A Interpretação de Copenhague é uma explicação da mecânica quântica formulada por Niels Bohr e Werner Heisenberg em 1927, quando os cientistas trabalhavam juntos em Copenhague. Bohr e Heisenberg conseguiram melhorar a interpretação probabilística da função formulada por M. Born e tentaram responder a uma série de questões que surgem devido à dualidade onda-partícula. Este artigo considerará as principais ideias da interpretação de Copenhague da mecânica quântica e seu impacto na física moderna.
Problemas
Interpretações da mecânica quântica chamadas visões filosóficas sobre a natureza da mecânica quântica como uma teoria que descreve o mundo material. Com a ajuda deles, foi possível responder a perguntas sobre a essência da realidade física, o método de estudá-la, a natureza da causalidade e do determinismo, bem como a essência da estatística e seu lugar na mecânica quântica. A mecânica quântica é considerada a teoria mais ressonante da história da ciência, mas ainda não há consenso em sua compreensão profunda. Existem várias interpretações da mecânica quântica, ehoje vamos conhecer o mais popular deles.
Ideias-chave
Como você sabe, o mundo físico consiste em objetos quânticos e instrumentos de medição clássicos. A mudança no estado dos instrumentos de medição descreve um processo estatístico irreversível de alteração das características dos micro-objetos. Quando um micro-objeto interage com os átomos do dispositivo de medição, a superposição é reduzida a um estado, ou seja, a função de onda do objeto de medição é reduzida. A equação de Schrödinger não descreve este resultado.
Do ponto de vista da interpretação de Copenhague, a mecânica quântica não descreve os micro-objetos em si, mas suas propriedades, que se manifestam em macrocondições criadas por instrumentos de medição típicos durante a observação. O comportamento dos objetos atômicos não pode ser distinguido de sua interação com instrumentos de medição que fixam as condições para a ocorrência dos fenômenos.
Um olhar sobre a mecânica quântica
A mecânica quântica é uma teoria estática. Isso se deve ao fato de que a medição de um microobjeto leva a uma mudança em seu estado. Portanto, há uma descrição probabilística da posição inicial do objeto, descrita pela função de onda. A função de onda complexa é um conceito central na mecânica quântica. A função de onda muda para uma nova dimensão. O resultado desta medição depende da função de onda, de forma probabilística. Apenas o quadrado do módulo da função de onda tem significância física, o que confirma a probabilidade de que oo micro-objeto está localizado em um determinado lugar no espaço.
Na mecânica quântica, a lei da causalidade é cumprida em relação à função de onda, que varia no tempo em função das condições iniciais, e não em relação às coordenadas da velocidade das partículas, como na interpretação clássica da mecânica. Devido ao fato de que apenas o quadrado do módulo da função de onda é dotado de um valor físico, seus valores iniciais não podem ser determinados em princípio, o que leva a alguma impossibilidade de obter um conhecimento preciso sobre o estado inicial do sistema quântico.
Base Filosófica
Do ponto de vista filosófico, a base da interpretação de Copenhague são princípios epistemológicos:
- Observabilidade. Sua essência está na exclusão da teoria física daquelas afirmações que não podem ser verificadas por observação direta.
- Extras. Assume que a descrição ondulatória e corpuscular dos objetos do micromundo se complementam.
- Incertezas. Diz que a coordenada dos micro-objetos e seu momento não podem ser determinados separadamente, e com absoluta precisão.
- Determinismo estático. Ele assume que o estado atual do sistema físico é determinado por seus estados anteriores não de forma inequívoca, mas apenas com um certo grau de probabilidade de implementação das tendências de mudança estabelecidas no passado.
- Correspondência. De acordo com esse princípio, as leis da mecânica quântica se transformam nas leis da mecânica clássica quando é possível desprezar a magnitude do quantum de ação.
Benefícios
Na física quântica, as informações sobre objetos atômicos, obtidas por meio de montagens experimentais, estão em uma relação peculiar entre si. Nas relações de incerteza de Werner Heisenberg, há uma proporcionalidade inversa entre as imprecisões na fixação das variáveis cinéticas e dinâmicas que determinam o estado de um sistema físico na mecânica clássica.
Uma vantagem significativa da interpretação de Copenhague da mecânica quântica é o fato de que ela não opera com declarações detalhadas diretamente sobre quantidades fisicamente não observáveis. Além disso, com um mínimo de pré-requisitos, constrói um sistema conceitual que descreve exaustivamente os fatos experimentais disponíveis no momento.
O significado da função de onda
De acordo com a interpretação de Copenhague, a função de onda pode estar sujeita a dois processos:
- Evolução unitária, que é descrita pela equação de Schrödinger.
- Medição.
Ninguém tinha dúvidas sobre o primeiro processo na comunidade científica, e o segundo processo gerou discussões e deu origem a uma série de interpretações, mesmo no âmbito da própria interpretação de Copenhague da consciência. Por um lado, há todas as razões para acreditar que a função de onda nada mais é do que um objeto físico real e que colapsa durante o segundo processo. Por outro lado, a função de onda pode não ser uma entidade real, mas uma ferramenta matemática auxiliar, cujo único propósito éé fornecer a capacidade de calcular a probabilidade. Bohr enfatizou que a única coisa que pode ser prevista é o resultado de experimentos físicos, portanto, todas as questões secundárias não devem estar relacionadas à ciência exata, mas à filosofia. Ele professou em seus desenvolvimentos o conceito filosófico do positivismo, exigindo que a ciência discuta apenas coisas realmente mensuráveis.
Experiência de fenda dupla
Em um experimento de duas fendas, a luz que passa por duas fendas incide na tela, na qual aparecem duas franjas de interferência: escura e clara. Esse processo é explicado pelo fato de que as ondas de luz podem se amplificar mutuamente em alguns lugares e se cancelar em outros. Por outro lado, o experimento ilustra que a luz tem as propriedades de uma parte de fluxo, e os elétrons podem exibir propriedades ondulatórias, enquanto dão um padrão de interferência.
Pode-se supor que o experimento é realizado com um fluxo de fótons (ou elétrons) de tão baixa intensidade que apenas uma partícula passa pelos slots de cada vez. No entanto, ao somar os pontos onde os fótons atingem a tela, o mesmo padrão de interferência é obtido a partir de ondas sobrepostas, apesar do experimento tratar de partículas supostamente separadas. Isso porque vivemos em um universo "probabilístico", no qual todo evento futuro tem um grau de possibilidade redistribuído, e a probabilidade de que algo completamente imprevisto aconteça no próximo momento é bem pequena.
Perguntas
Experiência em fenda coloca talperguntas:
- Quais serão as regras para o comportamento das partículas individuais? As leis da mecânica quântica indicam a localização da tela em que as partículas estarão, estatisticamente. Eles permitem que você calcule a localização das faixas claras, que provavelmente contêm muitas partículas, e das faixas escuras, onde é provável que menos partículas caiam. No entanto, as leis que governam a mecânica quântica não podem prever onde uma partícula individual irá realmente acabar.
- O que acontece com a partícula no momento entre a emissão e o registro? De acordo com os resultados das observações, pode-se criar a impressão de que a partícula está em interação com ambas as fendas. Parece que isso contradiz as regularidades do comportamento de uma partícula pontual. Além disso, quando uma partícula é registrada, ela se torna um ponto.
- Sob a influência de que uma partícula muda seu comportamento de estático para não estático e vice-versa? Quando uma partícula passa pelas fendas, seu comportamento é determinado por uma função de onda não localizada que passa pelas duas fendas ao mesmo tempo. No momento do registro de uma partícula, ela é sempre fixada como um ponto, e um pacote de ondas borrado nunca é obtido.
Respostas
A teoria de Copenhague da interpretação quântica responde às seguintes questões:
- É fundamentalmente impossível eliminar a natureza probabilística das previsões da mecânica quântica. Ou seja, não pode indicar com precisão a limitação do conhecimento humano sobre quaisquer variáveis latentes. A física clássica se refere aprobabilidade nos casos em que é necessário descrever um processo como jogar dados. Ou seja, a probabilidade substitui o conhecimento incompleto. A interpretação de Copenhague da mecânica quântica por Heisenberg e Bohr, ao contrário, afirma que o resultado das medições na mecânica quântica é fundamentalmente não determinístico.
- Física é uma ciência que estuda os resultados dos processos de medição. É errado especular sobre o que acontece como resultado deles. De acordo com a interpretação de Copenhague, perguntas sobre onde a partícula estava antes do momento de seu registro e outras fabricações semelhantes não têm sentido e, portanto, devem ser excluídas da reflexão.
- O ato de medição leva a um colapso instantâneo da função de onda. Portanto, o processo de medição escolhe aleatoriamente apenas uma das possibilidades que a função de onda de um determinado estado permite. E para refletir essa escolha, a função de onda deve mudar instantaneamente.
Formulários
A formulação da interpretação de Copenhague em sua forma original deu origem a diversas variações. O mais comum deles é baseado na abordagem de eventos consistentes e em um conceito como decoerência quântica. A decoerência permite calcular o limite difuso entre os macro e micromundos. As variações restantes diferem no grau de "realismo do mundo das ondas."
Crítica
A validade da mecânica quântica (resposta de Heisenberg e Bohr à primeira pergunta) foi questionada em um experimento mental conduzido por Einstein, Podolsky eRosen (paradoxo EPR). Assim, os cientistas queriam provar que a existência de parâmetros ocultos é necessária para que a teoria não leve a uma “ação de longo alcance” instantânea e não local. No entanto, durante a verificação do paradoxo EPR, possibilitado pelas desigualdades de Bell, provou-se que a mecânica quântica está correta, e várias teorias de variáveis ocultas não têm confirmação experimental.
Mas a resposta mais problemática foi a resposta de Heisenberg e Bohr à terceira questão, que colocava os processos de medição em uma posição especial, mas não determinava a presença de traços distintivos neles.
Muitos cientistas, tanto físicos quanto filósofos, recusaram-se terminantemente a aceitar a interpretação de Copenhague da física quântica. A primeira razão para isso foi que a interpretação de Heisenberg e Bohr não era determinista. E a segunda é que introduziu uma vaga noção de medição que transformou funções de probabilidade em resultados válidos.
Einstein tinha certeza de que a descrição da realidade física dada pela mecânica quântica conforme interpretada por Heisenberg e Bohr estava incompleta. Segundo Einstein, ele encontrou alguma lógica na interpretação de Copenhague, mas seus instintos científicos se recusaram a aceitá-la. Então Einstein não parava de procurar um conceito mais completo.
Em sua carta a Born, Einstein disse: "Tenho certeza de que Deus não joga dados!". Niels Bohr, comentando esta frase, disse a Einstein para não dizer a Deus o que fazer. E em sua conversa com Abraham Pais, Einstein exclamou: “Você realmente acha que a lua existesó quando você olha?”.
Erwin Schrödinger surgiu com um experimento mental com um gato, através do qual ele queria demonstrar a inferioridade da mecânica quântica durante a transição de sistemas subatômicos para microscópicos. Ao mesmo tempo, o colapso necessário da função de onda no espaço foi considerado problemático. De acordo com a teoria da relatividade de Einstein, instantaneidade e simultaneidade só fazem sentido para um observador que está no mesmo quadro de referência. Assim, não há tempo que possa se tornar um para todos, o que significa que o colapso instantâneo não pode ser determinado.
Distribuição
Uma pesquisa informal realizada na academia em 1997 mostrou que a interpretação de Copenhague anteriormente dominante, brevemente discutida acima, foi apoiada por menos da metade dos entrevistados. No entanto, tem mais adeptos do que as outras interpretações individualmente.
Alternativa
Muitos físicos estão mais próximos de outra interpretação da mecânica quântica, que é chamada de "nenhuma". A essência desta interpretação é exaustivamente expressa na máxima de David Mermin: "Cale a boca e calcule!", que é frequentemente atribuída a Richard Feynman ou Paul Dirac.
