تفسیر کپنهاگ توضیحی درباره مکانیک کوانتومی است که توسط نیلز بور و ورنر هایزنبرگ در سال 1927 زمانی که دانشمندان با هم در کپنهاگ کار می کردند، فرموله شد. بور و هایزنبرگ توانستند تفسیر احتمالی تابع فرموله شده توسط M. Born را بهبود بخشند و سعی کردند به تعدادی از سوالاتی که به دلیل دوگانگی موج-ذره بوجود می آیند پاسخ دهند. این مقاله ایده های اصلی تفسیر کپنهاگ از مکانیک کوانتومی و تأثیر آنها بر فیزیک مدرن را بررسی خواهد کرد.
مشکلات
تفسیرهای مکانیک کوانتومی به نام دیدگاه های فلسفی در مورد ماهیت مکانیک کوانتومی به عنوان نظریه ای که جهان مادی را توصیف می کند. با کمک آنها می توان به سؤالاتی در مورد جوهر واقعیت فیزیکی، روش مطالعه آن، ماهیت علیت و جبر و همچنین جوهر آمار و جایگاه آن در مکانیک کوانتومی پاسخ داد. مکانیک کوانتومی طنین انداز ترین نظریه در تاریخ علم در نظر گرفته می شود، اما هنوز در درک عمیق آن اتفاق نظر وجود ندارد. تعدادی تفاسیر از مکانیک کوانتومی وجود دارد وامروز با محبوب ترین آنها آشنا می شویم.
ایده های کلیدی
همانطور که می دانید، جهان فیزیکی از اجسام کوانتومی و ابزارهای اندازه گیری کلاسیک تشکیل شده است. تغییر در وضعیت ابزارهای اندازه گیری، فرآیند آماری برگشت ناپذیر تغییر ویژگی های اجسام خرد را توصیف می کند. هنگامی که یک ریز شی با اتم های دستگاه اندازه گیری تعامل می کند، برهم نهی به یک حالت کاهش می یابد، یعنی تابع موج جسم اندازه گیری کاهش می یابد. معادله شرودینگر این نتیجه را توصیف نمی کند.
از دیدگاه تفسیر کپنهاگ، مکانیک کوانتومی خود ریز اجرام را توصیف نمی کند، بلکه ویژگی های آنها را توصیف می کند، که خود را در شرایط کلان ایجاد شده توسط ابزارهای اندازه گیری معمولی در طول مشاهده نشان می دهد. رفتار اجسام اتمی را نمی توان از تعامل آنها با ابزارهای اندازه گیری که شرایط وقوع پدیده ها را تعیین می کنند، تشخیص داد.
نگاهی به مکانیک کوانتومی
مکانیک کوانتومی یک نظریه ایستا است. این به دلیل این واقعیت است که اندازه گیری یک میکرو شی منجر به تغییر حالت آن می شود. بنابراین یک توصیف احتمالی از موقعیت اولیه جسم وجود دارد که توسط تابع موج توصیف می شود. تابع موج مختلط یک مفهوم مرکزی در مکانیک کوانتومی است. تابع موج به بعد جدید تغییر می کند. نتیجه این اندازه گیری به صورت احتمالی به تابع موج بستگی دارد. فقط مجذور مدول تابع موج دارای اهمیت فیزیکی است که این احتمال را تایید می کند کهریز شی در مکان خاصی در فضا قرار دارد.
در مکانیک کوانتومی، قانون علیت با توجه به تابع موج انجام می شود، که در زمان بسته به شرایط اولیه تغییر می کند، و نه با توجه به مختصات سرعت ذرات، همانطور که در تفسیر کلاسیک مکانیک وجود دارد. با توجه به این واقعیت که فقط مربع مدول تابع موج دارای مقدار فیزیکی است، مقادیر اولیه آن را نمی توان در اصل تعیین کرد، که منجر به عدم امکان دستیابی به دانش دقیق در مورد وضعیت اولیه سیستم کوانتومی می شود..
مبانی فلسفی
از دیدگاه فلسفی، اساس تفسیر کپنهاگ اصول معرفتی است:
- قابلیت مشاهده. ماهیت آن در کنار گذاشتن آن دسته از گزاره‌هایی است که نمی‌توان آنها را با مشاهده مستقیم تأیید کرد.
- اضافی. فرض بر این است که توصیف موجی و جسمی اجسام ریزجهان مکمل یکدیگرند.
- عدم قطعیت. می گوید که مختصات ریز اجرام و تکانه آنها را نمی توان به طور جداگانه و با دقت مطلق تعیین کرد.
- جبر ایستا. فرض بر این است که وضعیت فعلی سیستم فیزیکی توسط حالت های قبلی آن نه به طور واضح، بلکه تنها با درجه خاصی از احتمال اجرای روندهای تغییر که در گذشته تعیین شده بود، تعیین می شود.
- تطبیق. طبق این اصل، قوانین مکانیک کوانتومی زمانی به قوانین مکانیک کلاسیک تبدیل می‌شوند که بتوان از بزرگی کوانتوم عمل غفلت کرد.
مزایا
در فیزیک کوانتومی، اطلاعات مربوط به اجسام اتمی، که از طریق تنظیمات آزمایشی به دست می‌آیند، در یک رابطه خاص با یکدیگر هستند. در روابط عدم قطعیت ورنر هایزنبرگ، یک تناسب معکوس بین عدم دقت در تعیین متغیرهای جنبشی و دینامیکی که وضعیت یک سیستم فیزیکی را در مکانیک کلاسیک تعیین می‌کنند، وجود دارد.
یک مزیت قابل توجه تفسیر کپنهاگ از مکانیک کوانتومی این واقعیت است که با اظهارات دقیق مستقیماً در مورد کمیت های غیرقابل مشاهده فیزیکی عمل نمی کند. علاوه بر این، با حداقل پیش نیازها، یک سیستم مفهومی ایجاد می کند که به طور کامل حقایق تجربی موجود در حال حاضر را توصیف می کند.
معنای تابع موج
طبق تفسیر کپنهاگ، تابع موج می تواند تابع دو فرآیند باشد:
- تکامل واحد که با معادله شرودینگر توصیف می شود.
- اندازه گیری.
هیچ کس در مورد فرآیند اول در جامعه علمی تردیدی نداشت، و فرآیند دوم باعث بحث و گفتگو شد و باعث تعدادی تفاسیر شد، حتی در چارچوب تفسیر کپنهاگ از خود آگاهی. از یک طرف، دلایل زیادی برای این باور وجود دارد که تابع موج چیزی جز یک جسم فیزیکی واقعی نیست و در طول فرآیند دوم فرو می ریزد. از طرف دیگر، تابع موج ممکن است یک موجود واقعی نباشد، بلکه یک ابزار ریاضی کمکی باشد که تنها هدف آنارائه قابلیت محاسبه احتمال است. بور تأکید کرد که تنها چیزی که می توان پیش بینی کرد نتیجه آزمایش های فیزیکی است، بنابراین همه مسائل ثانویه نباید به علم دقیق مربوط شود، بلکه باید به فلسفه مربوط شود. او در تحولات خود به مفهوم فلسفی پوزیتیویسم اقرار کرد و از علم فقط چیزهای واقعاً قابل اندازه گیری را خواستار شد.
آزمایش شکاف دوگانه
در یک آزمایش دو شکافی، نوری که از دو شکاف می گذرد روی صفحه می افتد، که روی آن دو حاشیه تداخل ظاهر می شود: تاریک و روشن. این فرآیند با این واقعیت توضیح داده می شود که امواج نور می توانند در برخی مکان ها به طور متقابل تقویت شوند و در برخی دیگر یکدیگر را خنثی کنند. از سوی دیگر، این آزمایش نشان می‌دهد که نور دارای ویژگی‌های یک بخش جریان است و الکترون‌ها می‌توانند خواص موجی را نشان دهند، در حالی که یک الگوی تداخلی ارائه می‌دهند.
می‌توان فرض کرد که آزمایش با جریانی از فوتون‌ها (یا الکترون‌ها) با چنان شدت کم انجام می‌شود که هر بار فقط یک ذره از شکاف‌ها عبور می‌کند. با این وجود، هنگام افزودن نقاطی که فوتون‌ها به صفحه برخورد می‌کنند، همان الگوی تداخلی از امواج روی هم به‌دست می‌آید، علی‌رغم این واقعیت که آزمایش مربوط به ذرات ظاهراً جداگانه است. این به این دلیل است که ما در یک جهان "احتمالی" زندگی می کنیم، که در آن هر رویداد آینده دارای درجه احتمالی بازتوزیع شده ای است، و احتمال اینکه اتفاقی کاملاً پیش بینی نشده در لحظه بعدی از زمان رخ دهد بسیار اندک است.
سوالات
تجربه شکاف چنین می گویدسوالات:
- قوانین رفتار تک تک ذرات چه خواهد بود؟ قوانین مکانیک کوانتومی مکان صفحه ای را که ذرات در آن قرار خواهند گرفت، از نظر آماری نشان می دهد. آنها به شما امکان می دهند مکان نوارهای نور را که احتمالاً حاوی ذرات زیادی هستند و نوارهای تیره که احتمال سقوط ذرات کمتری در آن وجود دارد، محاسبه کنید. با این حال، قوانین حاکم بر مکانیک کوانتومی نمی‌توانند پیش‌بینی کنند که یک ذره به کجا ختم می‌شود.
- در لحظه بین انتشار و ثبت چه اتفاقی برای ذره می افتد؟ با توجه به نتایج مشاهدات، می توان این تصور را ایجاد کرد که ذره با هر دو شکاف در تعامل است. به نظر می رسد که این با قاعده مندی های رفتار یک ذره نقطه ای در تضاد است. علاوه بر این، هنگامی که یک ذره ثبت می شود، به یک نقطه تبدیل می شود.
- تحت تأثیر چه چیزی یک ذره رفتار خود را از ایستا به غیر ایستا تغییر می دهد و بالعکس؟ هنگامی که یک ذره از شکاف ها عبور می کند، رفتار آن توسط یک تابع موج غیرمحلی که همزمان از هر دو شکاف عبور می کند، تعیین می شود. در لحظه ثبت یک ذره، همیشه به عنوان یک نقطه ثابت می شود و یک بسته موج تار هرگز به دست نمی آید.
پاسخ
نظریه تفسیر کوانتومی کپنهاگ به سوالات مطرح شده به شرح زیر پاسخ می دهد:
- حذف ماهیت احتمالی پیش‌بینی‌های مکانیک کوانتومی اساساً غیرممکن است. یعنی نمی تواند به طور دقیق محدود بودن دانش بشر را در مورد هیچ متغیر پنهانی نشان دهد. فیزیک کلاسیک بهاحتمال در مواردی که لازم است فرآیندی مانند پرتاب تاس توصیف شود. یعنی احتمال جایگزین دانش ناقص می شود. برعکس، تفسیر کپنهاگ از مکانیک کوانتومی توسط هایزنبرگ و بور بیان می‌کند که نتیجه اندازه‌گیری‌ها در مکانیک کوانتومی اساساً غیر قطعی است.
- فیزیک علمی است که به مطالعه نتایج فرآیندهای اندازه گیری می پردازد. گمانه زنی در مورد آنچه در نتیجه آنها اتفاق می افتد اشتباه است. بر اساس تفسیر کپنهاگ، سؤالات در مورد اینکه ذره قبل از لحظه ثبت آن کجا بوده است و دیگر ساختگی های مشابه بی معنی است و بنابراین باید از بازتاب خارج شود.
- عمل اندازه گیری منجر به فروپاشی آنی تابع موج می شود. بنابراین، فرآیند اندازه گیری به طور تصادفی تنها یکی از احتمالاتی را انتخاب می کند که تابع موج یک حالت معین اجازه می دهد. و برای انعکاس این انتخاب، تابع موج باید فوراً تغییر کند.
فرم
فرمول بندی تفسیر کپنهاگ در شکل اصلی خود باعث ایجاد تغییرات متعددی شده است. متداول ترین آنها مبتنی بر رویکرد رویدادهای سازگار و مفهومی مانند عدم پیوستگی کوانتومی است. Decoherence به شما امکان می دهد مرز فازی بین دنیای کلان و خرد را محاسبه کنید. تغییرات باقی مانده در درجه "واقع گرایی جهان موج" متفاوت است.
انتقاد
اعتبار مکانیک کوانتومی (پاسخ هایزنبرگ و بور به سوال اول) در یک آزمایش فکری انجام شده توسط انیشتین، پودولسکی وروزن (پارادوکس EPR). بنابراین، دانشمندان می خواستند ثابت کنند که وجود پارامترهای پنهان ضروری است تا این نظریه منجر به "عمل دوربرد" آنی و غیر محلی نشود. با این حال، در طی تأیید پارادوکس EPR، که توسط نابرابری‌های بل امکان‌پذیر شد، ثابت شد که مکانیک کوانتومی درست است و نظریه‌های مختلف متغیرهای پنهان هیچ تأیید تجربی ندارند.
اما مشکل‌سازترین پاسخ پاسخ هایزنبرگ و بور به سؤال سوم بود که فرآیندهای اندازه‌گیری را در موقعیت خاصی قرار می‌داد، اما وجود ویژگی‌های متمایز را در آنها مشخص نمی‌کرد.
بسیاری از دانشمندان، اعم از فیزیکدان و فیلسوف، قاطعانه از پذیرش تفسیر کپنهاگ از فیزیک کوانتومی خودداری کردند. دلیل اول این بود که تفسیر هایزنبرگ و بور قطعی نبود. و دوم این است که یک مفهوم مبهم از اندازه گیری را معرفی کرد که توابع احتمال را به نتایج معتبر تبدیل کرد.
انیشتین مطمئن بود که توصیف واقعیت فیزیکی که توسط مکانیک کوانتومی ارائه شده توسط هایزنبرگ و بور ناقص است. به گفته انیشتین، او مقداری منطق در تفسیر کپنهاگی یافت، اما غرایز علمی او از پذیرش آن سرباز زد. بنابراین انیشتین نمی‌توانست از جستجوی مفهومی کامل‌تر دست بکشد.
در نامه خود به بورن، اینشتین گفت: "من مطمئن هستم که خدا تاس نمی اندازد!". نیلز بور با اظهار نظر در مورد این عبارت به انیشتین گفت که به خدا نگو که چه کار کند. و در گفتگو با آبراهام پایس، اینشتین فریاد زد: "شما واقعا فکر می کنید که ماه وجود دارد.فقط وقتی به آن نگاه می کنید؟»
اروین شرودینگر یک آزمایش فکری با یک گربه ارائه کرد که از طریق آن می خواست فرودستی مکانیک کوانتومی را در طول گذار از سیستم های زیراتمی به سیستم های میکروسکوپی نشان دهد. در همان زمان، فروپاشی ضروری تابع موج در فضا مشکل تلقی شد. بر اساس نظریه نسبیت انیشتین، آنی و همزمانی تنها برای ناظری معنا دارد که در یک چارچوب مرجع قرار دارد. بنابراین، هیچ زمانی وجود ندارد که بتواند برای همه یکی شود، به این معنی که نمی توان فروپاشی آنی را تعیین کرد.
توزیع
یک نظرسنجی غیررسمی که در دانشگاه در سال 1997 انجام شد نشان داد که تفسیر قبلی غالب کپنهاگ، که به طور خلاصه در بالا مورد بحث قرار گرفت، توسط کمتر از نیمی از پاسخ دهندگان پشتیبانی شد. با این حال، طرفداران بیشتری نسبت به سایر تفاسیر جداگانه دارد.
جایگزین
بسیاری از فیزیکدانان به تفسیر دیگری از مکانیک کوانتومی نزدیکتر هستند که "هیچ" نامیده می شود. ماهیت این تفسیر به طور کامل در جمله دیوید مرمین بیان شده است: "خفه شو و حساب کن!"، که اغلب به ریچارد فاینمن یا پل دیراک نسبت داده می شود.
