L'interpretazione di Copenaghen è una spiegazione della meccanica quantistica formulata da Niels Bohr e Werner Heisenberg nel 1927 quando gli scienziati stavano lavorando insieme a Copenaghen. Bohr e Heisenberg sono stati in grado di migliorare l'interpretazione probabilistica della funzione formulata da M. Born e hanno cercato di rispondere a una serie di domande che sorgono a causa della dualità onda-particella. Questo articolo prenderà in considerazione le idee principali dell'interpretazione di Copenaghen della meccanica quantistica e il loro impatto sulla fisica moderna.
Problemi
Le interpretazioni della meccanica quantistica chiamano visioni filosofiche sulla natura della meccanica quantistica come teoria che descrive il mondo materiale. Con il loro aiuto, è stato possibile rispondere a domande sull'essenza della re altà fisica, sul metodo per studiarla, sulla natura della causalità e del determinismo, nonché sull'essenza della statistica e sul suo posto nella meccanica quantistica. La meccanica quantistica è considerata la teoria più risonante nella storia della scienza, ma non c'è ancora consenso nella sua profonda comprensione. Esistono numerose interpretazioni della meccanica quantistica eoggi faremo conoscenza con i più popolari.
Idee chiave
Come sai, il mondo fisico è costituito da oggetti quantistici e strumenti di misura classici. Il cambiamento di stato degli strumenti di misura descrive un processo statistico irreversibile di modifica delle caratteristiche dei microoggetti. Quando un microoggetto interagisce con gli atomi del dispositivo di misurazione, la sovrapposizione viene ridotta a uno stato, ovvero la funzione d'onda dell'oggetto di misurazione viene ridotta. L'equazione di Schrödinger non descrive questo risultato.
Dal punto di vista dell'interpretazione di Copenaghen, la meccanica quantistica non descrive i micro-oggetti stessi, ma le loro proprietà, che si manifestano in condizioni macro create dai tipici strumenti di misura durante l'osservazione. Il comportamento degli oggetti atomici non può essere distinto dalla loro interazione con strumenti di misura che fissano le condizioni per il verificarsi dei fenomeni.
Uno sguardo alla meccanica quantistica
La meccanica quantistica è una teoria statica. Ciò è dovuto al fatto che la misurazione di un microoggetto porta ad un cambiamento del suo stato. Quindi c'è una descrizione probabilistica della posizione iniziale dell'oggetto, descritta dalla funzione d'onda. La funzione d'onda complessa è un concetto centrale nella meccanica quantistica. La funzione d'onda cambia in una nuova dimensione. Il risultato di questa misura dipende dalla funzione d'onda, in modo probabilistico. Solo il quadrato del modulo della funzione d'onda ha un significato fisico, il che conferma la probabilità che lo studiatoil microoggetto si trova in un certo punto dello spazio.
Nella meccanica quantistica, la legge di causalità è soddisfatta rispetto alla funzione d'onda, che varia nel tempo a seconda delle condizioni iniziali, e non rispetto alle coordinate di velocità delle particelle, come nell'interpretazione classica della meccanica. A causa del fatto che solo il quadrato del modulo della funzione d'onda è dotato di un valore fisico, i suoi valori iniziali non possono essere determinati in linea di principio, il che porta a una certa impossibilità di ottenere una conoscenza accurata dello stato iniziale del sistema quantistico.
Base filosofica
Da un punto di vista filosofico, la base dell'interpretazione di Copenaghen sono i principi epistemologici:
- Osservabilità. La sua essenza sta nell'esclusione dalla teoria fisica di quelle affermazioni che non possono essere verificate dall'osservazione diretta.
- Extra. Presuppone che l'onda e la descrizione corpuscolare degli oggetti del micromondo si completino a vicenda.
- Incertezze. Dice che le coordinate dei microoggetti e il loro momento non possono essere determinati separatamente e con assoluta precisione.
- Determinismo statico. Presuppone che lo stato attuale del sistema fisico sia determinato dai suoi stati precedenti non in modo univoco, ma solo con un certo grado di probabilità dell'attuazione delle tendenze di cambiamento stabilite in passato.
- Corrispondenza. Secondo questo principio, le leggi della meccanica quantistica si trasformano nelle leggi della meccanica classica quando è possibile trascurare la grandezza del quanto d'azione.
Vantaggi
Nella fisica quantistica, le informazioni sugli oggetti atomici, ottenute attraverso configurazioni sperimentali, hanno una relazione particolare tra loro. Nelle relazioni di incertezza di Werner Heisenberg c'è una proporzionalità inversa tra le imprecisioni nel fissare le variabili cinetiche e dinamiche che determinano lo stato di un sistema fisico nella meccanica classica.
Un vantaggio significativo dell'interpretazione di Copenaghen della meccanica quantistica è il fatto che non opera con affermazioni dettagliate direttamente su quantità fisicamente non osservabili. Inoltre, con un minimo di prerequisiti, costruisce un sistema concettuale che descrive in modo esaustivo i fatti sperimentali disponibili al momento.
Il significato della funzione d'onda
Secondo l'interpretazione di Copenaghen, la funzione d'onda può essere soggetta a due processi:
- Evoluzione unitaria, descritta dall'equazione di Schrödinger.
- Misurazione.
Nessuno aveva dubbi sul primo processo nella comunità scientifica, e il secondo processo ha suscitato discussioni e ha dato origine a una serie di interpretazioni, anche nell'ambito dell'interpretazione di Copenaghen della coscienza stessa. Da un lato, ci sono tutte le ragioni per credere che la funzione d'onda non sia altro che un vero oggetto fisico e che collassi durante il secondo processo. D' altra parte, la funzione d'onda potrebbe non essere un'entità reale, ma uno strumento matematico ausiliario, il cui unico scopoconsiste nel fornire la capacità di calcolare la probabilità. Bohr ha sottolineato che l'unica cosa che può essere prevista è il risultato di esperimenti fisici, quindi tutte le questioni secondarie non dovrebbero essere legate alla scienza esatta, ma alla filosofia. Nei suoi sviluppi professò il concetto filosofico di positivismo, richiedendo che la scienza discutesse solo di cose realmente misurabili.
Esperimento della doppia fenditura
In un esperimento con due fenditure, la luce che passa attraverso due fenditure cade sullo schermo, su cui compaiono due frange di interferenza: scura e chiara. Questo processo è spiegato dal fatto che le onde luminose possono amplificarsi reciprocamente in alcuni punti e annullarsi a vicenda in altri. D' altra parte, l'esperimento illustra che la luce ha le proprietà di una parte del flusso e gli elettroni possono mostrare proprietà d'onda, fornendo al contempo un modello di interferenza.
Si può presumere che l'esperimento sia condotto con un flusso di fotoni (o elettroni) di intensità così bassa che solo una particella ogni volta passa attraverso gli slot. Tuttavia, quando si sommano i punti in cui i fotoni colpiscono lo schermo, si ottiene lo stesso schema di interferenza da onde sovrapposte, nonostante il fatto che l'esperimento riguardi particelle presumibilmente separate. Questo perché viviamo in un universo "probabilistico", in cui ogni evento futuro ha un grado di possibilità ridistribuito, e la probabilità che qualcosa di completamente imprevisto accada nel prossimo istante di tempo è piuttosto piccola.
Domande
L'esperienza di Slit mette taledomande:
- Quali saranno le regole per il comportamento delle singole particelle? Le leggi della meccanica quantistica indicano la posizione dello schermo in cui si troveranno le particelle, statisticamente. Consentono di calcolare la posizione delle bande luminose, che probabilmente conterranno molte particelle, e delle bande scure, dove è probabile che cadano meno particelle. Tuttavia, le leggi che governano la meccanica quantistica non possono prevedere dove finirà effettivamente una singola particella.
- Cosa succede alla particella nel momento tra l'emissione e la registrazione? Secondo i risultati delle osservazioni, si può creare l'impressione che la particella sia in interazione con entrambe le fenditure. Sembra che ciò contraddica le regolarità del comportamento di una particella puntiforme. Inoltre, quando una particella viene registrata, diventa un punto.
- Sotto l'influenza di cosa una particella cambia il suo comportamento da statico a non statico e viceversa? Quando una particella passa attraverso le fenditure, il suo comportamento è determinato da una funzione d'onda non localizzata che passa attraverso entrambe le fenditure contemporaneamente. Al momento della registrazione di una particella, questa viene sempre fissata come un punto e non si ottiene mai un pacchetto d'onda sfocato.
Risposte
La teoria di Copenaghen dell'interpretazione quantistica risponde alle domande poste come segue:
- È fondamentalmente impossibile eliminare la natura probabilistica delle previsioni della meccanica quantistica. Cioè, non può indicare con precisione la limitazione della conoscenza umana su qualsiasi variabile latente. Si riferisce alla fisica classicaprobabilità in quei casi in cui è necessario descrivere un processo come il lancio dei dadi. Cioè, la probabilità sostituisce la conoscenza incompleta. L'interpretazione di Copenaghen della meccanica quantistica di Heisenberg e Bohr, al contrario, afferma che il risultato delle misurazioni in meccanica quantistica è fondamentalmente non deterministico.
- La fisica è una scienza che studia i risultati dei processi di misurazione. È sbagliato speculare su ciò che accade a causa loro. Secondo l'interpretazione di Copenaghen, le domande su dove si trovasse la particella prima del momento della sua registrazione e altre fabbricazioni simili non hanno significato e quindi dovrebbero essere escluse dalla riflessione.
- L'atto della misurazione porta ad un collasso istantaneo della funzione d'onda. Pertanto, il processo di misurazione sceglie casualmente solo una delle possibilità consentite dalla funzione d'onda di un determinato stato. E per riflettere questa scelta, la funzione d'onda deve cambiare istantaneamente.
Moduli
La formulazione dell'interpretazione di Copenaghen nella sua forma originale ha dato origine a diverse variazioni. Il più comune si basa sull'approccio di eventi coerenti e su un concetto come la decoerenza quantistica. La decoerenza ti consente di calcolare il confine sfocato tra il macro e il micromondi. Le restanti variazioni differiscono nel grado di "realismo del mondo delle onde".
Critiche
La validità della meccanica quantistica (la risposta di Heisenberg e Bohr alla prima domanda) è stata messa in dubbio in un esperimento mentale condotto da Einstein, Podolsky eRosen (paradosso EPR). Pertanto, gli scienziati hanno voluto dimostrare che l'esistenza di parametri nascosti è necessaria affinché la teoria non porti a "azioni a lungo raggio" istantanee e non locali. Tuttavia, durante la verifica del paradosso EPR, reso possibile dalle disuguaglianze di Bell, è stato dimostrato che la meccanica quantistica è corretta e varie teorie delle variabili nascoste non hanno conferme sperimentali.
Ma la risposta più problematica è stata la risposta di Heisenberg e Bohr alla terza domanda, che poneva i processi di misurazione in una posizione speciale, ma non determinava la presenza di caratteristiche distintive in essi.
Molti scienziati, fisici e filosofi, rifiutarono categoricamente di accettare l'interpretazione di Copenaghen della fisica quantistica. La prima ragione di ciò era che l'interpretazione di Heisenberg e Bohr non era deterministica. E il secondo è che ha introdotto una vaga nozione di misurazione che ha trasformato le funzioni di probabilità in risultati validi.
Einstein era sicuro che la descrizione della re altà fisica data dalla meccanica quantistica interpretata da Heisenberg e Bohr fosse incompleta. Secondo Einstein, ha trovato una logica nell'interpretazione di Copenaghen, ma i suoi istinti scientifici si sono rifiutati di accettarla. Quindi Einstein non poteva smettere di cercare un concetto più completo.
Nella sua lettera a Born, Einstein disse: "Sono sicuro che Dio non tira i dadi!". Niels Bohr, commentando questa frase, disse ad Einstein di non dire a Dio cosa fare. E nella sua conversazione con Abraham Pais, Einstein esclamò: “Tu pensi davvero che la luna esistasolo quando lo guardi?”.
Erwin Schrödinger ha ideato un esperimento mentale con un gatto, attraverso il quale voleva dimostrare l'inferiorità della meccanica quantistica durante il passaggio dai sistemi subatomici a quelli microscopici. Allo stesso tempo, il necessario collasso della funzione d'onda nello spazio è stato considerato problematico. Secondo la teoria della relatività di Einstein, l'istantaneità e la simultaneità hanno senso solo per un osservatore che si trova nello stesso quadro di riferimento. Quindi, non c'è tempo che possa diventare uno per tutti, il che significa che il collasso istantaneo non può essere determinato.
Distribuzione
Un sondaggio informale condotto nel mondo accademico nel 1997 ha mostrato che l'interpretazione precedentemente dominante di Copenaghen, brevemente discussa sopra, era supportata da meno della metà degli intervistati. Tuttavia, ha più aderenti rispetto alle altre interpretazioni individualmente.
Alternativa
Molti fisici sono più vicini a un' altra interpretazione della meccanica quantistica, che si chiama "nessuna". L'essenza di questa interpretazione è espressa in modo esaustivo nel detto di David Mermin: "Stai zitto e calcola!", che è spesso attribuito a Richard Feynman o Paul Dirac.
