การตีความโคเปนเฮเกนเป็นคำอธิบายของกลศาสตร์ควอนตัมที่ Niels Bohr และ Werner Heisenberg คิดค้นขึ้นในปี 1927 เมื่อนักวิทยาศาสตร์ทำงานร่วมกันในโคเปนเฮเกน Bohr และ Heisenberg สามารถปรับปรุงการตีความความน่าจะเป็นของฟังก์ชันที่กำหนดโดย M. Born และพยายามตอบคำถามจำนวนหนึ่งที่เกิดขึ้นเนื่องจากความเป็นคู่ของอนุภาคคลื่น บทความนี้จะพิจารณาแนวคิดหลักของการตีความกลศาสตร์ควอนตัมในโคเปนเฮเกน และผลกระทบที่มีต่อฟิสิกส์สมัยใหม่
ปัญหา
การตีความกลศาสตร์ควอนตัมที่เรียกว่ามุมมองเชิงปรัชญาเกี่ยวกับธรรมชาติของกลศาสตร์ควอนตัมเป็นทฤษฎีที่อธิบายโลกแห่งวัตถุ ด้วยความช่วยเหลือของพวกเขา จึงสามารถตอบคำถามเกี่ยวกับแก่นแท้ของความเป็นจริงทางกายภาพ วิธีการศึกษา ธรรมชาติของเวรกรรมและการกำหนดระดับตลอดจนแก่นแท้ของสถิติและตำแหน่งของมันในกลศาสตร์ควอนตัม กลศาสตร์ควอนตัมถือเป็นทฤษฎีที่สะท้อนได้มากที่สุดในประวัติศาสตร์วิทยาศาสตร์ แต่ก็ยังไม่มีความเห็นเป็นเอกฉันท์ในความเข้าใจอย่างลึกซึ้ง มีการตีความกลศาสตร์ควอนตัมจำนวนหนึ่งและวันนี้เราจะมาทำความรู้จักกับความนิยมของพวกเขากัน
แนวคิดหลัก
อย่างที่คุณทราบ โลกทางกายภาพประกอบด้วยวัตถุควอนตัมและเครื่องมือวัดแบบคลาสสิก การเปลี่ยนแปลงสถานะของเครื่องมือวัดจะอธิบายกระบวนการทางสถิติที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ของการเปลี่ยนแปลงลักษณะของวัตถุขนาดเล็ก เมื่อไมโครออบเจ็กต์โต้ตอบกับอะตอมของอุปกรณ์วัด การซ้อนทับจะลดลงเป็นสถานะเดียว กล่าวคือ ฟังก์ชันคลื่นของวัตถุวัดจะลดลง สมการชโรดิงเงอร์ไม่ได้อธิบายผลลัพธ์นี้
จากมุมมองของการตีความในโคเปนเฮเกน กลศาสตร์ควอนตัมไม่ได้อธิบายถึงไมโครออบเจกต์ด้วยตัวมันเอง แต่คุณสมบัติของพวกมัน ซึ่งแสดงออกมาในสภาวะมหภาคที่สร้างขึ้นโดยเครื่องมือวัดทั่วไปในระหว่างการสังเกต พฤติกรรมของวัตถุปรมาณูไม่สามารถแยกความแตกต่างจากการมีปฏิสัมพันธ์กับเครื่องมือวัดที่แก้ไขเงื่อนไขสำหรับการเกิดขึ้นของปรากฏการณ์
ดูกลศาสตร์ควอนตัม
กลศาสตร์ควอนตัมเป็นทฤษฎีสถิตย์ เนื่องจากการวัดขนาดไมโครออบเจ็กต์ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในสถานะ ดังนั้นจึงมีคำอธิบายความน่าจะเป็นของตำแหน่งเริ่มต้นของวัตถุ ซึ่งอธิบายโดยฟังก์ชันคลื่น ฟังก์ชันคลื่นที่ซับซ้อนเป็นแนวคิดหลักในกลศาสตร์ควอนตัม ฟังก์ชันคลื่นจะเปลี่ยนเป็นมิติใหม่ ผลลัพธ์ของการวัดนี้ขึ้นอยู่กับฟังก์ชันของคลื่น ในทางที่น่าจะเป็น เฉพาะกำลังสองของโมดูลัสของฟังก์ชันคลื่นเท่านั้นที่มีนัยสำคัญทางกายภาพ ซึ่งยืนยันความน่าจะเป็นที่การศึกษาไมโครอ็อบเจ็กต์ตั้งอยู่ในที่แห่งหนึ่งในอวกาศ
ในกลศาสตร์ควอนตัม กฎแห่งเวรกรรมถูกเติมเต็มด้วยความเคารพต่อฟังก์ชันคลื่น ซึ่งจะแปรผันตามเวลาขึ้นอยู่กับเงื่อนไขเริ่มต้น และไม่เกี่ยวกับพิกัดความเร็วของอนุภาค เช่นเดียวกับการตีความคลาสสิกของกลศาสตร์ เนื่องจากความจริงที่ว่ามีเพียงสแควร์ของโมดูลัสของฟังก์ชันคลื่นเท่านั้นที่มีมูลค่าทางกายภาพจึงไม่สามารถกำหนดค่าเริ่มต้นในหลักการได้ซึ่งนำไปสู่ความเป็นไปไม่ได้ที่จะได้รับความรู้ที่ถูกต้องเกี่ยวกับสถานะเริ่มต้นของระบบควอนตัม.
พื้นฐานทางปรัชญา
จากมุมมองเชิงปรัชญา พื้นฐานของการตีความโคเปนเฮเกนเป็นหลักการทางญาณวิทยา:
- การสังเกต สาระสำคัญของมันอยู่ที่การแยกตัวออกจากทฤษฎีทางกายภาพของข้อความเหล่านั้นที่ไม่สามารถตรวจสอบได้โดยการสังเกตโดยตรง
- พิเศษ. สมมติว่าคลื่นและคำอธิบายเกี่ยวกับร่างกายของวัตถุของ microworld เสริมกัน
- ความไม่แน่นอน. กล่าวว่าพิกัดของวัตถุขนาดเล็กและโมเมนตัมไม่สามารถกำหนดแยกกันได้และแม่นยำอย่างยิ่ง
- การกำหนดแบบคงที่. ถือว่าสถานะปัจจุบันของระบบกายภาพนั้นถูกกำหนดโดยสถานะก่อนหน้านั้นไม่ชัดแจ้ง แต่มีเพียงระดับความน่าจะเป็นของการดำเนินการตามแนวโน้มของการเปลี่ยนแปลงที่วางไว้ในอดีตเท่านั้น
- ตรงกัน ตามหลักการนี้ กฎของกลศาสตร์ควอนตัมจะถูกเปลี่ยนเป็นกฎของกลศาสตร์คลาสสิกเมื่อเป็นไปได้ที่จะละเลยขนาดของควอนตัมของการกระทำ
ผลประโยชน์
ในฟิสิกส์ควอนตัม ข้อมูลเกี่ยวกับวัตถุปรมาณูที่ได้จากการตั้งค่าการทดลองมีความสัมพันธ์ที่แปลกประหลาดซึ่งกันและกัน ในความสัมพันธ์ที่ไม่แน่นอนของแวร์เนอร์ ไฮเซนเบิร์ก มีสัดส่วนผกผันระหว่างความไม่ถูกต้องในการแก้ไขตัวแปรจลนศาสตร์และไดนามิกที่กำหนดสถานะของระบบกายภาพในกลศาสตร์คลาสสิก
ข้อได้เปรียบที่สำคัญของการตีความกลศาสตร์ควอนตัมในโคเปนเฮเกนคือข้อเท็จจริงที่ว่ากลไกควอนตัมไม่ได้ดำเนินการกับข้อความโดยละเอียดโดยตรงเกี่ยวกับปริมาณที่ไม่สามารถสังเกตได้ทางกายภาพ นอกจากนี้ ด้วยข้อกำหนดเบื้องต้นขั้นต่ำ มันสร้างระบบแนวคิดที่อธิบายข้อเท็จจริงการทดลองที่มีอยู่ในขณะนี้อย่างละเอียดถี่ถ้วน
ความหมายของฟังก์ชั่นคลื่น
ตามการตีความของโคเปนเฮเกน ฟังก์ชันคลื่นสามารถอยู่ภายใต้สองกระบวนการ:
- วิวัฒนาการเอกภาพซึ่งอธิบายโดยสมการชโรดิงเงอร์
- การวัด.
ไม่มีใครสงสัยเกี่ยวกับกระบวนการแรกในชุมชนวิทยาศาสตร์ และกระบวนการที่สองทำให้เกิดการอภิปรายและทำให้เกิดการตีความจำนวนมาก แม้จะอยู่ในกรอบของการตีความจิตสำนึกของโคเปนเฮเกนเอง ในอีกด้านหนึ่ง มีเหตุผลทุกประการที่จะเชื่อว่าฟังก์ชันคลื่นเป็นเพียงวัตถุจริงเท่านั้น และจะยุบลงในขั้นตอนที่สอง ในทางกลับกัน ฟังก์ชันคลื่นอาจไม่ใช่เอนทิตีจริง แต่เป็นเครื่องมือทางคณิตศาสตร์เสริม ซึ่งมีจุดประสงค์เพียงอย่างเดียวคือคือการจัดให้มีความสามารถในการคำนวณความน่าจะเป็น Bohr เน้นย้ำว่าสิ่งเดียวที่สามารถทำนายได้คือผลลัพธ์ของการทดลองทางกายภาพ ดังนั้นประเด็นรองทั้งหมดไม่ควรเกี่ยวข้องกับวิทยาศาสตร์ที่แน่นอน แต่กับปรัชญา เขายอมรับในการพัฒนาของเขาเกี่ยวกับแนวคิดเชิงปรัชญาของการมองโลกในแง่ดี โดยกำหนดให้วิทยาศาสตร์อภิปรายเฉพาะสิ่งที่สามารถวัดได้เท่านั้น
การทดลองกรีดสองครั้ง
ในการทดลองแบบสองช่อง แสงที่ลอดผ่านช่องผ่าสองช่องตกลงมาที่หน้าจอ โดยจะมีขอบรบกวนสองช่องปรากฏขึ้น: มืดและสว่าง กระบวนการนี้อธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าคลื่นแสงสามารถขยายพร้อมกันได้ในบางสถานที่ และตัดกันออกจากกันที่อื่น ในทางกลับกัน การทดลองแสดงให้เห็นว่าแสงมีคุณสมบัติของส่วนที่ไหล และอิเล็กตรอนสามารถแสดงคุณสมบัติของคลื่นได้ ในขณะที่ให้รูปแบบการรบกวน
สามารถสันนิษฐานได้ว่าการทดลองดำเนินการด้วยโฟตอน (หรืออิเล็กตรอน) ที่มีความเข้มต่ำจนมีอนุภาคเพียงตัวเดียวผ่านเข้าไปในช่องในแต่ละครั้ง อย่างไรก็ตาม เมื่อเพิ่มจุดที่โฟตอนชนกับหน้าจอ รูปแบบการรบกวนแบบเดียวกันนั้นได้มาจากคลื่นที่ซ้อนทับ แม้ว่าข้อเท็จจริงที่ว่าการทดลองเกี่ยวข้องกับการแยกอนุภาคตามที่คาดคะเน นี่เป็นเพราะว่าเราอาศัยอยู่ในจักรวาล "ความน่าจะเป็น" ซึ่งเหตุการณ์ในอนาคตทุกเหตุการณ์มีความเป็นไปได้แบบกระจาย และความน่าจะเป็นที่สิ่งที่ไม่คาดฝันโดยสิ้นเชิงจะเกิดขึ้นในช่วงเวลาถัดไปนั้นค่อนข้างน้อย
คำถาม
ประสบการณ์ตรงทำให้คำถาม:
- พฤติกรรมของอนุภาคแต่ละตัวจะเป็นอย่างไร? กฎของกลศาสตร์ควอนตัมระบุตำแหน่งของหน้าจอที่อนุภาคจะอยู่ในทางสถิติ สิ่งเหล่านี้ทำให้คุณสามารถคำนวณตำแหน่งของแถบแสง ซึ่งมีแนวโน้มที่จะประกอบด้วยอนุภาคจำนวนมาก และแถบสีเข้ม ซึ่งอาจมีอนุภาคน้อยลง อย่างไรก็ตาม กฎหมายที่ควบคุมกลศาสตร์ควอนตัมไม่สามารถคาดเดาได้ว่าอนุภาคแต่ละตัวจะจบลงที่ใด
- เกิดอะไรขึ้นกับอนุภาคระหว่างการปล่อยและการลงทะเบียนในขณะนี้? จากผลการสังเกต สามารถสร้างความประทับใจได้ว่าอนุภาคมีปฏิสัมพันธ์กับรอยแยกทั้งสอง ดูเหมือนว่าสิ่งนี้จะขัดแย้งกับความสม่ำเสมอของพฤติกรรมของอนุภาคจุด นอกจากนี้เมื่อลงทะเบียนอนุภาคแล้วจะกลายเป็นจุด
- ภายใต้อิทธิพลของสิ่งที่อนุภาคเปลี่ยนพฤติกรรมจากไฟฟ้าสถิตเป็นไม่คงที่ และในทางกลับกัน? เมื่ออนุภาคผ่านรอยแยก พฤติกรรมของอนุภาคจะถูกกำหนดโดยฟังก์ชันคลื่นที่ไม่ระบุตำแหน่งที่ส่งผ่านรอยแยกทั้งสองพร้อมกัน ในช่วงเวลาของการลงทะเบียนอนุภาค อนุภาคจะได้รับการแก้ไขเป็นจุดเสมอ และจะไม่ได้รับแพ็กเก็ตคลื่นเบลอ
คำตอบ
ทฤษฎีการตีความควอนตัมของโคเปนเฮเกนตอบคำถามดังต่อไปนี้:
- โดยพื้นฐานแล้วมันเป็นไปไม่ได้ที่จะขจัดความน่าจะเป็นของการทำนายกลศาสตร์ควอนตัม กล่าวคือ ไม่สามารถระบุข้อจำกัดของความรู้ของมนุษย์เกี่ยวกับตัวแปรแฝงได้อย่างถูกต้อง ฟิสิกส์คลาสสิกหมายถึงความน่าจะเป็นในกรณีเหล่านั้นเมื่อจำเป็นต้องอธิบายกระบวนการเช่นการโยนลูกเต๋า นั่นคือความน่าจะเป็นเข้ามาแทนที่ความรู้ที่ไม่สมบูรณ์ ในทางตรงกันข้าม การตีความกลศาสตร์ควอนตัมในโคเปนเฮเกนโดยไฮเซนเบิร์กและบอร์ระบุว่าผลลัพธ์ของการวัดในกลศาสตร์ควอนตัมนั้นไม่มีการกำหนดโดยพื้นฐาน
- ฟิสิกส์เป็นศาสตร์ที่ศึกษาผลลัพธ์ของกระบวนการวัด เป็นการผิดที่จะคาดเดาว่าเกิดอะไรขึ้นกับพวกเขา ตามการตีความของโคเปนเฮเกน คำถามเกี่ยวกับตำแหน่งที่อนุภาคอยู่ก่อนเวลาของการลงทะเบียนและการประดิษฐ์ที่คล้ายกันอื่น ๆ นั้นไม่มีความหมาย ดังนั้นจึงควรแยกออกจากการไตร่ตรอง
- การวัดจะนำไปสู่การล่มสลายของฟังก์ชันคลื่นในทันที ดังนั้น กระบวนการวัดจะสุ่มเลือกความเป็นไปได้เพียงอย่างเดียวที่ฟังก์ชันคลื่นของสถานะที่กำหนดอนุญาต และเพื่อสะท้อนถึงตัวเลือกนี้ ฟังก์ชันคลื่นจะต้องเปลี่ยนทันที
แบบฟอร์ม
การตีความของโคเปนเฮเกนในรูปแบบดั้งเดิมทำให้เกิดรูปแบบที่หลากหลาย ส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับแนวทางของเหตุการณ์ที่สอดคล้องกันและแนวคิดเช่นการถอดรหัสควอนตัม Decoherence ช่วยให้คุณสามารถคำนวณขอบเขตที่คลุมเครือระหว่างมาโครและไมโครเวิร์ล รูปแบบที่เหลือแตกต่างกันในระดับของ "ความสมจริงของโลกคลื่น"
วิพากษ์วิจารณ์
ความถูกต้องของกลศาสตร์ควอนตัม (คำตอบของไฮเซนเบิร์กและบอร์สำหรับคำถามแรก) ถูกตั้งคำถามในการทดลองทางความคิดที่ดำเนินการโดยไอน์สไตน์ โพดอลสกี และโรเซน (EPR ขัดแย้ง). ดังนั้น นักวิทยาศาสตร์ต้องการพิสูจน์ว่าการมีอยู่ของพารามิเตอร์ที่ซ่อนอยู่นั้นมีความจำเป็น เพื่อที่ทฤษฎีจะไม่นำไปสู่ "การกระทำระยะไกล" ที่เกิดขึ้นทันทีและไม่ใช่ในพื้นที่ อย่างไรก็ตาม ในระหว่างการตรวจสอบ EPR Paradox ซึ่งเกิดจากความไม่เท่าเทียมกันของ Bell ได้พิสูจน์แล้วว่ากลศาสตร์ควอนตัมนั้นถูกต้อง และทฤษฎีตัวแปรที่ซ่อนอยู่หลายๆ แบบไม่มีการยืนยันการทดลอง
แต่คำตอบที่เป็นปัญหาที่สุดคือคำตอบของไฮเซนเบิร์กและบอร์สำหรับคำถามที่สาม ซึ่งทำให้กระบวนการวัดอยู่ในตำแหน่งพิเศษ แต่ไม่ได้ระบุถึงลักษณะเด่นในนั้น
นักวิทยาศาสตร์หลายคน ทั้งนักฟิสิกส์และนักปรัชญา ปฏิเสธที่จะยอมรับการตีความฟิสิกส์ควอนตัมของโคเปนเฮเกนอย่างตรงไปตรงมา เหตุผลแรกสำหรับเรื่องนี้ก็คือการตีความของไฮเซนเบิร์กและบอร์ไม่ได้กำหนดขึ้น และอย่างที่สองคือมันนำเสนอแนวคิดที่คลุมเครือของการวัดที่เปลี่ยนฟังก์ชันความน่าจะเป็นให้เป็นผลลัพธ์ที่ถูกต้อง
Einstein มั่นใจว่าคำอธิบายของความเป็นจริงทางกายภาพที่กำหนดโดยกลศาสตร์ควอนตัมตามที่ Heisenberg และ Bohr ตีความนั้นไม่สมบูรณ์ ตามที่ไอน์สไตน์ เขาค้นพบตรรกะบางอย่างในการตีความของโคเปนเฮเกน แต่สัญชาตญาณทางวิทยาศาสตร์ของเขาปฏิเสธที่จะยอมรับมัน ดังนั้นไอน์สไตน์จึงหยุดมองหาแนวคิดที่สมบูรณ์กว่านี้ไม่ได้
ในจดหมายถึง Born Einstein กล่าวว่า "ฉันแน่ใจว่าพระเจ้าจะไม่ทรงโยนลูกเต๋า!" Niels Bohr แสดงความคิดเห็นเกี่ยวกับวลีนี้ บอก Einstein ว่าอย่าบอกพระเจ้าว่าต้องทำอย่างไร และในการสนทนาของเขากับอับราฮัม ไพส์ ไอน์สไตน์ก็อุทานว่า “เธอคิดจริงๆ เหรอว่าดวงจันทร์มีอยู่จริงแค่ดูเฉยๆ?”
เออร์วิน ชโรดิงเงอร์ได้คิดค้นการทดลองทางความคิดกับแมว โดยเขาต้องการแสดงให้เห็นถึงความด้อยกว่าของกลศาสตร์ควอนตัมระหว่างการเปลี่ยนจากระบบย่อยของอะตอมเป็นจุลภาค ในเวลาเดียวกัน การล่มสลายที่จำเป็นของฟังก์ชันคลื่นในอวกาศถือเป็นปัญหา ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ ความทันทีทันใดและความพร้อมกันนั้นสมเหตุสมผลสำหรับผู้สังเกตที่อยู่ในกรอบอ้างอิงเดียวกันเท่านั้น ดังนั้นจึงไม่มีเวลาใดที่จะเป็นหนึ่งเดียวสำหรับทุกคน ซึ่งหมายความว่าการล่มสลายในทันทีไม่สามารถระบุได้
จำหน่าย
การสำรวจอย่างไม่เป็นทางการที่จัดทำขึ้นในเชิงวิชาการในปี 1997 พบว่าการตีความของโคเปนเฮเกนที่เด่นชัดก่อนหน้านี้ ซึ่งกล่าวถึงสั้น ๆ ข้างต้น ได้รับการสนับสนุนโดยผู้ตอบแบบสอบถามไม่ถึงครึ่ง อย่างไรก็ตาม มันมีสมัครพรรคพวกมากกว่าการตีความอื่น ๆ เป็นรายบุคคล
ทางเลือก
นักฟิสิกส์หลายคนเข้าใกล้การตีความกลศาสตร์ควอนตัมแบบอื่นมากขึ้น ซึ่งเรียกว่า "ไม่มี" สาระสำคัญของการตีความนี้แสดงออกมาอย่างละเอียดถี่ถ้วนในคติพจน์ของ David Mermin: "หุบปากแล้วคำนวณ!" ซึ่งมักมีสาเหตุมาจาก Richard Feynman หรือ Paul Dirac