Un'interpretazione della meccanica quantistica è un tentativo di spiegare come la teoria matematica della meccanica quantistica "corrisponde" alla realtà . Sebbene la meccanica quantistica sia stata rigorosamente dimostrata in una gamma straordinariamente ampia di esperimenti (nessuna previsione della meccanica quantistica è stata contraddetta dall'esperimento), ci sono un certo numero di scuole di pensiero in competizione sulla sua interpretazione. Le loro opinioni differiscono su questioni fondamentali come se la meccanica quantistica è deterministica o stocastica , quali elementi della meccanica quantistica possono essere considerati reali e qual è la natura della misurazione , tra gli altri.
Nonostante quasi un secolo di dibattiti ed esperimenti, tra fisici e filosofi della fisica non è stato raggiunto alcun consenso su quale interpretazione "rappresenti" meglio la realtà.
La definizione di termini teorici come funzioni d'onda e meccanica delle matrici si è molto evoluta. Ad esempio, Erwin Schrödinger originariamente considerava la funzione d'onda dell'elettrone come la sua densità di carica distribuita nello spazio, ma Max Born reinterpretò il quadrato del valore assoluto della funzione d'onda come la probabilità di densità della presenza dell'elettrone distribuito nello spazio .
Le opinioni di diversi pionieri della meccanica quantistica, come Niels Bohr e Werner Heisenberg , sono spesso indicate come " l'interpretazione di Copenhagen ", sebbene alcuni fisici e storici della fisica abbiano sottolineato che questa terminologia oscura le sfumature tra punti di vista leggermente diversi. Le idee "di tipo" Copenhagen non sono state adottate universalmente, e le alternative a quella che era percepita come un'ortodossia hanno ricevuto crescente attenzione negli anni '50 con l' interpretazione del segnale pilota di David Bohm e l' interpretazione dei mondi multipli di Hugh Everett III .
D'altra parte, la posizione strettamente formalista, evitando ogni interpretazione, è stata messa in discussione da proposte di esperimenti che potrebbero un giorno separare le interpretazioni, come la misurazione di una coscienza artificiale o tramite il calcolo quantistico .
Come guida approssimativa all'evoluzione della visione dominante durante gli anni '90 e 2000, è stata raccolta una "cattura" di opinioni in un sondaggio di Schlosshauer et al. nella conferenza "Quantum Physics and the Nature of Reality" nel luglio 2011. Gli autori fanno riferimento a un sondaggio informale simile condotto da Max Tegmark alla conferenza "Fundamental Problems in Quantum Theory" nell'agosto 1997. La conclusione principale degli autori è che " l' interpretazione di Copenaghen regna ancora sovrana", ricevendo il maggior numero di voti nel loro sondaggio (42%), oltre all'aumento di molteplici interpretazioni mondiali :
“L'interpretazione di Copenhagen regna ancora sovrana, soprattutto se la mettiamo insieme ai suoi discendenti intellettuali come le interpretazioni informazionali e bayesiane della meccanica quantistica. Nel sondaggio Tegmark, l'interpretazione di Everett ha ottenuto il 17% dei voti, un risultato simile al numero di voti (18%) del nostro sondaggio. "
Le interpretazioni della meccanica quantistica condividono tutte più o meno due caratteristiche:
Due caratteristiche variano a seconda dell'interpretazione:
Nella filosofia della scienza , la distinzione tra la nostra conoscenza e la realtà è espressa dall'opposizione epistemico - ontica . Una legge generale è una regolarità dei risultati (epistemica), mentre un meccanismo causale può regolare gli esiti (ontica). Un fenomeno può ricevere un'interpretazione ontica o epistemica. Ad esempio, la casualità nei fenomeni quantistici può essere attribuita alla limitazione della nostra conoscenza di tutti i parametri (epistemica) ed è quindi equivalente al caso, oppure può essere considerata indeterminismo , il che significa che anche un essere onnisciente non potrebbe prevedere l'esito di un esperienza (ontica).
In generale, una teoria scientifica può essere vista come offerta di realismo scientifico - una descrizione o spiegazione approssimativamente vera del mondo naturale - o può essere vista in modo anti- realistico . Una posizione realistica riguarda l'epistemico e l'ontico, mentre una posizione antirealistica riguarda solo l'epistemico. Nella prima metà del XX ° secolo, la forma dominante di anti-realismo nel mezzo dei fisici era il positivismo logico , che cerca di escludere gli aspetti non osservabili della realtà della teoria scientifica.
Dal 1950, l'anti-realismo è stato più moderato, tendente strumentalismo , che rende possibile parlare di aspetti non osservabili, ma in ultima analisi, respingendo la domanda di realismo e posa teorie scientifiche come strumenti predittivi, e non come il targeting. Una comprensione ontologica il mondo. Il punto di vista dello strumentista è ben rappresentato dalla famosa citazione di David Mermin , “Zitti e calcola”, spesso erroneamente attribuita a Richard Feynman .
Esistono altri approcci alla risoluzione di problemi concettuali che introducono un nuovo formalismo matematico, e quindi offrono teorie alternative oltre alla loro interpretazione. Il dinamico Schrödinger modificato ne è un esempio.
Oltre alle principali interpretazioni discusse di seguito, sono state offerte una serie di altre interpretazioni che per qualche motivo non hanno avuto un impatto scientifico significativo. Questi vanno dalle proposte individuali dei fisici alle idee più occulte del misticismo quantistico .
I principi fondamentali dell'interpretazione di Copenhagen sono la sovrapposizione degli stati, il principio di complementarità e l'attribuzione di un ruolo particolare all'osservatore. Per maggiori dettagli, vedere la pagina principale dell'interpretazione.
Vi è un crescente interesse per gli approcci all'informazione quantistica . Si suddividono in due tipologie:
Hartle afferma:
“Lo stato non è una proprietà oggettiva di un singolo sistema ma quell'informazione, ottenuta dalla conoscenza di come è stato preparato un sistema, che può essere utilizzata per fare previsioni su misurazioni future. . [...] Uno stato quantistico è un riassunto delle informazioni che l'osservatore possiede sui cambiamenti di un singolo sistema fisico, sia per leggi dinamiche sia ogni volta che l'osservatore acquisisce nuove informazioni sul sistema per la distorsione del processo di misurazione. L'esistenza di due leggi per l'evoluzione del vettore di stato [...] diventa problematica solo se si ritiene che il vettore di stato sia una proprietà oggettiva del sistema. La "riduzione del pacchetto d'onda" avviene nella coscienza dell'osservatore, non a causa di un processo fisico unico che vi avviene, ma solo perché lo stato è una costruzione dell'osservatore e non una proprietà oggettiva del sistema fisico. "
Bayesianismo quantisticoIl bayesianismo quantistico (noto anche come Qubismo) è un'interpretazione della meccanica quantistica che considera le azioni e le esperienze di un agente come le preoccupazioni centrali della teoria. Questa interpretazione si distingue per l'uso di un senso di probabilità bayesiano soggettivo per riecheggiare la regola della meccanica quantistica di Born come aggiunta normativa al corretto processo decisionale.
Il Qubismo si occupa di problemi interpretativi comuni come la natura della sovrapposizione delle funzioni d'onda, la misurazione quantistica e l'entanglement. Secondo il Qubismo, molti aspetti del formalismo quantistico, ma non tutti, sono di natura soggettiva. Ad esempio, in questa interpretazione, uno stato quantistico non è un elemento della realtà, ma rappresenta il grado di convinzione che un agente ha sui possibili risultati delle misurazioni. Per questo motivo, alcuni filosofi della scienza per quanto riguarda QBism come una forma di anti-realismo . Les auteurs de l'interprétation refusent cette caractérisation, proposant plutôt que la théorie prenne place dans une sorte de réalisme qu'ils appellent "réalisme participatif", dans lequel la réalité dépasse que ce qui peut être capturé par tout compte rendu estimé à la troisième nessuno.
L' interpretazione dei mondi multipli è un'interpretazione della meccanica quantistica in cui una funzione d'onda universale obbedisce sempre alle stesse leggi deterministiche e reversibili ; in particolare, non vi è collasso della funzione d'onda (indeterministica e irreversibile ) associata alla misura. I fenomeni associati alla misurazione sarebbero spiegati dalla decoerenza , che si verifica quando gli stati interagiscono con l'ambiente producendo entanglement e "dividendo" ripetutamente l'universo in mondi alternativi reciprocamente non osservabili.
L'idea principale della meccanica quantistica relazionale, nella continuità della relatività ristretta , è che osservatori diversi possono descrivere lo stesso stato o la stessa serie di eventi in modo diverso. Quindi, un sistema può aver già subito una misurazione rispetto a un osservatore in un dato momento, mentre la misurazione non è ancora avvenuta dal punto di vista di un altro osservatore, senza che nessuno dei due abbia ragione o torto assoluto, essendo la misurazione un evento relativo. Pertanto, nella meccanica quantistica relazionale, la nozione di "stato" non descrive il sistema osservato in sé, ma la relazione (da un punto di vista epistemico), o l'interazione (da un punto di vista ontologico). ), tra due sistemi (uno dei quali può essere un osservatore). Il vettore di stato della meccanica quantistica convenzionale diventa una descrizione della correlazione di certi gradi di libertà dell'osservatore rispetto al sistema osservato. Tuttavia, la meccanica quantistica relazionale sostiene che ciò si applica a tutti gli oggetti fisici, siano essi coscienti o macroscopici. Qualsiasi "evento di misurazione" è considerato semplicemente un'interazione fisica ordinaria, un'istituzione del tipo di correlazione discusso sopra. Quindi, la maggior parte del contenuto fisico della teoria non riguarda gli oggetti stessi, ma le interazioni tra di essi (sebbene alcune proprietà, in minoranza, non siano relazionali, come ad esempio il valore assoluto dello spin , che definisce se una particella è un bosone o un fermione e non cambia mai).
L'interpretazione di storie coerenti generalizza l'interpretazione convenzionale di Copenhagen e tenta di fornire un'interpretazione naturale della cosmologia quantistica . Gli oggetti dell'interpretazione non sono più entità e proprietà ma processi ed eventi. Una storia è un percorso particolare per connettere gli eventi (che sono riflettori sullo spazio statale). Per lo stesso insieme di eventi, possiamo raccogliere una famiglia di storie possibili. Le famiglie coerenti sono quelle costruite in modo da mantenere la regola dell'additività delle probabilità. Rappresentano i processi fisicamente realizzabili. Tutte le famiglie coerenti sono equivalenti e si può scegliere arbitrariamente tra loro per descrivere il sistema. Durante la realizzazione fisica del processo, verrà effettuata una sola storia di questa famiglia, a caso.
Questa interpretazione è stata proposta da Griffiths nel 1984 e indipendentemente da Gell-Mann e Hartle nel e riformulata da Omnès nel 1988.
L'interpretazione degli insiemi, chiamata anche interpretazione statistica, può essere considerata un'interpretazione minimalista. In altre parole, afferma di fare il minor numero di ipotesi oltre al formalismo matematico standard. Si basa sulla regola di Born. L'interpretazione indica che la funzione d'onda non si applica a un singolo sistema - per esempio, una singola particella - ma che è una quantità statistica astratta che si applica solo a un insieme (una vasta moltitudine) di sistemi o particelle preparate in modo simile. Nelle parole di Einstein:
“Il tentativo di concepire la descrizione della teoria quantistica come la descrizione completa dei singoli sistemi porta a interpretazioni teoriche innaturali, che diventano immediatamente inutili se si accetta l'interpretazione che la descrizione si riferisca a insiemi di sistemi e non a sistemi individuali. "
- Einstein in Albert Einstein: filosofo-scienziato , ed. PA Schilpp (Harper & Row, New York)
Il più importante sostenitore dell'interpretazione degli insiemi oggi è Leslie E. Ballentine, professore alla Simon Fraser University , autore del libro di testo Quantum Mechanics, A Modern Development .
La teoria di Broglie - La meccanica quantistica di Bohm (nota anche come nome della teoria dell'onda pilota) è una teoria iniziata da Louis de Broglie e successivamente sviluppata da David Bohm per includere il processo di misurazione. Le particelle, che hanno la posizione come unica proprietà, sono guidate dalla funzione d'onda. La funzione d'onda evolve secondo l' equazione d'onda di Schrödinger e non collassa mai. È una teoria non locale e deterministica. È considerata una teoria con variabili nascoste . Per maggiori dettagli, vedere la pagina principale.
L' interpretazione transazionale della meccanica quantistica (TIQM in inglese) proposta da John G. Cramer è un'interpretazione della meccanica quantistica ispirata alla teoria degli assorbitori di Wheeler-Feynman . Descrive il collasso della funzione d'onda come risultante da una transazione simmetrica nel tempo tra un'onda possibile dalla sorgente al ricevitore da un lato (la funzione d'onda) e un'onda possibile dal ricevitore al ricevitore. (il complesso coniugato della funzione d'onda). La particolarità di questa interpretazione è che considera non solo la funzione d'onda come un'entità reale, ma anche il suo complesso coniugato, che compare nella regola di Born per il calcolo del valore atteso per un osservabile .
Le teorie della riduzione oggettiva differiscono dall'interpretazione di Copenhagen in quanto considerano sia la funzione d'onda che il processo di riduzione del pacchetto d'onda come ontologici (nel senso che avvengono indipendentemente dall'osservatore). In queste teorie il collasso avviene o a caso ("localizzazione spontanea") o al raggiungimento di una certa soglia fisica, senza che gli osservatori abbiano un ruolo particolare. Sono quindi teorie realistiche, indetermine e prive di variabili nascoste. Poiché i loro risultati differiscono da quelli della meccanica quantistica ordinaria, hanno il vantaggio di poter essere testati sperimentalmente. Ecco alcuni esempi:
Nel suo trattato The Mathematical Foundations of Quantum Mechanics , John von Neumann analizza in profondità il problema della misurazione. Egli afferma l'omonimo paradosso della regressione infinita, che consiste nel notare che non esiste un limite determinato tra il sistema quantistico osservato e il dispositivo di misurazione: quando si effettua una misurazione di uno stato sovrapposto, anche i componenti del dispositivo di misurazione dovrebbero trovarsi in un corrispondente stato sovrapposto (sul quadrante, la freccia che indica il risultato dovrebbe essere nello stato sovrapposto di tutti i possibili risultati). Possiamo fare lo stesso ragionamento per l'intero dispositivo di misurazione, e così via, forma una catena infinita. Tuttavia, c'è almeno una certezza, ovvero che la nozione di sovrapposizione non ha alcun significato per la coscienza. von Neumann pone quindi quest'ultimo come un limite invalicabile, e quindi gli affida la responsabilità del vero processo di misurazione (che fa scomparire la sovrapposizione).
Questa visione è stata sviluppata anche da Eugene Wigner , il quale sosteneva che la coscienza dello sperimentatore umano (o forse anche la coscienza di un animale) fosse essenziale nella riduzione, ma successivamente abbandonò questa interpretazione. .
Le interpretazioni modali della meccanica quantistica sono state proposte per la prima volta nel 1972 da Bas van Fraassen , nel suo articolo "Un approccio formale alla filosofia della scienza". Tuttavia, questo termine è ora utilizzato per descrivere un insieme più ampio di modelli risultanti da questo approccio.
Le interpretazioni più comuni sono riassunte nella tabella seguente. I valori riportati nelle celle della tabella rimangono controversi, in quanto i significati precisi di alcuni dei concetti coinvolti non sono sempre chiari o sono essi stessi oggetto di controversie interne nell'interpretazione data. Per un'altra tabella che confronta le interpretazioni della meccanica quantistica, vedere il riferimento.
Non ci sono attualmente prove sperimentali per distinguere queste interpretazioni. Tuttavia, la progettazione di esperimenti per testare le diverse interpretazioni è oggetto di ricerca attiva.
Interpretazione | Anno di pubblicazione | Autore/i | deterministico ? | funzione d'onda ontica ? | Storia unica? | Variabili nascoste ? | Riduzione della funzione d'onda ? | Ruolo dell'osservatore? | Dinamiche locali ? | Controfattualità? | Funzione d'onda universale? |
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Imposta l'interpretazione | 1926 | Max Born | Agnostico | No | sì | Agnostico | No | No | No | No | No |
Interpretazione di Copenaghen | 1927 | Niels Bohr , Werner Heisenberg | No | No | sì | No | sì | Causale | sì | No | No |
Teoria di De Broglie-Bohm | 1927 - 1952 |
Louis de Broglie , David Bohm | sì | sì | sì | sì | Agnostico | No | No | sì | sì |
Interpretazione di più mondi | 1957 | Hugh everette | sì | sì | No | No | No | No | sì | Agnostico | sì |
Riduzione per coscienza | 1961 - 1993 |
John von Neumann , Eugene Wigner , Henry Stapp St | No | sì | sì | No | sì | Causale | No | No | sì |
Storie coerenti | 1984 | Robert B. Griffiths | No | No | No | No | No | No | sì | No | sì |
Interpretazione transazionale | 1986 | John G. Cramer | No | sì | sì | No | sì | No | No | sì | No |
Teorie della riduzione oggettiva | 1986 - 1989 |
Ghirardi – Rimini – Weber, Interpretazione di Penrose |
No | sì | sì | No | sì | No | No | No | No |
Interpretazione relazionale | 1994 | Carlo Rovelli | No | No | Agnostico | No | sì | Intrinseco | sì | No | No |
Qubismo | 2010 | Christopher Fuchs, Ruediger Schack | No | No | Agnostico | No | sì | Intrinseco | sì | No | No |
Sebbene le opinioni interpretative siano oggi ampiamente e apertamente discusse, non è sempre stato così. Un notevole rappresentante della tendenza al silenzio fu Paul Dirac che scrisse in particolare: “L'interpretazione della meccanica quantistica è stata trattata da molti autori, e non voglio discuterne qui. Voglio occuparmi di cose più fondamentali. Questa posizione non è rara tra i fisici teorici che lavorano sulla meccanica quantistica. Altri, come Nico van Kampen e Willis Lamb , hanno apertamente criticato le interpretazioni non ortodosse della meccanica quantistica.