En tolkning av kvantemekanikk er et forsøk på å forklare hvordan den matematiske teorien om kvantemekanikk "samsvarer" med virkeligheten . Selv om kvantemekanikk har blitt demonstrert grundig i et ekstraordinært bredt spekter av eksperimenter (ingen forutsigelse av kvantemekanikk har blitt motsagt av eksperimentet), finnes det en rekke konkurrerende tankegang på tolkningen. Deres synspunkter er forskjellige på grunnleggende spørsmål som om kvantemekanikk er deterministisk eller stokastisk , hvilke elementer i kvantemekanikk som kan betraktes som reelle, og hva som er målingens natur , blant andre.
Til tross for nesten et århundre med debatt og eksperimenter, er det ikke nådd enighet mellom fysikere og fysikere i fysikken om hvilken tolkning som best "representerer" virkeligheten.
Definisjonen av teoretiske begreper som bølgefunksjoner og matriksmekanikk har utviklet seg mye. For eksempel betraktet Erwin Schrödinger opprinnelig elektronens bølgefunksjon som dens ladetetthet spredt i rommet, men Max Born tolket kvadratet av den absolutte verdien av bølgefunksjonen som tetthetssannsynligheten for tilstedeværelsen av elektronet fordelt i rommet .
Synspunktene til flere pionerer innen kvantemekanikk, som Niels Bohr og Werner Heisenberg , blir ofte referert til som " Københavns tolkning ", selv om noen fysikere og fysikkhistorikere har påpekt at denne terminologien tilslører nyansene mellom litt forskjellige synsvinkler. Ideene "av typen" København har ikke blitt allment akseptert, og alternativer til det som ble oppfattet som en ortodoksi har fått økende oppmerksomhet på 1950-tallet med tolkningen av pilotsignalet til David Bohm og tolkningen av flere verdener av Hugh Everett III .
På den annen side har den strengt formalistiske posisjonen, som unngår enhver tolkning, blitt stilt spørsmålstegn ved forslag til eksperimenter som en dag kan skille tolkningene, for eksempel ved måling av en kunstig bevissthet eller via kvanteberegning .
Som en grov guide til utviklingen av det dominerende synet på 1990- og 2000-tallet, ble en "fangst" av meninger samlet i en undersøkelse av Schlosshauer et al. i konferansen "Quantum Physics and the Nature of Reality" i juli 2011. Forfatterne viser til en lignende uformell meningsmåling utført av Max Tegmark på konferansen "Fundamental Problems in Quantum Theory" i august 1997. Forfatternes hovedkonklusjon er at " den København tolkning fortsatt enerådende", fikk flest stemmer i sin avstemning (42%), i tillegg til økningen av flere verdens tolkninger :
”Københavns tolkning hersker fremdeles øverst, spesielt hvis vi samler den med dens intellektuelle etterkommere som den informative og Bayesiske tolkningen av kvantemekanikken. I Tegmark-avstemningen fikk Everetts tolkning 17% av stemmene, et resultat som tilsvarer antall stemmer (18%) i vår avstemning. "
Tolkninger av kvantemekanikk deler alle mer eller mindre to egenskaper:
To karakteristika varierer avhengig av tolkningen:
I vitenskapens filosofi uttrykkes skillet mellom vår kunnskap og virkeligheten av den epistemiske - ontiske opposisjonen . En generell lov er en regelmessighet av resultatene (epistemisk), mens en årsaksmekanisme kan regulere resultatene (ontisk). Et fenomen kan motta en ontisk eller epistemisk tolkning. Tilfeldighet i kvantefenomener kan for eksempel tilskrives begrensningen av vår kunnskap om alle parametere (epistemisk) og er da ekvivalent med tilfeldigheter, eller det kan betraktes som ubestemmelig , noe som betyr at selv et å være allvitende ikke kunne forutsi resultatet av en (ontisk) opplevelse.
Generelt sett kan en vitenskapelig teori sees på som å tilby vitenskapelig realisme - en tilnærmet sann beskrivelse eller forklaring av den naturlige verden - eller kan sees på en antirealistisk måte . En realistisk posisjon er opptatt av epistemien og den ontiske, mens en antirealistisk posisjon bare er opptatt av epistemien. I første halvdel av XX th århundre, den dominerende form for anti-realisme i midten av fysikere var logisk positivisme , som søker å ekskludere observerbare aspekter av virkeligheten i vitenskapsteori.
Siden 1950-tallet har antirealismen vært mer moderat og hatt en tendens til instrumentalisme , noe som gjør det mulig å snakke om ikke observerbare aspekter, men til slutt avvise spørsmålet om realisme og fremstille vitenskapelige teorier som prediktive verktøy, og ikke som målretting. En ontologisk forståelse av verden. Instrumentalistens synspunkt er godt representert av David Mermins berømte sitat , "Hold kjeft og beregne", ofte feilaktig tilskrevet Richard Feynman .
Det er andre tilnærminger for å løse konseptuelle problemer som introduserer en ny matematisk formalisme, og som dermed tilbyr alternative teorier i tillegg til deres tolkning. Den dynamiske Schrödinger modifiserte er et eksempel.
I tillegg til hovedtolkningene som er diskutert nedenfor, har det blitt tilbudt en rekke andre tolkninger som av en eller annen grunn ikke har hatt vesentlig vitenskapelig innvirkning. Disse spenner fra fysikernes individuelle forslag til de mer okkulte ideene om kvantemystikk .
De grunnleggende prinsippene for Københavns tolkning er overposisjonen av stater, prinsippet om komplementaritet og tildelingen av en bestemt rolle til observatøren. For mer informasjon, se hovedsiden til tolkningen.
Det er økende interesse for tilnærminger til kvanteinformasjon . De er delt inn i to typer:
Hartle uttaler:
“Staten er ikke en objektiv egenskap for et individuelt system, men den informasjonen, hentet fra kunnskap om hvordan et system ble utarbeidet, og som kan brukes til å forutsi fremtidige målinger. [...] En kvantetilstand er et sammendrag av informasjonen som observatøren har om endringene i et individuelt fysisk system, både ved dynamiske lover og når observatøren tilegner seg ny informasjon om systemet ved forspenningen i måleprosessen. Eksistensen av to lover for utviklingen av tilstandsvektoren [...] blir bare problematisk hvis vi mener at tilstandsvektoren er en objektiv egenskap for systemet. "Bølgepakkereduksjonen" foregår i observatørens bevissthet, ikke på grunn av noen unik fysisk prosess som finner sted der, men bare fordi staten er en konstruksjon av observatøren og ikke en objektiv egenskap til det fysiske systemet. "
Quantum BayesianismQuantum Bayesianism (også kjent som Qubism) er en tolkning av kvantemekanikk som anser handlinger og erfaringer fra en agent som teoriens sentrale bekymringer. Denne tolkningen kjennetegnes ved bruk av en subjektiv Bayesian-følelse av sannsynlighet for å ekko Born's regel om kvantemekanikk som et normativt tillegg til riktig beslutningstaking.
Qubisme håndterer vanlige tolkningsspørsmål som arten av superposisjonen til bølgefunksjoner, kvantemåling og vikling. I følge Qubism er mange aspekter av kvanteformalisme, men ikke alle, subjektive av natur. For eksempel, i denne tolkningen, er en kvantetilstand ikke et element av virkeligheten - den representerer snarere graden av tro et middel har om de mulige resultatene av målinger. Av denne grunn anser noen vitenskapsfilosofer QBism som en form for anti-realisme . Tolkningens forfattere avviser denne karakteriseringen og foreslår i stedet at teorien skal foregå i en slags realisme som de kaller "deltakerrealisme", der virkeligheten går utover det som kan fanges av en hvilken som helst konto som anslås til den tredje.
Den tolkningen av flere verdener er en tolkning av kvantemekanikken som en universell bølgefunksjonen lystrer hele tiden den samme deterministiske og reversible lover ; spesielt er det ingen sammenbrudd av bølgefunksjonen (ubestemmelig og irreversibel ) assosiert med målingen. Fenomenene assosiert med måling vil bli forklart av dekoherens , som oppstår når tilstander samhandler med miljøet som produserer sammenvikling og gjentatte ganger "deler" universet i gjensidig ikke-observerbare alternative verdener.
Hovedideen med relasjonell kvantemekanikk, i kontinuiteten til spesiell relativitet , er at forskjellige observatører kan beskrive den samme tilstanden eller den samme serien av hendelser forskjellig. Dermed kan et system allerede ha gjennomgått en måling med hensyn til en observatør i et gitt øyeblikk, mens målingen ennå ikke har funnet sted fra en annen observatørs synspunkt, uten at noen av de to har absolutt rett eller feil, måling er en relativ hendelse. Derfor, i relasjonell kvantemekanikk, beskriver ikke begrepet "tilstand" det observerte systemet i seg selv, men forholdet (fra et epistemisk synspunkt), eller samspillet (fra et ontologisk synspunkt).), Mellom to systemer (den ene kan være en observatør). Den tilstandsvektor av konvensjonelle kvantemekanikken blir en beskrivelse av korrelasjonen av visse frihetsgrader av observatøren i forhold til den observerte systemet. Imidlertid mener relasjonell kvantemekanikk at dette gjelder alle fysiske objekter, uansett om de er bevisste eller makroskopiske. Enhver "målehendelse" betraktes som en vanlig fysisk interaksjon, en etablering av typen korrelasjon som er diskutert ovenfor. Dermed gjelder ikke flertallet av det fysiske innholdet i teorien objektene selv, men interaksjonen mellom dem (selv om noen egenskaper, i mindretall, ikke er relasjonelle, for eksempel den absolutte verdien av spinnet, for eksempel, som definerer om en partikkel er et boson eller en fermion og endres aldri).
Tolkningen av sammenhengende historier generaliserer den konvensjonelle København-tolkningen og forsøker å gi en naturlig tolkning av kvantekosmologien . Tolkningsobjektene er ikke lenger enheter og egenskaper, men heller prosesser og hendelser. En historie er en bestemt vei for å koble sammen hendelser (som er søkelys på statsrommet). For det samme settet med hendelser kan vi samle en familie av mulige historier. Sammenhengende familier er de som er konstruert på en slik måte at de holder regelen om sannsynlighetenes additivitet. De representerer de fysisk oppnåelige prosessene. Alle sammenhengende familier er likeverdige, og man kan velge vilkårlig mellom dem for å beskrive systemet. Under den fysiske realiseringen av prosessen vil bare en historie fra denne familien bli utført, tilfeldig.
Denne tolkningen ble foreslått av Griffiths i 1984 og uavhengig av Gell-Mann og Hartle i og omformulert av Omnès i 1988.
Setttolkningen, også kalt statistisk tolkning, kan betraktes som en minimalistisk tolkning. Med andre ord hevder den å gjøre færrest antakelser i tillegg til standard matematisk formalisme. Det er basert på Born's regel. Tolkningen indikerer at bølgefunksjonen ikke gjelder for et individuelt system - for eksempel en enkelt partikkel - men at det er en abstrakt statistisk størrelse som bare gjelder et sett (et stort mangfold) systemer eller partikler fremstilt på en lignende måte. Med Einsteins ord:
“Forsøket på å tenke seg beskrivelsen av kvanteteorien som en fullstendig beskrivelse av individuelle systemer fører til unaturlige teoretiske tolkninger, som umiddelbart blir unødvendige hvis man aksepterer tolkningen at beskrivelsen refererer til sett med systemer og nei til individuelle systemer. "
- Einstein i Albert Einstein: Philosopher-Scientist , red. PA Schilpp (Harper & Row, New York)
Den mest fremtredende nåværende talsmann for settetolkning i dag er Leslie E. Ballentine, professor ved Simon Fraser University , forfatter av lærebok Quantum Mechanics, A Modern Development .
Den teori om Broglie - Bohm kvantemekanikk (også kalt pilot-bølgeteori navn) er en teori initiert ved Louis de Broglie og senere utviklet av David Bohm til å omfatte måleprosessen. Partikler, som har posisjon som eneste eiendom, styres av bølgefunksjonen. Bølgefunksjonen utvikler seg i henhold til Schrödinger bølgeligning og kollapser aldri. Det er en ikke-lokal og deterministisk teori. Det anses å være en teori med skjulte variabler . For mer informasjon, se hovedsiden.
Den transaksjons tolkning av kvantemekanikken (TIQM på engelsk) foreslått av John G. Cramer er en tolkning av kvantemekanikken inspirert av teorien av Wheeler - Feynman dempere . Den beskriver kollapsen av bølgefunksjonen som følge av en tidssymmetrisk transaksjon mellom en mulighetsbølge fra kilden til mottakeren på den ene siden (bølgefunksjonen) og en mulighetsbølge fra mottakeren til mottakeren. andre hånd (det konjugerte komplekset av bølgefunksjonen). Det særegne ved denne tolkningen er at den ikke bare betrakter bølgefunksjonen som en reell enhet, men også dens konjugerte kompleks, som vises i Bors regel for beregning av forventet verdi for en observerbar .
Objektive reduksjonsteorier skiller seg fra Københavns tolkning ved at de betrakter både bølgefunksjonen og bølgepakkereduksjonsprosessen som ontologisk (noe som betyr at de forekommer uavhengig av observatøren). I disse teoriene skjer kollapsen enten tilfeldig ("spontan lokalisering") eller når en viss fysisk terskel er nådd, har observatørene ingen spesiell rolle. De er derfor realistiske, ubestemte teorier og uten skjulte variabler. Siden resultatene deres skiller seg fra ordinær kvantemekanikk, har de fordelen av å kunne testes eksperimentelt. Her er noen eksempler:
I sin avhandling The Matematiske Foundations of kvantemekanikk , John von Neumann analyserer måle problem i dybden. Han uttaler det eponyme paradokset for endeløs regresjon, som består i å merke seg at det ikke er noen bestemt grense mellom det observerte kvantesystemet og måleinstrumentet: Når du foretar en måling av en overlagret tilstand, bør måleenhetens komponenter også være i en tilsvarende overlagret tilstand (på ratten skal pilen som indikerer resultatet være overlagret av alle mulige resultater). Vi kan gjøre det samme resonnementet for hele måleinstrumentet, og så videre, det danner en uendelig kjede. Imidlertid er det minst en sikkerhet, som er at begrepet superposisjon ikke har noen betydning for bevisstheten. von Neumann stiller derfor sistnevnte som en uoverstigelig grense, og gir ham derfor ansvar for den virkelige måleprosessen (som får superposisjonen til å forsvinne).
Dette synet ble også utviklet av Eugene Wigner , som hevdet at bevisstheten til den menneskelige eksperimentøren (eller til og med til et dyrs bevissthet) var viktig for reduksjon, men han forlot deretter denne tolkningen.
De modale tolkninger av kvantemekanikk har blitt foreslått for første gang i 1972 av Bas van Fraassen , i sin artikkel "En formell tilnærming til vitenskapsfilosofi." Imidlertid brukes dette begrepet nå for å beskrive et større sett med modeller som følge av denne tilnærmingen.
De vanligste tolkningene er oppsummert i tabellen nedenfor. Verdiene som vises i cellene i tabellen forblir kontroversielle, da den nøyaktige betydningen av noen av de involverte begrepene ikke alltid er klare eller i seg selv er underlagt interne kontroverser i den gitte tolkningen. For en annen tabell som sammenligner tolkninger av kvantemekanikk, se referanse.
Det er foreløpig ingen eksperimentelle bevis for å skille disse tolkningene. Imidlertid er utformingen av eksperimenter for å teste de forskjellige tolkningene gjenstand for aktiv forskning.
Tolkning | Utgivelsesår | Forfatter (e) | Deterministisk ? | ontisk bølgefunksjon ? | Unik historie? | Skjulte variabler ? | Reduksjon av bølgefunksjon ? | Observatørens rolle? | Lokal dynamikk ? | Motrefaktualitet? | Universell bølgefunksjon? |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Sett tolkning | 1926 | Max Born | Agnostiker | Nei | Ja | Agnostiker | Nei | Nei | Nei | Nei | Nei |
Københavns tolkning | 1927 | Niels Bohr , Werner Heisenberg | Nei | Nei | Ja | Nei | Ja | Årsak | Ja | Nei | Nei |
De Broglie-Bohm teori | 1927 - 1952 |
Louis de Broglie , David Bohm | Ja | Ja | Ja | Ja | Agnostiker | Nei | Nei | Ja | Ja |
Tolkning av flere verdener | 1957 | Hugh Everett | Ja | Ja | Nei | Nei | Nei | Nei | Ja | Agnostiker | Ja |
Reduksjon ved bevissthet | 1961 - 1993 |
John von Neumann , Eugene Wigner , Henry Stapp | Nei | Ja | Ja | Nei | Ja | Årsak | Nei | Nei | Ja |
Sammenhengende historier | 1984 | Robert B. Griffiths | Nei | Nei | Nei | Nei | Nei | Nei | Ja | Nei | Ja |
Transaksjonell tolkning | 1986 | John G. Cramer | Nei | Ja | Ja | Nei | Ja | Nei | Nei | Ja | Nei |
Teorier om objektiv reduksjon | 1986 - 1989 |
Ghirardi - Rimini - Weber, tolkning av Penrose |
Nei | Ja | Ja | Nei | Ja | Nei | Nei | Nei | Nei |
Relasjonell tolkning | 1994 | Carlo Rovelli | Nei | Nei | Agnostiker | Nei | Ja | Iboende | Ja | Nei | Nei |
Qubisme | 2010 | Christopher Fuchs, Ruediger Schack | Nei | Nei | Agnostiker | Nei | Ja | Iboende | Ja | Nei | Nei |
Selv om fortolkende meninger blir diskutert mye og åpent i dag, har dette ikke alltid vært tilfelle. En bemerkelsesverdig representant for tendensen til taushet var Paul Dirac som spesielt skrev: “Tolkningen av kvantemekanikk har blitt behandlet av mange forfattere, og jeg vil ikke diskutere det her. Jeg vil takle mer grunnleggende ting. Denne stillingen er ikke uvanlig blant teoretiske fysikere som arbeider med kvantemekanikk. Andre, som Nico van Kampen og Willis Lamb , har åpent kritisert uortodokse tolkninger av kvantemekanikk.