Kopenhagener Interpretation – Wikipedia

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Probabilistische Interpretation der Quantenmechanik mit Wellenfunktionskollaps

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Das Kopenhagener Interpretation ist eine Sammlung von Ansichten über die Bedeutung der Quantenmechanik, die hauptsächlich Niels Bohr und Werner Heisenberg zugeschrieben wird. Es ist eine der ältesten von zahlreichen vorgeschlagenen Interpretationen der Quantenmechanik, da ihre Merkmale auf die Entwicklung der Quantenmechanik in den Jahren 1925–1927 zurückgehen, und es bleibt eine der am häufigsten gelehrten.[1][2]

Nach der Kopenhagener Interpretation haben materielle Objekte auf mikroskopischer Ebene im Allgemeinen vor der Messung keine bestimmten Eigenschaften, und die Quantenmechanik kann nur die Wahrscheinlichkeitsverteilung der möglichen Ergebnisse einer bestimmten Messung vorhersagen. Der Messvorgang wirkt sich auf das System aus, wodurch sich der Satz von Wahrscheinlichkeiten unmittelbar nach der Messung auf nur einen der möglichen Werte reduziert. Diese Funktion wird als Wellenfunktionskollaps bezeichnet.

Im Laufe der Jahre gab es viele Einwände gegen Aspekte der Kopenhagener Interpretation, einschließlich der diskontinuierlichen und stochastischen Natur des “Beobachtungs-” oder “Mess” -Prozesses, der offensichtlichen Subjektivität, einen Beobachter zu benötigen, der Schwierigkeit, zu definieren, was als Messgerät und die scheinbare Abhängigkeit von der klassischen Physik bei der Beschreibung solcher Geräte.

Hintergrund[edit]

Ab 1900 erzwangen Untersuchungen zu atomaren und subatomaren Phänomenen eine Überarbeitung der Grundkonzepte der klassischen Physik. Erst nach Ablauf eines Vierteljahrhunderts erreichte die Überarbeitung den Status einer kohärenten Theorie. In der Zwischenzeit, die heute als Zeit der “alten Quantentheorie” bekannt ist, arbeiteten die Physiker mit Annäherungen und heuristischen Korrekturen an die klassische Physik. Zu den bemerkenswerten Ergebnissen dieser Zeit zählen Max Plancks Berechnung des Schwarzkörper-Strahlungsspektrums, Albert Einsteins Erklärung des photoelektrischen Effekts, Einsteins und Peter Debyes Arbeiten zur spezifischen Wärme von Festkörpern, Niels Bohr und Hendrika Johanna van Leeuwens Beweis, dass die klassische Physik den Diamagnetismus nicht erklären kann , Bohrs Modell des Wasserstoffatoms und Arnold Sommerfelds Erweiterung des Bohr-Modells um relativistische Effekte. Von 1922 bis 1925 stieß diese Methode der heuristischen Korrektur auf zunehmende Schwierigkeiten; Beispielsweise konnte das Bohr-Sommerfeld-Modell nicht von Wasserstoff auf den nächst einfacheren Fall, das Heliumatom, ausgedehnt werden.[3]

Der Übergang von der alten Quantentheorie zur vollwertigen Quantenphysik begann 1925, als Werner Heisenberg eine Behandlung des Elektronenverhaltens vorstellte, bei der nur “beobachtbare” Größen diskutiert wurden, was für Heisenberg die Lichtfrequenzen bedeutete, die Atome absorbierten und emittierten.[4]Max Born erkannte dann, dass in Heisenbergs Theorie die klassischen Variablen Position und Impuls stattdessen durch Matrizen dargestellt werden, mathematische Objekte, die wie Zahlen mit dem entscheidenden Unterschied multipliziert werden können, dass die Reihenfolge der Multiplikation wichtig ist. Erwin Schrödinger stellte eine Gleichung vor, die das Elektron als Welle behandelte, und Born entdeckte, dass die in der Schrödinger-Gleichung vorkommende Wellenfunktion als Werkzeug zur Berechnung von Wahrscheinlichkeiten erfolgreich interpretiert werden konnte.[5]

Die Quantenmechanik lässt sich nicht leicht mit der Alltagssprache und -beobachtung vereinbaren und erschien den Physikern, einschließlich ihrer Erfinder, oft kontraintuitiv.[note 1] Die als Kopenhagener Interpretation zusammengefassten Ideen legen eine Möglichkeit nahe, darüber nachzudenken, wie sich die Mathematik der Quantentheorie auf die physikalische Realität bezieht.

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Herkunft und Verwendung des Begriffs[edit]

Werner Heisenberg war in den 1920er Jahren Assistent von Niels Bohr an seinem Institut in Kopenhagen gewesen, als sie zur Entstehung der quantenmechanischen Theorie beitrugen. 1929 hielt Heisenberg an der Universität von Chicago eine Reihe eingeladener Vorlesungen, in denen er das neue Gebiet der Quantenmechanik erläuterte. Die Vorträge dienten dann als Grundlage für sein Lehrbuch, Die physikalischen Prinzipien der Quantentheorie, 1930 veröffentlicht.[6] Im Vorwort des Buches schrieb Heisenberg:

Insgesamt enthält das Buch nichts, was in früheren Veröffentlichungen, insbesondere in den Untersuchungen von Bohr, nicht zu finden ist. Der Zweck des Buches scheint mir erfüllt zu sein, wenn es etwas zur Verbreitung dieser “Kopenhagener Geist der Quantentheorie” beiträgt. [i.e., Copenhagen spirit of quantum theory] wenn ich mich so ausdrücken darf, das hat die gesamte Entwicklung der modernen Atomphysik geleitet.

Der Begriff “Kopenhagener Interpretation” deutet auf etwas mehr als nur einen Geist hin, wie etwa ein bestimmtes Regelwerk zur Interpretation des mathematischen Formalismus der Quantenmechanik, das vermutlich aus den 1920er Jahren stammt. Es gibt jedoch keinen solchen Text, und die Schriften von Bohr und Heisenberg widersprechen sich in mehreren wichtigen Fragen.[7] Es scheint, dass der spezielle Begriff mit seinem genaueren Sinn in den 1950er Jahren von Heisenberg geprägt wurde.[8] während alternative “Interpretationen” kritisiert werden (z. B. David Bohms[9]), die entwickelt worden war.[10][11] Vorträge mit den Titeln “Die Kopenhagener Interpretation der Quantentheorie” und “Kritik und Gegenvorschläge zur Kopenhagener Interpretation”, die Heisenberg 1955 hielt, sind in der Sammlung abgedruckt Physik und Philosophie.[12] Bevor das Buch zum Verkauf freigegeben wurde, bedauerte Heisenberg privat, dass er den Begriff aufgrund des Hinweises auf die Existenz anderer Interpretationen, die er als “Unsinn” betrachtete, verwendet hatte.[13]

Prinzipien[edit]

Es gibt keine eindeutig definitive Aussage zur Kopenhagener Interpretation.[7][14] Der Begriff umfasst die Ansichten, die eine Reihe von Wissenschaftlern und Philosophen im zweiten Viertel des 20. Jahrhunderts entwickelt haben. Bohr und Heisenberg waren sich nie völlig einig, wie man den mathematischen Formalismus der Quantenmechanik versteht, und Bohr distanzierte sich von dem, was er für Heisenbergs subjektivere Interpretation hielt.[15]

Verschiedene Kommentatoren und Forscher haben verschiedene Ideen damit verbunden. Asher Peres bemerkte, dass sehr unterschiedliche, manchmal gegensätzliche Ansichten von verschiedenen Autoren als “Kopenhagener Interpretation” dargestellt werden.[note 2]N. David Mermin prägte den Satz “Halt die Klappe und rechne!” Um die Ansichten vom Kopenhagener Typ zusammenzufassen, ein Sprichwort, das Richard Feynman oft falsch zugeschrieben wird und das Mermin später als unzureichend nuanciert empfand.[17][18]

Einige Grundprinzipien, die im Rahmen der Interpretation allgemein akzeptiert werden, umfassen Folgendes:[15]

  1. Die Quantenmechanik ist an sich unbestimmt.
  2. Das Korrespondenzprinzip: In der entsprechenden Grenze ähnelt die Quantentheorie der klassischen Physik und reproduziert die klassischen Vorhersagen.
  3. Die Born-Regel: Die Wellenfunktion eines Systems liefert Wahrscheinlichkeiten für die Ergebnisse von Messungen an diesem System.
  4. Komplementarität: Bestimmte Eigenschaften können nicht gleichzeitig für dasselbe System definiert werden. Um über eine bestimmte Eigenschaft eines Systems zu sprechen, muss dieses System im Rahmen einer bestimmten Laboranordnung betrachtet werden. Beobachtbare Größen, die sich gegenseitig ausschließenden Laboranordnungen entsprechen, können nicht zusammen vorhergesagt werden, aber die Berücksichtigung mehrerer solcher sich gegenseitig ausschließender Experimente ist notwendig, um ein System zu charakterisieren.

Hans Primas und Roland Omnès geben eine detailliertere Aufschlüsselung, die zusätzlich zu den oben genannten Folgendes umfasst:[19]::85

  1. Die Quantenphysik gilt für einzelne Objekte. Die durch die Born-Regel berechneten Wahrscheinlichkeiten erfordern kein Ensemble oder eine Sammlung von “identisch vorbereiteten” Systemen, um verstanden zu werden.
  2. Die Ergebnisse von Messgeräten sind im Wesentlichen klassisch und sollten in gewöhnlicher Sprache beschrieben werden. Dies wurde von Bohr besonders betont und von Heisenberg akzeptiert.[note 3]
  3. Gemäß dem obigen Punkt muss das Gerät, das zur Beobachtung eines Systems verwendet wird, in klassischer Sprache beschrieben werden, während das beobachtete System in Quantenbegriffen behandelt wird. Dies ist ein besonders subtiles Thema, für das Bohr und Heisenberg unterschiedliche Schlussfolgerungen gezogen haben. Nach Heisenberg kann die Grenze zwischen Klassik und Quanten nach Ermessen des Beobachters in beide Richtungen verschoben werden. Das heißt, der Beobachter hat die Freiheit, den sogenannten “Heisenberg-Schnitt” zu bewegen, ohne physikalisch bedeutsame Vorhersagen zu ändern.[19]::86 Auf der anderen Seite argumentierte Bohr, dass eine vollständige Spezifikation des Laborgeräts den “Schnitt” an Ort und Stelle fixieren würde. Darüber hinaus argumentierte Bohr, dass zumindest einige Konzepte der klassischen Physik auf beiden Seiten des “Schnitts” von Bedeutung sein müssen.[7]
  4. Während einer Beobachtung muss das System mit einem Laborgerät interagieren. Wenn dieses Gerät eine Messung durchführt, kollabiert die Wellenfunktion der Systeme und reduziert sich irreversibel auf einen Eigenzustand des registrierten Observablen. Das Ergebnis dieses Prozesses ist eine greifbare Aufzeichnung des Ereignisses, die dadurch entsteht, dass eine Möglichkeit zur Realität wird.[note 4]
  5. Aussagen über Messungen, die nicht tatsächlich gemacht werden, haben keine Bedeutung. Zum Beispiel hat die Aussage, dass ein Photon den oberen Pfad eines Mach-Zehnder-Interferometers durchquert, keine Bedeutung, es sei denn, das Interferometer wurde tatsächlich so gebaut, dass der vom Photon genommene Pfad erfasst und registriert wird.[19]::88
  6. Wellenfunktionen sind insofern objektiv, als sie nicht von persönlichen Meinungen einzelner Physiker oder anderen derartigen willkürlichen Einflüssen abhängen.[19]::509–512

Ein weiteres wichtiges Thema, bei dem Bohr und Heisenberg nicht übereinstimmten, ist die Welle-Teilchen-Dualität. Bohr behauptete, dass die Unterscheidung zwischen einer Wellenansicht und einer Partikelansicht durch eine Unterscheidung zwischen Versuchsaufbauten definiert wurde, während Heisenberg der Ansicht war, dass dies durch die Möglichkeit definiert wurde, die mathematischen Formeln so zu betrachten, dass sie sich auf Wellen oder Partikel beziehen. Bohr glaubte, dass ein bestimmter Versuchsaufbau entweder ein Wellenbild oder ein Teilchenbild anzeigen würde, aber nicht beide. Heisenberg glaubte, dass jede mathematische Formulierung sowohl Wellen- als auch Teilcheninterpretationen kann.[21][22]

Eine Schwierigkeit bei der Erörterung der philosophischen Position der “Kopenhagener Interpretation” besteht darin, dass es keine einzige maßgebliche Quelle gibt, die festlegt, was die Interpretation ist. Eine weitere Komplikation besteht darin, dass der philosophische Hintergrund, den Einstein, Bohr, Heisenberg und Zeitgenossen kennen, für Physiker und sogar Physiker der Physik in jüngerer Zeit viel weniger gilt.[3]

Art der Wellenfunktion[edit]

Eine Wellenfunktion ist eine mathematische Einheit, die eine Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Ergebnisse jeder möglichen Messung in einem System bereitstellt. Die Kenntnis des Quantenzustands zusammen mit den Regeln für die zeitliche Entwicklung des Systems erschöpft alles, was über das Verhalten des Systems vorhergesagt werden kann. Im Allgemeinen leugnen Interpretationen vom Kopenhagener Typ, dass die Wellenfunktion ein direkt verständliches Bild eines gewöhnlichen materiellen Körpers oder einer erkennbaren Komponente eines solchen liefert.[23][24] oder etwas mehr als ein theoretisches Konzept.

Wahrscheinlichkeiten über die Born-Regel[edit]

Die Born-Regel ist für die Kopenhagener Interpretation von wesentlicher Bedeutung.[25] Es wurde 1926 von Max Born formuliert und gibt die Wahrscheinlichkeit an, dass eine Messung eines Quantensystems zu einem bestimmten Ergebnis führt. In seiner einfachsten Form heißt es, dass die Wahrscheinlichkeitsdichte, ein Teilchen an einem bestimmten Punkt zu finden, wenn sie gemessen wird, proportional zum Quadrat der Größe der Wellenfunktion des Teilchens an diesem Punkt ist.[note 5]

Zusammenbruch[edit]

Eine verbreitete Auffassung der “Kopenhagener Interpretation” ist, dass ein wichtiger Teil davon der “Zusammenbruch” der Wellenfunktion ist.[15] Beim Messen wird postuliert, dass sich die Wellenfunktion eines Systems plötzlich und diskontinuierlich ändern kann. Vor einer Messung beinhaltet eine Wellenfunktion die verschiedenen Wahrscheinlichkeiten für die verschiedenen möglichen Ergebnisse dieser Messung. Aber wenn der Apparat eines dieser Ergebnisse registriert, bleiben keine Spuren der anderen zurück.

Heisenberg sprach von der Wellenfunktion als Repräsentant des verfügbaren Wissens eines Systems und verwendete nicht den Begriff “Kollaps”, sondern nannte ihn “Reduktion” der Wellenfunktion auf einen neuen Zustand, der die Änderung des verfügbaren Wissens darstellt, die einmal in einem bestimmten Fall auftritt Phänomen wird von der Vorrichtung registriert.[30] Howard und Faye zufolge erwähnen die Schriften von Bohr den Zusammenbruch der Wellenfunktion nicht.[8][15]

Da sie behaupten, dass die Existenz eines beobachteten Wertes von der Fürsprache des Beobachters abhängt, werden Interpretationen vom Kopenhagener Typ manchmal als “subjektiv” bezeichnet. Dieser Begriff wird von vielen Kopenhagenisten abgelehnt, da der Beobachtungsprozess mechanisch ist und nicht von der Individualität des Beobachters abhängt.[31]Wolfgang Pauli bestand beispielsweise darauf, dass Messergebnisse mit “objektiven Registrierungsgeräten” erhalten und aufgezeichnet werden könnten.[32] Wie Heisenberg schrieb,

Natürlich darf die Einführung des Beobachters nicht missverstanden werden, um zu implizieren, dass irgendeine Art von subjektiven Merkmalen in die Beschreibung der Natur einbezogen werden soll. Der Beobachter hat vielmehr nur die Funktion, Entscheidungen zu registrieren, dh Prozesse in Raum und Zeit, und es spielt keine Rolle, ob der Beobachter ein Apparat oder ein Mensch ist; aber die Registrierung, dh der Übergang vom “Möglichen” zum “Wirklichen”, ist hier absolut notwendig und kann bei der Interpretation der Quantentheorie nicht weggelassen werden.[33]

In den 1970er und 1980er Jahren half die Theorie der Dekohärenz, das Auftreten quasi-klassischer Realitäten zu erklären, die aus der Quantentheorie hervorgehen.[34][35][36] Dies reichte jedoch nicht aus, um eine technische Erklärung für den Zusammenbruch der scheinbaren Wellenfunktion zu liefern.[37]

Vervollständigung durch versteckte Variablen?[edit]

In metaphysischen Begriffen betrachtet die Kopenhagener Interpretation die Quantenmechanik als Wissen über Phänomene, aber nicht als Hinweis auf “wirklich existierende Objekte”, die sie als Reste gewöhnlicher Intuition betrachtet. Dies macht es zu einer erkenntnistheoretischen Theorie. Dies kann im Gegensatz zu Einsteins Ansicht stehen, dass die Physik nach „wirklich existierenden Objekten“ suchen und sich selbst zu einer ontischen Theorie machen sollte.[38]

Manchmal wird die metaphysische Frage gestellt: “Könnte die Quantenmechanik erweitert werden, indem dem mathematischen Formalismus sogenannte” versteckte Variablen “hinzugefügt werden, um ihn von einer epistemischen in eine ontische Theorie umzuwandeln?” Die Kopenhagener Interpretation antwortet darauf mit einem starken Nein.[39] Es wird manchmal behauptet, zum Beispiel von JS Bell, dass Einstein sich der Kopenhagener Interpretation widersetzte, weil er glaubte, dass die Antwort auf diese Frage der “versteckten Variablen” “Ja” war. Im Gegensatz dazu schreibt Max Jammer: “Einstein hat nie eine Theorie der versteckten Variablen vorgeschlagen.”[40] Einstein erkundete die Möglichkeit einer Theorie versteckter Variablen und schrieb ein Papier, in dem seine Erforschung beschrieben wurde, zog es jedoch aus der Veröffentlichung zurück, weil er es für fehlerhaft hielt.[41][42]

Akzeptanz unter Physikern[edit]

In den 1930er und 1940er Jahren wurden Ansichten über die Quantenmechanik, die Bohr zugeschrieben wurden und die Komplementarität betonten, unter Physikern alltäglich. Lehrbücher der damaligen Zeit behielten im Allgemeinen das Prinzip bei, dass der numerische Wert einer physikalischen Größe nicht aussagekräftig ist oder erst existiert, wenn er gemessen wird.[43]::248 Prominente Physiker, die mit Interpretationen vom Kopenhagener Typ in Verbindung gebracht wurden, waren Lev Landau,[43][44]Wolfgang Pauli,[44]Rudolf Peierls,[45]Asher Peres,[46] und Léon Rosenfeld.[7]

Während eines Großteils des 20. Jahrhunderts hatte die Kopenhagener Tradition unter Physikern eine überwältigende Akzeptanz.[43][47] Laut einer sehr informellen Umfrage (einige Leute stimmten für Mehrfachinterpretationen), die 1997 auf einer Konferenz über Quantenmechanik durchgeführt wurde,[48] Die Kopenhagener Interpretation blieb das am weitesten verbreitete Etikett, das Physiker auf ihre eigenen Ansichten anwendeten. Ein ähnliches Ergebnis wurde in einer 2011 durchgeführten Umfrage festgestellt.[49]

Folgen[edit]

Die Art der Kopenhagener Interpretation wird anhand einer Reihe von Experimenten und Paradoxien aufgedeckt.

1. Schrödingers Katze[edit]

Dieses Gedankenexperiment zeigt die Auswirkungen auf, die das Akzeptieren von Unsicherheit auf mikroskopischer Ebene auf makroskopische Objekte hat. Eine Katze wird in eine versiegelte Kiste gelegt, deren Leben oder Tod vom Zustand eines subatomaren Teilchens abhängt. So wird eine Beschreibung der Katze im Verlauf des Experiments – die mit dem Zustand eines subatomaren Teilchens verwickelt ist – zu einer “Unschärfe” von “lebender und toter Katze”. Dies kann jedoch nicht genau sein, da dies impliziert, dass die Katze tatsächlich sowohl tot als auch lebendig ist, bis die Schachtel geöffnet wird, um sie zu überprüfen. Aber die Katze wird sich nur daran erinnern, am Leben zu sein, wenn sie überlebt. Schrödinger widersetzt sich “so naiv, ein” verschwommenes Modell “für die Darstellung der Realität als gültig zu akzeptieren”.[50]Wie kann die Katze sowohl lebendig als auch tot sein?
Die Kopenhagener Interpretation: Die Wellenfunktion spiegelt unser Wissen über das System wider. Die Wellenfunktion

2. Wigners Freund[edit]

Wigner setzt seinen Freund bei der Katze ein. Der externe Beobachter glaubt, dass das System in einem Zustand ist
Die Kopenhagener Interpretation: Die Antwort hängt von der Positionierung des Heisenberg-Schnitts ab, der willkürlich platziert werden kann (zumindest nach Heisenberg, aber nicht nach Bohr[7]). Befindet sich Wigners Freund auf derselben Seite des Schnitts wie der externe Beobachter, kollabieren seine Messungen die Wellenfunktion für beide Beobachter. Wenn er auf der Seite der Katze positioniert ist, wird seine Interaktion mit der Katze nicht als Maß angesehen.

3. Doppelspaltbeugung[edit]

Licht gelangt durch Doppelspalte auf einen Bildschirm, was zu einem Beugungsmuster führt. Ist Licht ein Teilchen oder eine Welle?
Die Kopenhagener Interpretation: Licht ist weder. Ein bestimmtes Experiment kann Teilchen- (Photonen-) oder Welleneigenschaften demonstrieren, jedoch nicht beide gleichzeitig (Bohrs Komplementaritätsprinzip).
Das gleiche Experiment kann theoretisch mit durchgeführt werden irgendein physikalisches System: Elektronen, Protonen, Atome, Moleküle, Viren, Bakterien, Katzen, Menschen, Elefanten, Planeten usw. In der Praxis wurde es für Licht, Elektronen, Buckminsterfulleren durchgeführt.[51][52] und einige Atome. Aufgrund der geringen Planckschen Konstante ist es praktisch unmöglich, Experimente durchzuführen, die die Wellennatur eines Systems, das größer als einige Atome ist, direkt offenbaren. Im Allgemeinen betrachtet die Quantenmechanik jedoch alle Materie als Teilchen- und Wellenverhalten. Größere Systeme (wie Viren, Bakterien, Katzen usw.) werden als “klassische” Systeme betrachtet, jedoch nur als Annäherung, nicht als exakt.

4. Einstein-Podolsky-Rosen-Paradoxon[edit]

Verwickelte “Partikel” werden in einem einzigen Ereignis emittiert. Die Erhaltungsgesetze stellen sicher, dass der gemessene Spin eines Partikels das Gegenteil des gemessenen Spins des anderen Partikels sein muss. Wenn also der Spin eines Partikels gemessen wird, ist der Spin des anderen Partikels sofort bekannt. Da dieses Ergebnis nicht von der Quantenzufälligkeit getrennt werden kann, können auf diese Weise keine Informationen gesendet werden, und es liegt keine Verletzung der speziellen Relativitätstheorie oder der Kopenhagener Interpretation vor.
Die Kopenhagener Interpretation: Unter der Annahme, dass Wellenfunktionen nicht real sind, wird der Wellenfunktionskollaps subjektiv interpretiert. In dem Moment, in dem ein Beobachter den Spin eines Teilchens misst, kennt er den Spin des anderen. Ein anderer Beobachter kann jedoch erst profitieren, wenn die Ergebnisse dieser Messung mit einer Lichtgeschwindigkeit von höchstens oder gleich an ihn weitergeleitet wurden.

Kritik[edit]

Unvollständigkeit und Unbestimmtheit[edit]

Einstein war ein früher und hartnäckiger Kritiker der Kopenhagener Schule. Bohr und Heisenberg vertraten die Position, dass keine physikalische Eigenschaft ohne einen Messvorgang verstanden werden könne, während Einstein sich weigerte, dies zu akzeptieren. Abraham Pais erinnerte sich an einen Spaziergang mit Einstein, als die beiden über Quantenmechanik diskutierten: “Einstein blieb plötzlich stehen, drehte sich zu mir um und fragte, ob ich wirklich glaubte, dass der Mond nur existiert, wenn ich ihn mir anschaue.”[53] Während Einstein nicht daran zweifelte, dass die Quantenmechanik eine korrekte physikalische Theorie war, da sie korrekte Vorhersagen lieferte, behauptete er, dass es keine sein könne Komplett Theorie. Das bekannteste Produkt seiner Bemühungen, die Unvollständigkeit der Quantentheorie zu argumentieren, ist das Einstein-Podolsky-Rosen-Gedankenexperiment, das zeigen sollte, dass physikalische Eigenschaften wie Position und Impuls Werte haben, auch wenn sie nicht gemessen werden.[note 6] Das Argument der EPR überzeugte andere Physiker im Allgemeinen nicht.[43]::189–251

Carl Friedrich von Weizsäcker bestritt während der Teilnahme an einem Kolloquium in Cambridge, dass die Kopenhagener Interpretation behauptete: “Was nicht beobachtet werden kann, existiert nicht”. Stattdessen schlug er vor, dass die Kopenhagener Interpretation dem Prinzip folgt: “Was beobachtet wird, existiert sicherlich; über das, was nicht beobachtet wird, können wir immer noch geeignete Annahmen treffen. Wir nutzen diese Freiheit, um Paradoxien zu vermeiden.”[14]

Einstein war ebenfalls unzufrieden mit dem Indeterminismus der Quantentheorie. In Bezug auf die Möglichkeit der Zufälligkeit in der Natur sagte Einstein, er sei “überzeugt, dass er [God] wirft keine Würfel. “[58] Als Antwort sagte Bohr angeblich: “Es kann nicht an uns liegen, Gott zu sagen, wie er die Welt regieren soll.”[note 7]

Die “zwielichtige Trennung”[edit]

Viel Kritik an Interpretationen vom Kopenhagener Typ hat sich auf die Notwendigkeit eines klassischen Bereichs konzentriert, in dem sich Beobachter oder Messgeräte aufhalten können, und auf die Ungenauigkeit, wie die Grenze zwischen Quanten und Klassik definiert werden könnte. John Bell nannte dies die “zwielichtige Trennung”.[59] Wie typischerweise dargestellt, beinhalten Interpretationen vom Kopenhagener Typ zwei verschiedene Arten der Zeitentwicklung für Wellenfunktionen, den deterministischen Fluss gemäß der Schrödinger-Gleichung und den probabilistischen Sprung während der Messung, ohne ein klares Kriterium für die Anwendung jeder Art. Warum sollten diese beiden unterschiedlichen Prozesse existieren, wenn Physiker und Laborgeräte aus derselben Materie bestehen wie der Rest des Universums?[60] Und wenn es irgendwie eine Spaltung gibt, wo sollte sie platziert werden? Steven Weinberg schreibt, dass die traditionelle Präsentation “keine Möglichkeit bietet, die Grenze zwischen den Bereichen zu lokalisieren, in denen […] Quantenmechanik gilt oder nicht. “[61]

Das Problem des Denkens in Bezug auf klassische Messungen eines Quantensystems wird im Bereich der Quantenkosmologie, wo das Quantensystem das Universum ist, besonders akut.[62][63] Wie steht ein Beobachter außerhalb des Universums, um es zu messen, und wer war da, um das Universum in seinen frühesten Stadien zu beobachten? Kopenhagener haben die Schwere dieser Einwände bestritten. Rudolf Peierls bemerkte, dass “der Beobachter nicht gleichzeitig mit dem Ereignis sein muss”; Zum Beispiel untersuchen wir das frühe Universum durch den kosmischen Mikrowellenhintergrund und können die Quantenmechanik sowohl auf dieses als auch auf jedes elektromagnetische Feld anwenden.[45] Ebenso argumentierte Asher Peres, dass Physiker sindAußerhalb der Freiheitsgrade, die die Kosmologie untersucht, unterscheidet sich die Anwendung der Quantenmechanik auf den Radius des Universums unter Vernachlässigung der darin enthaltenen Physiker nicht von der Quantisierung des elektrischen Stroms in einem Supraleiter unter Vernachlässigung der Details auf atomarer Ebene.[64]

Sie können einwenden, dass es nur ein Universum gibt, aber es gibt auch nur eine SQUID in meinem Labor.[64]

ET Jaynes,[65] Ein Befürworter der Bayes’schen Wahrscheinlichkeit argumentierte, dass die Wahrscheinlichkeit ein Maß für einen Informationszustand über die physische Welt sei, und dass es daher ein Beispiel für einen Irrtum der Gedankenprojektion wäre, sie als physikalisches Phänomen zu betrachten. Jaynes beschrieb den mathematischen Formalismus der Quantenphysik als “eine eigenartige Mischung, die zum Teil Realitäten der Natur beschreibt, zum Teil unvollständige menschliche Informationen über die Natur – alle von Heisenberg und Bohr zu einem Omelett zusammengefasst, das niemand gesehen hat, wie man es entschlüsselt”.[66]

Alternativen[edit]

Die Interpretation des Ensembles ist ähnlich; Es bietet eine Interpretation der Wellenfunktion, jedoch nicht für einzelne Partikel. Die konsequente Interpretation der Geschichte wirbt als “Kopenhagen richtig gemacht”. Obwohl die Kopenhagener Interpretation oft mit der Vorstellung verwechselt wird, dass Bewusstsein einen Kollaps verursacht, definiert sie einen “Beobachter” lediglich als das, was die Wellenfunktion kollabiert.[33] In jüngerer Zeit Interpretationen, die von der Quanteninformationstheorie wie QBism inspiriert sind[67] und relationale Quantenmechanik[68] Unterstützung erhalten haben.[69][70]

Unter Realismus und Determinismus ergibt sich eine Theorie vieler Welten, wenn die Wellenfunktion als ontologisch real angesehen wird und der Zusammenbruch vollständig abgelehnt wird. Wenn der Wellenfunktionskollaps auch als ontologisch real angesehen wird, wird eine objektive Kollaps-Theorie erhalten. Die böhmische Mechanik zeigt, dass es möglich ist, die Quantenmechanik neu zu formulieren, um sie deterministisch zu machen, und zwar um den Preis, sie explizit nicht lokal zu machen. Es schreibt einem physikalischen System nicht nur eine Wellenfunktion zu, sondern zusätzlich eine reale Position, die sich unter einer nichtlokalen Leitgleichung deterministisch entwickelt. Die Entwicklung eines physikalischen Systems ist jederzeit durch die Schrödinger-Gleichung zusammen mit der Leitgleichung gegeben; Es gibt niemals einen Zusammenbruch der Wellenfunktion.[71] Die Transaktionsinterpretation ist ebenfalls ausdrücklich nicht lokal.[72]

Einige Physiker vertraten Ansichten im “Kopenhagener Geist” und befürworteten dann andere Interpretationen. Zum Beispiel haben David Bohm und Alfred Landé Lehrbücher geschrieben, die Ideen in der Bohr-Heisenberg-Tradition hervorbrachten, und später nichtlokale versteckte Variablen bzw. eine Ensemble-Interpretation gefördert.[43]::453John Archibald Wheeler begann seine Karriere als “Apostel von Niels Bohr”;[73] Anschließend betreute er die Doktorarbeit von Hugh Everett, in der die Interpretation vieler Welten vorgeschlagen wurde. Nachdem er Everetts Arbeit mehrere Jahre lang unterstützt hatte, begann er sich in den 1970er Jahren von der Interpretation vieler Welten zu distanzieren.[74][75] Spät im Leben schrieb er, dass die Kopenhagener Interpretation zwar “der Nebel aus dem Norden” genannt werden könnte, aber “die beste Interpretation des Quanten bleibt, das wir haben”.[76]

Andere Physiker, die von der Kopenhagener Tradition beeinflusst sind, äußerten sich frustriert darüber, wie der mathematische Formalismus der Quantentheorie als gegeben angesehen wurde, anstatt zu verstehen, wie er aus etwas Grundlegenderem entstehen könnte. Diese Unzufriedenheit hat neue Interpretationsvarianten sowie technische Arbeiten in Quantengrundlagen motiviert.[47][63][77]

Siehe auch[edit]

  1. ^ Wie Heisenberg schrieb Physik und Philosophie (1958): “Ich erinnere mich an Gespräche mit Bohr, die viele Stunden bis spät in die Nacht dauerten und fast verzweifelt endeten; und als ich am Ende der Diskussion alleine im benachbarten Park spazieren ging, wiederholte ich mich noch einmal und wieder die Frage: Kann die Natur möglicherweise so absurd sein, wie es uns in diesen Atomexperimenten erschien? “
  2. ^ “Es scheint mindestens so viele verschiedene Kopenhagener Interpretationen zu geben wie Menschen, die diesen Begriff verwenden, wahrscheinlich gibt es mehr. Zum Beispiel geben Ballentine (1970) und Stapp (1972) in zwei klassischen Artikeln über die Grundlagen der Quantenmechanik diametral entgegengesetzte Aussagen Definitionen von ‘Kopenhagen’. “[16]
  3. ^ “Jede Beschreibung von Phänomenen, Experimenten und deren Ergebnissen beruht auf der Sprache als einzigem Kommunikationsmittel. Die Wörter dieser Sprache repräsentieren die Konzepte des gewöhnlichen Lebens, die in der wissenschaftlichen Sprache der Physik zu den Konzepten der klassischen Physik verfeinert werden können Diese Konzepte sind die einzigen Werkzeuge für eine eindeutige Kommunikation über Ereignisse, den Aufbau von Experimenten und deren Ergebnisse. ” [20]::127
  4. ^ “Es ist bekannt, dass die ‘Reduktion der Wellenpakete’ in der Kopenhagener Interpretation immer dann auftritt, wenn der Übergang vom Möglichen zum Tatsächlichen abgeschlossen ist. Die Wahrscheinlichkeitsfunktion, die ein breites Spektrum von Möglichkeiten abdeckt, wird plötzlich auf ein Vielfaches reduziert engerer Bereich durch die Tatsache, dass das Experiment zu einem bestimmten Ergebnis geführt hat, dass tatsächlich ein bestimmtes Ereignis eingetreten ist. Im Formalismus erfordert diese Reduktion die sogenannte Interferenz von Wahrscheinlichkeiten, die das charakteristischste Phänomen ist [sic] der Quantentheorie wird durch die teilweise undefinierbaren und irreversiblen Wechselwirkungen des Systems mit dem Messgerät und dem Rest der Welt zerstört. “[20]::125
  5. ^ Während Born selbst seinen Beitrag als “statistische Interpretation” der Wellenfunktion beschrieb,[26][27] Der Begriff “statistische Interpretation” wurde auch als Synonym für die Ensemble-Interpretation verwendet.[28][29]
  6. ^ Die veröffentlichte Form des EPR-Arguments war Podolsky zu verdanken, und Einstein selbst war damit nicht zufrieden. In seinen eigenen Veröffentlichungen und seiner Korrespondenz verwendete Einstein ein anderes Argument, um darauf zu bestehen, dass die Quantenmechanik eine unvollständige Theorie ist.[54][55][56][57]
  7. ^ Bohr erinnerte sich an seine Antwort auf Einstein auf dem Solvay-Kongress 1927 in seinem Aufsatz “Diskussion mit Einstein über erkenntnistheoretische Probleme in der Atomphysik” in Albert Einstein, Philosoph-Wissenschaftler, ed. Paul Arthur Shilpp, Harper, 1949, p. 211: “… trotz aller Meinungs- und Meinungsverschiedenheiten belebte ein äußerst humorvoller Geist die Diskussionen. Einstein fragte uns spöttisch, ob wir wirklich glauben könnten, dass die Vorsehungsbehörden auf das Würfelspiel zurückgegriffen hätten (“).ob der liebe Gott würfelt“), worauf ich antwortete, indem ich auf die große Vorsicht hinwies, die bereits von alten Denkern gefordert wurde, der Vorsehung in der Alltagssprache Attribute zuzuschreiben.” Werner Heisenberg, der auch am Kongress teilnahm, erinnerte an den Austausch in Begegnungen mit Einstein, Princeton University Press, 1983, p. 117: “Aber er [Einstein] stand immer noch zu seinem Schlagwort, das er mit den Worten bekleidete: “Gott spielt nicht mit Würfeln.” Worauf Bohr nur antworten konnte: ‘Aber es kann nicht sein, dass wir Gott sagen, wie er die Welt regieren soll.’ “

Verweise[edit]

  1. ^ Siddiqui, Shabnam; Singh, Chandralekha (2017). “Wie unterschiedlich sind die Einstellungen und Ansätze von Physiklehrern im Unterrichten von Quantenmechanik auf Bachelor-Niveau?”. Europäisches Journal für Physik. 38 (3): 035703. Bibcode:2017EJPh … 38c5703S. doi:10.1088 / 1361-6404 / aa6131.
  2. ^ Wimmel, Hermann (1992). Quantenphysik & beobachtete Realität: Eine kritische Interpretation der Quantenmechanik. World Scientific. p. 2. Bibcode:1992qpor.book ….. W.. ISBN 978-981-02-1010-6.
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  6. ^ J. Mehra und H. Rechenberg, Die historische Entwicklung der Quantentheorie, Springer-Verlag, 2001, p. 271.
  7. ^ ein b c d e Camilleri, K.; Schlosshauer, M. (2015). “Niels Bohr als Philosoph des Experiments: Fordert die Dekohärenztheorie Bohrs Lehre von klassischen Konzepten heraus?” Studium der Geschichte und Philosophie der modernen Physik. 49: 73–83. arXiv:1502.06547. doi:10.1016 / j.shpsb.2015.01.005. S2CID 27697360.
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