København-tolkninga

Instituttet for teoretisk fysik i København

København-tolkninga er en av de mest utbredte tolkningene av kvantemekanikken. Den ble formulert av Niels Bohr og Werner Heisenberg rundt 1927 i København og ble fort akseptert av mange fysikere.

Forskjellen til andre kvantemekaniske interpretasjoner ligger i hvordan de ulike kvantemekaniske formalismene tolkes. For eksempel forstås uskarphetsrelasjonen innenfor København-tolkninga slik at visse egenskaper ved partikler er prinsipielt udefinerte. Bølge–partikkel-dualiteten tolkes slik at samme kvanteobjekt både kan være partikkel og bølge, avhengig av målinga. «Overgangen» av et kvantesystem fra en sannsynligetsfordeling til en konkret, målt verdi forklares med at bølgefunksjonen «kollapser» når en observatør utfører en måling på systemet.

København-tolkninga har lenge vært dominerende, men har også blitt kritisert fra flere hold, både med vitenskapelige og med filosofiske argumenter. Ifølge de sistnevnte kritiseres København-tolkninga for å være instrumentalistisk, subjektivistisk og anti-realistisk.

Bakgrunn

Matematisk, empirisk og teknologisk sett er kvantemekanikken en veldig suksessrik teori: Den er koherent (fri for selvmotsigelser), kan gjøre presise forutsigelser av utfallet til mange fysiske og kjemiske eksperimenter og danner grunnlaget for kvantedatamaskiner og lignende nyvinninger. Samtidig mener noen at kvantemekanikken er uforenlig både med «sunn fornuft» (folkelig intuisjon) og med klassisk fysikk. (I hvert fall har man ikke lykkes med å gi en konkret beskrivelse av kvantemekanikken som er forenlig med alle disse.) Derimot gir kvantemekanikken et form for bevis på at klassisk fysikk er sann med sin sannsynlighetsregning uten at dette gir tilfredsstillende forklaring for mange.

Kvantemekanikkens utsagn kan derfor tolkes på ulike måter. Slike tolkninger bygger på de samme matematiske formalismene, men fyller disse med ulike fysiske betydninger. Samtidig har de ulike tolkningene også ulike metafysiske (ontologiske og epistemologiske) implikasjoner, f.eks. når det gjelder determinisme, realisme og kausalitet.

Det eksisterer en rekke kvantemekaniske tolkninger (eller «skoler») ved siden av København-tolkninga. Noen av de mest utbredte er den statistiske (eller ensemble-), pilotbølge- og multivers-tolkninga.

Beskrivelse

Gitt København-tolkningas brede oppslutning er det noe overraskende at det ikke fins noen konkrete, «offisielle» kilder som beskriver tolkningas innhold. Istedenfor har ulike tilhengere i ulike sammenhenger presentert deler av sine oppfatninger. Den nedenstående lista beskriver det som antagelig er de viktigste karakteristikkene ved København-tolkninga.

• Kvantetilstanden til et system er fullstendig beskrevet gjennom kvantemekanikken; det fins altså ikke noen «skjulte variabler» – dvs. deterministiske fysiske størrelser som ligger bak kvantesystemers tilsynelatende indeterminisme. København-tolkninga anser dermed kvantesystemer for å være prinsipielt indeterministiske.
• Bølgefunksjonen ψ tolkes som en ren beskrivelse av (bayesianske) sannsynligheter, og ikke som en fysisk realitet. Det er måleresultater som anses som reelt eksisterende, ikke bølgefunksjonen.
• Under en måling, dvs. ved interaksjonen mellom kvanteobjekt og måleinstrument, «kollapser» bølgefunksjonen: Bølgefunksjonens sannsynlighetsfordeling går over til å realisere én konkret tilstand (nemlig den målte). Hvilken av de mulige tilstandene som blir realisert, er prinsipielt ubestemt og dermed uforutsigbart. Overgangen skjer momentant og ikke-lokalt (dvs. den tar ikke tid resp. har en uendelig hastighet), og innebærer dessuten at partikler ikke har noen objektiv posisjon før deres bølgefunksjon har kollapsa.
• Bølgefunksjonens kollaps forårsakes av observatørens iakttagelse. (Ifølge noen varianter er det bare bevisst observasjon som kan forårsake bølgefunksjonens kollaps, men ifølge andre kan også et måleinstrument fungere som «observatør» og forårsake kollaps. En teori setter som betingelse at målingene på et tidspunkt vil bli bevisst observert)
• Heisenbergs uskarphetsrelasjon tolkes som et inkompatibilitetsprinsipp: Visse egenskaper ved et system kan ikke være definert (eller målbare) samtidig. Hvis en partikkel f.eks. har en presist definert posisjon på et bestemt tidspunkt, er det meningsløst å snakke om partikkelens bevegelsesmengde på det samme tidspunktet.
• Bølge–partikkel-dualiteten tolkes i tråd med Bohrs komplementaritetsprinsipp: Det er måleanordninga som avgjør om et kvanteobjekt har bølge- eller partikkelegenskaper. Det er mao. meningsløst å spørre om et kvanteobjekt «egentlig» (dvs. uavhengig av hvilken av dets egenskaper som måles) er en partikkel eller en bølge.

Ingen av disse påstandene følger som sagt direkte eller tvingende av kvantemekanikkens formalismer og empiriske funn, men er tolkninger av disse. For hvert av utsagnene fins det derfor én eller flere alternative kvantemekaniske tolkninger som inntar et avvikende ståsted.

Det er en del variasjon i hvilke metafysiske («utenomvitenskapelige») konklusjoner de ulike tilhengerne har trukket (og trekker) av København-tolkninga. En utbredt holdning har blitt sammenfatta som «hold kjeft og regn!» Ifølge en slik form for instrumentalisme (eller pragmatisme) består kvantemekanikkens oppgave utelukkende i å bruke og utvikle formalismene, ikke i å forstå eller forklare dem (altså et brudd med realismen). Flere tilhengere (f.eks. Bohr) var dessuten av den oppfatning at kvantemekanikken har ontologiske konsekvenser, at det altså ligger i partiklers natur at deres egenskaper ikke er definerte; hvis man ikke kan måle den nøyaktige bevegelsesmengden til et elektron, så er det fordi elektronet ikke har noen nøyktig bevegelsesmengde (en holdning som kan karakteriseres som positivistisk eller logisk-empiristisk). Heisenberg m.fl. helte derimot mer mot å trekke epistemologiske konklusjoner fra kvantemekanikken; i så fall leverer ikke kvantemekanikken en beskrivelse av naturen som sådan, men av vår kunnskap om naturen:

«Forestillinga om en objektiv realitet av elementærpartiklene har fordampa [...] til fordel for matematikkens gjennomsiktige tydelighet, som ikke lenger gjenspeiler partiklenes adferd, men vår kunnskap om denne adferden.»

Noen tilhengere (f.eks. von Neumann) antok helt eksplisitt at indeterminismen skyldtes observatørens mangel på kunnskap. I så fall skjer f.eks. bølgefunksjonens kollaps fordi og i det øyeblikk observatørens kunnskap øker gjennom en bevisst iakttagelse. (Siden kunnskapen varierer mellom observatører, kan en slik forestilling betegnes som subjektivistisk).

Kritikk

København-tolkninga har blitt kritisert fra mange hold og med ulike argumenter, spesielt for sin instrumentalisme og anti-realisme. Kritikerne utgjør imidlertid ikke noen felles «skole», i og med at deres tolkninger av kvantemekanikken ikke bare er uforenlige med København-tolkninga, men til dels også med hverandre.

Enkelte fysikere har argumentert mot København-tolkninga helt fra starten av. Blant disse var så tunge navn som Albert Einstein (som én av forfatterne bak det såkalte EPR-argumentet), Erwin Schrödinger (bl.a. ved å utvikle sitt berømte katte-tankeeksperiment) og Max Planck. Vitenskapsfilosofen Karl Popper må også nevnes som én av de første og sterkeste kritikerne av København-tolkninga (han utvikla bl.a. et eksperiment for å teste tolkningas påstander). Likeså har filosofen Grete Hermann tidlig bidratt til debatten.

Andre fysikere aksepterte og støtta København-tolkninga til å begynne med, men distanserte seg på et senere tidspunkt. Dette gjelder bl.a. David Bohm, Louis de Broglie og Alfred Landé.

Historie

København-tolkningas grunntrekk ble hovedsakelig utvikla i samarbeid mellom Niels Bohr og Werner Heisenberg, mens Heisenberg i 1926/27 gjesta Institut for teoretisk fysik ved Københavns Universitet. Tolkninga ble raskt kjent gjennom Heisenbergs artikkel om uskarphetsrelasjonen våren 1927 og Bohrs og Heisenbergs foredrag og diskusjonsbidrag ved konferansene i Como (fysikerkongressen) og Brussel (Solvaykonferansen) høsten 1927. Den ble fort akseptert av bl.a. Max Born, Wolfgang Pauli, John von Neumann og Carl Friedrich von Weizsäcker.

Selve navnet ble prega av Werner Heisenberg en stund etter at tolkninga ble utarbeida. Heisenberg ser også ut til å være opphavsmannen til oppfatninga at tolkninga ble allment akseptert i 1927 etter at Einstein hadde «tapt kampen» mot Bohr på Solvaykonferansen – dette har imidlertid blitt betegna som en «myte» som ble skapt i etterkant. Konferanseprotokollene dokumenterer ikke noen slik ordkrig. Det var åpenbart heller snakk om uformelle (og vennligsinnede) samtaler mellom Einstein og Bohr, der ingen av partene klarte å overbevise den andre.

København-tolkninga har lenge vært ansett som den dominerende kvantemekaniske tolkninga. I ulike (ikke-representative) meningsmålinger blant fysikere har imidlertid oppslutninga om København-tolkninga variert sterkt mellom 4 % og 42 %.

Se også

• Aspect-eksperimentet
• Bells teorem
• EPR-paradokset
• Schrödingers katt
• Poppers kvantemekaniske eksperiment

Referanser

• G. Bacciagaluppi og A. Valentini (2009). Quantum Theory at the Crossroads: Reconsidering the 1927 Solvay Conference. Cambridge: Cambridge University Press. arXiv:quant-ph/0609184 . 
• D. Bohm (1952). «A Suggested Interpretation of the Quantum Theory in Terms of "Hidden" Variables». Physical Review. 85: 166–193. doi:10.1103/PhysRev.85.166. 
• D. Bohm (1957). Causality and Chance in Modern Physics. London: Routledge & Kegan Paul. 
• N. Bohr (1928). «The Quantum Postulate and the Recent Development of Atomic Theory». Atti del Congresso Internazionale dei Fisici, 10–20 Settembre 1927. 2: 565–588. 
• M. Born og W. Heisenberg (1928). «La mécanique des quanta». I Institut International de Physique Solvay. Électrons et photons. Rapports et discussions du cinquième conseil de physique. Paris: Gauthiers-Villars. s. 143–181. 
• K. Camilleri (2009). «Constructing the Myth of the Copenhagen Interpretation». Perspectives on Science. 17: 26–57. doi:10.1162/posc.2009.17.1.26. 
• L. de Broglie (1952). «Sur la possibilité d'une interprétation causale et objective de la mécanique ondulatoire». Comptes Rendus Hebdomadaires des Séances de l'Académie des Sciences. 234: 265–268. 
• A. Einstein, B. Podolsky og N. Rosen (1935). «Can Quantum-mechanical Description of Physical Reality be Considered Complete?». Physical Review. 47: 777–780. doi:10.1103/PhysRev.47.777. 
• W. Heisenberg (1927). «Über den anschaulichen Inhalt der quantentheoretischen Kinematik und Mechanik». Zeitschrift für Physik. 43: 172–198. doi:10.1007/BF01397280. 
• W. Heisenberg (1930). Die physikalischen Prinzipien der Quantentheorie. Leipzig: Hirzel. 
• W. Heisenberg (1955). «The Development of the Interpretation of the Quantum Theory». I W. Pauli. Niels Bohr and the Development of Physics. London: Pergamon. s. 12–29. 
• W. Heisenberg (1958). «The Representation of Nature in Contemporary Physics». Dædalus. 87 (3): 95–108. 
• D. Howard (2004). «Who Invented the "Copenhagen Interpretation"? A Study in Mythology». Philosophy of Science. 71: 669–682. doi:10.1086/425941. 
• A. Landé (1965). New Foundations of Quantum Mechanics. Cambridge: Cambridge University Press. 
• N.D. Mermin (1989). «What's wrong with this pillow?». Physics Today. 42 (4): 9–11. doi:10.1063/1.2810963. 
• T. Norsen og S. Nelson (2013). «Yet Another Snapshot of Foundational Attitudes toward Quantum Mechanics». arXiv:1306.4646 . 
• M. Planck (1929). «Das Weltbild der neuen Physik». Monatshefte für Mathematik und Physik. 36: 387–410. doi:10.1007/BF02307625. 
• K. Popper (1934). Logik der Forschung. Zur Erkenntnistheorie der modernen Naturwissenschaft. Wien: Springer. 
• K.R. Popper (1982). Quantum Theory and the Schism in Physics. London: Hutchinson. 
• M. Schlosshauer, J. Kofler og A. Zeilinger (2013). «A Snapshot of Foundational Attitudes toward Quantum Mechanics». Studies in History and Philosophy of Modern Physics. 44: 222–230. doi:10.1016/j.shpsb.2013.04.004. 
• E. Schrödinger (1935). «Die gegenwärtige Situation in der Quantenmechanik». Naturwissenschaften. 23: 807–812. doi:10.1007/BF01491891. 
• C. Sommer (2013). «Another Survey of Foundational Attitudes towards Quantum Mechanics». arXiv:1303.2719 . 
• H.P. Stapp (1972). «The Copenhagen Interpretation». American Journal of Physics. 40: 1098–1116. doi:10.1119/1.1986768. 
• M. Tegmark (1999). «The Interpretation of Quantum Mechanics: Many Worlds or Many Words?». Fortschritte der Physik. 46: 855–862. doi:10.1002/(SICI)1521-3978(199811)46:6/8<855::AID-PROP855>3.0.CO;2-Q. 
• J. von Neumann (1932). Mathematische Grundlagen der Quantenmechanik. Berlin: Springer. 

Eksterne lenker

• Artikkel i Stanford Encyclopedia of Philosophy