Kodanská interpretácia je vysvetlením kvantovej mechaniky, ktorú sformulovali Niels Bohr a Werner Heisenberg v roku 1927, keď vedci spolupracovali v Kodani. Bohr a Heisenberg dokázali zlepšiť pravdepodobnostnú interpretáciu funkcie formulovanej M. Bornom a pokúsili sa odpovedať na množstvo otázok, ktoré vznikajú v dôsledku duality vlny a častíc. Tento článok sa bude zaoberať hlavnými myšlienkami kodanskej interpretácie kvantovej mechaniky a ich dopadom na modernú fyziku.
Problémy
Interpretácie kvantovej mechaniky nazývané filozofické názory na podstatu kvantovej mechaniky ako teórie, ktorá popisuje materiálny svet. S ich pomocou bolo možné odpovedať na otázky o podstate fyzikálnej reality, spôsobe jej skúmania, o podstate kauzality a determinizmu, ako aj o podstate štatistiky a jej mieste v kvantovej mechanike. Kvantová mechanika je považovaná za najzvučnejšiu teóriu v dejinách vedy, no stále neexistuje konsenzus v jej hlbokom chápaní. Existuje množstvo interpretácií kvantovej mechaniky adnes sa zoznámime s najobľúbenejšími z nich.
Kľúčové nápady
Ako viete, fyzický svet pozostáva z kvantových objektov a klasických meracích prístrojov. Zmena stavu meracích prístrojov popisuje nezvratný štatistický proces zmeny charakteristík mikroobjektov. Keď mikroobjekt interaguje s atómami meracieho zariadenia, superpozícia sa zníži do jedného stavu, to znamená, že sa zníži vlnová funkcia meraného objektu. Schrödingerova rovnica tento výsledok neopisuje.
Kvantová mechanika z pohľadu kodanskej interpretácie nepopisuje samotné mikroobjekty, ale ich vlastnosti, ktoré sa prejavujú v makropodmienkach vytváraných typickými meracími prístrojmi pri pozorovaní. Správanie atómových objektov nemožno odlíšiť od ich interakcie s meracími prístrojmi, ktoré stanovujú podmienky pre výskyt javov.
Pohľad na kvantovú mechaniku
Kvantová mechanika je statická teória. Je to spôsobené tým, že meranie mikroobjektu vedie k zmene jeho stavu. Existuje teda pravdepodobnostný popis počiatočnej polohy objektu, opísaný vlnovou funkciou. Komplexná vlnová funkcia je ústredným pojmom v kvantovej mechanike. Vlnová funkcia sa mení na novú dimenziu. Výsledok tohto merania závisí od vlnovej funkcie pravdepodobnostným spôsobom. Fyzikálny význam má iba druhá mocnina modulu vlnovej funkcie, čo potvrdzuje pravdepodobnosť, že skúmanámikroobjekt sa nachádza na určitom mieste v priestore.
V kvantovej mechanike je zákon kauzality splnený vzhľadom na vlnovú funkciu, ktorá sa mení v čase v závislosti od počiatočných podmienok, a nie s ohľadom na súradnice rýchlosti častíc, ako je to v klasickej interpretácii mechaniky. Vzhľadom na skutočnosť, že iba druhá mocnina modulu vlnovej funkcie je vybavená fyzikálnou hodnotou, jej počiatočné hodnoty sa v zásade nedajú určiť, čo vedie k určitej nemožnosti získať presné poznatky o počiatočnom stave kvantového systému..
Filozofický základ
Z filozofického hľadiska sú základom kodanskej interpretácie epistemologické princípy:
- Pozorovateľnosť. Jeho podstata spočíva vo vylúčení z fyzikálnej teórie tých tvrdení, ktoré nemožno overiť priamym pozorovaním.
- Doplnky. Predpokladá, že vlnový a korpuskulárny popis objektov mikrosveta sa navzájom dopĺňajú.
- Neistoty. Hovorí, že súradnice mikroobjektov a ich hybnosť nemožno určiť samostatne as absolútnou presnosťou.
- Statický determinizmus. Predpokladá, že súčasný stav fyzikálneho systému nie je určený jeho predchádzajúcimi stavmi jednoznačne, ale len s určitou mierou pravdepodobnosti implementácie trendov zmien stanovených v minulosti.
- Zhoda. Podľa tohto princípu sa zákony kvantovej mechaniky transformujú na zákony klasickej mechaniky, keď je možné zanedbať veľkosť kvanta akcie.
Výhody
V kvantovej fyzike sú informácie o atómových objektoch získané prostredníctvom experimentálnych nastavení vo vzájomnom zvláštnom vzťahu. Vo vzťahoch neurčitosti Wernera Heisenberga existuje nepriama úmernosť medzi nepresnosťami v stanovení kinetických a dynamických premenných, ktoré určujú stav fyzikálneho systému v klasickej mechanike.
Významnou výhodou kodanskej interpretácie kvantovej mechaniky je fakt, že nepracuje s podrobnými údajmi priamo o fyzikálne nepozorovateľných veličinách. Navyše s minimom predpokladov buduje koncepčný systém, ktorý vyčerpávajúcim spôsobom popisuje aktuálne dostupné experimentálne fakty.
Význam vlnovej funkcie
Podľa kodanskej interpretácie môže vlnová funkcia podliehať dvom procesom:
- Unitárny vývoj, ktorý je opísaný Schrödingerovou rovnicou.
- Meranie.
O prvom procese vo vedeckej komunite nikto nepochyboval a druhý proces vyvolal diskusie a dal vznik množstvu interpretácií, dokonca aj v rámci kodanskej interpretácie vedomia samotného. Na jednej strane sú všetky dôvody domnievať sa, že vlnová funkcia nie je nič iné ako skutočný fyzikálny objekt a že sa zrúti počas druhého procesu. Na druhej strane vlnová funkcia nemusí byť skutočnou entitou, ale pomocným matematickým nástrojom, ktorého jediným účelomje poskytnúť schopnosť vypočítať pravdepodobnosť. Bohr zdôraznil, že jediné, čo sa dá predpovedať, je výsledok fyzikálnych experimentov, takže všetky sekundárne otázky by sa nemali týkať exaktnej vedy, ale filozofie. Vo svojom vývoji vyznával filozofický koncept pozitivizmu, ktorý vyžaduje, aby veda diskutovala iba o skutočne merateľných veciach.
Experiment s dvojitou štrbinou
V dvojštrbinovom experimente dopadá svetlo prechádzajúce cez dve štrbiny na obrazovku, na ktorej sa objavujú dva interferenčné prúžky: tmavý a svetlý. Tento proces je vysvetlený skutočnosťou, že svetelné vlny sa môžu na niektorých miestach vzájomne zosilňovať a na iných rušiť. Na druhej strane experiment ukazuje, že svetlo má vlastnosti prietokovej časti a elektróny môžu vykazovať vlnové vlastnosti, pričom vytvárajú interferenčný vzor.
Dá sa predpokladať, že experiment sa vykonáva s prúdom fotónov (alebo elektrónov) takej nízkej intenzity, že cez štrbiny vždy prejde iba jedna častica. Pri pridávaní bodov, kde fotóny dopadajú na obrazovku, sa však získa rovnaký interferenčný obrazec zo superponovaných vĺn, a to napriek skutočnosti, že experiment sa týka údajne samostatných častíc. Je to preto, že žijeme v „pravdepodobnostnom“vesmíre, v ktorom má každá budúca udalosť prerozdelenú mieru možností a pravdepodobnosť, že sa v nasledujúcom okamihu stane niečo úplne nepredvídané, je pomerne malá.
Otázky
Slit skúsenosť kladie takýotázky:
- Aké budú pravidlá správania sa jednotlivých častíc? Zákony kvantovej mechaniky štatisticky udávajú umiestnenie obrazovky, v ktorej budú častice. Umožňujú vám vypočítať umiestnenie svetlých pásov, ktoré pravdepodobne obsahujú veľa častíc, a tmavých pásov, kde pravdepodobne dopadne menej častíc. Zákony, ktorými sa riadi kvantová mechanika, však nedokážu predpovedať, kde jednotlivá častica skutočne skončí.
- Čo sa stane s časticou v okamihu medzi emisiou a registráciou? Podľa výsledkov pozorovaní možno vytvoriť dojem, že častica je v interakcii s oboma štrbinami. Zdá sa, že to odporuje zákonitostiam správania sa bodovej častice. Navyše, keď je častica zaregistrovaná, stáva sa bodom.
- Čo sa vplyvom častice mení zo statického na nestatické a naopak? Keď častica prechádza štrbinami, jej správanie je určené nelokalizovanou vlnovou funkciou, ktorá prechádza oboma štrbinami súčasne. V momente registrácie častice je vždy fixovaná ako bod a nikdy sa nezíska rozmazaný vlnový balík.
Odpovede
Kodanská teória kvantovej interpretácie odpovedá na otázky takto:
- Je v podstate nemožné eliminovať pravdepodobnostnú povahu predpovedí kvantovej mechaniky. To znamená, že nemôže presne naznačiť obmedzenie ľudských vedomostí o akýchkoľvek latentných premenných. Klasická fyzika odkazuje napravdepodobnosť v tých prípadoch, keď je potrebné opísať proces, akým je hádzanie kockou. To znamená, že pravdepodobnosť nahrádza neúplné znalosti. Kodanská interpretácia kvantovej mechaniky od Heisenberga a Bohra naopak uvádza, že výsledok meraní v kvantovej mechanike je zásadne nedeterministický.
- Fyzika je veda, ktorá študuje výsledky meracích procesov. Je nesprávne špekulovať o tom, čo sa stane v dôsledku nich. Podľa kodanskej interpretácie sú otázky o tom, kde sa častica nachádzala pred momentom jej registrácie, a ďalšie podobné výmysly nezmyselné, a preto by mali byť vylúčené z úvahy.
- Akt merania vedie k okamžitému kolapsu vlnovej funkcie. Preto si proces merania náhodne vyberie len jednu z možností, ktoré vlnová funkcia daného stavu umožňuje. A aby sa táto voľba odrážala, vlnová funkcia sa musí okamžite zmeniť.
Formuláre
Formulácia kodanskej interpretácie v jej pôvodnej podobe viedla k niekoľkým variáciám. Najbežnejšia z nich je založená na prístupe konzistentných udalostí a takom koncepte, akým je kvantová dekoherencia. Dekoherencia vám umožňuje vypočítať fuzzy hranicu medzi makro- a mikrosvetom. Zostávajúce variácie sa líšia stupňom „realizmu sveta vĺn.“
Kritika
Platnosť kvantovej mechaniky (Heisenbergova a Bohrova odpoveď na prvú otázku) bola spochybnená myšlienkovým experimentom, ktorý uskutočnili Einstein, Podolsky aRosen (EPR paradox). Vedci tak chceli dokázať, že existencia skrytých parametrov je nevyhnutná, aby teória neviedla k okamžitému a nemiestnemu „akcii na veľké vzdialenosti“. Počas overovania EPR paradoxu, ktorý umožnili Bellove nerovnosti, sa však dokázalo, že kvantová mechanika je správna a rôzne teórie skrytých premenných nemajú žiadne experimentálne potvrdenie.
Najproblematickejšou odpoveďou však bola odpoveď Heisenberga a Bohra na tretiu otázku, ktorá umiestnila meracie procesy do špeciálnej pozície, ale neurčila v nich prítomnosť charakteristických znakov.
Mnohí vedci, fyzici aj filozofi, rozhodne odmietli prijať kodanskú interpretáciu kvantovej fyziky. Prvým dôvodom bolo, že interpretácia Heisenberga a Bohra nebola deterministická. A druhým je, že zaviedol vágny pojem merania, ktorý premenil pravdepodobnostné funkcie na platné výsledky.
Einstein si bol istý, že popis fyzikálnej reality daný kvantovou mechanikou, ako ho interpretovali Heisenberg a Bohr, bol neúplný. Podľa Einsteina našiel v kodanskej interpretácii určitú logiku, ale jeho vedecké inštinkty ju odmietli prijať. Takže Einstein nemohol prestať hľadať úplnejší koncept.
Vo svojom liste Bornovi Einstein povedal: „Som si istý, že Boh nehádže kockou!“. Niels Bohr v komentári k tejto fráze povedal Einsteinovi, aby nepovedal Bohu, čo má robiť. A v rozhovore s Abrahamom Paisom Einstein zvolal: „Naozaj si myslíš, že Mesiac existujelen keď sa na to pozrieš?“.
Erwin Schrödinger prišiel s myšlienkovým experimentom s mačkou, prostredníctvom ktorého chcel demonštrovať menejcennosť kvantovej mechaniky pri prechode zo subatomárnych na mikroskopické systémy. Za problematický sa zároveň považoval nevyhnutný kolaps vlnovej funkcie vo vesmíre. Podľa Einsteinovej teórie relativity má okamžitosť a simultánnosť zmysel len pre pozorovateľa, ktorý je v rovnakom referenčnom rámci. Neexistuje teda čas, ktorý by sa mohol stať jedným pre všetkých, čo znamená, že nemožno určiť okamžitý kolaps.
Distribúcia
Neformálny prieskum uskutočnený na akademickej pôde v roku 1997 ukázal, že predtým dominantnú kodanskú interpretáciu, stručne diskutovanú vyššie, podporila menej ako polovica respondentov. Má však viac prívržencov ako iné interpretácie jednotlivo.
Alternatíva
Mnohým fyzikom je bližšie k inej interpretácii kvantovej mechaniky, ktorá sa nazýva „žiadna“. Podstatu tejto interpretácie vyčerpávajúco vyjadruje výrok Davida Mermina: „Sklapni a počítaj!“, ktorý sa často pripisuje Richardovi Feynmanovi alebo Paulovi Diracovi.
