Kööpenhaminan tulkinta

Elektroneilla tehdyn kaksoisrakokokeen tuottamia interferenssikuvioita. Kuvio muuttuu sitä selkeämmäksi mitä enemmän elektroneja osuu havaitsimelle.

Kööpenhaminan tulkinta on eräs kvanttimekaniikan tulkinta. Sen kehittivät suurimmaksi osaksi Niels Bohr ja Werner Heisenberg yhteistyössä Kööpenhaminassa vuoden 1927 tienoilla. Bohr ja Heisenberg laajensivat Max Bornin kehittämää aaltofunktion todennäköisyystulkintaa. Heidän tulkintansa yrittää vastata muutamiin kvanttimekaniikan aalto-hiukkas-dualismin hämmentäviin kysymyksiin.

Klassisessa Youngin kaksoisrakokokeessa kahden lähekkäin olevan raon läpi kohdistettu valo muodostaa levyn takana olevalle varjostimelle kirkkaita ja tummia vyöhykkeitä. Nämä voidaan selittää valon aalto-ominaisuuden vaikutuksena: kirkkaissa kohdissa valoaallot vahvistavat toisiaan ja tummissa kohdissa kumoavat toisensa. Kokeellisesti on kuitenkin osoitettu, että valolla on myös hiukkas-tyyppisiä ominaisuuksia ja esimerkiksi elektroneilla on aalto-ominaisuuksia, jotka voivat tuottaa interferenssikuvioita.

Tämä aiheuttaa mielenkiintoisia kysymyksiä. Jos esimerkiksi Youngin kaksoisrakokoe tehdään siten, että vain yksi fotoni tai elektroni menisi kerralla rakojen läpi, nähdään yksittäisen elektronin tai fotonin osuvan varjostimeen kerrallaan. Koetta toistettaessa havaitaan näiden yksittäisten elektronien tai fotonien muodostavan varjostimelle samanlaisia interferenssikuvioita kuin keskenään vaikuttavilla aalloilla.

Seuraamuksia kokeesta

Edellä mainittu koe herättää seuraavanlaisia kysymyksiä:

1. Kvanttimekaniikan säännöt ennustavat tilastollisesti mihin hiukkaset osuvat varjostimella. Kohdat, joihin hiukkaset todennäköisimmin osuvat, näkyvät varjostimella kirkkaina vyöhykkeinä ja kohdat, joihin epätodennäköisesti osuu hiukkasia, näyttäytyvät tummina vyöhykkeinä. Kvanttimekaniikan säännöt eivät kuitenkaan pysty ennustamaan, mihin yksittäinen hiukkanen tulee osumaan varjostimella. Millaiset säännöt määräävät, mihin hiukkanen osuu varjostimella?
2. Mitä tapahtuu hiukkaselle sen emittoinnin ja varjostimelle osumisen välillä? Hiukkanen näyttää olevan vuorovaikutuksessa molempien rakojen kanssa, joka tuntuu oudolta kun kyseessä on pistemäinen hiukkanen. Varjostimella havaitaan kuitenkin kaksoisraon jälkeen taas pistemäinen hiukkanen.
3. Mikä aiheuttaa hiukkasen vaihtavan käyttäytymistään tilastollisen ja ei-tilastollisen välillä? Kun hiukkanen liikkuu kaksoisraon läpi, sen käyttäytyminen vaikuttaa ei-lokaaliselta aaltofunktiolta, joka menee kaksoisraon molempien rakojen läpi samanaikaisesti. Kuitenkin, kun hiukkanen havaitaan varjostimella, se ei koskaan ole hajaantunut ei-lokaalinen aaltopaketti, vaan näyttäytyy yksittäisenä pistemäisenä hiukkasena.

Kööpenhaminan tulkinta vastaa näihin kysymyksiin seuraavasti:

1. Kööpenhaminan tulkinta väittää, että kvanttimekaniikassa mittausten tulokset ovat pohjimmiltaan indeterministisiä.
2. Fysiikka on mittaustuloksia käyttävä tiede. Kööpenhaminan tulkinta pitää kysymyksiä kuten "missä hiukkanen oli ennen kuin sen sijainti mitattiin" tarkoituksettomina.
3. Mittaus aiheuttaa välittömän "aaltofunktion romahtamisen". Tämä tarkoittaa, että mittausprosessi poimii tasan yhden sattumanvaraisen monista sallituista aaltofunktion tiloista, johon tilaan aaltofunktio välittömästi siirtyy.

Alkuperäisestä Kööpenhaminan tulkinnasta on useita variantteja, joista suosituin pohjautuu konsistentin historian ("Copenhagen done right?") ja kvanttidekoherenssin käsitteeseen, joka sallii meidän laskea "mikroskooppisen" ja "makroskooppisen" maailman välisen epäselvän rajan. Muut variantit eroavat aaltomuotoon liitetyn "todellisuuden" määrässä.

Arvostelua

Kvanttimekaniikan (kohta 1) täydellisyysajatusta vastaan on esitetty erilaisia ajatuksia. Yhtenä tunnetuimmista voidaan pitää Albert Einsteinin kahden kollegansa, Boris Podolskyn ja Nathan Rosen kanssa kehittelemää EPR-ajatuskoetta, jonka tarkoituksena oli osoittaa, että on oltava olemassa piilo­muuttujia, joilla välttää ei-lokaali, välitön kvanttijärjestelmien "kaukovaikutus".

Kolmesta edellä olevasta kohdasta kolmas on luultavasti ongelmallisin fyysikon näkökulmasta, koska se antaa mittausprosesseille erikoisen statuksen määrittelemättä niitä puhtaasti tai selittämättä niiden outoja vaikutuksia.

Monet fyysikot ja filosofit ovat vastustaneet Kööpenhaminan tulkintaa siksi, että se on ei-deterministinen. Sitä vastustetaan myös siksi, että se sisältää määrittelemättömän mittausprosessin todennäköisyys-funktiot ei-todennäköisiksi mittauksiksi. Albert Einsteinin kuuluisa sanonta "Jumala ei heitä noppaa" ja "Luuletteko todella, ettei kuuta ole olemassa ilman katsojaa?" ovat esimerkkejä tästä. Erwin Schrödinger kehitti Schrödingerin kissa -ajatuskokeen, joka yrittää valaista kvanttimekaniikan teorian epätäydellisyyttä, kun liikutaan atomitasolta makroskooppisiin systeemeihin.

Kvanttimekaniikan vaihtoehtoisia tulkintoja

• Monimaailmatulkinta

Kirjallisuutta

• Kallio-Tamminen, Tarja: Kvanttilainen todellisuus: Fysiikka ja filosofia maailmankuvan muokkaajina. Helsinki: Yliopistopaino, 2006. ISBN 951-570-625-4

Aiheesta muualla

• Jan Faye: Stanford Encyclopedia of Philosophy: Copenhagen Interpretation of Quantum Mechanics. Metaphysics Research Lab, Stanford University, 2019. Teoksen verkkoversio.
• Physics FAQ section about Bell's inequality (englanniksi)
• The Copenhagen Interpretation of Quantum Mechanics (englanniksi)