Poppers kvantemekaniske eksperiment

Fra Wikipedia, den frie encyklopedi
Hopp til navigering Hopp til søk

Vitenskapsfilosofen Karl Popper (1902–1994) har ved flere anledninger foreslått et eksperiment for å teste en utbredt tolkning av kvantemekanikken. I likhet med de bedre kjente tankeeksperimentene av Erwin SchrödingerSchrödingers katt»[1]) og Einstein, Podolsky & RosenEPR-argumentet»[2]) er Poppers eksperiment et forsøk på å føre kvantemekanikkens subjektivistiske tolkning (København-tolkninga) ad absurdum.

Popper aksepterte fullt ut Heisenbergs uskarphetsrelasjon[3] (usikkerhetsprinsippet), men tolket den annerledes enn relasjonens oppdager – nemlig som en statistisk naturlov, ikke som et utsagn om menneskelig kunnskap.[4] Eksperimentet var altså ikke ment som en test av kvantemekanikken eller av uskarphetsrelasjonen, men av deres tolkning. Popper så på eksperimentet som en kritisk test, som vil si at et testresultat i tråd med Poppers forutsigelse ville innebære falsifikasjonen («motbeviset») av kvantemekanikkens København-tolkning.

Eksperimentet ble gjennomført i 1999, og resultatet var i tråd med Poppers forutsigelse. Det er imidlertid uenighet om eksperimentet virkelig representerer en kritisk test, dvs. en falsifikasjon av København-tolkninga.

Bakgrunn[rediger | rediger kilde]

Kvantemekanikken en veldig suksessrik teori i den forstand at den gir en matematisk elegant og koherent beskrivelse av den subatomare virkeligheten og at den kan gjøre presise forutsigelser av utfallet til mange fysiske og kjemiske eksperimenter. Samtidig er kvantemekanikken uforenlig med både «sunn fornuft» og klassisk fysikk. Dette innebærer at kvantemekanikkens utsagn kan tolkes på ulike måter: De ulike tolkningene tar utgangspunkt i de samme matematiske formalismene, men tillegger dem ulike fysiske betydninger.

En av de første og mest utbredte tolkningene er København-tolkninga, som i all hovedsak baserer seg på Niels Bohrs og Werner Heisenbergs oppfatninger. Ifølge København-tolkninga anses f.eks. posisjonen til partikler for å være udefinerte inntil de blir målt; og samme kvanteobjekt anses for å kunne være både partikkel og bølge, avhengig av hva observatøren velger å måle ved objektet.

Popper var dypt uenig i København-tolkninga, spesielt i det han anså som dens anti-realistiske (instrumentalistiske/subjektivistiske) og anti-rasjonalistiske (positivistiske/empiristiske) implikasjoner. Popper tvilte altså vel å merke ikke på kvantemekanikken som sådan, men forfekta en realistisk og indeterministisk tolkning av kvantemekanikken.[5] Han prøvde å vise at nøkkelen lå i å forstå sannsynligheter ikke som subjektive (bayesianske) mål på kunnskap, men som objektive propensiteter: «hvis vi tolker kvanteteorien som en teori om fysiske propensiteter, så kan vi løse alle de problemene som lå til grunn for København-tolkningas fremvekst.»[6] På denne bakgrunn foreslo Popper en egen tolkning av kvantemekanikken:

  • Han godtok f.eks. Heisenbergs matematiske beskrivelse av uskarphetsrelasjonen («Heisenberg-formelen», som han kalte den), men var uenig i Heisenbergs interpretasjon av denne formelen som en «ubestemthetsrelasjon».[7] Istedenfor mente han at hver enkelt partikkel har en nøyaktig definert og målbar posisjon (bane) og bevegelsesmengde.[8]. Heisenberg-formelen angir bare spredninga som partikler blir utsatt for ved måling, slik at forutsigelsen av partiklenes egenskaper etter en måling kun er mulig som et statistisk utsagn.
  • Popper avviste bølge–partikkel-dualiteten som en kategorifeil. Ifølge ham er en partikkel alltid en partikkel, men noen av partikkelens egenskaper kan beskrives gjennom en bølgefunksjon[9]. Å påstå at partikkel og bølge er samme sak, er som å påstå at en terning og en sannsynlighet på 1/6 er samme sak.[10]
  • Popper kritiserte bølgefunksjonens kollaps for å være en enkel misforståelse, som ikke har noe med kvantemekanikk, men med statistikk å gjøre.[11] Å påstå at en bølgefunksjon kollapser når en observatør gjør en måling, er som å påstå at en terning som vi har kasta i blinde, får sekstallet på oversida først når vi ser etter.[12] (Og å påstå at en slik effekt er ikke-lokal, er som å påstå at informasjonen om at terningens ettall har havna nederst, forplanter seg med overlyshastiget fra terningens over- til underside i det øyeblikket vi ser etter.)

Poppers ulike forslag til eksperiment[rediger | rediger kilde]

Skisse av Poppers kvantemekaniske eksperiment (i versjonen fra 1982). Popper forutsa at spredninga av sammenfiltra partikler ville være større bak den smale spalten A enn bak den større spalten B.

Popper publiserte sitt første kvantemekaniske tankeeksperiment i 1934,[13] men dette forslaget ble kritisert av Weizsäcker[14], Heisenberg[15] og Einstein[16] for å være prinsipielt umulig. Popper innså feilen og trakk tilbake forslaget, men opprettholdt sin kritikk av København-tolkninga.[17] Blant annet uttrykte han sin støtte til argumentet som Einstein publiserte i 1935[2] og som «har slående likheter» med Poppers forslag.[18]

Popper foreslo nye versjoner av eksperimentet i 1981 og 1982.[19]. Senere fremhevet han ved flere anledninger betydninga av å få gjennomført et slikt eksperiment.[20] I Poppers levetid ble det nye eksperimentforslaget kritisert ved et par anledninger,[21] men uten at det fikk Popper til å skifte mening.[22]

Eksperimentet kan kort beskrives slik: Par av partikler (Popper foreslår positroner) som har interagert med hverandre, sendes ut i motsatt retning fra kilden. To skjermer A og B med spalter står i samme avstand på motsatte sider av kilden, og partikler som passerer gjennom spaltene registreres av sett av geigertellere. Når begge spaltene gjøres smalere, øker spredninga av partiklene bak de to skjermene i tråd med Heisenbergs uskarphetsrelasjon (smalere spalter gjør bestemmelsen av posisjonen mer presis, altså blir bestemmelsen av bevegelsesmengden mindre presis). Spørsmålet er hva som skjer når spalten i bare én av skjermene (A) gjøres smalere. Siden partikelparene har interagert før de ble sendt ut, er de «sammenfiltra», og en forbedra posisjonsbestemmelse av den ene partikkelen i et par øker derfor også vår kunnskap om posisjonen til den andre partikkelen.

  • Ifølge (Poppers forståelse av) København-tolkninga er den mindre presise bestemmelsen av bevegelsesmengden et resultat av vår kunnskap om partikkelen. Siden kunnskapen har økt, vil spredninga av partiklene også bak skjerm B øke, som om spalten i skjerm B også hadde blitt gjort smalere (men til tross for at den ikke har blitt gjort smalere).
  • Ifølge Poppers hypotese er den mindre presise bestemmelsen av bevegelsesmengden et resultat av de statistiske egenskapene til et utvalg med partikler. Derfor øker partikkelspredninga bare bak skjerm A, mens partikkelspredninga bak skjerm B er upåvirka av hva som skjer med skjerm A.

Gjennomføring av eksperimentet[rediger | rediger kilde]

Resultatet av Kim og Shihs gjennomføring av eksperimentet. Spredninga var større for partikler som passerte spalten (blå) enn for deres sammenfiltra søsterpartikler som ikke gjorde det (rød).

1999 (fem år etter Poppers død) utførte Yoon-Ho Kim og Yanhua Shih eksperimentet i praksis.[23] Funnene deres er i tråd med Poppers forutsigelse: Spredninga bak skjerm A øker, den bak skjerm B gjør det ikke.

Med forfatternes ord:

«Det er forbausende å se at de eksperimentelle resultatene er i overensstemmelse med Poppers forutsigelse. Gjennom kvantesammenfiltring kan man få rede på nøyaktig kunnskap om posisjonen til et foton, og ville derfor ifølge den vanlige København-tolkninga av usikkerhetsrelasjonene forvente en større usikkerhet i [fotonets] bevegelsesmengde. Målinga viser imidlertid at bevegelsesmengden ikke erfarer noen tilsvarende økning i usikkerheten.»[24]

Tolkning av resultatet[rediger | rediger kilde]

Gjennomføringa av eksperimentet har ført til fornya interesse for Poppers syn på kvantemekanikken og til en debatt om eksperimentets (og dermed kvantemekanikkens) tolkning.[25] Det er enighet om at funnene er i overensstemmelse med Poppers forutsigelse. Uenigheten dreier seg om om funnene dermed virkelig representerer en tilbakevisning av København-tolkninga. Flere stemmer hevder nettopp dette,[26] mens andre forskere anser København-tolkninga for å være forenlig med eksperimentets utfall.[27]

Noter[rediger | rediger kilde]

  1. ^ Schrödinger (1935
  2. ^ a b Einstein, Podolsky & Rosen (1935)
  3. ^ Heisenberg (1927; 1930)
  4. ^ Popper (1934b, avsnitt 73–76)
  5. ^ Popper inntok med sine realistiske og indeterministiske interpretasjon en særstilling blant kvantemekaniske tolkninger, siden f.eks. Einstein, Schrödinger og de Broglie forfekta realistiske, men deterministiske tolkninger; mens f.eks. Bohr, Heisenberg og von Neumann forfekta indeterministiske, men ikke-realistiske tolkninger.
  6. ^ Popper (1982a, innledning til kap. 1)
  7. ^ Popper (1934b, avsnitt 75)
  8. ^ Popper (1967, avsnitt 4, tese 7)
  9. ^ eller, mer nøyaktig, gjennom bølgefunksjonens absolutt-kvadrat |ψ (Popper, 1982a, § 11)
  10. ^ Popper (1967, avsnitt 4, tese 4)
  11. ^ Popper (1967, avsnitt 4, tese 9)
  12. ^ Popper (1957) bruker mynt og krone som eksempel
  13. ^ Popper (1934a; 1934b, avsnitt 77)
  14. ^ v. Weizsäcker (1934)
  15. ^ i form av et brev som nevnes i Poppers (1959) avsnitt 77 (første fotnote)
  16. ^ i form av et brev (datert 11. september 1935), som er gjengitt som faksimile i Poppers (1959) appendiks *xii
  17. ^ Popper (1959, app. *xi; jf. 1967; 1971; 1972, kap. 8, § 3; 1974, s. 1137–1139; 1976, kap. 18)
  18. ^ Jammer (1974, s. 178); men alt tyder på at Einstein, Podolsky og Rosen utvikla argumentet sitt i 1935 uavhengig av Poppers argument i 1934 (jf. W.W. Bartleys fotnote 20 til Popper, 1982a, «Preface»)
  19. ^ Én versjon ble beskrevet av Garuccio, Popper & Vigier (1981); en annen versjon av Popper (1982a, forordets avsnitt IX; 1982b)
  20. ^ Popper (1985; 1987); Combourieu (1992)
  21. ^ Bedford & Selleri (1985); Sudbery (1985); Collett & Loudon (1987)
  22. ^ Popper (1987)
  23. ^ Kim & Shih (1999); det er snakk om en modifisert versjon av eksperimentoppsettet beskrevet av Popper (1982a)
  24. ^ Kim & Shih (1999, s. 1850)
  25. ^ Iredale (2005)
  26. ^ Hunter (2002); Unnikrishnan (2002)
  27. ^ Ghirardi, Marinatto & de Stefano (2007); Qureshi (2012)

Referanser[rediger | rediger kilde]

  • D. Bedford og F. Selleri (1985). «On Popper’s New EPR-experiment». Lettere al nuovo cimento della Società Italiana di Fisica. 42: 325–328. doi:10.1007/BF02747046. 
  • M.J. Collett og R. Loudon (1987). «Analysis of a Proposed Crucial Test of Quantum Mechanics». Nature. 326: 671–672. doi:10.1038/326671a0. 
  • M.-C. Combourieu (1992). «Karl R. Popper, 1992: About the EPR Controversy». Foundations of Physics. 22: 1303–1323. doi:10.1007/BF01889715. 
  • A. Einstein, B. Podolsky og N. Rosen (1935). «Can Quantum-mechanical Description of Physical Reality be Considered Complete?». Physical Review. 47: 777–780. doi:10.1103/PhysRev.47.777. 
  • A. Garuccio, K.R. Popper og J.-P. Vigier (1981). «Possible Direct Physical Detection of de Broglie Waves». Physics Letters A. 86: 397–400. doi:10.1016/0375-9601(81)90346-7. 
  • G. Ghirardi, L. Marinatto og F. de Stefano (2007). «Critical Analysis of Popper's Experiment». Physical Review A. 75: 042107. arXiv:quant-ph/0702242Åpent tilgjengelig. doi:10.1103/PhysRevA.75.042107. 
  • W. Heisenberg (1927). «Über den anschaulichen Inhalt der quantentheoretischen Kinematik und Mechanik». Zeitschrift für Physik. 43: 172–198. doi:10.1007/BF01397280. 
  • W. Heisenberg (1930). Die physikalischen Prinzipien der Quantentheorie. Leipzig: Hirzel. 
  • G. Hunter (2002). «Realism in the Realized Popper’s Experiment». American Institute of Physics Conference Proceedings. 646: 243–248. arXiv:quant-ph/0507011Åpent tilgjengelig. doi:10.1063/1.1524580. 
  • M. Iredale (2005). «Did Popper Falsify Copenhagen?». Philosophers’ Magazine. 32: 27–28. doi:10.5840/tpm2005328. 
  • M. Jammer (1974). The Philosophy of Quantum Mechanics. New York: Wiley. 
  • Y.-H. Kim og Y. Shih (1999). «Experimental Realization of Popper's Experiment: Violation of the Uncertainty Principle?». Foundations of Physics. 29: 1849–1861. arXiv:quant-ph/9905039Åpent tilgjengelig. doi:10.1023/A:1018890316979. 
  • K. Popper (1934). «Zur Kritik der Ungenauigkeitsrelationen». Naturwissenschaften. 22: 807–808. doi:10.1007/BF01496543. 
  • K. Popper (1934). Logik der Forschung. Zur Erkenntnistheorie der modernen Naturwissenschaft. Wien: Springer. 
  • K.R. Popper (1957). «The Propensity Interpretation of the Calculus of Probability, and the Quantum Theory». I S. Körner. Observation and Interpretation. London: Butterworths. s. 65–70. 
  • K.R. Popper (1959). The Logic of Scientific Discovery. London: Hutchinson. 
  • K.R. Popper (1967). «Quantum Mechanics without ‘The Observer’». I M. Bunge. Quantum Theory and Reality. Berlin: Springer. s. 7–44. doi:10.1007/978-3-642-88026-1_2.  [En oppdatert versjon av denne artikkelen er trykt som Poppers (1982a) introduksjon]
  • K. Popper (1971). «Particle Annihilation and the Argument of Einstein, Podolsky, and Rosen». I W. Yourgrau og A. van der Merwe. Perspectives in Quantum Theory. Cambridge: MIT Press. s. 182–198. 
  • K.R. Popper (1972). Objective Knowledge: An Evolutionary Approach. Oxford: Clarendon. 
  • K.R. Popper (1974). «Replies to my Critics». I A. Schilpp. The Philosophy of Karl Popper. La Salle: Open Court. s. 959–1197. 
  • K.R. Popper (1976). Unended Quest: An Intellectual Autobiography. La Salle: Open Court. 
  • K.R. Popper (1982). Quantum Theory and the Schism in Physics. London: Hutchinson. 
  • K.R. Popper (1982). «Proposal for a Simplified New Variant of the Experiment of Einstein, Podolsky and Rosen». I K.M. Meyer-Abich. Physik, Philosophie und Politik. München: Hanser. s. 310–313. 
  • K. Popper (1985). «Realism in Quantum Mechanics and a New Version of the EPR Experiment». I G. Tarozzi og A. van der Merwe. Open Questions in Quantum Physics. Dordrecht: Reidel. s. 3–25. doi:10.1007/978-94-009-5245-4_1. 
  • K. Popper (1987). «Popper versus Copenhagen». Nature. 328: 675. doi:10.1038/328675a07. 
  • T. Qureshi (2012). «Analysis of Popper's Experiment and Its Realization». Progress of Theoretical Physics. 127: 645–656. arXiv:quant-ph/0505158Åpent tilgjengelig. doi:10.1143/PTP.127.645. 
  • E. Schrödinger (1935). «Die gegenwärtige Situation in der Quantenmechanik». Naturwissenschaften. 23: 807–812. doi:10.1007/BF01491891. 
  • A. Sudbery (1985). «Popper's Variant of the EPR Experiment Does not Test the Copenhagen Interpretation». Philosophy of Science. 52: 470–476. doi:10.1086/289261. 
  • C.S. Unnikrishnan (2002). «Proof of Absence of Spooky Action at a Distance in Quantum Correlations». Pramana. 59: 295–301. doi:10.1007/s12043-002-0120-6. 
  • [C.F.] v. Weizsäcker (1934). «Zur Kritik der Ungenauigkeitsrelationen». Naturwissenschaften. 22: 808. doi:10.1007/BF01496543.