הפירוש של קופנהגן הוא הסבר למכניקת הקוונטים שנוסח על ידי נילס בוהר וורנר הייזנברג בשנת 1927 כאשר המדענים עבדו יחד בקופנהגן. בוהר והייזנברג הצליחו לשפר את הפרשנות ההסתברותית של הפונקציה שגיבש מ' בורן וניסו לענות על מספר שאלות שעולות עקב דואליות גל-חלקיק. מאמר זה יבחן את הרעיונות העיקריים של פרשנות קופנהגן למכניקת הקוונטים, והשפעתם על הפיזיקה המודרנית.
בעיות
פרשנויות של מכניקת הקוונטים הנקראות השקפות פילוסופיות על טבעה של מכניקת הקוונטים כתיאוריה המתארת את העולם החומרי. בעזרתם ניתן היה לענות על שאלות על מהות המציאות הפיזית, שיטת לימודה, מהות הסיבתיות והדטרמיניזם וכן מהות הסטטיסטיקה ומקומה במכניקת הקוונטים. מכניקת הקוונטים נחשבת לתיאוריה המהדהדת ביותר בתולדות המדע, אך עדיין אין קונצנזוס בהבנתה העמוקה. ישנן מספר פרשנויות של מכניקת הקוונטים, והיום נכיר את הפופולריים שבהם.
רעיונות מפתח
כפי שאתה יודע, העולם הפיזי מורכב מחפצים קוונטיים וממכשירי מדידה קלאסיים. השינוי במצב מכשירי המדידה מתאר תהליך סטטיסטי בלתי הפיך של שינוי מאפיינים של מיקרו-אובייקטים. כאשר מיקרו-אובייקט יוצר אינטראקציה עם האטומים של מכשיר המדידה, הסופרפוזיציה מצטמצמת למצב אחד, כלומר, פונקציית הגל של אובייקט המדידה מצטמצמת. משוואת שרדינגר אינה מתארת תוצאה זו.
מנקודת המבט של הפירוש בקופנהגן, מכניקת הקוונטים אינה מתארת מיקרו-אובייקטים עצמם, אלא תכונותיהם, המתבטאות בתנאי מאקרו שנוצרו על ידי מכשירי מדידה אופייניים במהלך התצפית. לא ניתן להבחין בין התנהגותם של עצמים אטומיים לבין האינטראקציה שלהם עם מכשירי מדידה המקבעים את התנאים להתרחשות תופעות.
מבט על מכניקת הקוונטים
מכניקת הקוונטים היא תיאוריה סטטית. זאת בשל העובדה שמדידת מיקרו-אובייקט מביאה לשינוי במצבו. אז יש תיאור הסתברותי של המיקום ההתחלתי של האובייקט, המתואר על ידי פונקציית הגל. פונקציית הגל המורכבת היא מושג מרכזי במכניקת הקוונטים. פונקציית הגל משתנה למימד חדש. התוצאה של מדידה זו תלויה בפונקציית הגל, באופן הסתברותי. רק לריבוע המודולוס של פונקציית הגל יש משמעות פיזיקלית, המאשרת את ההסתברות שהנחקרהמיקרו-אובייקט ממוקם במקום מסוים בחלל.
במכניקת הקוונטים, חוק הסיבתיות מתקיים ביחס לפונקציית הגל, המשתנה בזמן בהתאם לתנאי ההתחלה, ולא ביחס לקואורדינטות מהירות החלקיקים, כמו בפרשנות הקלאסית של המכניקה. בשל העובדה שרק ריבוע המודולוס של פונקציית הגל ניחן בערך פיזיקלי, לא ניתן לקבוע באופן עקרוני את ערכיו ההתחלתיים, מה שמוביל לחוסר אפשרות כלשהי לקבל ידע מדויק על המצב ההתחלתי של המערכת הקוונטית.
בסיס פילוסופי
מנקודת מבט פילוסופית, הבסיס לפרשנות קופנהגן הם עקרונות אפיסטמולוגיים:
- צפיות. המהות שלה טמונה בהדרה מהתיאוריה הפיזיקלית של אותן הצהרות שלא ניתן לאמת על ידי התבוננות ישירה.
- תוספות. מניח שתיאור הגל והגוף של האובייקטים של עולם המיקרו משלימים זה את זה.
- אי-ודאות. אומר שלא ניתן לקבוע את הקואורדינטה של מיקרו-אובייקטים והתנע שלהם בנפרד, ובדיוק מוחלט.
- דטרמיניזם סטטי. היא מניחה שהמצב הנוכחי של המערכת הפיזית נקבע על פי המצבים הקודמים שלה לא באופן חד משמעי, אלא רק עם מידה מסוימת של הסתברות ליישום מגמות השינוי שנקבעו בעבר.
- התאמה. לפי עיקרון זה, חוקי מכניקת הקוונטים הופכים לחוקי המכניקה הקלאסית כאשר ניתן להזניח את גודל קוונט הפעולה.
הטבות
בפיזיקה הקוונטית, מידע על עצמים אטומיים, המתקבל באמצעות מערכי ניסוי, נמצא ביחסים מוזרים זה עם זה. ביחסי אי הוודאות של ורנר הייזנברג, קיימת מידתיות הפוכה בין אי-הדיוקים בתיקון המשתנים הקינטיים והדינמיים הקובעים את מצבה של מערכת פיזיקלית במכניקה הקלאסית.
יתרון משמעותי בפרשנות קופנהגן למכניקת הקוונטים היא העובדה שהיא אינה פועלת עם הצהרות מפורטות ישירות על כמויות בלתי ניתנות לצפייה פיזית. בנוסף, עם מינימום תנאים מוקדמים, היא בונה מערכת מושגית המתארת בצורה ממצה את העובדות הניסויות הזמינות כרגע.
המשמעות של פונקציית הגל
לפי הפרשנות של קופנהגן, פונקציית הגל יכולה להיות כפופה לשני תהליכים:
- אבולוציה יחידה, המתוארת על ידי משוואת שרדינגר.
- מדידה.
לאף אחד לא היו ספקות לגבי התהליך הראשון בקהילה המדעית, והתהליך השני גרם לדיונים והוליד מספר פרשנויות, גם במסגרת פרשנות קופנהגן לתודעה עצמה. מצד אחד, יש את כל הסיבות להאמין שפונקציית הגל אינה אלא אובייקט פיזי אמיתי, ושהיא קורסת במהלך התהליך השני. מצד שני, ייתכן שפונקציית הגל אינה ישות אמיתית, אלא כלי מתמטי עזר, שמטרתו היחידההוא לספק את היכולת לחשב את ההסתברות. בוהר הדגיש שהדבר היחיד שניתן לחזות הוא תוצאה של ניסויים פיזיקליים, ולכן כל הנושאים המשניים לא צריכים להיות קשורים למדע מדויק, אלא לפילוסופיה. הוא הצהיר בפיתוחיו על המושג הפילוסופי של פוזיטיביזם, ודרש שהמדע ידון רק בדברים הניתנים למדידה באמת.
ניסוי חריץ כפול
בניסוי של שני חריצים, אור העובר דרך שני חריצים נופל על המסך, שעליו מופיעים שני שולי הפרעה: כהה ובהיר. תהליך זה מוסבר על ידי העובדה שגלי אור יכולים להגביר הדדית במקומות מסוימים, ולבטל זה את זה במקומות אחרים. מצד שני, הניסוי ממחיש שלאור יש תכונות של חלק זרימה, ואלקטרונים יכולים להפגין תכונות גל, תוך מתן תבנית הפרעה.
ניתן לשער שהניסוי מתבצע עם זרם של פוטונים (או אלקטרונים) בעוצמה כה נמוכה שרק חלקיק אחד עובר דרך החריצים בכל פעם. אף על פי כן, כאשר מוסיפים את הנקודות שבהן הפוטונים פוגעים במסך, אותה דפוס הפרעות מתקבל מגלים מונחים על גבי, למרות העובדה שהניסוי נוגע לחלקיקים נפרדים כביכול. הסיבה לכך היא שאנו חיים ביקום "הסתברותי", שבו לכל אירוע עתידי יש מידה מחולקת מחדש של אפשרות, וההסתברות שמשהו בלתי צפוי לחלוטין יקרה ברגע הזמן הבא היא די קטנה.
שאלות
ניסיון חצוי מעמיד כזהשאלות:
- מה יהיו הכללים להתנהגות של חלקיקים בודדים? חוקי מכניקת הקוונטים מציינים את מיקום המסך בו יהיו החלקיקים, סטטיסטית. הם מאפשרים לך לחשב את המיקום של פסים בהירים, שסביר להניח שיכילו חלקיקים רבים, ורצועות כהות, שבהן פחות חלקיקים צפויים ליפול. עם זאת, החוקים השולטים במכניקת הקוונטים אינם יכולים לחזות היכן יגיע חלקיק בודד.
- מה קורה לחלקיק ברגע בין פליטה לרישום? על פי תוצאות התצפיות, ניתן ליצור רושם שהחלקיק נמצא באינטראקציה עם שני החריצים. נראה שזה סותר את חוקיות ההתנהגות של חלקיק נקודתי. יתרה מכך, כאשר חלקיק נרשם, הוא הופך לנקודה.
- בהשפעה של מה חלקיק משנה את התנהגותו מסטטי ללא סטטי, ולהיפך? כאשר חלקיק עובר דרך החרכים, התנהגותו נקבעת על ידי פונקציית גל לא ממוקמת העוברת דרך שני החריצים בו-זמנית. ברגע הרישום של חלקיק, הוא תמיד קבוע כנקודה, ולעולם לא מתקבלת חבילת גלים מטושטשת.
Answers
תורת הקופנהגן של פרשנות קוונטית עונה על השאלות שהוצגו באופן הבא:
- אי אפשר ביסודו לבטל את האופי ההסתברותי של התחזיות של מכניקת הקוונטים. כלומר, זה לא יכול להצביע במדויק על מגבלה של הידע האנושי לגבי משתנים סמויים כלשהם. פיסיקה קלאסית מתייחסתהסתברות באותם מקרים שבהם יש צורך לתאר תהליך כגון זריקת קוביות. כלומר, הסתברות מחליפה ידע לא שלם. הפרשנות של קופנהגן למכניקת הקוונטים על ידי הייזנברג ובוהר, להיפך, קובעת שתוצאת המדידות במכניקת הקוונטים היא ביסודה לא דטרמיניסטית.
- פיזיקה הוא מדע החוקר תוצאות של תהליכי מדידה. לא נכון לשער מה קורה כתוצאה מהם. לפי הפרשנות של קופנהגן, שאלות לגבי היכן היה החלקיק לפני רגע רישומו, ובדיות דומות אחרות הן חסרות משמעות, ולכן יש להוציאן מהשתקפות.
- פעולת המדידה מובילה לקריסה מיידית של פונקציית הגל. לכן, תהליך המדידה בוחר באקראי רק אחת מהאפשרויות שפונקציית הגל של מצב נתון מאפשרת. וכדי לשקף את הבחירה הזו, פונקציית הגל חייבת להשתנות באופן מיידי.
Forms
ניסוח הפירוש של קופנהגן בצורתו המקורית הוליד כמה וריאציות. הנפוץ שבהם מבוסס על הגישה של אירועים עקביים ועל מושג כמו דקוהרנטיות קוונטית. דה-קוהרנטיות מאפשרת לך לחשב את הגבול המעורפל בין עולמות המאקרו והמיקרו. הווריאציות הנותרות שונות במידת ה"ריאליזם של עולם הגל".
Criticism
תקפותה של מכניקת הקוונטים (התשובה של הייזנברג ובוהר לשאלה הראשונה) נחקרה בניסוי מחשבתי שערכו איינשטיין, פודולסקי ורוזן (פרדוקס EPR). לפיכך, מדענים רצו להוכיח כי קיומם של פרמטרים נסתרים הכרחי כדי שהתיאוריה לא תוביל ל"פעולה ארוכת טווח" מיידית ולא מקומית. עם זאת, במהלך האימות של פרדוקס ה-EPR, שהתאפשר בגלל אי השוויון של בל, הוכח שמכניקת הקוונטים נכונה, ולתיאוריות שונות של משתנים נסתרים אין אישור ניסיוני.
אבל התשובה הבעייתית ביותר הייתה התשובה של הייזנברג ובוהר לשאלה השלישית, שהציבה את תהליכי המדידה בעמדה מיוחדת, אך לא קבעה את נוכחותם של מאפיינים מובהקים בהם.
מדענים רבים, פיזיקאים ופילוסופים כאחד, סירבו בתוקף לקבל את הפרשנות בקופנהגן לפיזיקת הקוונטים. הסיבה הראשונה לכך הייתה שהפרשנות של הייזנברג ובוהר לא הייתה דטרמיניסטית. והשני הוא שהוא הציג מושג מעורפל של מדידה שהפך פונקציות הסתברות לתוצאות תקפות.
איינשטיין היה בטוח שתיאור המציאות הפיזיקלית שניתנה על ידי מכניקת הקוונטים כפי שפירשו הייזנברג ובוהר אינו שלם. לדברי איינשטיין, הוא מצא היגיון כלשהו בפרשנות קופנהגן, אך האינסטינקטים המדעיים שלו סירבו לקבל זאת. אז איינשטיין לא יכול היה להפסיק לחפש קונספט שלם יותר.
במכתבו לבורן אמר איינשטיין: "אני בטוח שאלוהים לא זורק קוביות!". נילס בוהר, שהגיב על הביטוי הזה, אמר לאיינשטיין לא להגיד לאלוהים מה לעשות. ובשיחה עם אברהם פיס, איינשטיין קרא: "אתה באמת חושב שהירח קייםרק כשאתה מסתכל על זה?".
ארווין שרדינגר הגה ניסוי מחשבתי עם חתול, שבאמצעותו רצה להדגים את הנחיתות של מכניקת הקוונטים במהלך המעבר ממערכות תת-אטומיות למיקרוסקופיות. יחד עם זאת, הקריסה ההכרחית של פונקציית הגלים בחלל נחשבה לבעייתית. על פי תורת היחסות של איינשטיין, המיידיות והסימולטניות הגיוניות רק עבור צופה שנמצא באותה מסגרת התייחסות. לפיכך, אין זמן שיכול להפוך לאחד עבור כולם, מה שאומר שלא ניתן לקבוע קריסה מיידית.
הפצה
סקר לא רשמי שנערך באקדמיה ב-1997 הראה שהפרשנות השלטת בעבר בקופנהגן, שנדונה בקצרה לעיל, נתמכה על ידי פחות ממחצית מהנשאלים. עם זאת, יש לו יותר חסידים מאשר הפרשנויות האחרות בנפרד.
Alternative
פיזיקאים רבים קרובים יותר לפרשנות אחרת של מכניקת הקוונטים, הנקראת "אין". המהות של פרשנות זו באה לידי ביטוי ממצה בתכתיב של דיוויד מרמין: "שתוק וחשב!", המיוחס לרוב לריצ'רד פיינמן או לפול דיראק.
