Die Kopenhagener Interpretation ist eine Erklärung der Quantenmechanik, die 1927 von Niels Bohr und Werner Heisenberg formuliert wurde, als die Wissenschaftler in Kopenhagen zusammenarbeiteten. Bohr und Heisenberg konnten die von M. Born formulierte probabilistische Interpretation der Funktion verbessern und versuchten, eine Reihe von Fragen zu beantworten, die sich aufgrund des Welle-Teilchen-Dualismus ergeben. In diesem Artikel werden die Hauptideen der Kopenhagener Interpretation der Quantenmechanik und ihre Auswirkungen auf die moderne Physik betrachtet.
Probleme
Interpretationen der Quantenmechanik, sogenannte philosophische Ansichten über die Natur der Quantenmechanik als eine Theorie, die die materielle Welt beschreibt. Mit ihrer Hilfe war es möglich, Fragen über das Wesen der physikalischen Realität, die Methode ihrer Untersuchung, die Natur von Kausalität und Determinismus sowie das Wesen der Statistik und ihren Platz in der Quantenmechanik zu beantworten. Die Quantenmechanik gilt als die resonanteste Theorie in der Geschichte der Wissenschaft, aber es gibt immer noch keinen Konsens über ihr tiefes Verständnis. Es gibt eine Reihe von Interpretationen der Quantenmechanik undHeute lernen wir die beliebtesten kennen.
Schlüsselideen
Wie Sie wissen, besteht die physikalische Welt aus Quantenobjekten und klassischen Messinstrumenten. Die Zustandsänderung von Messgeräten beschreibt einen irreversiblen statistischen Prozess der Veränderung der Eigenschaften von Mikroobjekten. Wenn ein Mikroobjekt mit den Atomen des Messgeräts wechselwirkt, wird die Überlagerung auf einen Zustand reduziert, dh die Wellenfunktion des Messobjekts wird reduziert. Die Schrödinger-Gleichung beschreibt dieses Ergebnis nicht.
Aus Sicht der Kopenhagener Interpretation beschreibt die Quantenmechanik nicht Mikroobjekte selbst, sondern deren Eigenschaften, die sich in Makrobedingungen manifestieren, die von typischen Messinstrumenten während der Beobachtung erzeugt werden. Das Verh alten atomarer Objekte ist nicht zu unterscheiden von ihrer Wechselwirkung mit Messinstrumenten, die die Bedingungen für das Auftreten von Phänomenen festlegen.
Ein Blick in die Quantenmechanik
Die Quantenmechanik ist eine statische Theorie. Dies liegt daran, dass die Messung eines Mikroobjekts zu einer Änderung seines Zustands führt. Es gibt also eine probabilistische Beschreibung der Anfangsposition des Objekts, beschrieben durch die Wellenfunktion. Die komplexe Wellenfunktion ist ein zentrales Konzept der Quantenmechanik. Die Wellenfunktion wechselt in eine neue Dimension. Das Ergebnis dieser Messung hängt probabilistisch von der Wellenfunktion ab. Nur das Quadrat des Moduls der Wellenfunktion hat physikalische Bedeutung, was die Wahrscheinlichkeit bestätigt, dass die untersuchtendas Mikroobjekt befindet sich an einem bestimmten Ort im Raum.
In der Quantenmechanik ist das Kausalitätsgesetz in Bezug auf die Wellenfunktion erfüllt, die je nach Anfangsbedingungen zeitlich variiert, und nicht in Bezug auf die Teilchengeschwindigkeitskoordinaten, wie in der klassischen Interpretation der Mechanik. Aufgrund der Tatsache, dass nur das Quadrat des Betrags der Wellenfunktion mit einem physikalischen Wert ausgestattet ist, können seine Anfangswerte im Prinzip nicht bestimmt werden, was zu einer gewissen Unmöglichkeit führt, genaue Kenntnisse über den Anfangszustand des Quantensystems zu erh alten.
Philosophische Grundlagen
Aus philosophischer Sicht sind erkenntnistheoretische Prinzipien die Grundlage der Kopenhagener Deutung:
- Beobachtbarkeit. Ihr Wesen liegt in der Ausschließung derjenigen Aussagen aus der physikalischen Theorie, die nicht durch direkte Beobachtung verifiziert werden können.
- Extras. Geht davon aus, dass sich Wellen- und Korpuskularbeschreibung der Objekte der Mikrowelt ergänzen.
- Unsicherheiten. Sagt, dass die Koordinate von Mikroobjekten und ihr Impuls nicht separat und mit absoluter Genauigkeit bestimmt werden können.
- Statischer Determinismus. Sie geht davon aus, dass der aktuelle Zustand des physikalischen Systems nicht eindeutig durch seine vorherigen Zustände bestimmt wird, sondern nur mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit der Umsetzung der in der Vergangenheit festgelegten Veränderungstendenzen.
- Übereinstimmung. Nach diesem Prinzip werden die Gesetze der Quantenmechanik in die Gesetze der klassischen Mechanik umgewandelt, wenn die Größe des Wirkungsquantums vernachlässigt werden kann.
Vorteile
In der Quantenphysik stehen Informationen über atomare Objekte, die durch Versuchsaufbauten gewonnen werden, in einer eigentümlichen Beziehung zueinander. In den Unschärferelationen von Werner Heisenberg besteht eine umgekehrte Proportionalität zwischen den Ungenauigkeiten bei der Festlegung der kinetischen und dynamischen Variablen, die in der klassischen Mechanik den Zustand eines physikalischen Systems bestimmen.
Ein wesentlicher Vorteil der Kopenhagener Interpretation der Quantenmechanik ist die Tatsache, dass sie nicht mit detaillierten Aussagen direkt über physikalisch nicht beobachtbare Größen operiert. Darüber hinaus baut es mit einem Minimum an Voraussetzungen ein konzeptionelles System auf, das die derzeit verfügbaren experimentellen Fakten erschöpfend beschreibt.
Die Bedeutung der Wellenfunktion
Nach der Kopenhagener Interpretation kann die Wellenfunktion zwei Prozessen unterliegen:
- Einheitliche Evolution, die durch die Schrödinger-Gleichung beschrieben wird.
- Messung.
Niemand hatte Zweifel am ersten Prozess in der wissenschaftlichen Gemeinschaft, und der zweite Prozess löste Diskussionen aus und gab Anlass zu einer Reihe von Interpretationen, sogar im Rahmen der Kopenhagener Interpretation des Bewusstseins selbst. Einerseits gibt es allen Grund zu der Annahme, dass die Wellenfunktion nichts anderes als ein reales physikalisches Objekt ist und während des zweiten Prozesses zusammenbricht. Andererseits ist die Wellenfunktion möglicherweise keine reale Einheit, sondern ein mathematisches Hilfswerkzeug, dessen einziger Zweck es istsoll die Möglichkeit bieten, die Wahrscheinlichkeit zu berechnen. Bohr betonte, dass das einzige, was vorhergesagt werden kann, das Ergebnis physikalischer Experimente ist, daher sollten sich alle sekundären Fragen nicht auf die exakte Wissenschaft, sondern auf die Philosophie beziehen. Er bekennt sich in seinen Entwicklungen zum philosophischen Konzept des Positivismus und fordert, dass die Wissenschaft nur über wirklich messbare Dinge diskutiert.
Doppelsp altexperiment
Bei einem Zweisp altexperiment fällt Licht, das durch zwei Sp alte fällt, auf den Schirm, auf dem zwei Interferenzstreifen erscheinen: dunkel und hell. Dieser Vorgang erklärt sich dadurch, dass sich Lichtwellen an manchen Stellen gegenseitig verstärken und an anderen aufheben können. Andererseits zeigt das Experiment, dass Licht die Eigenschaften eines Strömungsteils hat und Elektronen Welleneigenschaften aufweisen können, während sie ein Interferenzmuster ergeben.
Es ist davon auszugehen, dass das Experiment mit einem Strom von Photonen (bzw. Elektronen) von so geringer Intensität durchgeführt wird, dass jeweils nur ein Teilchen die Schlitze passiert. Wenn man jedoch die Punkte hinzufügt, an denen Photonen auf den Bildschirm treffen, erhält man dasselbe Interferenzmuster aus überlagerten Wellen, obwohl es sich bei dem Experiment um vermeintlich getrennte Teilchen handelt. Das liegt daran, dass wir in einem "probabilistischen" Universum leben, in dem jedes zukünftige Ereignis einen neu verteilten Wahrscheinlichkeitsgrad hat und die Wahrscheinlichkeit, dass im nächsten Moment etwas völlig Unvorhergesehenes passiert, ziemlich gering ist.
Fragen
Slit Erfahrung bringt solcheFragen:
- Welche Regeln werden für das Verh alten einzelner Teilchen gelten? Die Gesetze der Quantenmechanik geben statistisch an, an welcher Stelle des Bildschirms sich die Teilchen befinden werden. Sie ermöglichen es Ihnen, die Position von hellen Bändern zu berechnen, die wahrscheinlich viele Partikel enth alten, und von dunklen Bändern, auf die wahrscheinlich weniger Partikel fallen werden. Die Gesetze der Quantenmechanik können jedoch nicht vorhersagen, wo ein einzelnes Teilchen tatsächlich landet.
- Was passiert mit dem Teilchen in dem Moment zwischen Emission und Registrierung? Nach Beobachtungsergebnissen kann der Eindruck entstehen, dass das Teilchen mit beiden Sp alten in Wechselwirkung steht. Es scheint, dass dies den Regelmäßigkeiten des Verh altens eines Punktteilchens widerspricht. Außerdem wird ein Teilchen, wenn es registriert wird, zu einem Punkt.
- Unter dem Einfluss von was ändert ein Teilchen sein Verh alten von statisch zu nicht-statisch und umgekehrt? Wenn ein Teilchen die Schlitze passiert, wird sein Verh alten durch eine nicht lokalisierte Wellenfunktion bestimmt, die beide Schlitze gleichzeitig passiert. Im Moment der Registrierung eines Teilchens ist es immer als Punkt fixiert, und man erhält nie ein unscharfes Wellenpaket.
Antworten
Die Kopenhagener Theorie der Quanteninterpretation beantwortet die gestellten Fragen wie folgt:
- Es ist grundsätzlich unmöglich, die probabilistische Natur der Vorhersagen der Quantenmechanik zu eliminieren. Das heißt, es kann die Begrenzung des menschlichen Wissens über latente Variablen nicht genau anzeigen. Klassische Physik bezieht sich aufWahrscheinlichkeit in den Fällen, in denen es notwendig ist, einen Vorgang wie das Würfeln zu beschreiben. Das heißt, Wahrscheinlichkeit ersetzt unvollständiges Wissen. Die Kopenhagener Interpretation der Quantenmechanik durch Heisenberg und Bohr hingegen besagt, dass das Ergebnis von Messungen in der Quantenmechanik grundsätzlich nicht deterministisch ist.
- Physik ist eine Wissenschaft, die die Ergebnisse von Messprozessen untersucht. Es ist falsch, darüber zu spekulieren, was als Ergebnis davon passiert. Nach der Kopenhagener Interpretation sind Fragen darüber, wo sich das Teilchen vor dem Moment seiner Registrierung befunden hat, und andere ähnliche Erfindungen bedeutungslos und sollten daher von der Reflexion ausgeschlossen werden.
- Der Akt der Messung führt zu einem sofortigen Zusammenbruch der Wellenfunktion. Daher wählt der Messvorgang zufällig nur eine der Möglichkeiten aus, die die Wellenfunktion eines gegebenen Zustands zulässt. Und um diese Wahl widerzuspiegeln, muss sich die Wellenfunktion sofort ändern.
Formulare
Die Formulierung der Kopenhagener Interpretation in ihrer ursprünglichen Form hat zu mehreren Variationen geführt. Die gebräuchlichste von ihnen basiert auf dem Ansatz konsistenter Ereignisse und einem Konzept wie der Quantendekohärenz. Mit Dekohärenz können Sie die unscharfe Grenze zwischen Makro- und Mikrowelt berechnen. Die restlichen Variationen unterscheiden sich im Grad des "Realismus der Wellenwelt".
Kritik
Die Gültigkeit der Quantenmechanik (Heisenbergs und Bohrs Antwort auf die erste Frage) wurde in einem Gedankenexperiment in Frage gestellt, das von Einstein, Podolsky und durchgeführt wurdeRosen (EPR-Paradoxon). Wissenschaftler wollten also beweisen, dass die Existenz verborgener Parameter notwendig ist, damit die Theorie nicht zu einer sofortigen und nicht lokalen „Fernwirkung“führt. Während der Überprüfung des EPR-Paradoxons, die durch Bells Ungleichungen ermöglicht wurde, wurde jedoch bewiesen, dass die Quantenmechanik korrekt ist, und verschiedene Theorien über verborgene Variablen haben keine experimentelle Bestätigung.
Aber die problematischste Antwort war die Antwort von Heisenberg und Bohr auf die dritte Frage, die Messverfahren in eine Sonderstellung stellte, aber das Vorhandensein von Unterscheidungsmerkmalen in ihnen nicht feststellte.
Viele Wissenschaftler, sowohl Physiker als auch Philosophen, weigerten sich rundweg, die Kopenhagener Interpretation der Quantenphysik zu akzeptieren. Der erste Grund dafür war, dass die Interpretation von Heisenberg und Bohr nicht deterministisch war. Und zweitens wurde ein vager Begriff der Messung eingeführt, der Wahrscheinlichkeitsfunktionen in gültige Ergebnisse umwandelte.
Einstein war sich sicher, dass die von Heisenberg und Bohr interpretierte Beschreibung der physikalischen Realität durch die Quantenmechanik unvollständig war. Laut Einstein fand er eine gewisse Logik in der Kopenhagener Interpretation, aber sein wissenschaftlicher Instinkt weigerte sich, sie zu akzeptieren. Einstein konnte also nicht aufhören, nach einem umfassenderen Konzept zu suchen.
In seinem Brief an Born sagte Einstein: "Ich bin sicher, dass Gott nicht würfelt!". Niels Bohr kommentierte diesen Satz und sagte Einstein, er solle Gott nicht sagen, was er tun solle. Und in seinem Gespräch mit Abraham Pais rief Einstein aus: „Sie glauben wirklich, dass der Mond existiertnur wenn du es ansiehst?”.
Erwin Schrödinger hat sich ein Gedankenexperiment mit einer Katze ausgedacht, mit dem er die Unterlegenheit der Quantenmechanik beim Übergang von subatomaren zu mikroskopischen Systemen demonstrieren wollte. Gleichzeitig wurde der notwendige Kollaps der Wellenfunktion im Raum als problematisch angesehen. Momentanität und Gleichzeitigkeit machen nach Einsteins Relativitätstheorie nur für einen Beobachter Sinn, der sich im gleichen Bezugsrahmen befindet. Daher gibt es keine Zeit, die zu einer für alle werden könnte, was bedeutet, dass ein sofortiger Zusammenbruch nicht festgestellt werden kann.
Verteilung
Eine informelle Umfrage, die 1997 in der Wissenschaft durchgeführt wurde, zeigte, dass die zuvor vorherrschende Kopenhagener Interpretation, die oben kurz diskutiert wurde, von weniger als der Hälfte der Befragten unterstützt wurde. Es hat jedoch mehr Anhänger als die anderen Interpretationen einzeln.
Alternative
Viele Physiker sind einer anderen Interpretation der Quantenmechanik näher, die "keine" genannt wird. Die Essenz dieser Deutung kommt erschöpfend in David Mermins Diktum zum Ausdruck: „H alt die Klappe und rechne!“, das oft Richard Feynman oder Paul Dirac zugeschrieben wird.
