Köpenhamns tolkning av kvantmekanik

Det finns förmodligen inget vetenskapligt område som är mer bisarrt och förvirrande än att försöka förstå materiens och energins beteende på de minsta skalorna. I den tidiga delen av det tjugonde århundradet lägger fysiker som Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr och många andra grunden för att förstå denna bisarra naturområde: kvantefysik.

Ekvationer och metoder för kvantfysik har förfinats under det senaste århundradet, vilket gör häpnadsväckande förutsägelser som har bekräftats mer exakt än någon annan vetenskaplig teori i världshistorien. Kvantmekanik fungerar genom att utföra en analys av kvantvågfunktionen (definierad av en ekvation som kallas Schrodinger-ekvationen).

Problemet är att regeln om hur kvantvågfunktionen fungerar drastiskt står i konflikt med intuitionerna vi har utvecklat för att förstå vår dagliga makroskopiska värld. Att försöka förstå den underliggande betydelsen av kvantfysik har visat sig vara mycket svårare än att förstå beteenden själva. Den mest lärda tolkningen är känd som Köpenhamns tolkning av kvantmekanik ... men vad är det egentligen?

Pionjärerna

De centrala idéerna i Köpenhamn-tolkningen utvecklades av en kärngrupp av kvantfysikpionjärer som var centrerade kring Niels Bohrs Köpenhamnsinstitut under 1920-talet och drev en tolkning av kvantvågfunktionen som har blivit standarduppfattningen som lärs ut i kvantfysikkurser. 

Ett av nyckelelementen i denna tolkning är att Schrodinger-ekvationen representerar sannolikheten för att observera ett visst resultat när ett experiment utförs. I sin bok Den dolda verkligheten, fysiker Brian Greene förklarar det på följande sätt:

"Standardmetoden för kvantmekanik, utvecklad av Bohr och hans grupp, och kallade Köpenhamn tolkning i deras ära, föreställer sig att när du försöker se en sannolikhetsvåg, så stoppar själva observationshandlingen ditt försök. "

Problemet är att vi bara någonsin observerar några fysiska fenomen på makroskopisk nivå, så det faktiska kvantbeteendet på mikroskopisk nivå är inte direkt tillgängligt för oss. Som beskrivs i boken Quantum Enigma:

"Det finns ingen" officiell "Köpenhamnstolkning. Men varje version tar tag i tjuren vid hornen och hävdar det en observation producerar den observerade egenskapen. Det svåra ordet här är "observation." ...

"Köpenhamnstolkningen beaktar två områden: det finns den makroskopiska, klassiska världen för våra mätinstrument som styrs av Newtons lagar, och det finns den mikroskopiska, kvantiska världen av atomer och andra små saker som styrs av Schrodinger-ekvationen. Den hävdar att vi aldrig handlar direkt med kvantobjekten i den mikroskopiska världen. Vi behöver därför inte oroa dig för deras fysiska verklighet eller deras brist på den. En "existens" som tillåter beräkning av deras effekter på våra makroskopiska instrument räcker för att vi kan överväga. "

Avsaknaden av en officiell Köpenhamnstolkning är problematisk, vilket gör de exakta detaljerna i tolkningen svåra att spika. Som förklarats av John G. Cramer i en artikel med titeln "Den transaktionella tolkningen av kvantmekanik":

"Trots en omfattande litteratur som hänvisar till, diskuterar och kritiserar Köpenhamns tolkning av kvantmekanik, verkar det ingenstans något kortfattat uttalande som definierar den fullständiga tolkningen i Köpenhamn."

Cramer fortsätter med att försöka definiera några av de centrala idéerna som konsekvent tillämpas när han talar om Köpenhamn-tolkningen och anländer till följande lista:

• Osäkerhetsprincipen - Utvecklat av Werner Heisenberg 1927, indikerar detta att det finns par av konjugerade variabler som inte båda kan mätas till en godtycklig noggrannhetsnivå. Med andra ord, det finns ett absolut lock som kvantfysik påförs hur exakt vissa par mätningar kan göras, oftast mätningarna av position och momentum samtidigt.
• Den statistiska tolkningen - Utvecklad av Max Born 1926, tolkar detta Schrodinger-vågfunktionen som ger sannolikheten för ett resultat i ett givet tillstånd. Den matematiska processen för att göra detta kallas Born-regeln.
• Komplementaritetskonceptet - Utvecklad av Niels Bohr 1928 och inkluderar idén om vågpartikeldualitet och att vågfunktionens kollaps är kopplad till att göra en mätning.
• Identifiering av tillståndsvektorn med "kunskap om systemet" - Schrodinger-ekvationen innehåller en serie tillståndsvektorer, och dessa vektorer förändras över tiden och med observationer för att representera kunskapen om ett system vid varje given tidpunkt.
• Heisenbergs positivism - Detta representerar en betoning på att enbart diskutera de observerbara resultaten från experimenten, snarare än på "betydelsen" eller underliggande "verkligheten". Detta är en implicit (och ibland uttrycklig) acceptans av det filosofiska begreppet instrumentalism.

Detta verkar som en ganska omfattande lista över de viktigaste punkterna bakom Köpenhamnstolkningen, men tolkningen är inte utan några ganska allvarliga problem och har väckt många kritik ... som är värda att ta itu med på egen hand.

Ursprunget till frasen "Copenhagen Interpretation"

Som nämnts ovan har den exakta karaktären av Köpenhamn-tolkningen alltid varit lite fina. En av de tidigaste referenserna till idén om detta var i Werner Heisenbergs bok från 1930 De fysiska principerna för kvantteorin, var han hänvisade till "Köpenhamns anda av kvantteorin." Men vid den tiden - och i flera år efter - var det också verkligen endast tolkning av kvantmekanik (även om det fanns vissa skillnader mellan dess anhängare), så det fanns inget behov av att skilja den med sitt eget namn.

Det började bara kallas "Köpenhamn-tolkningen" när alternativa tillvägagångssätt, såsom David Bohms dolda-variabler och Hugh Everetts många världstolkningar, uppstod för att utmana den etablerade tolkningen. Begreppet "Köpenhamntolkning" tillskrivs generellt Werner Heisenberg när han talade på 1950-talet mot dessa alternativa tolkningar. Föreläsningar med uttrycket "Copenhagen Interpretation" dök upp i Heisenbergs uppsatssamling 1958, Fysik och filosofi.