Копенгагенська інтерпретація – це пояснення квантової механіки, сформульоване Нільсом Бором і Вернером Гейзенбергом в 1927 році, коли вчені спільно працювали в Копенгагені. Бор і Гейзенберг змогли удосконалити імовірнісну інтерпретацію функції, сформульовану М. Борном, і спробували дати відповідь на ряд питань, виникнення яких зумовлено корпускулярно-хвильовим дуалізмом. У даній статті будуть розглянуті основні ідеї копенгагенської інтерпретації квантової механіки, і їх вплив на сучасну фізику.

Проблематика

Інтерпретаціями квантової механіки називали філософські погляди на природу квантової механіки, як теорії, яка описує матеріальний світ. З їх допомогою можна було відповісти на питання про суть фізичної реальності, спосіб її вивчення, характер причинності і детермінізму, а також сутності статистики та її місце в квантовій механіки. Квантову механіку прийнято вважати найбільш резонансною теорією в історії науки, однак консенсусу в її глибинному розумінні досі не існує. Існує ряд інтерпретацій квантової механіки, і сьогодні ми познайомимося з найбільш популярної з них.

Основні ідеї

Як відомо, фізичний світ складається з квантових об'єктів і класичних приладів для вимірювання. Зміна стану вимірювальних приладів описує незворотний статистичний процес зміни характеристик мікрооб'єктів. Коли микрообъект вступає у взаємодію з атомами вимірювального приладу, суперпозиція зводиться до одного стану, тобто відбувається редукція хвильової функції вимірювального об'єкта. Рівняння Шредінгера не описує цей результат.


З точки зору копенгагенської інтерпретації, квантова механіка описує не самі по собі мікрооб'єкти, а їх властивості, які проявляються в макроусловиях, створюються типовими вимірювальними приладами при спостереженні. Поведінка атомних об'єктів можна відмежувати від їх взаємодії з приладами для вимірювання, які фіксують умови походження явищ.

Погляд на квантову механіку

Квантова механіка є статичною теорією. Це обумовлено тим, що вимірювання микрообъекта призводить до зміни його стану. Так виникає імовірнісний опис вихідного положення об'єкта, що описується хвильовою функцією. Комплексна хвильова функція - центральне поняття квантової механіки. Хвильова функція змінюється до нового виміру. Результат вимірювання залежить від хвильової функції, імовірнісним чином. Фізичним значенням володіє лише квадрат модуля хвильової функції, що підтверджує ймовірність того, що досліджуваний микрообъект знаходиться у визначеному місці простору. У квантовій механіці закон причинності виконується щодо хвильової функції, що змінюється в часі залежно від початкових умов, а не відносно координат швидкості частинок, як у класичному трактуванні механіки. З-за того, що фізичним значенням наділений тільки квадрат модуля хвильової функції, її початкові значення можна визначити в принципі, що призводить до якоїсь неможливість отримати точні знання про початковому стані системи квантів.

Філософська основа

З філософської точки зору, основою копенгагенської інтерпретації є гносеологічні принципи:

Спостережуваності. Його суть полягає у виключенні з фізичної теорії тих тверджень, які не можна перевірити за допомогою безпосереднього спостереження.

Додатковості. Передбачає, що хвильовий і корпускулярне опис об'єктів мікросвіту доповнюють один одного.

Невизначеності. Говорить про те, що координату мікрооб'єктів та їх імпульс можна визначити окремо, і з абсолютною точністю.

Статичного детермінізму. Передбачає, що теперішній стан фізичної системи визначається її попередніми станами не однозначно, а лише з часткою ймовірності здійснення тенденцій, закладених в минулому.

Відповідності. Згідно з цим принципом, закони квантової механіки перетворюються в закони класичної механіки, коли є можливість знехтувати величиною кванта дії.

Переваги

У квантовій фізиці відомості про атомних об'єктах, отримані за допомогою експериментальних установок, що перебувають у своєрідному співвідношенні один з одним. У співвідношеннях невизначеностей Вернера Гейзенберга проглядається зворотна пропорційність між неточностями фіксування кінетичних та динамічних змінних, що визначають стан фізичної системи у класичній механіці. Вагомою перевагою копенгагенської інтерпретації квантової механіки є той факт, що вона не оперує детальними висловлюваннями безпосередньо про фізично неспостережуваних величинах. Крім того, при мінімумі передумов вона вибудовує понятійну систему, вичерпним чином описує експериментальні факти, наявні на даний момент.

Сенс хвильової функції

Згідно копенгагенської інтерпретації, хвильова функція може бути підвладна двом процесам:

Унітарної еволюції, яка описується рівнянням Шредінгера.

Вимірювання.

Стосовно першого процесу в наукових колах сумнівів не виникло ні в кого, а другий процес викликав дискусії і породив низку тлумачень, навіть у рамках самої копенгагенської інтерпретації свідомості. З одного боку, є всі підстави вважати, що хвильова функція являє собою не що інше, як реальний фізичний об'єкт, і що вона зазнає колапс під час другого процесу. З іншого боку, хвильова функція може виступати не реальною сутністю, а допоміжним математичним інструментом, єдине призначення якої полягає у наданні можливості розрахувати ймовірність. Бор зробив акцент на тому, що єдине, що може бути передбачене – це результат фізичних дослідів, тому всі другорядні питання повинні ставитися не до точної науки, а до філософії. Він сповідував у своїх напрацюваннях філософську концепцію позитивізму, що вимагає, щоб наука обговорювала тільки реально вимірювані речі.

Двухщелевой досвід

У двухщелевом досвіді світло, що проходить через дві щілини, падає на екран, на якому з'являються дві інтерференційні смуги: темна і світла. Цей процес пояснюється тим, що світлові хвилі можуть в одних місцях взаємно посилюватися, а в інших – взаємно погашатися. З іншого боку, експеримент ілюструє, що світло має властивості потоку частини, а електрони можуть проявляти хвильові властивості, даючи при цьому інтерференційну картину. Можна припустити, що дослід проводиться з потоком фотонів (або електронів) настільки низької інтенсивності, що через щілини кожен раз проходить лише по одній частці. Тим не менш, при складанні точок попадання фотонів на екран, від накладаються хвиль виходить така ж інтерференційна картина, незважаючи на те, що досвід стосується нібито окремих частинок. Це пояснюється тим, що ми живемо в «ймовірнісної» всесвіту, в якій кожне майбутнє подія має переделенную ступінь можливості, а ймовірність того, що в наступний момент часу трапиться щось зовсім непередбачене, досить мала.

Питання

Щілинний досвід ставить такі питання:

Якими будуть правила поведінки окремих частинок? Закони квантової механіки вказують на місце екрану, в якому опиняться частинки, статистично. Вони дозволяють розрахувати розташування світлових смуг, у яких, швидше за все, виявиться багато частинок, і темних смуг, куди, ймовірно, потрапить менше частинок. Однак закони, яким підпорядковується квантова механіка, не можуть передбачити, де фактично виявиться окрема частинка.

Що відбувається з часткою в момент між випусканням і реєстрацією? За результатами спостережень, може створитися враження, що частинка перебуває у взаємодії з обома щілинами. Здається, що це суперечить закономірностям поведінки точкової частинки. Тим більше що при реєстрації частинки вона стає точковою.

Під дією чого частинка змінює свою поведінку зі статичного на нестатическое, і навпаки? Коли частинка проходить крізь щілини, її поведінка обумовлюється нелокалізованной хвильовою функцією, одночасно проходить через обидві щілини. У момент реєстрації частинки вона завжди фіксується як точкова, і ніколи не виходить розмитого хвильового пакета.

Відповіді

Копенгагенська теорія квантової інтерпретації відповідає на поставлені питання наступним чином:

Принципово неможливо усунути ймовірнісний характер пророкувань квантової механіки. Тобто, він не може точно свідчити про обмеження людських знань про яких-небудь прихованих змінних. Класична фізика посилається на ймовірність у тих випадках, коли потрібно описати процес типу підкидання гральних кісток. Тобто ймовірність замінює неповне знання. Копенгагенська інтерпретація квантової механіки Гейзенберга і Бору навпаки, стверджує, що результат вимірювань у квантовій механіці принципово недетермінованої.

Фізика є наукою, що вивчає результати вимірювальних процесів. Міркувати про те, що відбувається в їх наслідок, неправомірно. Згідно копенгагенської інтерпретації, питання про те, де була частка до моменту її реєстрації, та інші подібні безглузді вигадки, а значить, повинні бути виключені з роздумів.

Акт вимірювання призводить до миттєвого колапсу хвильової функції. Отже, процес вимірювання випадковим чином вибирає лише одну з можливостей, які допускає хвильова функція даного стану. А щоб відобразити цей вибір, хвильова функція повинна миттєво змінитися.

Формулювання

Формулювання копенгагенської інтерпретації в оригінальному вигляді породила кілька варіацій. Найбільш поширена з них ґрунтується на підході несуперечливих подій і такому понятті, як квантова декогеренції. Декогеренції дозволяє розрахувати нечітку межу між макро - і микромирами. Інші варіації різняться за ступенем «реалістичності хвильового світу».

Критика

Повноцінність квантової механіки (відповідь Гейзенберга і Бору на перше питання) піддалася сумніву в уявному експерименті, проведеному Ейнштейном, Подільським і Розеном (ЕПР-парадокс). Таким чином вчені хотіли довести, що існування прихованих параметрів необхідно для того, щоб теорія не призводила до миттєвого і нелокальному «дальнодействию». Однак під час перевірки ЕПР-парадоксу, яка стала можливою завдяки нерівностям Белла, було доведено, що квантова механіка вірна, і різні теорії прихованих параметрів не мають експериментального підтвердження. Але найбільш проблематичним став відповідь Гейзенберга і Бору на третє питання, яке ставив вимірювальні процеси в особливе становище, але не визначав наявність у них відмінних рис. Багато вчених, як фізики, так і філософи, навідріз відмовлялися приймати копенгагенську інтерпретацію квантової фізики. Перша причина полягала в тому, що тлумачення Гейзенберга і Бору було не детерміністичних. А друга – в тому, що воно вводило невизначене поняття вимірювання, яке перетворювало ймовірнісні функції достовірні результати. Ейнштейн був упевнений, що опис фізичної реальності, дається квантової механікою в тлумаченні Гейзенберга і Бору, неповноцінно. За словами Ейнштейна, він знаходив частку логіки в копенгагенської інтерпретації, але його наукові інстинкти відмовлялися її приймати. Тому Ейнштейн не міг відмовитися від пошуків більш повної концепції. У своєму листі Борну Ейнштейн говорив: «Я впевнений, що Бог не кидає кістки!». Нільс Бор, коментуючи цю фразу, сказав Ейнштейну, щоб той не вказував Богу, що робити. А в своїй розмові з Абрахамом Пайсом Ейнштейн вигукував: «Ви і справді думаєте, що Місяць існує тільки тоді, коли Ви на неї дивитеся?». Ервін Шредінгер придумав уявний експеримент з котом, за допомогою якого він хотів продемонструвати неповноцінність квантової механіки під час переходу від субатомних систем до мікроскопічним. Разом з тим, проблемним вважався необхідний колапс хвильової функції в просторі. Відповідно до теорії відносності Ейнштейна, миттєвість і одночасність мають сенс лише для спостерігача, що знаходиться в одній системі відліку. Таким чином, не існує часу, яке могло б стати єдиним для всіх, а значить, миттєвий колапс не може бути визначений.

Поширення

Неофіційний опитування, проведене в наукових колах в 1997 році, показав, що домінуюча раніше копенгагенська інтерпретація, коротко розглянута вище, підтримується менш ніж половиною респондентів. Тим не менш, у неї більше прихильників, ніж у інших інтерпретацій окремо.

Альтернатива

Багатьом фізикам більш близька інша інтерпретація квантової механіки, яка отримала назву «ніяка». Суть цього тлумачення вичерпно виражається у вислові Девіда Мермина: «Заткнися і вичисляй!», яке часто приписують Річарду Фейнману чи Поля Дираку.