Копенгагенская интерпретация является выражением смысл квантовой механики, которая была разработана с 1925 по 1927 год Нильсом Бором и Вернером Гейзенбергом. Это одна из старейших из многочисленных предлагаемых интерпретаций квантовой механики, и она остается одной из наиболее широко распространенных.
Согласно копенгагенской интерпретации, материальные объекты, как правило, на микроскопическом уровне не имеют определенных свойств до измерения, и квантовая механика может только предсказать распределение вероятностей возможных результатов данного измерения. Акт измерения влияет на систему, вызывая сокращение набора вероятностей только до одного из возможных значений сразу после измерения. Эта особенность известна как коллапс волновой функции.
На протяжении многих лет было много возражений против аспектов копенгагенской интерпретации, в том числе:
Макс Планк, Альберт Эйнштейн и Нильс Бор постулировал наличие энергии в дискретных количествах (кванты ), чтобы объяснить такие явления, как спектр излучения черного тела, фотоэлектрических эффект, а также стабильность и спектры атомов. Эти явления не поддавались объяснению со стороны классической физики и даже, казалось, противоречили ей. Хотя элементарные частицы демонстрируют предсказуемые свойства во многих экспериментах, они становятся совершенно непредсказуемыми в других, таких как попытки идентифицировать траектории отдельных частиц с помощью простого физического устройства.
Классическая физика проводит различие между частицами и волнами. Он также опирается на непрерывность, детерминизм и причинность в природных явлениях. В начале 20 века недавно открытые атомные и субатомные явления, казалось, опровергли эти концепции. В 1925–1926 годах квантовая механика была изобретена как математический формализм, который точно описывает эксперименты, но, похоже, отвергает эти классические концепции. Вместо этого он утверждает, что вероятность и прерывность являются фундаментальными в физическом мире. Статус причинности для квантовой механики оспаривается.
Квантовая механика не может быть легко согласована с повседневным языком и наблюдениями, и она часто казалась физикам, в том числе ее изобретателям, противоречащей интуиции.
Копенгагенская интерпретация призвана указать правильные способы мышления и говоря о физическом смысле математических формулировок квантовой механики и соответствующих экспериментальных результатов. Он предлагает должное уважение к прерывности, вероятности и концепции дуализма волна-частица. В некоторых отношениях он отрицает наличие причинной связи.
Вернер Гейзенберг был помощником Нильс Бор в своем институте в Копенгагене в течение части 1920-х годов, когда они помогли создать квантово-механическую теорию. В 1929 году Гейзенберг прочитал серию приглашенных лекций в Чикагском университете, объясняя новую область квантовой механики. Эти лекции послужили основой для его учебника Физические основы квантовой теории, опубликованного в 1930 году. В предисловии к книге Гейзенберг писал:
В целом книга не содержит ничего такого, что в предыдущих публикациях, особенно в исследованиях Бора. Мне кажется, что цель книги выполнена, если она в какой-то мере способствует распространению того «Копенгагенского духа квантовой теории» (т. Е. Копенгагенского духа квантовой теории), если я могу так выразиться, который руководил всем развитием современного атомная физика.
Термин «копенгагенская интерпретация» предполагает нечто большее, чем просто дух, например, некий определенный набор правил для интерпретации математического формализма квантовой механики, предположительно восходящий к 1920-м годам. Однако такого текста не существует, за исключением некоторых неформальных популярных лекций Бора и Гейзенберга, которые противоречат друг другу по ряду важных вопросов. Похоже, что конкретный термин с его более определенным смыслом был введен Гейзенбергом в 1950-х годах, когда он критиковал альтернативные «интерпретации» (например, Дэвида Бома ), которые были разработаны. Однако существуют более ранние ссылки; Артур Эддингтон в своей книге «Природа физического мира» 1928 года цитирует «копенгагенскую школу» на странице 195. Лекции с названиями «Копенгагенская интерпретация квантовой теории» и «Критика и контрпредложения в отношении Копенгагенской интерпретации». которые Гейзенберг поставил в 1955 году, переизданы в сборнике «Физика и философия». Перед тем, как книга была выпущена в продажу, Гейзенберг в частном порядке выразил сожаление по поводу использования этого термина из-за предположения о существовании других интерпретаций, которые он считал «бессмыслицей».
Согласно оппоненту копенгагенской интерпретации, Джону Г. Крамеру : «Несмотря на обширную литературу, которая ссылается, обсуждает и критикует копенгагенскую интерпретацию квантовой механики, нигде, похоже, не существует быть любым кратким заявлением, определяющим полную копенгагенскую интерпретацию ".
Не существует однозначно окончательного утверждения Копенгагенской интерпретации. В него вошли взгляды, выработанные рядом ученых и философов во второй четверти 20 века. Бор и Гейзенберг так и не пришли к единому мнению о том, как понимать математический формализм квантовой механики. Бор однажды дистанцировался от того, что он считал более субъективной интерпретацией Гейзенберга.
Различные комментаторы и исследователи связывали с ней различные идеи. Ашер Перес заметил, что очень разные, иногда противоположные взгляды представлены разными авторами как «копенгагенская интерпретация».
Некоторые основные принципы, обычно принимаемые как часть интерпретации, включают:
Копенгагенская интерпретация отрицает, что волновая функция обеспечивает непосредственно воспринимаемое изображение обычного материального тела или заметный компонент некоторых из них или что-то большее, чем теоретическая концепция.
В метафизических терминах копенгагенская интерпретация рассматривает квантовую механику как предоставление знания о явлениях, но не как указание на «реально существующие объекты», которые она рассматривает как остатки обычной интуиции. Это делает ее эпистемической теорией. Это может контрастировать с точкой зрения Эйнштейна, согласно которой физика должна искать «реально существующие объекты», превращая себя в онтическую теорию.
Иногда задают метафизический вопрос: «Можно ли расширить квантовую механику. добавив к математическому формализму так называемых «скрытых переменных», чтобы преобразовать его из эпистемической теории в онтическую? » Копенгагенская интерпретация отвечает на это решительным «нет». Иногда это утверждается, например, Дж. Белл, что Эйнштейн выступил против Копенгагенской интерпретации, потому что он считал, что ответ на этот вопрос о «скрытых переменных» был «да». Напротив, Макс Джаммер пишет: «Эйнштейн никогда не предлагал теорию скрытых переменных». Эйнштейн исследовал возможность теории скрытых переменных и написал статью с описанием своего исследования, но отозвал ее из публикации, потому что считал ее ошибочной.
Потому что она утверждает, что волновая функция становится «реальной» только тогда, когда система наблюдается, термин «субъективный» иногда предлагается для копенгагенской интерпретации. Этот термин отвергается многими копенгагенистами, потому что процесс наблюдения механичен и не зависит от индивидуальности наблюдателя.
Некоторые авторы предполагают, что Бор находился под влиянием позитивизма (или даже прагматизма ). С другой стороны, Бор и Гейзенберг не были полностью согласны и в разное время придерживались разных взглядов. Гейзенберга, в частности, побудили перейти к реализму.
Карл Фридрих фон Вайцзекер, участвуя в коллоквиуме в Кембридже, отрицал, что копенгагенская интерпретация утверждала: «То, что нельзя наблюдать, не существует». Вместо этого он предположил, что копенгагенская интерпретация следует принципу «То, что наблюдается, безусловно, существует; относительно того, что не наблюдается, мы по-прежнему можем делать подходящие предположения. Мы используем эту свободу, чтобы избежать парадоксов».
Правило Борна необходимо для копенгагенской интерпретации, и Макс Борн говорит о своей вероятностной интерпретации как «статистической интерпретации» волновой функции.
Писатели не все следуйте той же терминологии. Фраза «статистическая интерпретация», относящаяся к «ансамблевой интерпретации», часто указывает на интерпретацию правила Борна, несколько отличную от копенгагенской интерпретации. Для копенгагенской интерпретации самоочевидно, что волновая функция исчерпывает все, что может когда-либо быть известно заранее о конкретном явлении системы. С другой стороны, «статистическая» или «ансамблевая» интерпретация явно не обязывает нас к тому, является ли информация в волновой функции исчерпывающей по сравнению с тем, что могло быть известно заранее. В своих утверждениях он считает себя более «минимальным», чем копенгагенская интерпретация. Он только говорит, что при каждом наблюдении обнаруживается какое-то действительное значение некоторого свойства, и что такие значения обнаруживаются вероятностно, как обнаруживается во многих случаях наблюдения одной и той же системы. Говорят, что множество появлений системы составляют «ансамбль», и они совместно показывают вероятность через эти случаи наблюдения. Хотя все они имеют одинаковую волновую функцию, элементы ансамбля могут не быть идентичными друг другу во всех отношениях, согласно «уклончивой» интерпретации. Насколько нам известно, они могут, помимо текущих знаний и волновой функции, иметь индивидуальные отличительные свойства. Для современной науки экспериментальная значимость этих различных форм правила Борна одинакова, поскольку они делают одни и те же предсказания относительно распределения вероятностей результатов наблюдений, а ненаблюдаемые или неактуализированные потенциальные свойства недоступны для эксперимента.
Те, кто придерживается копенгагенской интерпретации, готовы сказать, что волновая функция включает в себя различные вероятности того, что данное событие приведет к определенным разным результатам. Но когда прибор регистрирует один из этих результатов, никакие вероятности или суперпозиция других не остаются.
Согласно Говарду, коллапс волновой функции не упоминается в трудах Бора.
Некоторые утверждают, что концепция коллапса «реальной» волновой функции была введена Гейзенбергом, а затем развита Джоном фон Нейманом в 1932 году. Однако Гейзенберг говорил о волновой функции как о представлении имеющихся знаний о система, и не использовал термин «коллапс», а вместо этого назвал это «приведением» волновой функции к новому состоянию, представляющему изменение в имеющихся знаниях, которое происходит после того, как конкретное явление регистрируется устройством (часто называемое «измерением»)
В 1952 году Дэвид Бом адаптировал теорию пилотной волны Луи ДеБроли, создав бомовскую механику, первую успешную интерпретацию скрытых переменных квантовая механика. Эта теория, которая постулирует дополнительную динамическую волну, описывающую положение квантовой частицы, исключает понятие коллапса волновой функции из его интерпретации квантовой теории. Хью Эверетт в 1957 году снова избежал коллапса в своей интерпретации относительного состояния. В 1970-х и 1980-х годах теория декогеренции помогла объяснить появление квазиклассических реальностей, возникающих из квантовой теории, но была недостаточной для технического объяснения очевидного коллапса волновой функции.
Область волновой функции - это конфигурационное пространство, абстрактный объект, совершенно отличный от обычного физического пространства-времени. В единственной «точке» конфигурационного пространства волновая функция собирает вероятностную информацию о нескольких отдельных частицах, которые, соответственно, имеют физически пространственное разделение. Таким образом, говорят, что волновая функция дает неотделимое представление. Это отражает особенность квантового мира, которую Эйнштейн признал еще в 1905 году.
В 1927 году Бор обратил внимание на следствие неразрывности. Эволюция системы, определяемая уравнением Шредингера, не отображает траектории частиц в пространстве-времени. Из такой эволюции можно извлечь информацию о траектории, но нельзя одновременно извлечь информацию об энергии-импульсе. Эта несовместимость выражается в принципе неопределенности Гейзенберга. Эти два вида информации необходимо извлекать в разных случаях из-за неразрывности представления волновой функции. В мышлении Бора визуализируемость пространства-времени означала информацию о траектории. Опять же, в мышлении Бора «причинность» относится к передаче энергии-импульса; с его точки зрения, отсутствие знания энергии-импульса означало отсутствие знания о «причинности». Поэтому Бор считал, что знание «причинности» и визуализации пространства-времени несовместимо, но дополняет друг друга.
Термин «Копенгагенская интерпретация» плохо определен в отношении волны. - дилемма частиц, потому что у Бора и Гейзенберга были разные или, возможно, несовпадающие взгляды на нее.
Согласно Камиллери, Бор думал, что различие между волновым обзором и видом частиц определялось различием между экспериментальными установками, в то время как, в отличие от Гейзенберга, это определялось возможностью просмотра математических формул. как относящиеся к волнам или частицам. Бор думал, что конкретная экспериментальная установка будет отображать либо волновую картину, либо изображение частицы, но не то и другое одновременно. Гейзенберг считал, что каждая математическая формулировка способна интерпретировать как волны, так и частицы.
Альфред Ланде долгое время считался ортодоксом. Однако он придерживался точки зрения Гейзенберга, поскольку считал, что волновая функция всегда математически открыта для обеих интерпретаций. В конце концов это привело к тому, что его стали считать неортодоксальным, отчасти потому, что он не принимал ту или иную точку зрения Бора, предпочитая точку зрения Гейзенберга «всегда и то и другое». Еще одна причина, по которой Ланде был назван неортодоксальным, заключалась в том, что он, как и Гейзенберг, цитировал работу 1923 года старого квантового теоретика Уильяма Дуэйна, который предвосхитил квантово-механическую теорему, которая не был признан Борном. Эта теорема, кажется, делает довольно убедительным точку зрения «всегда и то и другое», подобную той, которая была принята Гейзенбергом. Можно сказать: «Это есть в математике», но это не физическое утверждение, которое убедило бы Бора. Возможно, основная причина нападок на Ланде заключается в том, что его работа демистифицировала феномен дифракции частиц материи, таких как бакиболлы.
На протяжении большей части 20-го века копенгагенская интерпретация имела подавляющее признание среди физиков. Хотя астрофизик и научный писатель Джон Гриббин описал его как потерянное после 1980-х годов, согласно очень неофициальному опросу (некоторые люди проголосовали за множественные интерпретации), проведенному на конференции по квантовой механике в 1997 году, Копенгагенская интерпретация оставалась наиболее широко принятой конкретной интерпретацией квантовой механики среди физиков. В более поздних опросах, проведенных на различных конференциях по квантовой механике, были обнаружены разные результаты. В статье 2017 года физик и лауреат Нобелевской премии Стивен Вайнберг заявляет, что копенгагенская интерпретация «сейчас широко признана неприемлемой».
Природа Копенгагена Интерпретация раскрывается путем рассмотрения ряда экспериментов и парадоксов.
Полнота квантовой механики (тезис 1) подверглась критике со стороны мысленного эксперимента Эйнштейна-Подольского-Розена, целью которого было показать, что квантовая механика не может быть законченной теорией.
. Экспериментальные проверки Неравенство Белла с использованием частиц подтвердило квантово-механическое предсказание запутанности.
Копенгагенская интерпретация придает особый статус процессам измерения без четкого определения их или объяснения их специфических эффектов. В своей статье, озаглавленной «Критика и контрпредложения к копенгагенской интерпретации квантовой теории», он опровергает точку зрения Александрова, согласно которой (перефразируя Гейзенберга) «волновая функция в конфигурационном пространстве характеризует объективное состояние электрона». Гейзенберг говорит:
Конечно, введение наблюдателя не должно пониматься неправильно, как подразумевающее, что в описание природы должны быть внесены какие-то субъективные особенности. Наблюдатель, скорее, выполняет только функцию регистрации решений, то есть процессов в пространстве и времени, и не имеет значения, является ли наблюдатель аппаратом или человеком; но регистрация, т. е. переход от «возможного» к «действительному», здесь абсолютно необходима и не может быть исключена из интерпретации квантовой теории.
Многие физики и философы возражали против Копенгагенской интерпретации как на том основании, что она не является детерминированной, так и на том основании, что она включает неопределенный процесс измерения, который преобразует функции вероятности в не вероятностные измерения. Комментарий Эйнштейна : «Я, во всяком случае, убежден, что Он [Бог] не бросает кости». и "Вы действительно думаете, что луны нет, если вы не смотрите на нее?" проиллюстрируйте это. Бор в ответ сказал: «Эйнштейн, не говори Богу, что делать».
Стивен Вайнберг в «Ошибках Эйнштейна», Physics Today, ноябрь 2005 г., стр. 31. :
Вся эта знакомая история правдива, но не учитывает иронию. Версия квантовой механики Бора была глубоко ошибочной, но не по той причине, о которой думал Эйнштейн. Копенгагенская интерпретация описывает, что происходит, когда наблюдатель производит измерение, но сам наблюдатель и акт измерения рассматриваются классически. Это определенно неверно: физики и их аппараты должны руководствоваться теми же квантово-механическими правилами, которые управляют всем остальным во Вселенной. Но эти правила выражаются в терминах волновой функции (или, точнее, вектора состояния), которая развивается совершенно детерминированным образом. Так откуда же берутся вероятностные правила копенгагенской интерпретации? За последние годы был достигнут значительный прогресс в решении этой проблемы, о которой я не могу здесь останавливаться. Достаточно сказать, что ни Бор, ни Эйнштейн не сосредоточились на реальной проблеме квантовой механики. Очевидно, что Копенгагенские правила работают, поэтому их необходимо принять. Но остается задача объяснить их, применяя детерминированное уравнение эволюции волновой функции, уравнение Шредингера, к наблюдателям и их аппаратам.
Проблема мышления в терминах классических измерений квантовой системы становится особенно острой. в области квантовой космологии, где квантовой системой является Вселенная.
E. Т. Джейнс, с байесовской точки зрения, утверждал, что вероятность - это мера состояния информации о физическом мире. Квантовая механика в копенгагенской интерпретации интерпретировала вероятность как физическое явление, что Джейнс назвал ошибкой проекции разума.
Общая критика копенгагенской интерпретации часто приводит к проблеме континуума случайных явлений. : будь то во времени (как последующие измерения, которые при определенных интерпретациях задачи измерения могут происходить непрерывно) или даже в пространстве. Недавний эксперимент показал, что частица может оставлять след на своем пути, когда движется как волна, и что этот след демонстрирует равенство обоих путей. Если такой результат будет возведен в ранг нетранзакционного мировоззрения, основанного только на волнах, и окажется лучше, т. Е. Что частица представляет собой континуум точек, способных действовать независимо, но под действием общей волновой функции, то он скорее подтвердит такие теории, как> Бома (с его направлением к центру орбиты и распространением физических свойств на него), чем интерпретации, которые предполагают полную случайность. Это связано с тем, что с полной случайностью было бы проблематично продемонстрировать универсально и во всех практических случаях, как частица может оставаться когерентной во времени, несмотря на ненулевые вероятности попадания ее отдельных точек в области, удаленные от центра масс (через континуум различные случайные определения). Альтернативная возможность - предположить, что существует конечное число моментов / точек в пределах данного времени или области, но теории, которые пытаются квантовать пространство или время, кажутся фатально несовместимыми с теорией специальной теории относительности.
Представление о том, что дифракция частиц логически гарантирует необходимость интерпретации волн, подверглось сомнению. В недавнем эксперименте был проведен протокол с двумя щелями с атомами гелия. Рассматриваемая здесь основная физика квантовой передачи импульса была первоначально указана в 1923 г. Уильямом Дуэйном, до изобретения квантовой механики. Позже его признали Гейзенберг и Полинг. Альфред Ланде выступил против ортодоксальных насмешек. Это также недавно было рассмотрено Ван Влит. Если дифрагирующие щели считаются классическими объектами, теоретически идеально бесшовными, тогда интерпретация волн кажется необходимой, но если дифрагирующие щели рассматриваются физически, как квантовые объекты, демонстрирующие коллективные квантовые движения, тогда интерпретации только частиц и только волн кажутся возможными. одинаково действительны.
Интерпретация ансамбля аналогична; он предлагает интерпретацию волновой функции, но не для отдельных частиц. Последовательная интерпретация историй рекламирует себя как «Копенгаген сделан правильно». Хотя копенгагенскую интерпретацию часто путают с идеей о том, что сознание вызывает коллапс, она определяет «наблюдателя» просто как того, кто разрушает волновую функцию. Теории квантовой информации появились позже, и привлекают растущую поддержку.
При реализме и детерминизме, если волновая функция считается онтологически реальной, а коллапс полностью отвергается, многие миры теоретические результаты. Если коллапс волновой функции также рассматривается как онтологически реальный, получается объективная теория коллапса . Under realism and determinism (as well as non-localism), a hidden variable theory exists, e.g., the de Broglie–Bohm interpretation, which treats the wavefunction as real, position and momentum as definite and resulting from the expected values, and physical properties as spread in space. For an atemporal indeterministic interpretation that “makes no attempt to give a ‘local’ account on the level of determinate particles”, the conjugate wavefunction, ("advanced" or time-reversed ) of the relativistic version of the wavefunction, and the so-called "retarded" or time-forward version are both regarded as real and the transactional interpretation results.
Some physicists, including Paul Dirac,Richard Feynman, and David Mermin, subscribe to the instrumentalist interpretation of quantum mechanics, a position often equated with eschewing all interpretation. The position is summarized by the sentence "Shut up and calculate!". While this slogan is sometimes misattributed to Dirac or Feynman, it seems to have been coined by Mermin.