Tafsiran Copenhagen ialah penjelasan mekanik kuantum yang dirumuskan oleh Niels Bohr dan Werner Heisenberg pada tahun 1927 ketika para saintis bekerja bersama di Copenhagen. Bohr dan Heisenberg dapat memperbaiki tafsiran kebarangkalian fungsi yang dirumuskan oleh M. Born dan cuba menjawab beberapa soalan yang timbul akibat dualiti gelombang-zarah. Artikel ini akan mempertimbangkan idea utama tafsiran Copenhagen tentang mekanik kuantum, dan kesannya terhadap fizik moden.
Masalah
Tafsiran mekanik kuantum dipanggil pandangan falsafah tentang sifat mekanik kuantum sebagai teori yang menggambarkan dunia material. Dengan bantuan mereka, adalah mungkin untuk menjawab soalan tentang intipati realiti fizikal, kaedah mengkajinya, sifat kausalitas dan determinisme, serta intipati statistik dan tempatnya dalam mekanik kuantum. Mekanik kuantum dianggap sebagai teori yang paling resonan dalam sejarah sains, tetapi masih belum ada konsensus dalam pemahamannya yang mendalam. Terdapat beberapa tafsiran mekanik kuantum, danhari ini kita akan berkenalan dengan yang paling popular daripada mereka.
Idea Utama
Seperti yang anda ketahui, dunia fizikal terdiri daripada objek kuantum dan alat pengukur klasik. Perubahan dalam keadaan alat pengukur menggambarkan proses statistik yang tidak dapat dipulihkan untuk mengubah ciri-ciri objek mikro. Apabila objek mikro berinteraksi dengan atom alat pengukur, superposisi dikurangkan kepada satu keadaan, iaitu, fungsi gelombang objek pengukur dikurangkan. Persamaan Schrödinger tidak menerangkan keputusan ini.
Dari sudut pandangan tafsiran Copenhagen, mekanik kuantum tidak menerangkan objek mikro itu sendiri, tetapi sifatnya, yang menunjukkan dirinya dalam keadaan makro yang dicipta oleh alat pengukur biasa semasa pemerhatian. Tingkah laku objek atom tidak dapat dibezakan daripada interaksinya dengan alat pengukur yang menetapkan keadaan untuk berlakunya fenomena.
Tinjauan mekanik kuantum
Mekanik kuantum ialah teori statik. Ini disebabkan oleh fakta bahawa pengukuran objek mikro membawa kepada perubahan dalam keadaannya. Jadi terdapat perihalan kebarangkalian kedudukan awal objek, yang diterangkan oleh fungsi gelombang. Fungsi gelombang kompleks adalah konsep utama dalam mekanik kuantum. Fungsi gelombang bertukar kepada dimensi baharu. Hasil pengukuran ini bergantung pada fungsi gelombang, secara probabilistik. Hanya segi empat sama modulus fungsi gelombang mempunyai kepentingan fizikal, yang mengesahkan kebarangkalian yang dikajiobjek mikro terletak di tempat tertentu di angkasa.
Dalam mekanik kuantum, hukum kausalitas dipenuhi berkenaan dengan fungsi gelombang, yang berbeza mengikut masa bergantung pada keadaan awal, dan bukan berkenaan dengan koordinat halaju zarah, seperti dalam tafsiran klasik mekanik. Disebabkan fakta bahawa hanya kuasa dua modulus fungsi gelombang yang dikurniakan nilai fizikal, nilai awalnya tidak dapat ditentukan secara prinsip, yang membawa kepada beberapa kemustahilan untuk mendapatkan pengetahuan yang tepat tentang keadaan awal sistem kuantum..
Asas falsafah
Dari sudut pandangan falsafah, asas tafsiran Copenhagen ialah prinsip epistemologi:
- Kebolehlihatan. Intipatinya terletak pada pengecualian daripada teori fizikal pernyataan tersebut yang tidak dapat disahkan melalui pemerhatian langsung.
- Tambahan. Andaikan bahawa perihalan gelombang dan korpuskular bagi objek dunia mikro saling melengkapi antara satu sama lain.
- Ketidakpastian. Mengatakan bahawa koordinat objek mikro dan momentumnya tidak boleh ditentukan secara berasingan dan dengan ketepatan mutlak.
- Penentuan statik. Ia menganggap bahawa keadaan semasa sistem fizikal ditentukan oleh keadaan sebelumnya bukan dengan jelas, tetapi hanya dengan tahap kebarangkalian tertentu pelaksanaan trend perubahan yang ditetapkan pada masa lalu.
- Padanan. Menurut prinsip ini, undang-undang mekanik kuantum diubah menjadi undang-undang mekanik klasik apabila mungkin untuk mengabaikan magnitud kuantum tindakan.
Faedah
Dalam fizik kuantum, maklumat tentang objek atom, yang diperoleh melalui persediaan eksperimen, berada dalam hubungan yang unik antara satu sama lain. Dalam hubungan ketidakpastian Werner Heisenberg, terdapat perkadaran songsang antara ketidaktepatan dalam menetapkan pembolehubah kinetik dan dinamik yang menentukan keadaan sistem fizikal dalam mekanik klasik.
Kelebihan ketara tafsiran Copenhagen bagi mekanik kuantum ialah hakikat bahawa ia tidak beroperasi dengan pernyataan terperinci secara langsung tentang kuantiti yang tidak boleh diperhatikan secara fizikal. Selain itu, dengan prasyarat minimum, ia membina sistem konsep yang menerangkan secara menyeluruh fakta eksperimen yang tersedia pada masa ini.
Maksud fungsi gelombang
Menurut tafsiran Copenhagen, fungsi gelombang boleh tertakluk kepada dua proses:
- Evolusi kesatuan, yang diterangkan oleh persamaan Schrödinger.
- Mengukur.
Tiada siapa yang meragui proses pertama dalam komuniti saintifik, dan proses kedua menyebabkan perbincangan dan menimbulkan beberapa tafsiran, walaupun dalam kerangka tafsiran Copenhagen tentang kesedaran itu sendiri. Di satu pihak, terdapat banyak sebab untuk mempercayai bahawa fungsi gelombang hanyalah objek fizikal sebenar, dan ia runtuh semasa proses kedua. Sebaliknya, fungsi gelombang mungkin bukan entiti sebenar, tetapi alat matematik tambahan, satu-satunya tujuan yangadalah untuk menyediakan keupayaan untuk mengira kebarangkalian. Bohr menekankan bahawa satu-satunya perkara yang boleh diramalkan adalah hasil eksperimen fizikal, jadi semua isu sekunder tidak sepatutnya berkaitan dengan sains tepat, tetapi dengan falsafah. Beliau menyatakan dalam perkembangannya konsep falsafah positivisme, memerlukan sains membincangkan hanya perkara yang benar-benar boleh diukur.
Percubaan celah dua
Dalam percubaan dua celah, cahaya yang melalui dua celah jatuh pada skrin, di mana dua pinggir gangguan muncul: gelap dan terang. Proses ini dijelaskan oleh fakta bahawa gelombang cahaya boleh saling menguatkan di beberapa tempat, dan membatalkan satu sama lain di tempat lain. Sebaliknya, eksperimen itu menggambarkan bahawa cahaya mempunyai sifat bahagian aliran, dan elektron boleh mempamerkan sifat gelombang, sambil memberikan corak gangguan.
Boleh diandaikan bahawa eksperimen dijalankan dengan aliran foton (atau elektron) dengan keamatan rendah yang hanya satu zarah melalui slot setiap kali. Namun begitu, apabila menambah titik di mana foton mengenai skrin, corak gangguan yang sama diperoleh daripada gelombang bertindih, walaupun pada hakikatnya eksperimen itu melibatkan zarah yang kononnya berasingan. Ini kerana kita hidup dalam alam semesta "kebarangkalian", di mana setiap peristiwa masa hadapan mempunyai tahap kemungkinan yang diagihkan semula, dan kebarangkalian bahawa sesuatu yang tidak diduga akan berlaku pada masa yang akan datang adalah agak kecil.
Soalan
Pengalaman celah menyatakan sedemikiansoalan:
- Apakah peraturan untuk tingkah laku zarah individu? Undang-undang mekanik kuantum menunjukkan lokasi skrin di mana zarah akan berada, secara statistik. Mereka membenarkan anda mengira lokasi jalur cahaya, yang mungkin mengandungi banyak zarah, dan jalur gelap, di mana zarah yang lebih sedikit mungkin jatuh. Walau bagaimanapun, undang-undang yang mengawal mekanik kuantum tidak dapat meramalkan di mana zarah individu sebenarnya akan berakhir.
- Apakah yang berlaku kepada zarah pada masa antara pelepasan dan pendaftaran? Mengikut hasil pemerhatian, kesan boleh dibuat bahawa zarah itu berada dalam interaksi dengan kedua-dua celah. Nampaknya ini bercanggah dengan keteraturan tingkah laku zarah titik. Lebih-lebih lagi, apabila zarah didaftarkan, ia menjadi titik.
- Di bawah pengaruh apakah zarah mengubah tingkah lakunya daripada statik kepada tidak statik, dan begitu juga sebaliknya? Apabila zarah melalui celah, kelakuannya ditentukan oleh fungsi gelombang bukan setempat yang melalui kedua-dua celah pada masa yang sama. Pada saat pendaftaran zarah, ia sentiasa ditetapkan sebagai titik dan paket gelombang kabur tidak pernah diperoleh.
Jawapan
Teori tafsiran kuantum Copenhagen menjawab soalan yang dikemukakan seperti berikut:
- Adalah mustahil untuk menghapuskan sifat kebarangkalian ramalan mekanik kuantum. Iaitu, ia tidak dapat menunjukkan dengan tepat batasan pengetahuan manusia tentang sebarang pembolehubah terpendam. Fizik klasik merujuk kepadakebarangkalian dalam kes tersebut apabila perlu untuk menerangkan proses seperti membaling dadu. Iaitu, kebarangkalian menggantikan pengetahuan yang tidak lengkap. Tafsiran Copenhagen tentang mekanik kuantum oleh Heisenberg dan Bohr, sebaliknya, menyatakan bahawa hasil pengukuran dalam mekanik kuantum pada asasnya bukan deterministik.
- Fizik ialah sains yang mengkaji hasil proses pengukuran. Adalah salah untuk membuat spekulasi tentang apa yang berlaku akibat daripada mereka. Menurut tafsiran Copenhagen, soalan tentang di mana zarah itu sebelum saat pendaftarannya, dan fabrikasi lain yang serupa adalah tidak bermakna, dan oleh itu harus dikecualikan daripada refleksi.
- Tindakan pengukuran membawa kepada keruntuhan serta-merta fungsi gelombang. Oleh itu, proses pengukuran secara rawak hanya memilih satu daripada kemungkinan yang dibenarkan oleh fungsi gelombang keadaan tertentu. Dan untuk mencerminkan pilihan ini, fungsi gelombang mesti berubah serta-merta.
Borang
Formulasi tafsiran Copenhagen dalam bentuk asalnya telah menimbulkan beberapa variasi. Yang paling biasa daripada mereka adalah berdasarkan pendekatan peristiwa yang konsisten dan konsep seperti dekoheren kuantum. Deherence membolehkan anda mengira sempadan kabur antara dunia makro dan mikro. Variasi yang selebihnya berbeza dalam tahap "realisme dunia gelombang."
Kritikan
Kesahihan mekanik kuantum (jawapan Heisenberg dan Bohr kepada soalan pertama) telah dipersoalkan dalam eksperimen pemikiran yang dijalankan oleh Einstein, Podolsky danRosen (paradoks EPR). Oleh itu, saintis ingin membuktikan bahawa kewujudan parameter tersembunyi adalah perlu supaya teori itu tidak membawa kepada "tindakan jarak jauh" serta-merta dan bukan tempatan. Walau bagaimanapun, semasa pengesahan paradoks EPR, yang dimungkinkan oleh ketidaksamaan Bell, telah terbukti bahawa mekanik kuantum adalah betul, dan pelbagai teori pembolehubah tersembunyi tidak mempunyai pengesahan percubaan.
Tetapi jawapan yang paling bermasalah ialah jawapan Heisenberg dan Bohr kepada soalan ketiga, yang meletakkan proses pengukuran dalam kedudukan istimewa, tetapi tidak menentukan kehadiran ciri tersendiri di dalamnya.
Ramai saintis, baik ahli fizik mahupun ahli falsafah, menolak mentah-mentah untuk menerima tafsiran Copenhagen tentang fizik kuantum. Sebab pertama untuk ini ialah tafsiran Heisenberg dan Bohr tidak bersifat deterministik. Dan yang kedua ialah ia memperkenalkan tanggapan yang samar-samar tentang pengukuran yang menukar fungsi kebarangkalian kepada hasil yang sah.
Einstein yakin bahawa penerangan tentang realiti fizikal yang diberikan oleh mekanik kuantum seperti yang ditafsirkan oleh Heisenberg dan Bohr adalah tidak lengkap. Menurut Einstein, dia menemui beberapa logik dalam tafsiran Copenhagen, tetapi naluri saintifiknya enggan menerimanya. Jadi Einstein tidak dapat berhenti mencari konsep yang lebih lengkap.
Dalam suratnya kepada Born, Einstein berkata: "Saya yakin Tuhan tidak membaling dadu!". Niels Bohr, mengulas frasa ini, memberitahu Einstein untuk tidak memberitahu Tuhan apa yang perlu dilakukan. Dan dalam perbualannya dengan Abraham Pais, Einstein berseru: "Anda benar-benar berfikir bahawa bulan itu wujudhanya apabila anda melihatnya?”.
Erwin Schrödinger menghasilkan eksperimen pemikiran dengan seekor kucing, yang melaluinya dia ingin menunjukkan kelemahan mekanik kuantum semasa peralihan daripada sistem subatom kepada mikroskopik. Pada masa yang sama, keruntuhan fungsi gelombang yang diperlukan di angkasa dianggap bermasalah. Menurut teori relativiti Einstein, kemertaan dan keserentakan hanya masuk akal untuk pemerhati yang berada dalam kerangka rujukan yang sama. Oleh itu, tiada masa yang boleh menjadi satu untuk semua, yang bermaksud bahawa keruntuhan serta-merta tidak dapat ditentukan.
Pengedaran
Tinjauan tidak formal yang dijalankan di akademia pada tahun 1997 menunjukkan bahawa tafsiran Copenhagen yang dominan sebelum ini, yang dibincangkan secara ringkas di atas, disokong oleh kurang daripada separuh responden. Walau bagaimanapun, ia mempunyai lebih banyak penganut berbanding tafsiran lain secara individu.
Alternatif
Ramai ahli fizik lebih dekat dengan tafsiran lain tentang mekanik kuantum, yang dipanggil "tiada". Intipati tafsiran ini dinyatakan secara menyeluruh dalam diktum David Mermin: "Diam dan hitung!", yang sering dikaitkan dengan Richard Feynman atau Paul Dirac.
