De Kopenhagen-interpretatie van kwantummechanica

Er is waarschijnlijk geen enkel wetenschapsgebied meer bizar en verwarrend dan proberen het gedrag van materie en energie op de kleinste schaal te begrijpen. In het begin van de twintigste eeuw legden natuurkundigen zoals Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr en vele anderen de basis voor het begrijpen van dit bizarre rijk van de natuur: kwantumfysica.

De vergelijkingen en methoden van de kwantumfysica zijn in de afgelopen eeuw verfijnd, waardoor verbazingwekkende voorspellingen zijn gedaan die nauwkeuriger zijn bevestigd dan enige andere wetenschappelijke theorie in de wereldgeschiedenis. Kwantummechanica werkt door een analyse uit te voeren van de kwantumgolffunctie (gedefinieerd door een vergelijking die de Schrodinger-vergelijking wordt genoemd).

Het probleem is dat de regel over hoe de kwantumgolffunctie werkt, drastisch in strijd lijkt te zijn met de intuïties die we hebben ontwikkeld om onze dagelijkse macroscopische wereld te begrijpen. Het proberen te begrijpen van de onderliggende betekenis van de kwantumfysica is veel moeilijker gebleken dan het begrijpen van het gedrag zelf. De meest onderwezen interpretatie is de Kopenhagen-interpretatie van de kwantummechanica ... maar wat is het eigenlijk?

De pioniers

De centrale ideeën van de interpretatie van Kopenhagen zijn ontwikkeld door een kerngroep van pioniers in de kwantumfysica rond de jaren 1920 rond het Copenhagen Institute van Niels Bohr, die een interpretatie van de kwantumgolffunctie aansturen die het standaardconcept is geworden dat wordt onderwezen in kwantumfysica-cursussen. 

Een van de belangrijkste elementen van deze interpretatie is dat de Schrodinger-vergelijking de waarschijnlijkheid weergeeft van het observeren van een bepaald resultaat wanneer een experiment wordt uitgevoerd. In zijn boek De verborgen realiteit, natuurkundige Brian Greene legt het als volgt uit:

"De standaardbenadering van de kwantummechanica, ontwikkeld door Bohr en zijn groep, en de Kopenhagen interpretatie stelt ter ere van hen voor dat wanneer je een waarschijnlijkheidsgolf probeert te zien, de daad van waarneming je poging dwarsboomt. '

Het probleem is dat we alleen fysieke fenomenen op macroscopisch niveau observeren, zodat het feitelijke kwantumgedrag op microscopisch niveau niet direct voor ons beschikbaar is. Zoals beschreven in het boek Quantum Enigma:

"Er is geen 'officiële' interpretatie van Kopenhagen. Maar elke versie grijpt de stier bij de horens en beweert dat een observatie produceert de waargenomen eigenschap. Het lastige woord hier is 'observatie' ...

"De interpretatie van Kopenhagen beschouwt twee rijken: er is het macroscopische, klassieke rijk van onze meetinstrumenten geregeerd door de wetten van Newton; en er is het microscopische, kwantumrijk van atomen en andere kleine dingen geregeerd door de Schrodinger-vergelijking. Het betoogt dat we nooit handelen direct met de kwantumobjecten van het microscopische rijk. We hoeven ons daarom geen zorgen te maken over hun fysieke realiteit, of hun gebrek daaraan. Een 'bestaan' dat het mogelijk maakt om de effecten ervan op onze macroscopische instrumenten te berekenen, is voldoende om te overwegen. "

Het ontbreken van een officiële Kopenhagen-interpretatie is problematisch, waardoor de exacte details van de interpretatie moeilijk te achterhalen zijn. Zoals uitgelegd door John G. Cramer in een artikel getiteld "De transactionele interpretatie van kwantummechanica":

"Ondanks een uitgebreide literatuur die verwijst naar, bespreekt en bekritiseert de Kopenhagen-interpretatie van de kwantummechanica, lijkt er nergens een beknopte verklaring te zijn die de volledige Kopenhagen-interpretatie definieert."

Cramer probeert verder enkele van de centrale ideeën te definiëren die consequent worden toegepast bij het spreken van de Kopenhagen-interpretatie, en komt tot de volgende lijst:

• Het onzekerheidsprincipe - Ontwikkeld door Werner Heisenberg in 1927, geeft dit aan dat er paren geconjugeerde variabelen bestaan ​​die niet beide met een willekeurig nauwkeurigheidsniveau kunnen worden gemeten. Met andere woorden, er is een absolute limiet opgelegd door de kwantumfysica over hoe nauwkeurig bepaalde paren metingen kunnen worden uitgevoerd, meestal de metingen van positie en momentum tegelijkertijd.
• De statistische interpretatie - Ontwikkeld door Max Born in 1926, interpreteert dit de Schrodinger-golffunctie als een kans op een uitkomst in een bepaalde staat. Het wiskundige proces om dit te doen staat bekend als de Born-regel.
• Het complementariteitsconcept - Ontwikkeld door Niels Bohr in 1928, omvat dit het idee van dualiteit van golfdeeltjes en dat de instorting van de golffunctie is gekoppeld aan het uitvoeren van een meting.
• Identificatie van de toestandsvector met "kennis van het systeem" - De Schrodinger-vergelijking bevat een reeks toestandsvectoren en deze vectoren veranderen in de loop van de tijd en met observaties om de kennis van een systeem op elk willekeurig moment weer te geven.
• Het positivisme van Heisenberg - Dit betekent een nadruk op het bespreken van alleen de waarneembare resultaten van de experimenten, in plaats van op de "betekenis" of onderliggende "realiteit". Dit is een impliciete (en soms expliciete) acceptatie van het filosofische concept van instrumentalisme.

Dit lijkt een behoorlijk uitgebreide lijst van de belangrijkste punten achter de interpretatie van Kopenhagen, maar de interpretatie is niet zonder een aantal vrij ernstige problemen en heeft veel kritiek opgeleverd ... die de moeite waard zijn om afzonderlijk te worden behandeld.

Oorsprong van de zin "Copenhagen Interpretation"

Zoals hierboven vermeld, is de exacte aard van de interpretatie van Kopenhagen altijd een beetje vaag geweest. Een van de vroegste verwijzingen naar het idee hiervan was in het boek van Werner Heisenberg uit 1930 De fysieke principes van de kwantumtheorie, waarin hij verwees naar 'de geest van Kopenhagen van de kwantumtheorie'. Maar in die tijd - en gedurende enkele jaren daarna - was het ook echt het enkel en alleen interpretatie van de kwantummechanica (hoewel er enkele verschillen waren tussen de aanhangers), dus het was niet nodig om het met zijn eigen naam te onderscheiden.

Er werd pas naar verwezen als "de Kopenhagen-interpretatie" toen alternatieve benaderingen, zoals David Bohms verborgen-variabelenbenadering en Hugh Everett's Many Worlds Interpretation, ontstonden om de gevestigde interpretatie aan te vechten. De term "Kopenhagen-interpretatie" wordt over het algemeen toegeschreven aan Werner Heisenberg toen hij in de jaren 1950 tegen deze alternatieve interpretaties sprak. Lezingen met de uitdrukking "Copenhagen Interpretation" verschenen in Heisenberg's verzameling essays uit 1958, Natuurkunde en filosofie.