L'interprétation de Copenhague est une explication de la mécanique quantique formulée par Niels Bohr et Werner Heisenberg en 1927 lorsque les scientifiques travaillaient ensemble à Copenhague. Bohr et Heisenberg ont pu améliorer l'interprétation probabiliste de la fonction formulée par M. Born et ont tenté de répondre à un certain nombre de questions qui se posent en raison de la dualité onde-particule. Cet article examinera les idées principales de l'interprétation de Copenhague de la mécanique quantique et leur impact sur la physique moderne.
Problèmes
Interprétations de la mécanique quantique appelées vues philosophiques sur la nature de la mécanique quantique en tant que théorie décrivant le monde matériel. Avec leur aide, il a été possible de répondre à des questions sur l'essence de la réalité physique, la méthode d'étude de celle-ci, la nature de la causalité et du déterminisme, ainsi que l'essence de la statistique et sa place dans la mécanique quantique. La mécanique quantique est considérée comme la théorie la plus résonnante de l'histoire des sciences, mais il n'y a toujours pas de consensus dans sa compréhension profonde. Il existe un certain nombre d'interprétations de la mécanique quantique, etaujourd'hui, nous allons nous familiariser avec les plus populaires d'entre eux.
Idées clés
Comme vous le savez, le monde physique se compose d'objets quantiques et d'instruments de mesure classiques. Le changement d'état des instruments de mesure décrit un processus statistique irréversible de modification des caractéristiques des micro-objets. Lorsqu'un micro-objet interagit avec les atomes de l'appareil de mesure, la superposition est réduite à un état, c'est-à-dire que la fonction d'onde de l'objet de mesure est réduite. L'équation de Schrödinger ne décrit pas ce résultat.
Du point de vue de l'interprétation de Copenhague, la mécanique quantique ne décrit pas les micro-objets eux-mêmes, mais leurs propriétés, qui se manifestent dans des conditions macro créées par des instruments de mesure typiques lors de l'observation. Le comportement des objets atomiques ne peut être distingué de leur interaction avec des instruments de mesure qui fixent les conditions d'apparition des phénomènes.
Un regard sur la mécanique quantique
La mécanique quantique est une théorie statique. Ceci est dû au fait que la mesure d'un micro-objet entraîne un changement de son état. Il existe donc une description probabiliste de la position initiale de l'objet, décrite par la fonction d'onde. La fonction d'onde complexe est un concept central de la mécanique quantique. La fonction d'onde passe à une nouvelle dimension. Le résultat de cette mesure dépend de la fonction d'onde, de manière probabiliste. Seul le carré du module de la fonction d'onde a une signification physique, ce qui confirme la probabilité que l'étudele micro-objet est situé à un certain endroit de l'espace.
En mécanique quantique, la loi de causalité est satisfaite par rapport à la fonction d'onde, qui varie dans le temps en fonction des conditions initiales, et non par rapport aux coordonnées de vitesse des particules, comme dans l'interprétation classique de la mécanique. Du fait que seul le carré du module de la fonction d'onde est doté d'une valeur physique, ses valeurs initiales ne peuvent en principe pas être déterminées, ce qui conduit à une certaine impossibilité d'obtenir une connaissance précise de l'état initial du système quantique.
Base philosophique
D'un point de vue philosophique, la base de l'interprétation de Copenhague sont des principes épistémologiques:
- Observabilité. Son essence réside dans l'exclusion de la théorie physique des affirmations qui ne peuvent être vérifiées par l'observation directe.
- Extras. Suppose que la description ondulatoire et corpusculaire des objets du micromonde se complètent.
- Incertitudes. Dit que la coordonnée des micro-objets et leur impulsion ne peuvent pas être déterminées séparément, et avec une précision absolue.
- Déterminisme statique. Il suppose que l'état actuel du système physique est déterminé par ses états précédents non sans ambiguïté, mais seulement avec un certain degré de probabilité de la mise en œuvre des tendances de changement établies dans le passé.
- Correspondance. Selon ce principe, les lois de la mécanique quantique se transforment en lois de la mécanique classique lorsqu'il est possible de négliger la grandeur du quantum d'action.
Avantages
En physique quantique, les informations sur les objets atomiques, obtenues grâce à des montages expérimentaux, entretiennent une relation particulière les unes avec les autres. Dans les relations d'incertitude de Werner Heisenberg, il existe une proportionnalité inverse entre les imprécisions dans la fixation des variables cinétiques et dynamiques qui déterminent l'état d'un système physique en mécanique classique.
Un avantage significatif de l'interprétation de Copenhague de la mécanique quantique est le fait qu'elle ne fonctionne pas avec des déclarations détaillées directement sur des quantités physiquement non observables. De plus, avec un minimum de prérequis, il construit un système conceptuel qui décrit de manière exhaustive les faits expérimentaux disponibles à l'heure actuelle.
La signification de la fonction d'onde
Selon l'interprétation de Copenhague, la fonction d'onde peut être soumise à deux processus:
- Évolution unitaire, qui est décrite par l'équation de Schrödinger.
- Mesure.
Personne n'avait de doute sur le premier processus dans la communauté scientifique, et le second processus a suscité des discussions et donné lieu à un certain nombre d'interprétations, même dans le cadre de l'interprétation de Copenhague de la conscience elle-même. D'une part, il y a tout lieu de croire que la fonction d'onde n'est rien d'autre qu'un objet physique réel, et qu'elle s'effondre au cours du second processus. D'autre part, la fonction d'onde peut ne pas être une entité réelle, mais un outil mathématique auxiliaire, dont le seul butest de fournir la possibilité de calculer la probabilité. Bohr a souligné que la seule chose qui puisse être prédite est le résultat d'expériences physiques, de sorte que toutes les questions secondaires ne devraient pas être liées à la science exacte, mais à la philosophie. Il a professé dans ses développements le concept philosophique de positivisme, exigeant que la science ne discute que des choses réellement mesurables.
Expérience de la double fente
Dans une expérience à deux fentes, la lumière traversant deux fentes tombe sur l'écran, sur lequel apparaissent deux franges d'interférence: sombre et claire. Ce processus s'explique par le fait que les ondes lumineuses peuvent s'amplifier mutuellement à certains endroits et s'annuler à d'autres. D'autre part, l'expérience montre que la lumière a les propriétés d'une partie de flux et que les électrons peuvent présenter des propriétés ondulatoires, tout en donnant un motif d'interférence.
On peut supposer que l'expérience est réalisée avec un flux de photons (ou d'électrons) d'une intensité si faible qu'une seule particule traverse les fentes à chaque fois. Néanmoins, en ajoutant les points où les photons frappent l'écran, on obtient le même schéma d'interférence à partir d'ondes superposées, malgré le fait que l'expérience concerne des particules supposées séparées. En effet, nous vivons dans un univers "probabiliste", dans lequel chaque événement futur a un degré de possibilité redistribué, et la probabilité que quelque chose de complètement imprévu se produise à l'instant suivant est plutôt faible.
Questions
L'expérience Slit met une tellequestion:
- Quelles seront les règles de comportement des particules individuelles ? Les lois de la mécanique quantique indiquent l'emplacement de l'écran dans lequel les particules se trouveront, statistiquement. Ils vous permettent de calculer l'emplacement des bandes claires, qui sont susceptibles de contenir de nombreuses particules, et des bandes sombres, où moins de particules sont susceptibles de tomber. Cependant, les lois qui régissent la mécanique quantique ne peuvent pas prédire où une particule individuelle finira réellement.
- Qu'arrive-t-il à la particule entre l'émission et l'enregistrement ? D'après les résultats des observations, on peut avoir l'impression que la particule est en interaction avec les deux fentes. Il semble que cela contredise les régularités du comportement d'une particule ponctuelle. De plus, lorsqu'une particule est enregistrée, elle devient un point.
- Sous l'influence de quoi une particule change-t-elle son comportement de statique à non statique, et vice versa ? Lorsqu'une particule traverse les fentes, son comportement est déterminé par une fonction d'onde non localisée traversant les deux fentes en même temps. Au moment de l'enregistrement d'une particule, celle-ci est toujours fixée comme un point, et un paquet d'onde flou n'est jamais obtenu.
Réponses
La théorie de Copenhague sur l'interprétation quantique répond aux questions posées comme suit:
- Il est fondamentalement impossible d'éliminer le caractère probabiliste des prédictions de la mécanique quantique. Autrement dit, il ne peut pas indiquer avec précision la limitation des connaissances humaines sur les variables latentes. La physique classique fait référence àprobabilité dans les cas où il est nécessaire de décrire un processus tel que lancer des dés. C'est-à-dire que la probabilité remplace la connaissance incomplète. L'interprétation de Copenhague de la mécanique quantique par Heisenberg et Bohr, au contraire, stipule que le résultat des mesures en mécanique quantique est fondamentalement non déterministe.
- La physique est une science qui étudie les résultats des processus de mesure. Il est faux de spéculer sur ce qui en résulte. Selon l'interprétation de Copenhague, les questions sur l'endroit où se trouvait la particule avant le moment de son enregistrement et d'autres fabrications similaires n'ont aucun sens et doivent donc être exclues de la réflexion.
- L'acte de mesure conduit à un effondrement instantané de la fonction d'onde. Par conséquent, le processus de mesure choisit au hasard une seule des possibilités que la fonction d'onde d'un état donné permet. Et pour refléter ce choix, la fonction d'onde doit changer instantanément.
Formulaires
La formulation de l'interprétation de Copenhague dans sa forme originale a donné lieu à plusieurs variantes. Le plus courant d'entre eux est basé sur l'approche des événements cohérents et un concept tel que la décohérence quantique. La décohérence vous permet de calculer la frontière floue entre les macro et micromondes. Les variations restantes diffèrent par le degré de "réalisme du monde des vagues".
Critique
La validité de la mécanique quantique (réponse de Heisenberg et Bohr à la première question) a été remise en question dans une expérience de pensée menée par Einstein, Podolsky etRosen (paradoxe EPR). Ainsi, les scientifiques ont voulu prouver que l'existence de paramètres cachés est nécessaire pour que la théorie ne conduise pas à une « action à longue portée » instantanée et non locale. Cependant, lors de la vérification du paradoxe EPR, rendue possible par les inégalités de Bell, il a été prouvé que la mécanique quantique est correcte, et diverses théories des variables cachées n'ont aucune confirmation expérimentale.
Mais la réponse la plus problématique était la réponse de Heisenberg et Bohr à la troisième question, qui plaçait les processus de mesure dans une position particulière, mais ne déterminait pas la présence de traits distinctifs en eux.
De nombreux scientifiques, physiciens et philosophes, ont catégoriquement refusé d'accepter l'interprétation de Copenhague de la physique quantique. La première raison en était que l'interprétation de Heisenberg et Bohr n'était pas déterministe. Et la seconde est qu'elle a introduit une vague notion de mesure qui a transformé les fonctions de probabilité en résultats valides.
Einstein était sûr que la description de la réalité physique donnée par la mécanique quantique telle qu'interprétée par Heisenberg et Bohr était incomplète. Selon Einstein, il a trouvé une certaine logique dans l'interprétation de Copenhague, mais ses instincts scientifiques ont refusé de l'accepter. Einstein ne pouvait donc pas s'empêcher de chercher un concept plus complet.
Dans sa lettre à Born, Einstein a dit: "Je suis sûr que Dieu ne lance pas les dés !". Niels Bohr, commentant cette phrase, a dit à Einstein de ne pas dire à Dieu quoi faire. Et dans sa conversation avec Abraham Pais, Einstein s'est exclamé: « Vous pensez vraiment que la lune existeseulement quand tu le regardes ?".
Erwin Schrödinger a proposé une expérience de pensée avec un chat, à travers laquelle il voulait démontrer l'infériorité de la mécanique quantique lors de la transition des systèmes subatomiques aux systèmes microscopiques. Dans le même temps, l'effondrement nécessaire de la fonction d'onde dans l'espace était considéré comme problématique. Selon la théorie de la relativité d'Einstein, l'instantanéité et la simultanéité n'ont de sens que pour un observateur qui se trouve dans le même référentiel. Ainsi, il n'y a pas de temps qui pourrait devenir un pour tous, ce qui signifie que l'effondrement instantané ne peut pas être déterminé.
Distribution
Une enquête informelle menée dans le milieu universitaire en 1997 a montré que l'interprétation de Copenhague précédemment dominante, brièvement discutée ci-dessus, était soutenue par moins de la moitié des répondants. Cependant, il a plus d'adhérents que les autres interprétations individuellement.
Alternative
De nombreux physiciens sont plus proches d'une autre interprétation de la mécanique quantique, appelée "aucune". L'essence de cette interprétation est exprimée de manière exhaustive dans le dicton de David Mermin: "Tais-toi et calcule !", souvent attribué à Richard Feynman ou Paul Dirac.
