Wissenschaft

Was ist die Kopenhagener Interpretation?

Es gibt wahrscheinlich keinen Bereich der Wissenschaft, der bizarrer und verwirrender ist, als zu versuchen, das Verhalten von Materie und Energie auf kleinstem Raum zu verstehen. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts legten Physiker wie Max Planck, Albert Einstein. Niels Bohr und viele andere den Grundstein für das Verständnis dieses bizarren Naturbereichs: der Quantenphysik .

Die Gleichungen und Methoden der Quantenphysik wurden im letzten Jahrhundert verfeinert und erstaunliche Vorhersagen getroffen, die genauer bestätigt wurden als jede andere wissenschaftliche Theorie in der Geschichte der Welt. Die Quantenmechanik führt eine Analyse der Quantenwellenfunktion durch (definiert durch eine Gleichung, die als Schrödinger-Gleichung bezeichnet wird ).

Das Problem ist, dass die Regel, wie die Quantenwellenfunktion funktioniert, drastisch im Widerspruch zu den Intuitionen zu stehen scheint, die wir entwickelt haben, um unsere alltägliche makroskopische Welt zu verstehen. Der Versuch, die zugrunde liegende Bedeutung der Quantenphysik zu verstehen, hat sich als viel schwieriger erwiesen als das Verständnis der Verhaltensweisen selbst. Die am häufigsten gelehrte Interpretation ist die Kopenhagener Interpretation der Quantenmechanik … aber was ist das wirklich?

 

Die Pioniere

Die zentralen Ideen der Kopenhagener Interpretation wurden von einer Kerngruppe von Pionieren der Quantenphysik entwickelt, die sich in den 1920er Jahren um das Kopenhagener Institut von Niels Bohr konzentrierten und eine Interpretation der Quantenwellenfunktion vorantrieben, die zur Standardkonzeption in Kursen der Quantenphysik geworden ist.

Eines der Schlüsselelemente dieser Interpretation ist, dass die Schrödinger-Gleichung die Wahrscheinlichkeit darstellt, ein bestimmtes Ergebnis zu beobachten, wenn ein Experiment durchgeführt wird. In seinem Buch The Hidden Reality erklärt der Physiker Brian Greene dies wie folgt:

„Der von Bohr und seiner Gruppe entwickelte Standardansatz zur Quantenmechanik, der zu ihren Ehren die Kopenhagener Interpretation genannt wird, sieht vor, dass der Versuch, eine Wahrscheinlichkeitswelle zu sehen, Ihren Versuch vereitelt.“

Das Problem ist, dass wir physikalische Phänomene immer nur auf makroskopischer Ebene beobachten, sodass uns das tatsächliche Quantenverhalten auf mikroskopischer Ebene nicht direkt zur Verfügung steht. Wie im Buch Quantum Enigma beschrieben :

„Es gibt keine ‚offizielle‘ Kopenhagener Interpretation. Aber jede Version packt den Stier an den Hörnern und behauptet, dass eine Beobachtung die beobachtete Eigenschaft hervorbringt . Das knifflige Wort hier ist ‚Beobachtung‘.

„Die Kopenhagener Interpretation betrachtet zwei Bereiche: Es gibt den makroskopischen, klassischen Bereich unserer Messinstrumente, der durch Newtons Gesetze geregelt wird, und es gibt den mikroskopischen Quantenbereich von Atomen und anderen kleinen Dingen, die durch die Schrödinger-Gleichung geregelt werden. Es wird argumentiert, dass wir uns nie damit befassen direkt mit den Quantenobjekten des mikroskopischen Bereichs. Wir brauchen uns daher keine Sorgen um ihre physikalische Realität oder deren Fehlen zu machen. Eine ‚Existenz‘, die die Berechnung ihrer Auswirkungen auf unsere makroskopischen Instrumente ermöglicht, reicht aus, um sie zu berücksichtigen. „

Das Fehlen einer offiziellen Kopenhagener Interpretation ist problematisch, so dass es schwierig ist, die genauen Details der Interpretation festzunageln. Wie von John G. Cramer in einem Artikel mit dem Titel „Die Transaktionsinterpretation der Quantenmechanik“ erklärt:

„Trotz einer umfangreichen Literatur, die sich auf die Kopenhagener Interpretation der Quantenmechanik bezieht, diese diskutiert und kritisiert, scheint es nirgends eine präzise Aussage zu geben, die die vollständige Kopenhagener Interpretation definiert.“

Cramer versucht weiter, einige der zentralen Ideen zu definieren, die konsequent angewendet werden, wenn von der Kopenhagener Interpretation gesprochen wird, und gelangt zu folgender Liste:

    • Das Unsicherheitsprinzip: 1927 von Werner Heisenberg entwickelt, weist dies darauf hin, dass es Paare konjugierter Variablen gibt, die nicht beide mit einer beliebigen Genauigkeit gemessen werden können. Mit anderen Worten, es gibt eine absolute Obergrenze, die von der Quantenphysik festgelegt wird, wie genau bestimmte Messpaare durchgeführt werden können, am häufigsten die Messungen von Position und Impuls gleichzeitig.
    • Die statistische Interpretation: Entwickelt von Max Born im Jahr 1926, interpretiert dies die Schrödinger-Wellenfunktion so, dass sie die Wahrscheinlichkeit eines Ergebnisses in einem bestimmten Zustand ergibt. Der mathematische Prozess hierfür ist als Born-Regel bekannt .
    • Das Komplementaritätskonzept: Das 1928 von Niels Bohr entwickelte Konzept beinhaltet die Idee der Welle-Teilchen-Dualität und dass der Zusammenbruch der Wellenfunktion mit dem Vorgang der Messung verbunden ist.
    • Identifizierung des Zustandsvektors mit „Kenntnis des Systems“: Die Schrödinger-Gleichung enthält eine Reihe von Zustandsvektoren, und diese Vektoren ändern sich im Laufe der Zeit und mit Beobachtungen, um die Kenntnis eines Systems zu einem bestimmten Zeitpunkt darzustellen.

 

  • Der Positivismus von Heisenberg: Dies bedeutet, dass nur die beobachtbaren Ergebnisse der Experimente diskutiert werden und nicht die „Bedeutung“ oder die zugrunde liegende „Realität“. Dies ist eine implizite (und manchmal explizite) Akzeptanz des philosophischen Konzepts des Instrumentalismus.

Dies scheint eine ziemlich umfassende Liste der wichtigsten Punkte hinter der Kopenhagener Interpretation zu sein, aber die Interpretation ist nicht ohne ernsthafte Probleme und hat viele Kritikpunkte ausgelöst … die es wert sind, einzeln angesprochen zu werden.

 

Ursprung der Phrase „Kopenhagener Interpretation“

Wie oben erwähnt, war die genaue Art der Kopenhagener Interpretation immer ein bisschen nebulös. Einer der frühesten Hinweise auf diese Idee war in Werner Heisenbergs 1930 erschienenem Buch  Die physikalischen Prinzipien der Quantentheorie , in dem er sich auf „den Kopenhagener Geist der Quantentheorie“ bezog. Aber zu dieser Zeit war es auch wirklich die einzige Interpretation der Quantenmechanik (obwohl es einige Unterschiede zwischen ihren Anhängern gab), so dass es nicht nötig war, sie mit ihrem eigenen Namen zu unterscheiden.

Es wurde erst als „Kopenhagener Interpretation“ bezeichnet, als alternative Ansätze wie David Bohms Hidden-Variable-Ansatz und Hugh Everetts Many Worlds Interpretation auftauchten, um die etablierte Interpretation in Frage zu stellen. Der Begriff „Kopenhagener Interpretation“ wird allgemein Werner Heisenberg zugeschrieben, als er in den 1950er Jahren gegen diese alternativen Interpretationen sprach. Vorlesungen mit dem Begriff „Kopenhagener Interpretation“ erschienen 1958 in Heisenbergs Sammlung von Aufsätzen,  Physik und Philosophie .

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