Kodaňská interpretace je vysvětlením kvantové mechaniky formulované Nielsem Bohrem a Wernerem Heisenbergem v roce 1927, kdy vědci spolupracovali v Kodani. Bohr a Heisenberg byli schopni zlepšit pravděpodobnostní interpretaci funkce formulované M. Bornem a pokusili se zodpovědět řadu otázek, které vyvstávají kvůli dualitě vlny a částic. Tento článek se bude zabývat hlavními myšlenkami kodaňské interpretace kvantové mechaniky a jejich dopadem na moderní fyziku.
Problémy
Výklady kvantové mechaniky nazývané filozofické názory na povahu kvantové mechaniky jako teorie, která popisuje hmotný svět. S jejich pomocí bylo možné odpovědět na otázky o podstatě fyzikální reality, způsobu jejího studia, povaze kauzality a determinismu i o podstatě statistiky a jejím místě v kvantové mechanice. Kvantová mechanika je považována za nejzvučnější teorii v dějinách vědy, ale stále neexistuje shoda v jejím hlubokém pochopení. Existuje řada výkladů kvantové mechaniky, adnes se seznámíme s nejoblíbenějšími z nich.
Klíčové myšlenky
Jak víte, fyzický svět se skládá z kvantových objektů a klasických měřicích přístrojů. Změna stavu měřicích přístrojů popisuje nevratný statistický proces změny charakteristik mikroobjektů. Při interakci mikroobjektu s atomy měřicího zařízení se superpozice zmenší do jednoho stavu, to znamená, že se sníží vlnová funkce měřeného objektu. Schrödingerova rovnice tento výsledek nepopisuje.
Z pohledu kodaňské interpretace kvantová mechanika nepopisuje samotné mikroobjekty, ale jejich vlastnosti, které se projevují v makro podmínkách vytvářených typickými měřicími přístroji při pozorování. Chování atomových objektů nelze odlišit od jejich interakce s měřicími přístroji, které stanovují podmínky pro výskyt jevů.
Pohled do kvantové mechaniky
Kvantová mechanika je statická teorie. Je to dáno tím, že měření mikroobjektu vede ke změně jeho stavu. Existuje tedy pravděpodobnostní popis počáteční polohy objektu, popsané vlnovou funkcí. Komplexní vlnová funkce je ústředním konceptem kvantové mechaniky. Vlnová funkce se mění do nové dimenze. Výsledek tohoto měření závisí na vlnové funkci pravděpodobnostním způsobem. Fyzikální význam má pouze druhá mocnina modulu vlnové funkce, což potvrzuje pravděpodobnost, že studovanýmikroobjekt se nachází na určitém místě v prostoru.
V kvantové mechanice je zákon kauzality splněn s ohledem na vlnovou funkci, která se mění v čase v závislosti na počátečních podmínkách, a nikoli s ohledem na souřadnice rychlosti částic, jak je tomu v klasické interpretaci mechaniky. Vzhledem k tomu, že fyzikální hodnotou je obdařena pouze druhá mocnina modulu vlnové funkce, nelze její počáteční hodnoty v zásadě určit, což vede k určité nemožnosti získat přesné znalosti o počátečním stavu kvantového systému..
Filozofický základ
Z filozofického hlediska jsou základem kodaňské interpretace epistemologické principy:
- Pozorovatelnost. Jeho podstata spočívá ve vyloučení z fyzikální teorie těch tvrzení, která nelze ověřit přímým pozorováním.
- Doplňky. Předpokládá, že vlnový a korpuskulární popis objektů mikrosvěta se vzájemně doplňují.
- Nejistoty. Říká, že souřadnice mikroobjektů a jejich hybnost nelze určit samostatně as absolutní přesností.
- Statický determinismus. Předpokládá, že současný stav fyzického systému je určen jeho předchozími stavy nikoli jednoznačně, ale pouze s určitou mírou pravděpodobnosti realizace trendů změn stanovených v minulosti.
- Odpovídající. Podle tohoto principu se zákony kvantové mechaniky transformují na zákony klasické mechaniky, když je možné zanedbat velikost kvanta akce.
Výhody
V kvantové fyzice jsou informace o atomových objektech, získané prostřednictvím experimentálních nastavení, ve zvláštním vzájemném vztahu. Ve vztazích neurčitosti Wernera Heisenberga existuje nepřímá úměrnost mezi nepřesnostmi při stanovení kinetických a dynamických proměnných, které určují stav fyzikálního systému v klasické mechanice.
Významnou výhodou kodaňské interpretace kvantové mechaniky je fakt, že neoperuje s podrobnými údaji přímo o fyzikálně nepozorovatelných veličinách. Navíc s minimem předpokladů buduje koncepční systém, který vyčerpávajícím způsobem popisuje experimentální fakta, která jsou v tuto chvíli k dispozici.
Význam vlnové funkce
Podle kodaňské interpretace může vlnová funkce podléhat dvěma procesům:
- Unitární evoluce, která je popsána Schrödingerovou rovnicí.
- Měření.
O prvním procesu ve vědecké komunitě nikdo nepochyboval a druhý proces vyvolal diskuse a dal vzniknout řadě interpretací, a to i v rámci kodaňské interpretace vědomí samotného. Na jedné straně jsou všechny důvody se domnívat, že vlnová funkce není nic jiného než skutečný fyzický objekt a že se během druhého procesu zhroutí. Na druhou stranu vlnová funkce nemusí být skutečnou entitou, ale pomocným matematickým nástrojem, jehož jediným účelem jeje poskytnout schopnost vypočítat pravděpodobnost. Bohr zdůraznil, že jediné, co lze předvídat, je výsledek fyzikálních experimentů, takže všechny sekundární záležitosti by neměly souviset s exaktní vědou, ale s filozofií. Ve svém vývoji vyznával filozofický koncept pozitivismu, který vyžadoval, aby věda diskutovala pouze skutečně měřitelné věci.
Experiment s dvojitou štěrbinou
V experimentu se dvěma štěrbinami dopadá světlo procházející dvěma štěrbinami na obrazovku, na které se objevují dva interferenční proužky: tmavý a světlý. Tento proces je vysvětlen tím, že světelné vlny se mohou na některých místech vzájemně zesílit a na jiných rušit. Na druhé straně experiment ukazuje, že světlo má vlastnosti proudící části a elektrony mohou vykazovat vlnové vlastnosti, přičemž poskytují interferenční vzor.
Dá se předpokládat, že experiment se provádí s proudem fotonů (nebo elektronů) tak nízké intenzity, že štěrbinami projde pokaždé pouze jedna částice. Nicméně, když přidáme body, kde fotony dopadnou na stínítko, získá se stejný interferenční obrazec ze superponovaných vln, a to navzdory skutečnosti, že experiment se týká údajně samostatných částic. Je to proto, že žijeme v „pravděpodobnostním“vesmíru, ve kterém má každá budoucí událost přerozdělenou míru možnosti a pravděpodobnost, že se v příštím okamžiku stane něco zcela nepředvídaného, je poměrně malá.
Otázky
Slit zkušenosti kladou takovéotázky:
- Jaká budou pravidla pro chování jednotlivých částic? Zákony kvantové mechaniky statisticky udávají umístění obrazovky, ve které budou částice. Umožňují vypočítat umístění světlých pásů, které pravděpodobně obsahují mnoho částic, a tmavých pásů, kam pravděpodobně dopadne méně částic. Zákony, kterými se řídí kvantová mechanika, však nemohou předpovědět, kde jednotlivá částice skutečně skončí.
- Co se stane s částicí v okamžiku mezi emisí a registrací? Podle výsledků pozorování lze vytvořit dojem, že částice je v interakci s oběma štěrbinami. Zdá se, že to odporuje zákonitostem chování bodové částice. Navíc, když je částice registrována, stává se z ní bod.
- Čím vlivem mění částice své chování ze statického na nestatické a naopak? Když částice prochází štěrbinami, její chování je určeno nelokalizovanou vlnovou funkcí procházející oběma štěrbinami současně. V okamžiku registrace částice je vždy fixována jako bod a nikdy není získán rozmazaný vlnový paket.
Odpovědi
Kodaňská teorie kvantové interpretace odpovídá na otázky takto:
- Je v zásadě nemožné eliminovat pravděpodobnostní povahu předpovědí kvantové mechaniky. To znamená, že nemůže přesně naznačit omezení lidských znalostí o jakýchkoli latentních proměnných. Klasická fyzika odkazuje napravděpodobnost v těch případech, kdy je potřeba popsat proces jako je házení kostkou. To znamená, že pravděpodobnost nahrazuje neúplné znalosti. Kodaňská interpretace kvantové mechaniky od Heisenberga a Bohra naopak uvádí, že výsledek měření v kvantové mechanice je zásadně nedeterministický.
- Fyzika je věda, která studuje výsledky měřicích procesů. Je špatné spekulovat o tom, co se stane v jejich důsledku. Podle kodaňského výkladu jsou otázky, kde se částice nacházela před okamžikem její registrace, a další podobné výmysly nesmyslné, a proto by měly být vyloučeny z úvahy.
- Akt měření vede k okamžitému kolapsu vlnové funkce. Proces měření proto náhodně volí pouze jednu z možností, kterou vlnová funkce daného stavu umožňuje. A aby se tato volba projevila, musí se vlnová funkce okamžitě změnit.
Formuláře
Formulace kodaňského výkladu v jeho původní podobě dala vzniknout několika variacím. Nejběžnější z nich je založen na přístupu konzistentních událostí a takovém konceptu, jako je kvantová dekoherence. Dekoherence umožňuje vypočítat fuzzy hranici mezi makro- a mikrosvěty. Zbývající variace se liší stupněm „realismu světa vln.“
Kritika
Platnost kvantové mechaniky (Heisenbergova a Bohrova odpověď na první otázku) byla zpochybněna v myšlenkovém experimentu, který provedli Einstein, Podolsky aRosen (EPR paradox). Vědci tak chtěli dokázat, že existence skrytých parametrů je nezbytná, aby teorie nevedla k okamžitému a nelokálnímu „působení na velkou vzdálenost“. Během ověřování EPR paradoxu, umožněného Bellovými nerovnostmi, se však ukázalo, že kvantová mechanika je správná a různé teorie skrytých proměnných nemají žádné experimentální potvrzení.
Nejproblematičtější odpovědí však byla odpověď Heisenberga a Bohra na třetí otázku, která umístila procesy měření do zvláštní pozice, ale neurčovala v nich přítomnost charakteristických rysů.
Mnoho vědců, fyziků i filozofů, rozhodně odmítlo přijmout kodaňskou interpretaci kvantové fyziky. Prvním důvodem bylo, že interpretace Heisenberga a Bohra nebyla deterministická. A druhý je, že zavedl vágní pojem měření, který proměnil pravděpodobnostní funkce na platné výsledky.
Einstein si byl jistý, že popis fyzikální reality daný kvantovou mechanikou, jak jej interpretovali Heisenberg a Bohr, byl neúplný. Podle Einsteina našel v kodaňské interpretaci určitou logiku, ale jeho vědecké instinkty ji odmítly přijmout. Takže Einstein nemohl přestat hledat úplnější koncept.
Ve svém dopise Bornovi Einstein řekl: "Jsem si jistý, že Bůh nehází kostkami!". Niels Bohr v komentáři k této frázi řekl Einsteinovi, aby neříkal Bohu, co má dělat. A ve svém rozhovoru s Abrahamem Paisem Einstein zvolal: „Vy si opravdu myslíte, že Měsíc existujejen když se na to podíváš?".
Erwin Schrödinger přišel s myšlenkovým experimentem s kočkou, jehož prostřednictvím chtěl demonstrovat podřadnost kvantové mechaniky při přechodu ze subatomárních na mikroskopické systémy. Za problematický byl přitom považován nezbytný kolaps vlnové funkce ve vesmíru. Podle Einsteinovy teorie relativity má okamžitost a simultánnost smysl pouze pro pozorovatele, který je ve stejné vztažné soustavě. Neexistuje tedy žádný čas, který by se mohl stát jedním pro všechny, což znamená, že nelze určit okamžitý kolaps.
Distribuce
Neformální průzkum provedený na akademické půdě v roce 1997 ukázal, že dříve dominantní kodaňský výklad, stručně diskutovaný výše, podpořila méně než polovina respondentů. Má však více přívrženců než ostatní interpretace jednotlivě.
Alternativní
Mnohým fyzikům je bližší jiný výklad kvantové mechaniky, který se nazývá „žádný“. Podstata tohoto výkladu je vyčerpávajícím způsobem vyjádřena ve výroku Davida Mermina: „Drž hubu a počítejte!“, který je často připisován Richardu Feynmanovi nebo Paulu Diracovi.
