Sự diễn giải Copenhagen là lời giải thích về cơ học lượng tử do Niels Bohr và Werner Heisenberg đưa ra vào năm 1927 khi các nhà khoa học cùng làm việc tại Copenhagen. Bohr và Heisenberg đã có thể cải thiện cách giải thích xác suất của hàm do M. Born xây dựng và cố gắng trả lời một số câu hỏi nảy sinh do tính đối ngẫu sóng-hạt. Bài viết này sẽ xem xét các ý tưởng chính về cách giải thích Copenhagen của cơ học lượng tử và tác động của chúng đối với vật lý hiện đại.
Vấn đề
Những giải thích của cơ học lượng tử được gọi là quan điểm triết học về bản chất của cơ học lượng tử như một lý thuyết mô tả thế giới vật chất. Với sự giúp đỡ của họ, có thể trả lời các câu hỏi về bản chất của thực tại vật lý, phương pháp nghiên cứu nó, bản chất của thuyết nhân quả và thuyết định mệnh, cũng như bản chất của thống kê và vị trí của nó trong cơ học lượng tử. Cơ học lượng tử được coi là lý thuyết gây được tiếng vang lớn nhất trong lịch sử khoa học, nhưng vẫn chưa có sự đồng thuận trong hiểu biết sâu rộng về nó. Có một số cách giải thích về cơ học lượng tử, vàhôm nay chúng ta sẽ làm quen với những thứ phổ biến nhất trong số họ.
Ý tưởng chính
Như bạn đã biết, thế giới vật chất bao gồm các vật thể lượng tử và các dụng cụ đo lường cổ điển. Sự thay đổi trạng thái của các dụng cụ đo lường mô tả một quá trình thống kê không thể đảo ngược về việc thay đổi các đặc tính của các đối tượng vi mô. Khi một đối tượng vi mô tương tác với các nguyên tử của thiết bị đo, sự chồng chất bị giảm xuống một trạng thái, đó là hàm sóng của đối tượng đo bị giảm. Phương trình Schrödinger không mô tả kết quả này.
Theo quan điểm của cách giải thích Copenhagen, cơ học lượng tử không mô tả bản thân các vật thể vi mô, mà là các thuộc tính của chúng, thể hiện trong các điều kiện vĩ mô được tạo ra bởi các dụng cụ đo lường điển hình trong quá trình quan sát. Không thể phân biệt được hành vi của các vật thể nguyên tử với sự tương tác của chúng với các dụng cụ đo lường để cố định các điều kiện cho sự xuất hiện của hiện tượng.
Nhìn lại cơ học lượng tử
Cơ học lượng tử là một lý thuyết tĩnh. Điều này là do thực tế là phép đo của một đối tượng vi mô dẫn đến sự thay đổi trạng thái của nó. Vì vậy, có một mô tả xác suất về vị trí ban đầu của đối tượng, được mô tả bởi hàm sóng. Hàm sóng phức là một khái niệm trung tâm trong cơ học lượng tử. Hàm sóng chuyển sang một chiều mới. Kết quả của phép đo này phụ thuộc vào hàm sóng, theo một cách xác suất. Chỉ bình phương của môđun của hàm sóng có ý nghĩa vật lý, điều này khẳng định xác suất mà nghiên cứuđối tượng vi mô nằm ở một nơi nhất định trong không gian.
Trong cơ học lượng tử, định luật nhân quả được đáp ứng đối với hàm sóng, thay đổi theo thời gian tùy thuộc vào điều kiện ban đầu, chứ không phải đối với tọa độ vận tốc hạt, như trong cách giải thích cổ điển của cơ học. Do thực tế là chỉ bình phương mô đun của hàm sóng có giá trị vật lý, nên về nguyên tắc không thể xác định được các giá trị ban đầu của nó, điều này dẫn đến một số không thể có được kiến thức chính xác về trạng thái ban đầu của hệ lượng tử..
Cơ sở triết học
Theo quan điểm triết học, cơ sở của cách giải thích Copenhagen là các nguyên tắc nhận thức luận:
- Khả năng quan sát. Bản chất của nó nằm ở chỗ loại trừ khỏi lý thuyết vật lý về những tuyên bố không thể xác minh bằng quan sát trực tiếp.
- Thêm. Giả sử rằng mô tả sóng và ngữ liệu của các đối tượng của microworld bổ sung cho nhau.
- Bất_tính. Nói rằng tọa độ của các vật thể vi mô và động lượng của chúng không thể được xác định một cách riêng biệt và với độ chính xác tuyệt đối.
- Tính xác định tĩnh. Nó giả định rằng trạng thái hiện tại của hệ thống vật chất được xác định bởi các trạng thái trước đó của nó không rõ ràng, mà chỉ với một mức độ xác suất nhất định về việc thực hiện các xu hướng thay đổi đã đặt ra trong quá khứ.
- Hợp. Theo nguyên tắc này, các định luật của cơ học lượng tử được chuyển thành các định luật của cơ học cổ điển khi có thể bỏ qua độ lớn của hành động lượng tử.
Lợi ích
Trong vật lý lượng tử, thông tin về các vật thể nguyên tử, thu được thông qua các thiết lập thí nghiệm, có mối quan hệ đặc biệt với nhau. Trong quan hệ độ không đảm bảo của Werner Heisenberg, có một tỷ lệ nghịch giữa độ không chính xác trong việc cố định các biến động học và động học xác định trạng thái của một hệ thống vật lý trong cơ học cổ điển.
Một ưu điểm đáng kể của cách giải thích Copenhagen về cơ học lượng tử là thực tế là nó không hoạt động với các tuyên bố chi tiết trực tiếp về các đại lượng vật lý không thể quan sát được. Ngoài ra, với tối thiểu các điều kiện tiên quyết, nó xây dựng một hệ thống khái niệm mô tả đầy đủ các dữ kiện thử nghiệm có sẵn tại thời điểm này.
Ý nghĩa của hàm sóng
Theo cách giải thích của Copenhagen, hàm sóng có thể tuân theo hai quá trình:
- Tiến hóa đơn nhất, được mô tả bằng phương trình Schrödinger.
- Đo lường.
Không ai nghi ngờ về quy trình đầu tiên trong cộng đồng khoa học, và quy trình thứ hai đã gây ra các cuộc thảo luận và dẫn đến một số cách giải thích, ngay cả trong khuôn khổ của cách giải thích Copenhagen về bản thân ý thức. Một mặt, có mọi lý do để tin rằng hàm sóng không là gì khác ngoài một đối tượng vật lý thực, và nó sụp đổ trong quá trình thứ hai. Mặt khác, hàm sóng có thể không phải là một thực thể thực, mà là một công cụ toán học bổ trợ, mục đích duy nhất của nólà cung cấp khả năng tính toán xác suất. Bohr nhấn mạnh rằng điều duy nhất có thể dự đoán là kết quả của các thí nghiệm vật lý, vì vậy tất cả các vấn đề thứ cấp không nên liên quan đến khoa học chính xác mà phải liên quan đến triết học. Ông tuyên bố trong quá trình phát triển khái niệm triết học của chủ nghĩa thực chứng, yêu cầu rằng khoa học chỉ thảo luận về những điều thực sự có thể đo lường được.
Thử nghiệm rạch đôi
Trong thí nghiệm hai khe, ánh sáng truyền qua hai khe rơi trên màn, trên màn xuất hiện hai vân giao thoa: vân tối và vân sáng. Quá trình này được giải thích là do sóng ánh sáng có thể khuếch đại lẫn nhau ở một số nơi và triệt tiêu lẫn nhau ở những nơi khác. Mặt khác, thí nghiệm minh họa rằng ánh sáng có đặc tính của một phần dòng chảy, và các electron có thể thể hiện tính chất sóng, đồng thời tạo ra hình ảnh giao thoa.
Có thể giả định rằng thí nghiệm được thực hiện với một dòng photon (hoặc electron) có cường độ thấp đến nỗi mỗi lần chỉ có một hạt đi qua các khe. Tuy nhiên, khi thêm các điểm mà các photon chạm vào màn hình, thì sẽ thu được cùng một kiểu giao thoa từ các sóng chồng lên nhau, mặc dù thực tế là thí nghiệm liên quan đến các hạt được cho là tách biệt. Điều này là do chúng ta đang sống trong một vũ trụ "xác suất", trong đó mọi sự kiện trong tương lai đều có một mức độ khả năng được phân bổ lại và xác suất mà một điều gì đó hoàn toàn không lường trước được sẽ xảy ra trong thời điểm tiếp theo là khá nhỏ.
Câu hỏi
Slit Experience đặt như vậycâu hỏi:
- Các quy tắc cho hoạt động của các hạt riêng lẻ sẽ như thế nào? Các định luật của cơ học lượng tử chỉ ra vị trí của màn hình mà các hạt sẽ ở đó, về mặt thống kê. Chúng cho phép bạn tính toán vị trí của các dải sáng, có khả năng chứa nhiều hạt và dải tối, nơi có ít hạt rơi hơn. Tuy nhiên, các định luật chi phối cơ học lượng tử không thể dự đoán nơi mà một hạt riêng lẻ sẽ thực sự kết thúc.
- Điều gì xảy ra với hạt tại thời điểm giữa phát xạ và đăng ký? Theo kết quả quan sát, có thể tạo ra ấn tượng rằng hạt tương tác với cả hai khe. Có vẻ như điều này mâu thuẫn với các quy luật về hoạt động của một hạt điểm. Hơn nữa, khi một hạt được đăng ký, nó sẽ trở thành một điểm.
- Dưới tác động của điều gì, một hạt thay đổi hành vi của nó từ tĩnh sang không tĩnh và ngược lại? Khi một hạt đi qua các khe, hành vi của nó được xác định bởi một hàm sóng không cục bộ truyền qua cả hai khe cùng một lúc. Tại thời điểm đăng ký một hạt, nó luôn cố định là một điểm và không bao giờ thu được gói sóng bị mờ.
Câu trả lời
Thuyết lượng tử giải thích Copenhagen trả lời các câu hỏi được đặt ra như sau:
- Về cơ bản là không thể loại bỏ tính chất xác suất của các dự đoán của cơ học lượng tử. Có nghĩa là, nó không thể chỉ ra chính xác giới hạn hiểu biết của con người về bất kỳ biến tiềm ẩn nào. Vật lý cổ điển đề cập đếnxác suất trong những trường hợp cần thiết để mô tả một quá trình như ném xúc xắc. Tức là xác suất thay thế kiến thức chưa hoàn thiện. Ngược lại, cách giải thích Copenhagen về cơ học lượng tử của Heisenberg và Bohr lại tuyên bố rằng kết quả của các phép đo trong cơ học lượng tử về cơ bản là không xác định.
- Vật lý là một môn khoa học nghiên cứu kết quả của các quá trình đo lường. Thật sai lầm khi suy đoán về những gì xảy ra do kết quả của chúng. Theo cách giải thích của Copenhagen, các câu hỏi về vị trí của hạt trước thời điểm đăng ký của nó, và các chế tạo tương tự khác là vô nghĩa, và do đó cần được loại trừ khỏi sự phản ánh.
- Hành động đo dẫn đến sự sụp đổ tức thời của hàm sóng. Do đó, quá trình đo chỉ chọn ngẫu nhiên một trong các khả năng mà hàm sóng của một trạng thái nhất định cho phép. Và để phản ánh sự lựa chọn này, hàm sóng phải thay đổi ngay lập tức.
Mẫu
Công thức giải nghĩa Copenhagen ở dạng ban đầu đã dẫn đến một số biến thể. Phổ biến nhất của chúng là dựa trên cách tiếp cận của các sự kiện nhất quán và một khái niệm như sự suy giảm lượng tử. Decoherence cho phép bạn tính toán ranh giới mờ giữa macro- và microworlds. Các biến thể còn lại khác nhau về mức độ "hiện thực của thế giới sóng".
Phê bình
Tính hợp lệ của cơ học lượng tử (câu trả lời của Heisenberg và Bohr cho câu hỏi đầu tiên) đã được đặt câu hỏi trong một thí nghiệm tư duy do Einstein, Podolsky vàRosen (nghịch lý EPR). Do đó, các nhà khoa học muốn chứng minh rằng sự tồn tại của các tham số ẩn là cần thiết để lý thuyết này không dẫn đến “hành động tầm xa” tức thời và phi cục bộ. Tuy nhiên, trong quá trình xác minh nghịch lý EPR, được tạo ra bởi các bất đẳng thức của Bell, nó đã được chứng minh rằng cơ học lượng tử là đúng và các lý thuyết biến ẩn khác nhau không có xác nhận thực nghiệm.
Nhưng câu trả lời có vấn đề nhất là câu trả lời của Heisenberg và Bohr cho câu hỏi thứ ba, đặt các quy trình đo lường ở một vị trí đặc biệt, nhưng không xác định được sự hiện diện của các tính năng đặc biệt trong chúng.
Nhiều nhà khoa học, cả nhà vật lý và triết học, đã thẳng thừng từ chối chấp nhận cách giải thích Copenhagen của vật lý lượng tử. Lý do đầu tiên cho điều này là cách giải thích của Heisenberg và Bohr không mang tính xác định. Và thứ hai là nó đưa ra một khái niệm mơ hồ về phép đo biến các hàm xác suất thành các kết quả hợp lệ.
Einstein chắc chắn rằng mô tả về thực tại vật lý được đưa ra bởi cơ học lượng tử như Heisenberg và Bohr diễn giải là không đầy đủ. Theo Einstein, ông đã tìm thấy một số logic trong cách giải thích Copenhagen, nhưng bản năng khoa học của ông từ chối chấp nhận nó. Vì vậy, Einstein không thể ngừng tìm kiếm một khái niệm hoàn chỉnh hơn.
Trong bức thư gửi Born, Einstein nói: "Tôi tin chắc rằng Chúa không ném xúc xắc!". Niels Bohr, khi bình luận về cụm từ này, đã nói với Einstein rằng đừng nói với Chúa phải làm gì. Và trong cuộc trò chuyện với Abraham Pais, Einstein đã thốt lên: “Bạn thực sự nghĩ rằng mặt trăng tồn tạichỉ khi bạn nhìn vào nó?”.
Erwin Schrödinger đã đưa ra một thí nghiệm suy nghĩ với một con mèo, qua đó ông muốn chứng minh sự kém cỏi của cơ học lượng tử trong quá trình chuyển đổi từ hệ hạ nguyên tử sang hệ vi mô. Đồng thời, sự sụp đổ cần thiết của hàm sóng trong không gian được coi là có vấn đề. Theo thuyết tương đối của Einstein, tính tức thời và đồng thời chỉ có ý nghĩa đối với một người quan sát trong cùng một hệ quy chiếu. Vì vậy, không có thời điểm nào có thể trở thành một cho tất cả, có nghĩa là không thể xác định được sự sụp đổ tức thời.
Phân phối
Một cuộc khảo sát không chính thức được tiến hành trong giới học thuật vào năm 1997 cho thấy cách giải thích Copenhagen chiếm ưu thế trước đây, được thảo luận ngắn gọn ở trên, được ít hơn một nửa số người được hỏi ủng hộ. Tuy nhiên, nó có nhiều người tuân thủ hơn các cách diễn giải khác.
Thay thế
Nhiều nhà vật lý tiến gần hơn đến một cách giải thích khác của cơ học lượng tử, được gọi là "không". Bản chất của cách giải thích này được thể hiện một cách thấu đáo trong câu châm ngôn của David Mermin: "Im đi và tính toán!", Thường được gán cho Richard Feynman hoặc Paul Dirac.
