Что такое копенгагенская интерпретация?

Копенгагенская интерпретация – это объяснение квантовой механики, сформулированное Нильсом Бором и Вернером Гейзенбергом в 1927 году, когда ученые совместно работали в Копенгагене. Бор и Гейзенберг смогли усовершенствовать вероятностную интерпретацию функции, сформулированную М. Борном, и попробовали дать ответ на ряд вопросов, возникновение которых обусловлено корпускулярно-волновым дуализмом. В данной статье будут рассмотрены основные идеи копенгагенской интерпретации квантовой механики, и их влияние на современную физику.

Проблематика

Интерпретациями квантовой механики называли философские воззрения на природу квантовой механики, как теории, которая описывает материальный мир. С их помощью можно было ответить на вопросы о сущности физической реальности, способе ее изучения, характере причинности и детерминизма, а также сущности статистики и ее месте в квантовой механике. Квантовую механику принято считать наиболее резонансной теорией в истории науки, однако консенсуса в ее глубинном понимании до сих пор не существует. Существует ряд интерпретаций квантовой механики, и сегодня мы познакомимся с наиболее популярной из них.

Основные идеи

Как известно, физический мир состоит из квантовых объектов и классических приборов для измерения. Изменение состояния измерительных приборов описывает необратимый статистический процесс изменения характеристик микрообъектов. Когда микрообъект вступает во взаимодействие с атомами измерительного прибора, суперпозиция сводится к одному состоянию, то есть происходит редукция волновой функции измерительного объекта. Уравнение Шредингера не описывает этот результат.

С точки зрения копенгагенской интерпретации, квантовая механика описывает не сами по себе микрообъекты, а их свойства, которые проявляются в макроусловиях, создающихся типичными измерительными приборами при наблюдении. Поведение атомных объектов нельзя отграничить от их взаимодействия с приборами для измерений, которые фиксируют условия происхождения явлений.

Взгляд на квантовую механику

Квантовая механика является статической теорией. Это обусловлено тем, что измерение микрообъекта приводит к изменению его состояния. Так возникает вероятностное описание исходного положения объекта, описываемое волновой функцией. Комплексная волновая функция - центральное понятие квантовой механики. Волновая функция изменяется до нового измерения. Результат этого измерения зависит от волновой функции, вероятностным образом. Физическим значением обладает лишь квадрат модуля волновой функции, который подтверждает вероятность того, что изучаемый микрообъект находится в определенном месте пространства.

В квантовой механике закон причинности выполняется относительно волновой функции, изменяющейся во времени в зависимости от начальных условий, а не относительно координат скорости частиц, как в классической трактовке механики. Из-за того, что физическим значением наделен только квадрат модуля волновой функции, ее начальные значения нельзя определить в принципе, что приводит к некой невозможности получить точные знания о начальном состоянии системы квантов.

Философская основа

С философской точки зрения, основой копенгагенской интерпретации являются гносеологические принципы:

1. Наблюдаемости. Его суть состоит в исключении из физической теории тех утверждений, которые нельзя проверить посредством непосредственного наблюдения.
2. Дополнительности. Предполагает, что волновое и корпускулярное описание объектов микромира дополняют друг друга.
3. Неопределенности. Говорит о том, что координату микрообъектов и их импульс нельзя определить по отдельности, и с абсолютной точностью.
4. Статического детерминизма. Предполагает, что теперешнее состояние физической системы определяется ее предыдущими состояниями не однозначно, а лишь с долей вероятности осуществления тенденций изменения, заложенных в прошлом.
5. Соответствия. Согласно этому принципу, законы квантовой механики преобразуются в законы классической механики, когда есть возможность пренебречь величиной кванта действия.

Преимущества

В квантовой физике сведения об атомных объектах, полученные посредством экспериментальных установок, пребывают в своеобразном соотношении друг с другом. В соотношениях неопределенностей Вернера Гейзенберга просматривается обратная пропорциональность между неточностями фиксирования кинетических и динамических переменных, определяющих состояние физической системы в классической механике.

Весомым преимуществом копенгагенской интерпретации квантовой механики является тот факт, что она не оперирует детальными высказываниями непосредственно о физически ненаблюдаемых величинах. Кроме того, при минимуме предпосылок она выстраивает понятийную систему, исчерпывающим образом описывающую экспериментальные факты, имеющиеся на данный момент.

Смысл волновой функции

Согласно копенгагенской интерпретации, волновая функция может быть подвластна двум процессам:

1. Унитарной эволюции, которая описывается уравнением Шредингера.
2. Измерению.

Касательного первого процесса в научных кругах сомнений не возникло ни у кого, а второй процесс вызвал дискуссии и породил ряд толкований, даже в рамках самой копенгагенской интерпретации сознания. С одной стороны, есть все основания полагать, что волновая функция представляет собой не что иное, как реальный физический объект, и что она претерпевает коллапс во время второго процесса. С другой стороны, волновая функция может выступать не реальной сущностью, а вспомогательным математическим инструментом, единственное предназначение которой состоит в предоставлении возможности рассчитать вероятность. Бор сделал акцент на том, что единственное, что может быть предсказано – это результат физических опытов, поэтому все второстепенные вопросы должны относиться не к точной науке, а к философии. Он исповедовал в своих наработках философскую концепцию позитивизма, требующую, чтобы наука обсуждала только реально измеряемые вещи.

Двухщелевой опыт

В двухщелевом опыте свет, проходящий через две щели, падает на экран, на котором появляются две интерференционные полосы: темная и светлая. Этот процесс объясняется тем, что световые волны могут в одних местах взаимно усиливаться, а в других – взаимно гаситься. С другой стороны, эксперимент иллюстрирует, что свет обладает свойствами потока части, а электроны могут проявлять волновые свойства, давая при этом интерференционную картину.

Можно допустить, что опыт проводится с потоком фотонов (или электронов) настолько низкой интенсивности, что через щели каждый раз проходит только по одной частице. Тем не менее, при сложении точек попадания фотонов на экран, от накладывающихся волн получается такая же интерференционная картина, несмотря на то, что опыт касается якобы отдельных частиц. Это объясняется тем, что мы живем в «вероятностной» вселенной, в которой каждое будущее событие имеет переделенную степень возможности, а вероятность того, что в следующий момент времени случится нечто абсолютно непредвиденное, довольно мала.

Вопросы

Щелевой опыт ставит такие вопросы:

1. Каковыми будут правила поведения отдельных частиц? Законы квантовой механики указывают на место экрана, в котором окажутся частицы, статистически. Они позволяют рассчитать местоположение световых полос, в которых, скорее всего, окажется много частиц, и темных полос, куда, вероятно, попадет меньше частиц. Однако законы, которым подчиняется квантовая механика, не могут предсказать, где фактически окажется отдельная частица.
2. Что происходит с частицей в момент между испусканием и регистрацией? По результатам наблюдений, может создаться впечатление, что частица пребывает во взаимодействии с обеими щелями. Кажется, что это противоречит закономерностям поведения точечной частицы. Тем более что при регистрации частицы она становится точечной.
3. Под действием чего частица меняет свое поведение со статического на нестатическое, и наоборот? Когда частица проходит сквозь щели, ее поведение обуславливается нелокализованной волновой функцией, одновременно проходящей через обе щели. В момент регистрации частицы она всегда фиксируется как точечная, и никогда не получается размытого волнового пакета.

Ответы

Копенгагенская теория квантовой интерпретации отвечает на поставленные вопросы следующим образом:

1. Принципиально невозможно устранить вероятностный характер предсказаний квантовой механики. То есть, он не может точно свидетельствовать об ограничении человеческих знаний о каких-либо скрытых переменных. Классическая физика ссылается на вероятность в тех случаях, когда нужно описать процесс типа подбрасывания игральных костей. То есть вероятность заменяет неполное знание. Копенгагенская интерпретация квантовой механики Гейзенберга и Бора напротив, утверждает, что результат измерений в квантовой механике принципиально недетерминирован.
2. Физика является наукой, изучающей результаты измерительных процессов. Размышлять о том, что происходит в их следствие, неправомерно. Согласно копенгагенской интерпретации, вопросы о том, где была частица до момента ее регистрации, и прочие подобные измышления бессмысленны, а значит, должны быть исключены из размышлений.
3. Акт измерения приводит к мгновенному коллапсу волновой функции. Следовательно, процесс измерения случайным образом выбирает лишь одну из возможностей, которые допускает волновая функция данного состояния. А чтобы отразить этот выбор, волновая функция должна мгновенно измениться.

Формулировки

Формулировка копенгагенской интерпретации в оригинальном виде породила несколько вариаций. Наиболее распространенная из них основывается на подходе непротиворечивых событий и таком понятии, как квантовая декогеренция. Декогеренция позволяет рассчитать нечеткую границу между макро- и микромирами. Остальные вариации разнятся по степени «реалистичности волнового мира».

Критика

Полноценность квантовой механики (ответ Гейзенберга и Бора на первый вопрос) подверглась сомнению в мысленном эксперименте, проводимом Эйнштейном, Подольским и Розеном (ЭПР-парадокс). Таким образом ученые хотели доказать, что существование скрытых параметров необходимо для того, чтобы теория не приводила к мгновенному и нелокальному «дальнодействию». Однако во время проверки ЭПР-парадокса, которая стала возможной благодаря неравенствам Белла, было доказано, что квантовая механика верна, и различные теории скрытых параметров не имеют экспериментального подтверждения.

Но наиболее проблематичным стал ответ Гейзенберга и Бора на третий вопрос, который ставил измерительные процессы в особое положение, но не определял наличие в них отличительных черт.

Многие ученые, как физики, так и философы, наотрез отказывались принимать копенгагенскую интерпретацию квантовой физики. Первая тому причина заключалась в том, что толкование Гейзенберга и Бора было не детерминистическим. А вторая – в том, что оно вводило неопределенное понятие измерения, которое превращало вероятностные функции в достоверные результаты.

Эйнштейн был уверен, что описание физической реальности, даваемое квантовой механикой в толковании Гейзенберга и Бора, неполноценно. По словам Эйнштейна, он находил долю логики в копенгагенской интерпретации, но его научные инстинкты отказывались ее принимать. Поэтому Эйнштейн не мог отказаться от поисков более полной концепции.

В своем письме Борну Эйнштейн говорил: «Я уверен, что Бог не бросает кости!». Нильс Бор, комментируя эту фразу, сказал Эйнштейну, чтобы тот не указывал Богу, что делать. А в своем разговоре с Абрахамом Пайсом Эйнштейн восклицал: «Вы и впрямь думаете, что Луна существует только тогда, когда Вы на нее смотрите?».

Эрвин Шредингер придумал мысленный эксперимент с котом, посредством которого он хотел продемонстрировать неполноценность квантовой механики во время перехода от субатомных систем к микроскопическим. Вместе с тем, проблемным считался необходимый коллапс волновой функции в пространстве. Согласно теории относительности Эйнштейна, мгновенность и одновременность имеют смысл лишь для наблюдателя, находящегося в одной системе отсчета. Таким образом, не существует времени, которое могло бы стать единым для всех, а значит, мгновенный коллапс не может быть определен.

Распространение

Неофициальный опрос, проведенный в научных кругах в 1997 году, показал, что доминирующая ранее копенгагенская интерпретация, кратко рассмотренная выше, поддерживается менее чем половиной респондентов. Тем не менее, у нее больше приверженцев, нежели у других интерпретаций по отдельности.

Альтернатива

Многим физикам более близка другая интерпретация квантовой механики, которая получила название «никакая». Суть этого толкования исчерпывающе выражается в изречении Дэвида Мермина: «Заткнись и вычисляй!», которое часто приписывают Ричарду Фейнману или Полю Дираку.