabilistică. Acest principiu este numit regula Born, dupa Max Born.
  6. Funcția de undă exprimă o dualitate fundamentală necesară și fundamentală a particulelor. Acest lucru ar trebui să se reflecte în descrierile limbajului obișnuit al experimentelor. Un experiment poate prezenta proprietăți asemănătoare particulelor sau proprietăți asemănătoare undelor, în conformitate cu principiul complementarității lui Niels Bohr.
  7. Activitatea internă a proceselor atomice și subatomice este în mod necesar și în esență inaccesibilă observării directe, deoarece actul observării lor le-ar afecta foarte mult.
  8. Atunci când numerele cuantice sunt mari, se referă la proprietăți care se potrivesc îndeaproape cu cele ale descrierii clasice. Acesta este principiul corespondenței lui Bohr și Heisenberg.

Regula Born

Max Born vorbește despre interpretarea probabilică a lui ca o „interpretare statistică” a funcției de undă, iar regula Born este esențială pentru interpretarea Copenhaga.

Scriitorii nu urmăresc cu toții aceeași terminologie. Expresia „interpretare statistică”, care se referă la „interpretarea ansamblului”, indică adesea o interpretare a regulii Born oarecum diferită de interpretarea Copenhaga. Pentru interpretarea Copenhaga, este axiomatic faptul că funcția de undă epuizează tot ceea ce poate fi cunoscut vreodată în prealabil cu privire la o anumită ocurență a sistemului. Interpretarea „statistică” sau „de ansamblu”, pe de altă parte, este în mod explicit agnostică cu privire la faptul dacă informațiile din funcția de undă sunt exhaustive pentru ceea ce ar putea fi cunoscut în prealabil. Se consideră a fi mai „minimală” decât interpretarea Copenhaga în afirmațiile sale. Nu putem decât să spunem că, cu fiecare observație, se găsește o anumită valoare reală a unor proprietăți și că aceste valori se găsesc probabilist, așa cum au fost detectate de mai multe ori în observarea aceluiași sistem. Multe ocurențe ale sistemului sunt considerate a constitui un „ansamblu”, și ele dezvăluie împreună probabilitatea prin aceste observații. Deși toate au aceeași funcție de undă, elementele ansamblului ar putea să nu fie identice între ele în toate privințele, conform interpretărilor „agnostice”. Ele pot, dincolo de ceea ce știm, dincolo de cunoașterea actuală și dincolo de funcția de undă, să aibă proprietăți distinctive individuale. Pentru știința actuală, semnificația experimentală a acestor forme diferite de regula Born este aceeași, deoarece acestea fac aceleași predicții cu privire la repartizarea probabilității rezultatelor observațiilor, iar proprietățile potențiale neobservate sau neactualizate nu sunt accesibile experimentării.

Natura colapsului

Cei care merg pe interpretarea Copenhaga sunt dispuși să spună că o funcție de undă implică diferitele probabilități pe care un anumit eveniment le va urma cu anumite rezultate diferite. Dar când aparatul înregistrează unul din aceste rezultate, nu există probabilități sau suprapuneri ale celorlalte.

Potrivit lui Howard, colapsul funcției de undă nu este menționat în scrierile lui Bohr.

Unii susțin că conceptul de colaps al unei funcții de undă „reale” a fost introdus de Heisenberg și dezvoltat ulterior de John von Neumann în 1932. Cu toate acestea, Heisenberg a vorbit despre funcția de undă ca reprezentând cunoașterea disponibilă a unui sistem și nu a folosit termenul „colaps” per se, ci l-a numit în schimb o „reducere” a funcției de undă la o stare nouă reprezentând schimbarea cunoștințelor disponibile care apare odată ce un aparat (adesea numit „măsurare”) înregistrează un anumit fenomen.

În 1952, David Bohm a dezvoltat decoerența, un mecanism explicativ pentru apariția colapsului funcțiilor de undă. Bohm a aplicat decoerența teoriei undelor pilot a lui Louis DeBroglie, dezvoltând mecanica bohmiană, prima interpretare cu succes a variabilelor ascunse ale mecanicii cuantice. Colapsul a fost evitat de Hugh Everett în 1957 în interpretarea sa a stării relative. Decoerența a fost în mare parte ignorată până în anii 1980.

Non-separabilitatea funcției de undă

Domeniul funcției de undă este spațiul de configurare, un obiect abstract diferit de spațiul fizic obișnuit. În un singur punct al spațiului de configurare, funcția de undă colectează informații probabiliste despre mai multe particule distincte, care au, respectiv, fizic o separare spațială. Deci, funcția de undă se spune că furnizează o reprezentare care nu poate fi separată. Aceasta reflectă o caracteristică a lumii cuantice recunoscută încă din 1905 de Einstein.

În 1927, Bohr a atras atenția asupra unei consecințe a non-separabilității. Evoluția sistemului, determinată de ecuația Schrödinger, nu arată traiectoriile particulelor prin spațiu-timp. Este posibil să extrageți informații despre traiectorie de la o astfel de evoluție, dar nu simultan să extrageți informații despre energie-impuls. Această incompatibilitate este exprimată în principiul incertitudinii lui Heisenberg. Cele două tipuri de informații trebuie să fie extrase în diferite ocazii, datorită non-separabilității reprezentării funcției de undă. În gândirea lui Bohr, vizualizarea spațiu-timp înseamnă informații despre traiectorie. Din nou, în gândirea lui Bohr, „cauzalitatea” se referă la transferul energie-impuls; în opinia sa, lipsa de cunoaștere a energiei-impulsului înseamnă lipsa cunoașterii „cauzalității”. Prin urmare, Bohr a crezut că cunoașterea respectivă a „cauzalității” și a vizualizării spațiu-timpului sunt incompatibile, dar complementare.

Dilema undă-particulă

Termenul interpretarea Copenhaga nu este bine definit atunci când se discută dilema undă-particulă, deoarece Bohr și Heisenberg aveau opinii diferite sau, probabil, chiar în dezacord.

Potrivit lui Camilleri, Bohr a crezut că distincția dintre o observare a undelor și o observare a particulelor a fost definită printr-o distincție între setările experimentale, în timp ce, în mod diferit, Heisenberg a crezut că este definită de posibilitatea de a vedea formulele matematice ca referindu-se la unde sau particule. Bohr a crezut că o configurație experimentală specifică ar prezenta fie o imagine de undă, fie o imagine a particulei, dar nu ambele. Heisenberg a crezut că fiecare formulă matematică era capabilă să interpreteze atât unde cât și particule.

Alfred Landé a fost mult timp considerat ortodox. Cu toate acestea, el a acceptat punctul de vedere al lui Heisenberg, în măsura în care credea că funcția de undă este întotdeauna matematic deschisă pentru ambele interpretări. În cele din urmă, acest lucru a dus la considerarea neortodoxă a acestuia, parțial pentru că nu a acceptat punctul de vedere una-sau-alta al lui Bohr, preferând întotdeauna punctul de vedere al lui Heisenberg, ambele-întotdeauna. O altă parte a motivului pentru care Landé este considerat neortodox este faptul că ela a recunoscut la fel ca și Heisenberg, opera lui William Duane, un  bătrân teoretician care anticipase o teoremă a mecanicii cuantice care nu fusese recunoscută de Born. Această teoremă pare să accepte perspectiva ambele-întotdeauna, ca cea adoptată de Heisenberg. S-ar putea spune „Este acolo în matematică”, dar aceasta nu este o afirmație fizică care l-ar fi convins pe Bohr. Poate că principalul motiv pentru atacarea lui Landé este că lucrarea sa demistifică fenomenul de difracție a particulelor de materie, cum ar fi buckminsterfullerene.

Acceptarea printre fizicieni

În tot secolul al XX-lea, interpretarea Copenhaga a avut o acceptare copleșitoare printre fizicieni. Deși astrofizicianul și scriitorul științific John Gribbin a descris-o ca scăzând în importanță după anii 1980, după un sondaj foarte informal (unii au votat pentru mai multe interpretări), desfășurat la o conferință de mecanică cuantică în 1997, interpretarea Copenhaga a rămas cea mai larg acceptată interpretare a mecanicii cuantice printre fizicieni. În mai multe sondaje efectuate la diferite conferințe de mecanică cuantică, s-au găsit rezultate diferite. Într-un articol din 2017, fizicianul și laureatul premiului Nobel, Steven Weinberg, afirmă că interpretarea Copenhaga „este acum pe scară largă considerată inacceptabilă”.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *