La Interpretación de Copenhague es una explicación de la mecánica cuántica formulada por Niels Bohr y Werner Heisenberg en 1927 cuando los científicos trabajaban juntos en Copenhague. Bohr y Heisenberg pudieron mejorar la interpretación probabilística de la función formulada por M. Born y trataron de responder una serie de preguntas que surgen debido a la dualidad onda-partícula. Este artículo considerará las ideas principales de la interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica y su impacto en la física moderna.
Problemas
Las interpretaciones de la mecánica cuántica denominan puntos de vista filosóficos sobre la naturaleza de la mecánica cuántica como una teoría que describe el mundo material. Con su ayuda, fue posible responder preguntas sobre la esencia de la realidad física, el método para estudiarla, la naturaleza de la causalidad y el determinismo, así como la esencia de la estadística y su lugar en la mecánica cuántica. La mecánica cuántica se considera la teoría más resonante en la historia de la ciencia, pero aún no hay consenso en su comprensión profunda. Hay una serie de interpretaciones de la mecánica cuántica, yhoy nos familiarizaremos con los más populares.
Ideas clave
Como sabes, el mundo físico consiste en objetos cuánticos e instrumentos de medición clásicos. El cambio en el estado de los instrumentos de medición describe un proceso estadístico irreversible de cambio de las características de los microobjetos. Cuando un microobjeto interactúa con los átomos del dispositivo de medición, la superposición se reduce a un estado, es decir, la función de onda del objeto de medición se reduce. La ecuación de Schrödinger no describe este resultado.
Desde el punto de vista de la interpretación de Copenhague, la mecánica cuántica no describe los microobjetos en sí, sino sus propiedades, que se manifiestan en macrocondiciones creadas por instrumentos de medición típicos durante la observación. El comportamiento de los objetos atómicos no se puede distinguir de su interacción con los instrumentos de medida que fijan las condiciones para la ocurrencia de los fenómenos.
Una mirada a la mecánica cuántica
La mecánica cuántica es una teoría estática. Esto se debe al hecho de que la medición de un microobjeto conduce a un cambio en su estado. Entonces hay una descripción probabilística de la posición inicial del objeto, descrita por la función de onda. La función de onda compleja es un concepto central en la mecánica cuántica. La función de onda cambia a una nueva dimensión. El resultado de esta medida depende de la función de onda, de forma probabilística. Solo el cuadrado del módulo de la función de onda tiene significado físico, lo que confirma la probabilidad de que la función estudiadael microobjeto se encuentra en un lugar determinado del espacio.
En mecánica cuántica, la ley de causalidad se cumple con respecto a la función de onda, que varía en el tiempo dependiendo de las condiciones iniciales, y no con respecto a las coordenadas de velocidad de las partículas, como en la interpretación clásica de la mecánica. Debido al hecho de que solo el cuadrado del módulo de la función de onda está dotado de un valor físico, sus valores iniciales no pueden determinarse en principio, lo que lleva a cierta imposibilidad de obtener un conocimiento preciso sobre el estado inicial del sistema cuántico..
Base filosófica
Desde un punto de vista filosófico, la base de la interpretación de Copenhague son los principios epistemológicos:
- Observabilidad. Su esencia reside en la exclusión de la teoría física de aquellos enunciados que no pueden ser verificados por observación directa.
- Extras. Supone que la descripción ondulatoria y corpuscular de los objetos del micromundo se complementan entre sí.
- Incertidumbres. Dice que la coordenada de los microobjetos y su momento no se pueden determinar por separado y con absoluta precisión.
- Determinismo estático. Asume que el estado actual del sistema físico está determinado por sus estados previos no sin ambigüedad, pero solo con un cierto grado de probabilidad de la implementación de las tendencias de cambio establecidas en el pasado.
- Coincidencia. Según este principio, las leyes de la mecánica cuántica se transforman en las leyes de la mecánica clásica cuando es posible despreciar la magnitud del cuanto de acción.
Beneficios
En la física cuántica, la información sobre los objetos atómicos, obtenida a través de configuraciones experimentales, se encuentran en una relación peculiar entre sí. En las relaciones de incertidumbre de Werner Heisenberg, existe una proporcionalidad inversa entre las imprecisiones en la fijación de las variables cinéticas y dinámicas que determinan el estado de un sistema físico en la mecánica clásica.
Una ventaja significativa de la interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica es el hecho de que no opera directamente con declaraciones detalladas sobre cantidades físicamente no observables. Además, con un mínimo de prerrequisitos, construye un sistema conceptual que describe exhaustivamente los hechos experimentales disponibles en el momento.
El significado de la función de onda
Según la interpretación de Copenhague, la función de onda puede estar sujeta a dos procesos:
- Evolución unitaria, que se describe mediante la ecuación de Schrödinger.
- Medición.
Nadie tenía dudas sobre el primer proceso en la comunidad científica, y el segundo proceso provocó discusiones y dio lugar a una serie de interpretaciones, incluso en el marco de la propia interpretación de Copenhague de la conciencia. Por un lado, hay muchas razones para creer que la función de onda no es más que un objeto físico real y que colapsa durante el segundo proceso. Por otro lado, la función de onda puede no ser una entidad real, sino una herramienta matemática auxiliar, cuyo único propósito eses proporcionar la capacidad de calcular la probabilidad. Bohr enfatizó que lo único que se puede predecir es el resultado de los experimentos físicos, por lo que todas las cuestiones secundarias no deben estar relacionadas con la ciencia exacta, sino con la filosofía. Profesó en sus desarrollos el concepto filosófico del positivismo, exigiendo que la ciencia discutiera solo cosas realmente medibles.
Experimento de doble rendija
En un experimento de dos rendijas, la luz que pasa a través de dos rendijas cae sobre la pantalla, en la que aparecen dos franjas de interferencia: oscura y clara. Este proceso se explica por el hecho de que las ondas de luz pueden amplificarse mutuamente en algunos lugares y anularse en otros. Por otro lado, el experimento ilustra que la luz tiene las propiedades de una parte de flujo, y los electrones pueden exhibir propiedades de onda, mientras dan un patrón de interferencia.
Se puede suponer que el experimento se lleva a cabo con una corriente de fotones (o electrones) de tan baja intensidad que solo una partícula pasa a través de las ranuras cada vez. Sin embargo, al sumar los puntos donde los fotones inciden en la pantalla, se obtiene el mismo patrón de interferencia de ondas superpuestas, a pesar de que el experimento se trata de partículas supuestamente separadas. Esto se debe a que vivimos en un universo "probabilístico", en el que cada evento futuro tiene un grado de posibilidad redistribuido, y la probabilidad de que suceda algo completamente imprevisto en el próximo momento es bastante pequeña.
Preguntas
La experiencia de hendidura pone talpreguntas:
- ¿Cuáles serán las reglas para el comportamiento de las partículas individuales? Las leyes de la mecánica cuántica indican la ubicación de la pantalla en la que estarán las partículas, estadísticamente. Le permiten calcular la ubicación de las bandas claras, que probablemente contengan muchas partículas, y las bandas oscuras, donde es probable que caigan menos partículas. Sin embargo, las leyes que rigen la mecánica cuántica no pueden predecir dónde terminará realmente una partícula individual.
- ¿Qué le sucede a la partícula en el momento entre la emisión y el registro? De acuerdo con los resultados de las observaciones, se puede crear la impresión de que la partícula está en interacción con ambas rendijas. Parece que esto contradice las regularidades del comportamiento de una partícula puntual. Además, cuando se registra una partícula, se convierte en un punto.
- ¿Bajo la influencia de qué cambia una partícula su comportamiento de estático a no estático y viceversa? Cuando una partícula pasa por las rendijas, su comportamiento está determinado por una función de onda no localizada que pasa por ambas rendijas al mismo tiempo. En el momento del registro de una partícula, siempre se fija como un punto, y nunca se obtiene un paquete de ondas borrosas.
Respuestas
La teoría de interpretación cuántica de Copenhague responde a las preguntas planteadas de la siguiente manera:
- Es fundamentalmente imposible eliminar la naturaleza probabilística de las predicciones de la mecánica cuántica. Es decir, no puede indicar con precisión la limitación del conocimiento humano sobre cualquier variable latente. La física clásica se refiere aprobabilidad en aquellos casos en los que es necesario describir un proceso como tirar los dados. Es decir, la probabilidad reemplaza al conocimiento incompleto. La interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica de Heisenberg y Bohr, por el contrario, establece que el resultado de las mediciones en la mecánica cuántica es fundamentalmente no determinista.
- La física es una ciencia que estudia los resultados de los procesos de medición. Es un error especular sobre lo que sucede como resultado de ellos. De acuerdo con la interpretación de Copenhague, las preguntas sobre dónde estaba la partícula antes del momento de su registro y otras fabricaciones similares no tienen sentido y, por lo tanto, deben excluirse de la reflexión.
- El acto de medir conduce a un colapso instantáneo de la función de onda. Por tanto, el proceso de medida elige aleatoriamente sólo una de las posibilidades que permite la función de onda de un estado dado. Y para reflejar esta elección, la función de onda debe cambiar instantáneamente.
Formularios
La formulación de la interpretación de Copenhague en su forma original ha dado lugar a varias variaciones. El más común de ellos se basa en el enfoque de eventos consistentes y en un concepto como la decoherencia cuántica. La decoherencia le permite calcular el límite borroso entre el macro y el micromundo. Las variaciones restantes difieren en el grado de "realismo del mundo de las olas".
Crítica
La validez de la mecánica cuántica (la respuesta de Heisenberg y Bohr a la primera pregunta) fue cuestionada en un experimento mental realizado por Einstein, Podolsky yRosen (paradoja EPR). Por lo tanto, los científicos querían demostrar que la existencia de parámetros ocultos es necesaria para que la teoría no conduzca a una "acción de largo alcance" instantánea y no local. Sin embargo, durante la verificación de la paradoja EPR, posible gracias a las desigualdades de Bell, se demostró que la mecánica cuántica es correcta y varias teorías de variables ocultas no tienen confirmación experimental.
Pero la respuesta más problemática fue la respuesta de Heisenberg y Bohr a la tercera pregunta, que colocaba los procesos de medición en una posición especial, pero no determinaba la presencia de características distintivas en ellos.
Muchos científicos, tanto físicos como filósofos, se negaron rotundamente a aceptar la interpretación de Copenhague de la física cuántica. La primera razón de esto fue que la interpretación de Heisenberg y Bohr no era determinista. Y la segunda es que introdujo una vaga noción de medición que convirtió las funciones de probabilidad en resultados válidos.
Einstein estaba seguro de que la descripción de la realidad física dada por la mecánica cuántica según la interpretación de Heisenberg y Bohr era incompleta. Según Einstein, encontró algo de lógica en la interpretación de Copenhague, pero su instinto científico se negó a aceptarla. Así que Einstein no podía dejar de buscar un concepto más completo.
En su carta a Born, Einstein decía: "¡Estoy seguro de que Dios no tira los dados!". Niels Bohr, comentando esta frase, le dijo a Einstein que no le dijera a Dios qué hacer. Y en su conversación con Abraham País, Einstein exclamó: “De verdad crees que la luna existe¿solo cuando lo miras?”.
Erwin Schrödinger ideó un experimento mental con un gato, a través del cual quería demostrar la inferioridad de la mecánica cuántica durante la transición de los sistemas subatómicos a los microscópicos. Al mismo tiempo, se consideró problemático el colapso necesario de la función de onda en el espacio. Según la teoría de la relatividad de Einstein, la instantaneidad y la simultaneidad sólo tienen sentido para un observador que se encuentra en el mismo marco de referencia. Por lo tanto, no hay tiempo que pueda convertirse en uno para todos, lo que significa que no se puede determinar el colapso instantáneo.
Distribución
Una encuesta informal realizada en el mundo académico en 1997 mostró que la interpretación predominante de Copenhague anteriormente, discutida brevemente anteriormente, fue apoyada por menos de la mitad de los encuestados. Sin embargo, tiene más adeptos que las otras interpretaciones individualmente.
Alternativa
Muchos físicos están más cerca de otra interpretación de la mecánica cuántica, que se llama "ninguna". La esencia de esta interpretación se expresa exhaustivamente en el dicho de David Mermin: "¡Cállate y calcula!", que a menudo se atribuye a Richard Feynman o Paul Dirac.
