Interpretación de Copenhague

La Interpretación de Copenhague  es una interpretación (interpretación) de la mecánica cuántica , que fue formulada por Niels Bohr y Werner Heisenberg durante su trabajo conjunto en Copenhague alrededor de 1927 [1] [2] [3] [4] . Bohr y Heisenberg mejoraron la interpretación probabilística de la función de onda de Max Born y trataron de responder una serie de preguntas que surgen de la dualidad onda-partícula inherente a la mecánica cuántica , en particular la cuestión de la medición .

Ideas principales de la interpretación de Copenhague

El mundo físico consiste en objetos cuánticos (pequeños) y dispositivos de medición clásicos.

La función de onda (solución de la ecuación de Schrödinger ) describe el cambio en el estado cuántico de los objetos.

El cambio en el estado de los instrumentos de medición clásicos se describe mediante un proceso estadístico irreversible de medición de las características de los microobjetos cuánticos.

En el proceso de interacción del microobjeto con los átomos del dispositivo de medición, la función de onda del microobjeto medido se reduce, es decir, la superposición se reduce a un estado. Este resultado no se sigue de la ecuación de Schrödinger.

Según la interpretación de Copenhague, la mecánica cuántica no describe los microobjetos per se, sino sus propiedades que se manifiestan en macrocondiciones creadas por instrumentos de medición clásicos en el proceso de observación.

El comportamiento de los objetos atómicos no se puede distinguir claramente de su interacción con los instrumentos de medición que fijan las condiciones bajo las cuales ocurren los fenómenos [5]

La mecánica cuántica es una teoría estadística , debido a que la medida de las condiciones iniciales de un microobjeto cambia su estado y conduce a una descripción probabilística de la posición inicial del microobjeto, la cual es descrita por una función de onda [ 6] . El concepto central de la mecánica cuántica es la función de onda compleja . Es posible describir el cambio en la función de onda a una nueva dimensión. Su resultado esperado depende probabilísticamente de la función de onda. Físicamente significativo es solo el cuadrado del módulo de la función de onda, lo que significa la probabilidad de encontrar el microobjeto estudiado en algún lugar del espacio. [7] [8]

La ley de causalidad en la mecánica cuántica se cumple en relación a la función de onda, cuyo cambio en el tiempo está completamente determinado por sus condiciones iniciales, y no en relación a las coordenadas y velocidades de las partículas, como en la mecánica clásica. Debido al hecho de que solo el cuadrado del módulo de la función de onda tiene significado físico, los valores iniciales de la función de onda no se pueden encontrar completamente en principio, lo que conduce a la incertidumbre del conocimiento sobre el estado inicial del sistema cuántico. . [9]

La base filosófica de la interpretación de Copenhague es el principio epistemológico de observabilidad (una excepción, en la medida de lo posible, de la teoría física de los enunciados que no pueden ser verificados por observación directa) [10] , el principio de complementariedad (la descripción ondulatoria y corpuscular de microobjetos son complementarios entre sí) [11] , el principio de incertidumbre (la coordenada y el momento de los microobjetos no pueden determinarse independientemente uno del otro y con absoluta precisión) [11] , el principio de determinismo estadístico (un estado dado de un sistema físico cerrado determina su estado posterior no sin ambigüedad, pero solo con una cierta probabilidad que describe la medida de la posibilidad de implementar las tendencias de cambio establecidas en el pasado) y el principio de correspondencia (las leyes de la mecánica cuántica se convierten en el leyes de la mecánica clásica, cuando se puede despreciar la magnitud del cuanto de acción).

…en la física cuántica, los datos sobre objetos atómicos obtenidos con la ayuda de diferentes configuraciones experimentales se encuentran en una especie de relación complementaria entre sí. [12]

…las relaciones de incertidumbre de Heisenberg… dan una conexión (proporcionalidad inversa) entre las imprecisiones de la fijación de aquellas variables cinemáticas y dinámicas que son admisibles en la mecánica cuántica, que determinan el estado de un sistema físico en la mecánica clásica. [12]

Una gran ventaja de la interpretación de Copenhague es que no utiliza enunciados detallados sobre cantidades directamente inobservables físicamente y, con un mínimo de requisitos previos utilizados, construye un sistema de conceptos que describen exhaustivamente los hechos experimentales disponibles en la actualidad [13] .

El significado de la función de onda

La interpretación de Copenhague sugiere que dos procesos pueden influir en la función de onda :

• evolución unitaria según la ecuación de Schrödinger
• proceso de medición

Nadie está en desacuerdo sobre el primer proceso, y sobre el segundo hay varias interpretaciones diferentes, incluso dentro de la propia interpretación de Copenhague. Por un lado, podemos suponer que la función de onda es un objeto físico real y que sufre un colapso durante el segundo proceso , por otro lado, podemos suponer que la función de onda es solo una herramienta matemática auxiliar (y no una entidad real), cuyo único propósito es darnos la capacidad de calcular probabilidades. Bohr enfatizó que lo único que se puede predecir son los resultados de los experimentos físicos, por lo que las preguntas adicionales no pertenecen a la ciencia, sino a la filosofía. Bohr compartía el concepto filosófico del positivismo, que requiere que la ciencia hable solo de cosas realmente medibles.

En el experimento clásico de la doble rendija , la luz pasa a través de dos rendijas y cae sobre una pantalla, donde aparecen franjas oscuras y claras . Esto puede explicarse por el hecho de que en algunos lugares las ondas de luz se potencian mutuamente, mientras que en otros se extinguen. Por otro lado, el experimento muestra que la luz también tiene las propiedades de una corriente de partículas, y los objetos como los electrones también pueden exhibir propiedades de onda y también pueden dar un patrón de interferencia.

Esto plantea algunas preguntas interesantes. Supongamos que se lleva a cabo un experimento de dos rendijas con una intensidad tan baja del flujo de fotones (o electrones ) que solo una partícula pasa a través de las rendijas cada vez. Sin embargo, cuando el experimentador suma los puntos de impacto de todos los fotones en la pantalla, obtendrá el mismo patrón de interferencia de ondas superpuestas, a pesar de que el experimento parecía afectar a partículas individuales. Esto puede interpretarse en el sentido de que vivimos en un universo "probabilístico", uno en el que hay un cierto grado de posibilidad asociado con cada evento futuro, y no uno en el que cualquier cosa puede suceder en cada momento siguiente.

Consecuencias

Esta experiencia plantea las siguientes preguntas:

1. Las leyes de la mecánica cuántica indican dónde las partículas golpearán la pantalla estadísticamente y permiten calcular la ubicación de las bandas claras, donde es probable que golpeen muchas partículas , y la ubicación de las bandas oscuras, donde es probable que golpeen pocas partículas . Sin embargo, para una sola partícula, las leyes de la mecánica cuántica no pueden predecir dónde terminará realmente . ¿Cuáles son las reglas para el comportamiento de las partículas individuales en este caso?
2. ¿Qué le sucede a la partícula entre el momento de emisión y el momento de registro? Parece que la partícula sufre una interacción con ambas rendijas. Y eso parece contradecir cómo se puede comportar una partícula puntual. Además, cuando se registra una partícula, resulta ser un punto.
3. ¿Qué hace que una partícula cambie de comportamiento estático a no estático y viceversa? Cuando una partícula vuela a través de las rendijas, su comportamiento se describe mediante una función de onda no localizada que pasa simultáneamente por ambas rendijas. Cuando se registra una partícula, nunca se obtiene un paquete de ondas difusas, sino que siempre se registra una partícula puntual.

La interpretación de Copenhague responde a estas preguntas de la siguiente manera:

1. La naturaleza probabilística de las predicciones de la mecánica cuántica es fundamentalmente inamovible, es decir, no significa en absoluto que nuestro conocimiento sea limitado, que no conozcamos los valores de algunas variables ocultas. En la física clásica, la probabilidad se usaba para describir resultados como lanzar un dado, aunque en realidad se consideraba que el proceso era determinista. Es decir, se utilizaron probabilidades en lugar de conocimientos incompletos. Por el contrario, la interpretación de Copenhague establece que en mecánica cuántica el resultado de una medición es fundamentalmente no determinista.
2. La física es la ciencia de los resultados de los procesos de medición. La especulación sobre lo que sucede detrás de ellos está mal. La interpretación de Copenhague descarta preguntas como "¿dónde estaba la partícula antes de registrar su ubicación?" como sin sentido.
3. El acto de medir provoca una implosión instantánea, " colapso de la función de onda ". Esto significa que el proceso de medición selecciona aleatoriamente exactamente una de las posibilidades permitidas por la función de onda del estado, y la función de onda cambia instantáneamente para reflejar esa elección.

La formulación original de la interpretación de Copenhague ha dado lugar a una serie de variaciones; el más respetado se basa en el enfoque de eventos consistentes ("Copenhague, ¿no?") y el concepto de decoherencia cuántica , que le permite calcular el límite borroso entre los mundos "micro" y "macro". Otras variaciones difieren en el grado de "realismo" del mundo de las olas.

Crítica

La completitud de la mecánica cuántica (tesis 1) fue cuestionada en el experimento mental de Einstein, Podolsky y Rosen (paradoja EPR), que pretendía demostrar que deben existir parámetros ocultos para que la teoría no conduzca a resultados no locales e instantáneos. "acción de largo alcance". Sin embargo, las pruebas experimentales de la paradoja EPR utilizando las desigualdades de Bell mostraron que la mecánica cuántica es correcta y que varias teorías de variables ocultas locales no concuerdan con el experimento.

De las tres tesis, desde el punto de vista físico, la última es la más problemática, ya que coloca a los procesos de medición en una posición especial, pero no define claramente cuáles son, ni indica sus características distintivas.

Muchos físicos y filósofos no están de acuerdo con la interpretación de Copenhague, tanto porque no es determinista como porque introduce una noción indefinida de medida que convierte las funciones de probabilidad en medidas fiables.

Einstein estaba convencido de lo incompleta de la descripción de la realidad física dada por la mecánica cuántica en su interpretación de Copenhague: " Es lógicamente posible pensar así, pero es tan contrario a mi instinto científico que no puedo negarme a buscar un concepto más completo". ." [catorce]

Ilustrando esto, Einstein escribió [aprox. 1] Bornu : “ Estoy convencido de que Dios no tira los dados ”, y también exclamó en una conversación con Abraham Pais : “ ¿De verdad crees que la Luna existe sólo cuando la miras? ". N. Bohr le respondió: "Einstein, no le digas a Dios qué hacer". Erwin Schrödinger ideó el famoso experimento mental sobre el gato de Schrödinger , con el que quería mostrar lo incompleto de la mecánica cuántica en la transición de los sistemas subatómicos a los macroscópicos .

Del mismo modo, el colapso "instantáneo" necesario de la función de onda en todo el espacio causa problemas . La teoría de la relatividad de Einstein dice que la instantaneidad, la simultaneidad, tiene sentido solo para los observadores que están en el mismo marco de referencia : no hay un tiempo único  para todos , por lo tanto, el colapso instantáneo también permanece indefinido.

Prevalencia entre los científicos

Una encuesta informal realizada en 1997 en un simposio patrocinado por UMBC mostró [15] que la Interpretación de Copenhague cuenta con el apoyo de menos de la mitad de los participantes encuestados, pero aún lidera entre los que no se abstuvieron de responder. En general, los votos de los encuestados se distribuyeron de la siguiente manera:

Alternativas

Muchos físicos se inclinan por la llamada interpretación "no" de la mecánica cuántica, expresada sucintamente en el aforismo de David Mermin : "¡Cállate y cuenta!" (orig. Inglés “¡Cállate y calcula!”), a menudo (probablemente por error) atribuido a Richard Feynman o Paul Dirac [16] .

Véase también

• Interpretación de muchos mundos
• Interpretación estadística de la función de onda

Notas

1. ↑ carta del 12 de diciembre de 1926

1. ↑ Gribbin J. Q ES PARA QUANTUM: una enciclopedia de física de partículas . - 2000. - S.  4 -8. — ISBN 978-0684863153 .
2. ↑ Heisenberg V. El desarrollo de la interpretación de la teoría cuántica // Niels Bohr y el desarrollo de la física / Sat. edición Pauli V.  - M: IL, 1958. - S. 23-45.
3. ↑ Heisenberg V. Memorias de la era del desarrollo de la mecánica cuántica // Física teórica del siglo XX / Sat. edición Smorodinsky Ya. A.  - M: IL, 1962. - S. 53-59.
4. ↑ Heisenberg, 1989 , pág. 19
5. ↑ Bohr N. Discusiones con Einstein sobre los problemas de la teoría del conocimiento en la física atómica // Física atómica y conocimiento humano - M .: IL, 1961. - p. 60
6. ↑ Heisenberg, 1989 , pág. veinte.
7. ↑ Born M. Interpretación estadística de la mecánica ondulatoria // Física atómica - M.: Mir, 1965. - pp. 172-178
8. ↑ Born M. Interpretación estadística de la mecánica cuántica // La física en la vida de mi generación - M.: IL, 1963. - pp. 301-315
9. ↑ Born M. Atomic Physics - M.: Mir, 1965. - p.125
10. ↑ Problemas de física: clásicos y modernidad, 1982 , p. 226.
11. ↑ 1 2 Yevgeny Berkovich. Episodios de la "revolución de los niños prodigio" "La amistad con Bohr es más importante que la física"  // Ciencia y Vida . - 2019. - Nº 6 . - S. 48-62 . (Ruso)
12. ↑ 1 2 Bohr N. Quantum Physics and Philosophy (Causality and Complemementary) Archivado el 1 de enero de 2014 en Wayback Machine // Uspekhi fizicheskikh nauk , No. 1, 1959
13. ↑ Problemas de física: clásicos y modernidad, 1982 , p. 225.
14. ↑ Einstein A. Física y realidad // Colección de trabajos científicos, volumen IV. - M., 1966. - Pág. 223
15. ↑ Tegmark M. (1997), La interpretación de la mecánica cuántica: ¿muchos mundos o muchas palabras?, arΧiv : quant-ph/9709032v1 [quant-ph]. 
16. ↑ N. David Mermín. ¿Podría Feynman haber dicho esto?  (inglés)  // La física hoy . - 2004. - Edicion. 5 . — Pág. 10 .

Literatura

• Heisenberg V. Física y Filosofía. Parte y todo. — M .: Nauka, 1989. — 400 p. — ISBN 5-02-012452-9 .
• Chudinov EM Teoría de la Relatividad y Filosofía. - M. : Politizdat, 1974. - 303 p.
• Problemas de Física: Clásicos y Modernidad / ed. G. Comerciante . — M .: Mir, 1982. — 328 p.

diccionarios y enciclopedias	Gran danés Britannica (en línea) universalis
En catálogos bibliográficos	TIERRA : 4359664-2