Die Kopenhagener Interpretation der Quantenmechanik

Es gibt wahrscheinlich keinen Wissenschaftsbereich, der bizarrer und verwirrender ist als der Versuch, 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 Bereichs der Natur: der Quantenphysik.

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

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

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 vornahmen, die zur Standardkonzeption in Quantenphysikkursen 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 Die versteckte Realität, Der Physiker Brian Greene erklärt es folgendermaßen:

"Der von Bohr und seiner Gruppe entwickelte Standardansatz zur Quantenmechanik, genannt Kopenhagener Interpretation zu ihren Ehren, stellt sich vor, dass immer, wenn Sie versuchen, eine Wahrscheinlichkeitswelle zu sehen, der bloße Akt der Beobachtung Ihren Versuch vereitelt. "

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

"Es gibt keine 'offizielle' Kopenhagener Interpretation. Aber jede Version packt den Stier bei den Hörnern und behauptet das Eine Beobachtung ergibt die beobachtete Eigenschaft. Das knifflige Wort hier ist "Beobachtung".

"Die Kopenhagener Interpretation betrachtet zwei Bereiche: Es gibt den makroskopischen, klassischen Bereich unserer Messinstrumente, der von Newtons Gesetzen bestimmt wird, und es gibt den mikroskopischen Quantenbereich von Atomen und anderen kleinen Dingen, der von der Schrödinger-Gleichung bestimmt wird. Es wird argumentiert, dass wir uns niemals befassen direkt mit den Quantenobjekten des mikroskopischen Bereichs. Wir brauchen uns daher keine Sorgen um ihre physische Realität oder um ihr Fehlen zu machen. Eine 'Existenz', die die Berechnung ihrer Auswirkungen auf unsere makroskopischen Instrumente ermöglicht, reicht aus, um sie in Betracht zu ziehen. "

Das Fehlen einer offiziellen Kopenhagener Interpretation ist problematisch, so dass es schwierig ist, die genauen Einzelheiten der Interpretation zu bestimmen. Wie John G. Cramer in einem Artikel mit dem Titel "Die transaktionale Interpretation der Quantenmechanik" erklärte:

"Trotz einer umfangreichen Literatur, die sich auf die Kopenhagener Interpretation der Quantenmechanik bezieht, diese diskutiert und kritisiert, scheint es nirgendwo 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 der folgenden Liste:

• Das Ungewissheitsprinzip - Von Werner Heisenberg im Jahr 1927 entwickelt, deutet dies darauf hin, dass es Paare von konjugierten Variablen gibt, die nicht mit einer beliebigen Genauigkeit gemessen werden können. Mit anderen Worten, die Quantenphysik gibt eine absolute Obergrenze dafür, wie genau bestimmte Paare von Messungen durchgeführt werden können, am häufigsten die Messungen von Position und Impuls zur gleichen Zeit.
• Die statistische Interpretation - Von Max Born im Jahr 1926 entwickelt, interpretiert dies die Schrödinger-Wellenfunktion so, dass sie die Wahrscheinlichkeit eines Ergebnisses in einem bestimmten Zustand liefert. Der mathematische Prozess dafür ist als Born-Regel bekannt.
• Das Komplementaritätskonzept - Dies schließt die Idee der Welle-Teilchen-Dualität ein und dass der Zusammenbruch der Wellenfunktion mit dem Vorgang der Messung verbunden ist.
• Identifikation des Zustandsvektors mit "Systemkenntnis" - Die Schrödinger-Gleichung enthält eine Reihe von Zustandsvektoren, die sich mit der Zeit und mit Beobachtungen ändern, um das Wissen eines Systems zu einem bestimmten Zeitpunkt darzustellen.
• Der Positivismus von Heisenberg - Dies stellt einen Schwerpunkt dar, bei dem 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 Begriffs des Instrumentalismus.

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

Ursprung der Phrase "Copenhagen Interpretation"

Wie oben erwähnt, war die genaue Art der Kopenhagener Interpretation schon immer ein bisschen nebulös. Einer der frühesten Hinweise auf diese Idee war Werner Heisenbergs Buch von 1930 Die physikalischen Prinzipien der Quantentheorie, worin er sich auf "den Kopenhagener Geist der Quantentheorie" bezog. Aber zu dieser Zeit - und für einige Jahre danach - war es auch wirklich das nur Interpretation der Quantenmechanik (obwohl es einige Unterschiede zwischen ihren Anhängern gab), so gab es keine Notwendigkeit, es mit seinem eigenen Namen zu unterscheiden.

Es wurde erst dann als "Kopenhagener Interpretation" bezeichnet, als alternative Ansätze wie David Böhms Hidden-Variables-Ansatz und Hugh Everetts Many Worlds Interpretation auftraten, um die etablierte Interpretation in Frage zu stellen. Der Begriff "Kopenhagener Interpretation" wird im Allgemeinen Werner Heisenberg zugeschrieben, als er in den 1950er Jahren gegen diese alternativen Interpretationen sprach. Vorträge mit dem Satz "Kopenhagener Interpretation" erschienen 1958 in der Aufsatzsammlung von Heisenberg, Physik und Philosophie.