A ideia de que existia uma maneira de pensar de Copenhague foi batizada de " Kopenhagener Geist der Quantentheorie " por Werner Heisenberg na introdução de seu livro didático de 1930, Os Princípios Físicos da Teoria Quântica , baseado em suas palestras de 1929 em Chicago (ministradas a convite de Arthur Holly Compton ).

Na conferência de física de Solvay de 1927, intitulada "Elétrons e Fótons", Niels Bohr e Heisenberg consolidaram sua visão de Copenhague como um quadro "completo" da física quântica, apesar de não conseguirem, ou não quererem, visualizar ou explicar exatamente o que acontece no mundo microscópico da "realidade quântica".

Desde as primeiras apresentações das ideias dos supostos "fundadores" da mecânica quântica, Albert Einstein nutria profundas reservas quanto ao trabalho realizado em Copenhague, embora jamais tenha duvidado do poder de cálculo de seus novos métodos matemáticos. Ele descreveu o trabalho como incompleto , pois se baseava nos resultados estatísticos de muitos experimentos, fazendo apenas previsões probabilísticas sobre experimentos individuais. Einstein almejava visualizar o que se passava em uma "realidade objetiva" subjacente.

Bohr parecia negar a existência de uma "realidade" fundamental, mas ele claramente sabia e afirmava que o mundo físico é em grande parte independente das observações humanas. Na física clássica, assume-se que o mundo físico é completamente independente do ato de observá-lo. Na física quântica, Heisenberg disse que o resultado de um experimento depende da livre escolha do experimentador sobre o que medir. O mundo quântico de fótons e elétrons pode parecer ondas ou partículas, dependendo do que procuramos, e não do que eles "são" como "coisas em si mesmas".

Os físicos da Escola de Copenhague se orgulhavam de sua limitada capacidade de conhecimento . Bohr disse:

Não existe um mundo quântico. Existe apenas uma descrição física quântica abstrata. É errado pensar que a tarefa da física é descobrir como a natureza é. A física se preocupa com o que podemos dizer sobre a natureza.

Bohr, portanto, impôs severos limites epistemológicos ao conhecimento das "coisas em si" kantianas, assim como Immanuel Kant havia imposto limites à razão. Os filósofos empiristas britânicos John Locke e David Hume haviam colocado os objetos "primários" além do alcance de nossas percepções sensoriais "secundárias". Nesse aspecto, Bohr compartilhava as visões positivistas de muitos outros cientistas empíricos, como Ernst Mach . Os filósofos analíticos da linguagem do século XX acreditavam que a filosofia (e até mesmo a física) não podia resolver alguns problemas básicos, mas apenas "desresolvê-los", demonstrando que se tratavam de erros conceituais.

Por outro lado, Bohr e Heisenberg enfatizaram a importância da linguagem convencional da física clássica como ferramenta para o conhecimento . Uma vez que a linguagem evoluiu para descrever o mundo familiar dos objetos "clássicos" no espaço e no tempo, eles insistiram que, em algum ponto entre o mundo quântico e o mundo clássico, deve haver um momento em que nossas observações e medições possam ser expressas em conceitos clássicos. Eles argumentaram que um aparelho de medição e uma observação específica devem ser descritíveis classicamente para que sejam compreendidos e se tornem conhecimento na mente do observador.

A localização exata dessa transição do mundo quântico para o mundo classicamente descritível era arbitrária, disse Heisenberg. Ele a chamou de "corte" ( Schnitt ) . A insistência de Heisenberg, e especialmente de John von Neumann e Eugene Wigner , no papel crucial de um " observador consciente " levou a uma grande quantidade de absurdos associados à Interpretação de Copenhague e à filosofia da física quântica. Heisenberg pode ter estado apenas tentando explicar como o conhecimento chega à mente do observador. Para von Neumann e Wigner, a mente era considerada um fator causal no comportamento do sistema quântico.

Hoje, um grande número de panpsiquistas , alguns filósofos e um pequeno número de cientistas ainda acreditam que a mente de um observador consciente é necessária para causar o chamado "colapso" da função de onda . Um número relativamente grande de cientistas que se opõem à Interpretação de Copenhague acredita que nunca há "colapsos" em uma função de onda universal .

Em meados da década de 1950, Heisenberg reagiu à interpretação da mecânica quântica de David Bohm , de 1952, baseada na "onda piloto" , denominando seu próprio trabalho de "Interpretação de Copenhague" e a única interpretação correta da mecânica quântica. Uma parcela significativa dos físicos quânticos atuantes afirma concordar com Heisenberg, embora poucos tenham se aprofundado nas premissas fundamentais da Interpretação de Copenhague.

Isso ocorre porque eles selecionam da Interpretação de Copenhague apenas as partes necessárias para realizar cálculos de mecânica quântica. A maioria dos livros didáticos inicia a história da mecânica quântica com a visão fornecida pelo trabalho de Heisenberg, Bohr, Max Born , Pascual Jordan , Paul Dirac e, claro, Erwin Schrödinger .

A Interpretação de Copenhague possui vários componentes principais, com os quais a maioria dos historiadores e filósofos da ciência concorda:

• Os postulados quânticos . Bohr postulou que os sistemas quânticos (a partir de seu "átomo de Bohr" em 1913) possuem "estados estacionários" que realizam "saltos quânticos" descontínuos entre os estados com a emissão ou absorção de radiação. Até pelo menos 1925, Bohr insistiu que a própria radiação era contínua. Einstein afirmou que a radiação é um "quantum de luz" discreto (posteriormente chamado de fóton) já em 1905.

  Ironicamente, em grande parte ignorando a história da mecânica quântica (dominada pela explicação de Bohr), muitos dos livros didáticos atuais ensinam o "átomo de Bohr" como emissor ou absorvedor de fótons - os quanta de luz de Einstein!

  Além disso, embora Bohr tenha feito uma breve menção, praticamente ninguém hoje sabe que os estados de energia discretos ou níveis de energia quantizados na matéria foram descobertos pela primeira vez por Einstein em seu trabalho de 1907 sobre calor específico.

• Dualidade onda-partícula . A complementaridade entre ondas e partículas , incluindo uma síntese da teoria da mecânica partícula-matriz de Heisenberg, Max Born e Pascual Jordan , com a teoria da mecânica ondulatória de Louis de Broglie e Erwin Schrödinger .

  Ironicamente, a dualidade onda-partícula foi descrita pela primeira vez por Einstein em 1909. Heisenberg precisou ser convencido por Bohr para aceitar a teoria ondulatória.

• Princípio da indeterminação . Heisenberg às vezes o chamava de seu princípio da "incerteza", o que poderia implicar ignorância humana, sugerindo um problema epistemológico (de conhecimento) em vez de um problema ontológico (de realidade).

  Bohr considerou a indeterminação como mais um exemplo de sua complementaridade, entre as variáveis conjugadas não comutativas momento e posição, por exemplo, Δp Δx ≥ h (também entre energia e tempo e entre as variáveis ação e ângulo).

• Princípio da correspondência . Bohr sustentou que, no limite de grandes números quânticos, a estrutura atômica dos sistemas quânticos se aproxima do comportamento dos sistemas clássicos. Bohr e Heisenberg descreveram esse caso como aquele em que o quantum de ação de Planck, h, pode ser desprezado. Eles descreveram isso erroneamente como h → 0. Mas h é uma constante fundamental.

  A transição quântica-clássica ocorre quando a ação de um objeto macroscópico é grande em comparação com h . À medida que o número de partículas quânticas aumenta (à medida que a massa aumenta), objetos macroscópicos grandes se comportam como objetos clássicos. A posição e a velocidade tornam-se arbitrariamente precisas quando h/m → 0. Δv
  Δx ≥ h/m .

  Só existe um mundo. É um mundo quântico. Ontologicamente, ele é indeterminístico , mas epistemologicamente, o senso comum e a experiência cotidiana nos inclinam a vê-lo como determinístico . Bohr e Heisenberg insistiram que devemos usar conceitos e linguagem clássicos (determinísticos?) para comunicar nosso conhecimento sobre processos quânticos!

• Completude . A função de onda de Schrödinger, ψ, fornece uma descrição "completa" de um sistema quântico, apesar de variáveis conjugadas como posição e momento não poderem ser conhecidas com precisão arbitrária, como ocorre em sistemas clássicos. Há menos informação no mundo do que a física clássica implica.

  A função de onda ψ evolui de acordo com a equação de movimento de Schrödinger unitária determinística , conservando essa informação. Quando uma possibilidade se torna real (descontínua), novas informações podem ser criadas irreversivelmente e registradas por um aparelho de medição, ou simplesmente surgir como uma nova estrutura de informação no mundo.

  Em comparação, Einstein sustentava que a mecânica quântica era incompleta , pois fornecia apenas informações estatísticas sobre conjuntos de sistemas quânticos. Ele também estava profundamente preocupado com a não-localidade e a não-separabilidade , questões que não eram abordadas pela interpretação de Copenhague.

• Registro irreversível de informações no aparelho de medição. Sem esse registro (leitura de um ponteiro, placa fotográfica enegrecida, disparo de um contador Geiger, etc.), não haveria nada para os observadores verem e saberem.

  A informação precisa chegar ao universo muito antes que qualquer cientista possa "observá-la". Nos experimentos de física de altas energias e nas pesquisas espaciais atuais, o tempo de análise de dados entre as medições iniciais e a obtenção dos resultados pelos cientistas pode ser medido em meses ou anos.

  Todos os fundadores da mecânica quântica mencionam a necessidade de irreversibilidade. A necessidade de transferência de entropia positiva para fora do experimento, a fim de estabilizar novas informações (entropia negativa) para que possam ser observadas, foi demonstrada pela primeira vez por Leo Szilard em 1929 e, posteriormente, por Leon Brillouin e Rolf Landauer .

• Aparato clássico? Bohr exigiu que o aparato de medição macroscópico fosse descrito na linguagem "clássica" comum. Esta é uma terceira "complementaridade", agora entre o sistema quântico e o "aparato clássico".

  Mas Born e Heisenberg nunca disseram que o aparelho de medição era "clássico". Eles sabiam que tudo é fundamentalmente um sistema quântico.

  Lev Landau e Evgeny Lifshitz perceberam uma circularidade nessa visão: "a mecânica quântica ocupa um lugar muito incomum entre as teorias físicas: ela contém a mecânica clássica como um caso limite [princípio da correspondência], mas ao mesmo tempo requer esse caso limite para sua própria formulação."

• Interpretação estatística ( acausalidade ) . Born interpretou o módulo ao quadrado da função de onda complexa de Schrödinger como a probabilidade de encontrar uma partícula. O "campo fantasma" ou "campo guia" de Einstein, a onda piloto ou guia de De Broglie e a função de onda de Schrödinger como a distribuição da densidade de carga elétrica eram visões semelhantes em anos muito anteriores. Born às vezes apontava que sua inspiração direta era Einstein.

  Todas as propriedades previstas dos sistemas físicos e as "leis da natureza" são apenas probabilísticas ( acausais , indeterminísticas ). Todos os resultados de experimentos físicos são estatísticos .

  Resumidamente, as teorias nos fornecem probabilidades, os experimentos nos fornecem estatísticas.
  Um grande número de experimentos idênticos fornece a evidência estatística para as probabilidades teóricas previstas pela mecânica quântica.

  A ênfase de Bohr em questões epistemológicas sugere que ele acreditava que a incerteza estatística poderia estar apenas em nosso conhecimento . Ela pode não descrever a própria natureza. Ou, pelo menos, Bohr pensava que não podemos descrever uma "realidade" para objetos quânticos, certamente não com conceitos e linguagem clássicos. No entanto, o novo conceito de uma função de possibilidades imaterial (informação pura) movendo-se pelo espaço pode tornar os fenômenos quânticos "visualizáveis".

  A acausalidade ontológica, o acaso e uma natureza probabilística ou estatística foram percebidos pela primeira vez por Einstein em 1916, como Born reconheceu posteriormente. Mas Einstein não gostava desse acaso. Ele e a maioria dos cientistas parecem ter o que William James chamou de "antipatia pelo acaso".

• Sem Visualizabilidade? Bohr e Heisenberg acreditavam que jamais poderíamos produzir modelos do que acontece no nível quântico. Bohr argumentava que, como a função de onda não pode ser observada, nada podemos afirmar sobre ela. Heisenberg, por sua vez, defendia que a probabilidade é real e constitui a base da natureza estatística da mecânica quântica.

  Sempre que desenhamos um diagrama das ondas incidindo sobre as duas fendas , estamos, na verdade, visualizando a função de onda como possíveis localizações para uma partícula, com probabilidades calculáveis para cada localização possível.

  Hoje podemos visualizar, por meio de animações, muitos enigmas da física, incluindo o experimento da dupla fenda, o emaranhamento quântico e a irreversibilidade microscópica .

• Sem caminho? . Bohr, Heisenberg, Dirac e outros disseram que não podemos descrever uma partícula como tendo uma trajetória. O caminho passa a existir quando o observamos, afirmou Heisenberg. ( Die “Bahn” entsteht erst dadurch, dass wir sie beobachten )

  A "realidade objetiva" de Einstein almejava um nível mais profundo da física, no qual as partículas de fato possuem trajetórias e, em particular, obedecem aos princípios de conservação, embora as medições intermediárias necessárias para observar esse fato interferissem nos experimentos.

• Paul Dirac formalizou a mecânica quântica com esses três conceitos fundamentais, todos muito familiares e aceitos por Bohr, Heisenberg e os demais membros da Conferência de Copenhague:
  • Axioma da medição . Os estados quânticos estacionários de Bohr possuem autovalores com autofunções correspondentes (a ligação autovalor-autoestado).

  • Princípio da superposição . De acordo com a teoria da transformação de Dirac, ψ pode ser representado como uma combinação linear de vetores que constituem uma base adequada para o sistema quântico alvo combinado e o aparato de medição.

  • Postulado da projeção . O colapso da função de onda ψ, que é irreversível, ao interagir com o aparelho de medição e criar novas informações.

• Experimento da dupla fenda . Um experimento "mental" da década de 1920, mas um experimento real hoje, que demonstra a combinação das propriedades ondulatórias e corpusculares.

  Note que o que o experimento da dupla fenda realmente demonstra é

  • Em primeiro lugar, a função de onda explora deterministicamente e continuamente todas as possibilidades de interação.
  • Em segundo lugar, a partícula escolhe aleatoriamente e de forma descontínua uma dessas possibilidades para se tornar real .

Existem muitos outros elementos que desempenham papéis menores, alguns dos quais tornam a Interpretação de Copenhague muito impopular entre os filósofos da ciência e geram novas interpretações ou mesmo " formulações " da mecânica quântica. Algumas delas são leituras equivocadas ou acréscimos posteriores. Incluem-se:

• O " observador consciente ". A afirmação de que os sistemas quânticos não podem mudar seus estados sem que uma observação seja feita por um observador consciente. O colapso ocorre apenas quando um observador "olha" para o sistema Como exatamente a mente do observador tem poder causal sobre o mundo físico (o problema mente-corpo ).

  Einstein contestou a ideia de que sua cama havia se espalhado pelo quarto e só se recompunha quando ele abria a porta e olhava para dentro.

  John von Neumann e Eugene Wigner pareciam acreditar que a mente do observador era essencial, mas essa ideia não consta nos trabalhos originais de Bohr e Heisenberg, então talvez não devesse fazer parte da Interpretação de Copenhague Ela não tem lugar na física quântica padrão atual.

• O problema da medição , incluindo a insistência de que o aparelho de medição deve ser descrito classicamente quando é feito de partículas quânticas. Existem, na verdade, pelo menos três definições para o problema da medição.
  1. A alegação de que as duas leis dinâmicas, a evolução temporal unitária determinística segundo a equação de Schrödinger e o colapso indeterminístico segundo o postulado da projeção de Dirac, são logicamente inconsistentes, argumenta-se que ambas não podem ser verdadeiras simultaneamente.

     A interpretação correta é simplesmente que as duas leis se aplicam em momentos diferentes na evolução de um objeto quântico, uma para as possibilidades e a outra para a realidade (como Heisenberg sabia):

     • Em primeiro lugar, a evolução determinística unitária percorre o espaço explorando todas as possibilidades de interação.
     • Em segundo lugar, o colapso indeterminístico seleciona aleatoriamente (acausalmente) uma dessas possibilidades para se tornar real .

  2. A preocupação inicial era que a "dinâmica de colapso" ( Processo de von Neumann 1 ) não fazia parte do formalismo ( Processo de von Neumann 2 ), mas era um elemento ad hoc , sem regras para quando aplicá-la.

     Se existisse uma lei determinística que previsse um colapso ou o decaimento de um núcleo radioativo, essa lei não seria a mecânica quântica!

  3. Os teóricos da decoerência afirmam que o problema da medição reside na incapacidade de observar superposições macroscópicas, como o Gato de Schrödinger .

• As muitas alegações filosóficas descabidas em favor da "complementaridade": por exemplo, que ela resolve o problema mente-corpo ?

• A "subjetividade" fundamental da interpretação de Copenhague reside no fato de que ela lida com o conhecimento epistemológico das coisas, e não com as "coisas em si".

Albert Einstein , Louis de Broglie e, especialmente, Erwin Schrödinger insistiram em uma visão mais "completa", não apenas no que pode ser dito, mas no que podemos "ver", uma visualização ( Anschaulichkeit ) do mundo microscópico. Mas a ênfase de de Broglie e Schrödinger na teoria ondulatória dificultou a compreensão das partículas materiais e seus "saltos quânticos". De fato, Schrödinger e físicos mais recentes, como John Bell e os teóricos da decoerência H.D. Zeh e Wojciech Zurek, negam a existência de partículas e o colapso da função de onda , que é central para a Interpretação de Copenhague.

Talvez a principal alegação daqueles que hoje negam a Interpretação de Copenhague (e a mecânica quântica padrão) tenha começado com a afirmação de Schrödinger (e posteriormente de Bell) de que "não existem saltos quânticos". Os teóricos da decoerência e outros que defendem a Interpretação de Muitos Mundos de Everett rejeitam o postulado da projeção de Dirac , um pilar da teoria quântica.

Inicialmente, Heisenberg insistiu em sua própria "mecânica matricial" de partículas e seu comportamento discreto, descontínuo e indeterminístico , o " postulado quântico " de eventos imprevisíveis que minam a física clássica da causalidade . Mas Bohr disse a Heisenberg que sua mecânica matricial era uma visão muito restrita do problema. Isso decepcionou Heisenberg e quase rompeu a relação entre eles. Contudo, Heisenberg acabou aceitando a crítica e, por fim, endossou toda a profunda visão filosófica de Bohr sobre a realidade quântica como não visualizável .

Em sua palestra de setembro em Como , um mês antes da Conferência Solvay de 1927, Bohr apresentou sua teoria da " complementaridade " como uma teoria "completa". Ela combina as noções contraditórias de onda e partícula. Como ambas são necessárias, elas se complementam (e se "completam") mutuamente.

Embora Bohr seja frequentemente creditado por integrar o dualismo de ondas e partículas, foi Einstein quem previu que isso seria necessário já em 1909. Mas, ao fazê-lo, Bohr obscureceu ainda mais o que já era um quadro misterioso. Como algo poderia ser simultaneamente uma partícula discreta e uma onda contínua Bohr endossou as visões determinísticas e contínuas da mecânica ondulatória de Schrödinger Não exatamente, mas a aceitação, por Bohr, da mecânica ondulatória de Schrödinger como equivalente e complementar à sua mecânica matricial foi extremamente perturbadora para Heisenberg.

A palestra de Bohr em Como surpreendeu Heisenberg ao derivar (em vez do argumento heurístico do microscópio de Heisenberg) o princípio da incerteza apenas da descrição ondulatória do espaço-tempo, sem qualquer referência à dinâmica acausal da descrição de Heisenberg!

Depois disso, Heisenberg fez a mesma dedução em seu texto de 1930 e, posteriormente, aceitou completamente a complementaridade . Heisenberg passou os anos seguintes promovendo amplamente as ideias de Bohr para cientistas e filósofos de todo o mundo, embora frequentemente proferisse palestras sobre seu argumento equivocado, porém facilmente compreensível, de que observar partículas as perturba. Seu microscópio ainda hoje é incluído em muitos livros didáticos de física elementar.

Bohr afirmou que essas visões contraditórias de onda e partícula são "complementares" e que ambas são necessárias para uma visão "completa". Ele se apropriou da afirmação de Einstein sobre uma visão mais "completa" de uma realidade "objetiva", uma que poderia restaurar o conhecimento simultâneo de posição e momento, por exemplo. A física clássica tem o dobro de variáveis independentes (e o dobro da informação) que a física quântica. Nesse sentido, ela parece ser mais "completa".

Muitos críticos da Interpretação de Copenhague acreditavam que Bohr, deliberadamente e de forma provocativa, adotou noções logicamente contraditórias — de ondas determinísticas contínuas e partículas indeterminísticas discretas — talvez como evidência dos limites kantianos da razão e do conhecimento humano. Kant chamou tais verdades contraditórias de "antinomias". As contradições apenas fortaleceram a convicção epistemológica de Bohr e sua insistência de que a física exigia uma visão subjetiva incapaz de alcançar a natureza objetiva das "coisas em si mesmas". Como Heisenberg descreveu em sua explicação da Interpretação de Copenhague,

Isso reforça a importância do elemento subjetivo na descrição de eventos atômicos, visto que o dispositivo de medição foi construído pelo observador, e devemos lembrar que o que observamos não é a natureza em si, mas a natureza exposta ao nosso método de questionamento. Nosso trabalho científico em física consiste em fazer perguntas sobre a natureza na linguagem que possuímos e tentar obter uma resposta experimental pelos meios que temos à nossa disposição.

(" A interpretação de Copenhague da mecânica quântica", em Física e Filosofia , 1955)

Referências

Interpretação de Copenhague na Wikipédia

Interpretação de Copenhague sobre a Enciclopédia de Filosofia de Stanford

"Interpretação de Copenhague da Teoria Quântica" , em Física e Filosofia , Werner Heisenberg, 1958, pp. 44-58

"A Interpretação de Copenhague" , American Journal of Physics , 40, p. 1098, Henry Stapp, 1972

"A História da Teoria Quântica" , em Física e Filosofia , Werner Heisenberg, 1958, pp. 30-43

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