L'interpretazione di Copenaghen della meccanica quantistica

Probabilmente non esiste un'area della scienza più bizzarra e confusa che cercare di comprendere il comportamento della materia e dell'energia su scala più piccola. Nella prima parte del ventesimo secolo, fisici come Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr e molti altri gettarono le basi per comprendere questo bizzarro regno della natura: la fisica quantistica.

Le equazioni e i metodi della fisica quantistica sono stati perfezionati nel corso dell'ultimo secolo, facendo previsioni sorprendenti che sono state confermate più precisamente di qualsiasi altra teoria scientifica nella storia del mondo. La meccanica quantistica funziona eseguendo un'analisi sulla funzione d'onda quantistica (definita da un'equazione chiamata equazione di Schrodinger).

Il problema è che la regola su come funziona la funzione d'onda quantica sembra essere in netto contrasto con le intuizioni che abbiamo sviluppato per comprendere il nostro mondo macroscopico quotidiano. Cercare di comprendere il significato alla base della fisica quantistica si è rivelato molto più difficile della comprensione dei comportamenti stessi. L'interpretazione più comunemente insegnata è conosciuta come l'interpretazione di Copenaghen della meccanica quantistica ... ma che cos'è veramente?

I pionieri

Le idee centrali dell'interpretazione di Copenaghen furono sviluppate da un gruppo centrale di pionieri della fisica quantistica incentrato sull'Istituto di Copenaghen di Niels Bohr negli anni '20, guidando un'interpretazione della funzione d'onda quantistica che è diventata la concezione predefinita insegnata nei corsi di fisica quantistica. 

Uno degli elementi chiave di questa interpretazione è che l'equazione di Schrodinger rappresenta la probabilità di osservare un risultato particolare quando viene eseguito un esperimento. Nel suo libro La realtà nascosta, il fisico Brian Greene lo spiega come segue:

"L'approccio standard alla meccanica quantistica, sviluppato da Bohr e dal suo gruppo, e chiamato il Interpretazione di Copenaghen in loro onore, immagina che ogni volta che provi a vedere un'onda di probabilità, l'atto stesso dell'osservazione ostacola il tuo tentativo. "

Il problema è che osserviamo sempre e solo fenomeni fisici a livello macroscopico, quindi il comportamento quantico effettivo a livello microscopico non è direttamente disponibile per noi. Come descritto nel libro Enigma quantistico:

"Non esiste un'interpretazione" ufficiale "di Copenaghen. Ma ogni versione afferra il toro per le corna e lo afferma un'osservazione produce la proprietà osservata. La parola difficile qui è "osservazione" ...

"L'interpretazione di Copenaghen considera due regni: esiste il regno macroscopico e classico dei nostri strumenti di misura governato dalle leggi di Newton; e c'è il regno microscopico, quantistico di atomi e altre piccole cose governate dall'equazione di Schrodinger. Sostiene che non abbiamo mai a che fare direttamente con gli oggetti quantistici del regno microscopico. Pertanto non dobbiamo preoccuparci della loro realtà fisica o della loro mancanza. Una "esistenza" che consente il calcolo dei loro effetti sui nostri strumenti macroscopici è sufficiente per noi da considerare ".

La mancanza di un'interpretazione ufficiale di Copenaghen è problematica, rendendo difficili i dettagli esatti dell'interpretazione. Come spiegato da John G. Cramer in un articolo intitolato "L'interpretazione transazionale della meccanica quantistica":

"Nonostante una vasta letteratura che si riferisce, discute e critica l'interpretazione di Copenaghen della meccanica quantistica, da nessuna parte sembra esserci alcuna dichiarazione concisa che definisca la piena interpretazione di Copenaghen".

Cramer continua a cercare di definire alcune delle idee centrali che vengono coerentemente applicate quando si parla dell'interpretazione di Copenaghen, arrivando al seguente elenco:

• Il principio di incertezza - Sviluppato da Werner Heisenberg nel 1927, questo indica che esistono coppie di variabili coniugate che non possono essere misurate con un livello di precisione arbitrario. In altre parole, esiste un limite assoluto imposto dalla fisica quantistica su come è possibile effettuare con precisione determinate coppie di misurazioni, più comunemente le misurazioni di posizione e quantità di moto contemporaneamente.
• L'interpretazione statistica - Sviluppato da Max Born nel 1926, questo interpreta la funzione d'onda di Schrodinger come la probabilità di un risultato in un dato stato. Il processo matematico per farlo è noto come la regola del Born.
• Il concetto di complementarità - Sviluppato da Niels Bohr nel 1928, questo include l'idea della dualità onda-particella e che il collasso della funzione d'onda è collegato all'atto di effettuare una misurazione.
• Identificazione del vettore di stato con "conoscenza del sistema" - L'equazione di Schrodinger contiene una serie di vettori di stato e questi vettori cambiano nel tempo e con osservazioni per rappresentare la conoscenza di un sistema in qualsiasi momento.
• Il positivismo di Heisenberg - Ciò rappresenta un'enfasi sulla discussione dei soli risultati osservabili degli esperimenti, piuttosto che sul "significato" o sulla "realtà" sottostante. Questa è un'accettazione implicita (e talvolta esplicita) del concetto filosofico di strumentalismo.

Questo sembra un elenco piuttosto completo dei punti chiave dietro l'interpretazione di Copenaghen, ma l'interpretazione non è priva di problemi abbastanza seri e ha suscitato molte critiche ... che vale la pena affrontare da sole individualmente.

Origine della frase "Copenhagen Interpretation"

Come accennato in precedenza, la natura esatta dell'interpretazione di Copenaghen è sempre stata un po 'nebulosa. Uno dei primi riferimenti all'idea fu nel libro di Werner Heisenberg del 1930 I principi fisici della teoria quantistica, in cui ha fatto riferimento a "lo spirito di Copenhagen della teoria quantistica". Ma a quel tempo - e per diversi anni dopo - era anche davvero il solo interpretazione della meccanica quantistica (anche se c'erano alcune differenze tra i suoi aderenti), quindi non era necessario distinguerla con il proprio nome.

Cominciò a essere definita "l'interpretazione di Copenaghen" quando approcci alternativi, come l'approccio delle variabili nascoste di David Bohm e l'interpretazione di molti mondi di Hugh Everett, sorsero per sfidare l'interpretazione consolidata. Il termine "interpretazione di Copenaghen" è generalmente attribuito a Werner Heisenberg quando parlava negli anni '50 contro queste interpretazioni alternative. Le lezioni con la frase "Copenhagen Interpretation" sono apparse nella raccolta di saggi di Heisenberg del 1958, Fisica e filosofia.