تفسير كوبنهاجن هو شرح لميكانيكا الكم صاغه نيلز بور وفيرنر هايزنبرغ في عام 1927 عندما كان العلماء يعملون معًا في كوبنهاغن. كان بوهر وهايزنبرغ قادرين على تحسين التفسير الاحتمالي للوظيفة التي صاغها إم. بورن وحاولوا الإجابة على عدد من الأسئلة التي تنشأ بسبب ازدواجية الموجة والجسيم. ستنظر هذه المقالة في الأفكار الرئيسية لتفسير كوبنهاغن لميكانيكا الكم ، وتأثيرها على الفيزياء الحديثة.
مشاكل
تفسيرات ميكانيكا الكم تسمى وجهات النظر الفلسفية حول طبيعة ميكانيكا الكم كنظرية تصف العالم المادي. بمساعدتهم ، كان من الممكن الإجابة على أسئلة حول جوهر الواقع المادي ، وطريقة دراسته ، وطبيعة السببية والحتمية ، وكذلك جوهر الإحصاء ومكانته في ميكانيكا الكم. تعتبر ميكانيكا الكم من أكثر النظريات رنينًا في تاريخ العلم ، ولكن لا يوجد إجماع في فهمها العميق حتى الآن. هناك عدد من تفسيرات ميكانيكا الكم ، واليوم سنتعرف على أشهرهم
الأفكار الرئيسية
كما تعلم ، يتكون العالم المادي من كائنات كمية وأدوات قياس كلاسيكية. يصف التغيير في حالة أدوات القياس عملية إحصائية لا رجعة فيها لتغيير خصائص الكائنات الدقيقة. عندما يتفاعل جسم دقيق مع ذرات جهاز القياس ، يتم تقليل التراكب إلى حالة واحدة ، أي يتم تقليل وظيفة الموجة لجسم القياس. لا تصف معادلة شرودنغر هذه النتيجة.
من وجهة نظر تفسير كوبنهاجن ، لا تصف ميكانيكا الكم الأجسام الدقيقة نفسها ، بل تصف خصائصها ، التي تتجلى في الظروف الكلية التي أنشأتها أدوات القياس النموذجية أثناء الملاحظة. لا يمكن تمييز سلوك الأجسام الذرية عن تفاعلها مع أدوات القياس التي تحدد شروط حدوث الظواهر.
نظرة على ميكانيكا الكم
ميكانيكا الكم هي نظرية ثابتة. هذا يرجع إلى حقيقة أن قياس الكائن الدقيق يؤدي إلى تغيير في حالته. لذلك يوجد وصف احتمالي للموضع الأولي للكائن الموصوف بواسطة دالة الموجة. تعتبر الدالة الموجية المعقدة مفهومًا مركزيًا في ميكانيكا الكم. تتغير وظيفة الموجة إلى بعد جديد. تعتمد نتيجة هذا القياس على دالة الموجة بطريقة احتمالية. فقط مربع معامل الدالة الموجية له أهمية فيزيائية ، مما يؤكد احتمال أن تكون المدروسةالكائن الدقيق موجود في مكان معين في الفضاء.
في ميكانيكا الكم ، يتم استيفاء قانون السببية فيما يتعلق بوظيفة الموجة ، والتي تختلف بمرور الوقت اعتمادًا على الظروف الأولية ، وليس فيما يتعلق بإحداثيات سرعة الجسيمات ، كما هو الحال في التفسير الكلاسيكي للميكانيكا. نظرًا لحقيقة أن مربع معامل الدالة الموجية فقط هو الذي يمنح قيمة مادية ، فلا يمكن تحديد قيمها الأولية من حيث المبدأ ، مما يؤدي إلى بعض الاستحالة للحصول على معرفة دقيقة بالحالة الأولية للنظام الكمومي
أساس فلسفي
من وجهة نظر فلسفية ، أساس تفسير كوبنهاجن هو مبادئ معرفية:
- الملاحظة. يكمن جوهرها في الاستبعاد من النظرية الفيزيائية لتلك العبارات التي لا يمكن التحقق منها بالملاحظة المباشرة.
- إضافات. يفترض أن الوصف الموجي والجسيمي لأشياء العالم المجهري يكملان بعضهما البعض.
- عدم اليقين. يقول إن تنسيق الأجسام الدقيقة وزخمها لا يمكن تحديده بشكل منفصل وبدقة مطلقة.
- الحتمية الثابتة. يفترض أن الحالة الحالية للنظام المادي تتحدد من خلال حالاته السابقة ليس بشكل لا لبس فيه ، ولكن فقط بدرجة معينة من احتمال تنفيذ اتجاهات التغيير المنصوص عليها في الماضي.
- مطابقة. وفقًا لهذا المبدأ ، يتم تحويل قوانين ميكانيكا الكم إلى قوانين الميكانيكا الكلاسيكية عندما يكون من الممكن إهمال حجم كم الفعل.
الفوائد
في فيزياء الكم ، المعلومات حول الأجسام الذرية ، التي تم الحصول عليها من خلال الإعدادات التجريبية ، في علاقة غريبة مع بعضها البعض. في علاقات عدم اليقين لفيرنر هايزنبرغ ، هناك تناسب عكسي بين عدم الدقة في تحديد المتغيرات الحركية والديناميكية التي تحدد حالة النظام المادي في الميكانيكا الكلاسيكية.
ميزة مهمة لتفسير كوبنهاجن لميكانيكا الكم هي حقيقة أنه لا يعمل مع بيانات مفصلة بشكل مباشر حول الكميات غير القابلة للرصد فيزيائيًا. بالإضافة إلى ذلك ، مع الحد الأدنى من المتطلبات الأساسية ، فإنه يبني نظامًا مفاهيميًا يصف بشكل شامل الحقائق التجريبية المتاحة في الوقت الحالي.
معنى الدالة الموجية
وفقًا لتفسير كوبنهاجن ، يمكن أن تخضع وظيفة الموجة لعمليتين:
- التطور الوحدوي الموصوف بمعادلة شرودنجر
- قياس.
لم يشك أحد في العملية الأولى في المجتمع العلمي ، وتسببت العملية الثانية في مناقشات وأدت إلى عدد من التفسيرات ، حتى في إطار تفسير كوبنهاجن للوعي نفسه. من ناحية أخرى ، هناك كل الأسباب للاعتقاد بأن الدالة الموجية ليست سوى كائن مادي حقيقي ، وأنها تنهار أثناء العملية الثانية. من ناحية أخرى ، قد لا تكون وظيفة الموجة كيانًا حقيقيًا ، ولكنها أداة رياضية مساعدة ، والغرض الوحيد منهاهو توفير القدرة على حساب الاحتمال. أكد بوهر أن الشيء الوحيد الذي يمكن توقعه هو نتيجة التجارب الفيزيائية ، لذلك لا ينبغي أن تكون جميع القضايا الثانوية مرتبطة بالعلم الدقيق ، بل بالفلسفة. أعلن في تطوراته المفهوم الفلسفي للوضعية ، مما يتطلب أن يناقش العلم فقط الأشياء القابلة للقياس حقًا.
تجربة شق مزدوج
في تجربة ذات شقين ، يسقط ضوء يمر عبر شقين على الشاشة ، يظهر عليهما هامشان تداخلان: داكن وفاتح. تفسر هذه العملية من خلال حقيقة أن موجات الضوء يمكن أن تتضخم بشكل متبادل في بعض الأماكن ، وتلغي بعضها البعض في أماكن أخرى. من ناحية أخرى ، توضح التجربة أن للضوء خصائص جزء التدفق ، ويمكن للإلكترونات أن تظهر خصائص موجية ، مع إعطاء نمط تداخل.
يمكن افتراض أن التجربة يتم إجراؤها باستخدام تيار من الفوتونات (أو الإلكترونات) بكثافة منخفضة بحيث يمر جسيم واحد فقط عبر الفتحات في كل مرة. ومع ذلك ، عند إضافة النقاط التي تصطدم فيها الفوتونات بالشاشة ، يتم الحصول على نفس نمط التداخل من الموجات المتراكبة ، على الرغم من حقيقة أن التجربة تتعلق بجزيئات يفترض أنها منفصلة. هذا لأننا نعيش في عالم "احتمالي" ، حيث يكون لكل حدث مستقبلي درجة من الاحتمالية المعاد توزيعها ، واحتمال حدوث شيء غير متوقع تمامًا في اللحظة التالية من الزمن ضئيل نوعًا ما.
أسئلة
تجربة شق مثل هذاالأسئلة:
- ماذا ستكون قواعد سلوك الجسيمات الفردية؟ تشير قوانين ميكانيكا الكم إلى موقع الشاشة الذي ستكون فيه الجسيمات ، إحصائيًا. إنها تسمح لك بحساب موقع العصابات الضوئية ، والتي من المحتمل أن تحتوي على العديد من الجسيمات ، والعصابات المظلمة ، حيث من المحتمل أن تسقط جزيئات أقل. ومع ذلك ، فإن القوانين التي تحكم ميكانيكا الكم لا يمكن أن تتنبأ بالمكان الذي سينتهي فيه الجسيم الفردي بالفعل.
- ماذا يحدث للجسيم في الوقت الحالي بين الانبعاث والتسجيل؟ وفقًا لنتائج الملاحظات ، يمكن تكوين الانطباع بأن الجسيم يتفاعل مع كلا الشقين. يبدو أن هذا يتعارض مع انتظام سلوك الجسيم النقطي. علاوة على ذلك ، عندما يتم تسجيل جسيم ، فإنه يصبح نقطة.
- تحت تأثير ما يغير الجسيم سلوكه من ثابت إلى غير ثابت ، والعكس صحيح؟ عندما يمر الجسيم عبر الشقوق ، يتم تحديد سلوكه من خلال دالة موجية غير محلية تمر عبر كلا الشقين في نفس الوقت. في لحظة تسجيل الجسيم ، يتم إصلاحه دائمًا كنقطة ، ولا يتم الحصول على حزمة موجة غير واضحة.
الإجابات
تجيب نظرية كوبنهاجن للتفسير الكمي على الأسئلة المطروحة على النحو التالي:
- من المستحيل بشكل أساسي استبعاد الطبيعة الاحتمالية لتنبؤات ميكانيكا الكم. أي أنه لا يمكن أن يشير بدقة إلى حدود المعرفة البشرية حول أي متغيرات كامنة. يشير إلى الفيزياء الكلاسيكيةالاحتمالية في تلك الحالات عندما يكون من الضروري وصف عملية مثل رمي النرد. أي أن الاحتمال يحل محل المعرفة غير الكاملة. على العكس من ذلك ، ينص تفسير كوبنهاجن لميكانيكا الكم من قبل Heisenberg و Bohr على أن نتيجة القياسات في ميكانيكا الكم هي في الأساس غير حتمية.
- الفيزياء علم يدرس نتائج عمليات القياس. من الخطأ التكهن بما يحدث نتيجة لها. وفقًا لتفسير كوبنهاجن ، فإن الأسئلة حول مكان وجود الجسيم قبل لحظة تسجيله ، وغيرها من الافتراءات المماثلة لا معنى لها ، وبالتالي يجب استبعادها من التفكير.
- فعل القياس يؤدي إلى انهيار فوري للدالة الموجية. لذلك ، تختار عملية القياس بشكل عشوائي واحدًا فقط من الاحتمالات التي تسمح بها الدالة الموجية لحالة معينة. ولتعكس هذا الاختيار ، يجب أن تتغير الدالة الموجية على الفور.
نماذج
أدت صياغة تفسير كوبنهاجن في شكله الأصلي إلى ظهور العديد من الاختلافات. يعتمد أكثرها شيوعًا على نهج الأحداث المتسقة ومفهوم مثل فك الترابط الكمي. يسمح لك فك الترابط بحساب الحد الغامض بين العالمين الكلي والصغير. الاختلافات المتبقية تختلف في درجة "واقعية عالم الموجة".
نقد
تم التشكيك في صحة ميكانيكا الكم (إجابة هايزنبرغ وبوهر على السؤال الأول) في تجربة فكرية أجراها آينشتاين وبودولسكي وروزين (مفارقة EPR). وهكذا ، أراد العلماء إثبات أن وجود المعلمات المخفية ضروري حتى لا تؤدي النظرية إلى "عمل بعيد المدى" لحظي وغير محلي. ومع ذلك ، أثناء التحقق من مفارقة EPR ، التي أصبحت ممكنة بسبب عدم المساواة عند بيل ، ثبت أن ميكانيكا الكم صحيحة ، وأن العديد من النظريات المتغيرة الخفية ليس لها تأكيد تجريبي.
لكن الإجابة الأكثر إشكالية كانت إجابة هايزنبرغ وبوهر على السؤال الثالث ، والتي وضعت عمليات القياس في مكانة خاصة ، لكنها لم تحدد وجود السمات المميزة فيها.
رفض العديد من العلماء ، من الفيزيائيين والفلاسفة ، رفضًا قاطعًا قبول تفسير كوبنهاجن لفيزياء الكم. السبب الأول لذلك هو أن تفسير هايزنبرغ وبوهر لم يكن حتميًا. والثاني أنه قدم مفهومًا غامضًا للقياس حول وظائف الاحتمال إلى نتائج صحيحة.
كان أينشتاين متأكدًا من أن وصف الواقع المادي الذي قدمته ميكانيكا الكم كما فسره هايزنبرغ وبوهر كان غير مكتمل. وفقًا لأينشتاين ، وجد بعض المنطق في تفسير كوبنهاجن ، لكن غرائزه العلمية رفضت قبوله. لذلك لم يستطع أينشتاين التوقف عن البحث عن مفهوم أكثر اكتمالاً.
في رسالته إلى بورن ، قال أينشتاين: "أنا متأكد من أن الله لا يرمي النرد!". قال نيلز بور ، في تعليقه على هذه العبارة ، لأينشتاين ألا يخبر الله بما يجب أن يفعله. وفي حديثه مع أبراهام بايس ، هتف أينشتاين: "أنت تعتقد حقًا أن القمر موجودفقط عندما تنظر إليه؟ ".
توصل إروين شرودنغر إلى تجربة فكرية مع قطة ، أراد من خلالها إثبات دونية ميكانيكا الكم أثناء الانتقال من الأنظمة دون الذرية إلى الأنظمة المجهرية. في الوقت نفسه ، اعتبر الانهيار الضروري لوظيفة الموجة في الفضاء مشكلة. وفقًا لنظرية النسبية لأينشتاين ، فإن اللحظية والتزامن لا يكون لهما معنى إلا لمراقب في نفس الإطار المرجعي. وبالتالي ، لا يوجد وقت يمكن أن يصبح واحداً للجميع ، مما يعني أنه لا يمكن تحديد الانهيار الفوري.
توزيع
أظهر استطلاع غير رسمي تم إجراؤه في الأوساط الأكاديمية في عام 1997 أن تفسير كوبنهاجن السائد سابقًا ، والذي تمت مناقشته بإيجاز أعلاه ، كان مدعومًا من أقل من نصف المستجيبين. ومع ذلك ، فإن لديها أتباعًا أكثر من التفسيرات الأخرى بشكل فردي.
البديل
العديد من الفيزيائيين أقرب إلى تفسير آخر لميكانيكا الكم ، والذي يسمى "لا شيء". يتم التعبير عن جوهر هذا التفسير بشكل شامل في مقولة ديفيد ميرمين: "اخرس واحسب!" ، والتي غالبًا ما تُنسب إلى ريتشارد فاينمان أو بول ديراك.
