Filozoficzna interpretacja fizyki klasycznej
Klasyczna fizyka newtonowska została formalnie zastąpiona przez mechanikę kwantową w małej skali i teorię względności w dużej skali. Ponieważ większość ludzi nadal myśli w kategoriach zdarzeń, które postrzegamy w ludzkiej skali życia codziennego, konieczne stało się przedstawienie nowej filozoficznej interpretacji fizyki klasycznej . Mechanika klasyczna działała bardzo dobrze w swojej dziedzinie obserwacji, ale dokonywała niedokładnych przewidywań w bardzo małej skali – systemy w skali atomowej – oraz gdy obiekty poruszały się bardzo szybko lub były bardzo masywne. Patrząc przez pryzmat mechaniki kwantowej lub teorii względności, możemy teraz zobaczyć, że fizyka klasyczna, importowana ze świata naszego codziennego doświadczenia, zawiera pojęcia, dla których nie ma faktycznych dowodów. Na przykład, jednym z powszechnych poglądów jest to, że istnieje jeden absolutny czas wspólny dla wszystkich obserwatorów. Innym jest pomysł, że elektrony są dyskretnymi bytami, takimi jak miniaturowe planety, które krążą wokół jądra po określonych orbitach.
Zasada korespondencji mówi, że klasyczne rachunki są przybliżeniami mechaniki kwantowej, które są dla wszystkich praktycznych celów równoważne mechanice kwantowej, gdy mamy do czynienia ze zdarzeniami w skali makro.
Jeśli mechanika klasyczna jest używana do opisu układów kwantowych, pojawiają się różne problemy, takie jak katastrofa ultrafioletowa w promieniowaniu ciała doskonale czarnego , paradoks Gibbsa i brak punktu zerowego dla entropii .
Ponieważ fizyka klasyczna bardziej odpowiada językowi potocznemu niż fizyka współczesna, temat ten wpisuje się także w filozoficzną interpretację języka potocznego , która ma również inne aspekty.
Proces pomiaru
W mechanice klasycznej przyjmuje się, że dane własności – prędkość lub masa cząstki; temperatura gazu itp. – w zasadzie może być mierzona z dowolną dokładnością.
Badanie problemu pomiaru w mechanice kwantowej wykazało, że pomiar dowolnego obiektu obejmuje interakcje między aparatem pomiarowym a tym obiektem, które nieuchronnie wpływają na niego w jakiś sposób; w skali cząstek efekt ten jest z konieczności duży. W codziennej skali makroskopowej efekt może być niewielki.
Co więcej, klasyczna idealizacja właściwości po prostu „mierzonej” ignoruje fakt, że pomiar właściwości – powiedzmy temperatury gazu za pomocą termometru – obejmuje wcześniejszy opis zachowania urządzenia pomiarowego. Gdy wysiłek poświęcono opracowaniu definicji operacyjnych związanych z precyzyjnym określaniem położenia i pędu obiektów w skali mikro, fizycy byli siłą zobligowani do przedstawienia takiego rachunku dla urządzeń pomiarowych używanych w tej skali. Kluczowy eksperyment myślowy w tym zakresie jest znany jako mikroskop Heisenberga .
Problem dla jednostki polega na tym, jak właściwie scharakteryzować część rzeczywistości, której nie ma się bezpośredniego doświadczenia zmysłowego . Nasze badania w domenie kwantowej uznają za najbardziej trafne wszystko, co dzieje się pomiędzy zdarzeniami, za pomocą których uzyskujemy naszą jedyną informację. Nasze opisy domeny kwantowej opierają się na interakcjach instrumentów makrodomeny i narządów zmysłów ze zdarzeniami fizycznymi, a te interakcje dostarczają nam niektórych, ale nie wszystkich informacji, których szukamy. Następnie staramy się uzyskać dalsze informacje z serii tych eksperymentów w sposób pośredni.
Jedną z interpretacji tej zagadki podaje Werner Heisenberg w swojej książce z 1958 roku, Physics and Philosophy, s. 144f:
Można powiedzieć, że fizyka jest częścią nauki i jako taka ma na celu opis i zrozumienie przyrody. Jakikolwiek rodzaj zrozumienia, naukowy lub nie, zależy od naszego języka, od przekazywania idei. Każdy opis zjawisk, eksperymentów i ich wyników opiera się na języku jako jedynym środku komunikacji. Słowa tego języka reprezentują pojęcia życia codziennego, które w naukowym języku fizyki można udoskonalić do pojęć fizyki klasycznej. Pojęcia te są jedynymi narzędziami do jednoznacznego komunikowania się o wydarzeniach, o organizowaniu eksperymentów io ich wynikach. Jeśli zatem fizyk atomowy zostanie poproszony o opisanie tego, co naprawdę dzieje się w jego eksperymentach, słowa „opis”, „naprawdę” i „zdarza się” mogą odnosić się tylko do pojęć związanych z życiem codziennym lub fizyką klasyczną. Gdy tylko fizyk porzuci tę podstawę, straci środki jednoznacznej komunikacji i nie będzie mógł kontynuować swojej nauki. Dlatego każde stwierdzenie o tym, co „faktycznie się wydarzyło”, jest stwierdzeniem w kategoriach klasycznych pojęć i – z powodu termodynamiki i relacji niepewności – z samej swej natury jest niepełne w odniesieniu do szczegółów związanych z nim zdarzeń atomowych. Żądanie „opisania tego, co dzieje się” w procesie teorii kwantowej między dwiema kolejnymi obserwacjami jest sprzecznością in adjecto , ponieważ słowo „opisywać” odnosi się do użycia pojęć klasycznych, podczas gdy pojęcia te nie mogą być stosowane w przestrzeni między obserwacjami; można je zastosować tylko w punktach obserwacyjnych.
Prymat obserwacji w mechanice kwantowej i szczególnej teorii względności
Zarówno mechanika kwantowa, jak i szczególna teoria względności rozpoczynają swoje odejście od mechaniki klasycznej od obstawania przy prymacie obserwacji i odmowy przyjęcia bytów nieobserwowalnych. W ten sposób szczególna teoria względności odrzuca absolutną jednoczesność zakładaną przez mechanikę klasyczną; a mechanika kwantowa nie pozwala mówić o właściwościach układu (powiedzmy o dokładnym położeniu) innych niż te, które można powiązać z obserwacjami w skali makro. Pozycja i pęd nie są rzeczami czekającymi na odkrycie; są to raczej wyniki, które uzyskuje się wykonując określone procedury.
Notatki
- ^ Mesjasz, Albert, Mechanika kwantowa , tom I, s. 45–50.
Zobacz też
- Albert Messiah, Quantum Mechanics , angielskie tłumaczenie GM Temmera z Mécanique Quantique , 1966, John Wiley and Sons
- Wykład dr Herberta P. Broidy [2] (1920–1978) na jego zajęciach z mechaniki statystycznej na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Barbara
- „Physics and the Real World”, George FR Ellis, Physics Today , lipiec 2005