Biografi dan Pemikiran Filsafat Niels Bohr

Fisika kuantum sering dikreditkan dengan implikasi metafisik dan epistemologis yang luas, termasuk penolakan kausalitas dan determinisme dan keberadaan batasan ketat pada apa yang dapat diketahui tentang sistem alam. Salah satu tokoh utama yang karyanya telah digunakan—dan sering disalahgunakan—untuk mendukung kesimpulan tersebut adalah fisikawan Denmark Niels Bohr.

Niels Bohr : Biografi, Filsafat & Teori Kuantum

Bohr berhak dipandang sebagai salah satu tokoh utama dalam sejarah fisika kuantum dan dikenal luas baik karena kontribusinya yang luar biasa terhadap pengembangan teori kuantum dan untuk karyanya yang berorientasi filosofis, yang berfokus pada tugas menafsirkan mekanika kuantum. Interpretasi Bohr berpusat pada gagasannya tentang komplementaritas, yang ia kembangkan pada tahun 1927, dua tahun setelah pengembangan mekanika kuantum oleh Heisenberg, Born, Jordan, dan Schrödinger dan tak lama setelah publikasi makalah ketidakpastian Heisenberg yang terkenal.

Pendekatan interpretatif Bohr menarik banyak pengikut tetapi juga banyak kritikus. Yang paling menonjol di antara yang terakhir adalah Einstein, yang kritik publiknya terhadap mekanika kuantum dan interpretasi Bohr dimulai pada tahun 1927 dan memuncak dengan makalah “EPR” 1935-nya, yang ditulis bersama Podolsky dan Rosen. Tanggapan Bohr terhadap kritik Einstein, dan bagian dari pendekatan interpretasi umumnya, adalah bahwa mekanika kuantum adalah teori lengkap yang ketidakpastian statistiknya tidak perlu atau tidak dapat diatasi dengan teori yang lebih mendasar.

Sementara Bohr paling filosofis setelah pengenalan komplementaritas, Tema menyeluruh dari banyak karya sebelumnya juga dikaitkan dengan gagasan filosofis tertentu yang jelas tentang sifat teori fisika dan metode yang tepat untuk mengembangkan teori di alam baru, dan saling melengkapi dapat dilihat sebagai penerapan gagasan ini pada formalisme mekanika kuantum baru.

Teori Kuantum

Teori Model atom hidrogen tahun 1913 yang terkenal dari Bohr, yang dengannya dia menjelaskan spektrum hidrogen, menandai awal dari teori kuantum atom.

Karena elektrodinamika klasik telah menyatakan bahwa osilasi elektron disertai dengan emisi radiasi elektromagnetik, teori tersebut tidak dapat menjelaskan stabilitas atom maupun diskrit spektrum frekuensi yang dipancarkan oleh gas hidrogen tereksitasi. Model Bohr memecahkan teka-teki ini dengan menyarankan bahwa elektron mengorbit nukleus dalam keadaan stasioner yang stabil dan bahwa emisi radiasi tidak terjadi selama orbit itu tetapi lebih pada transisi tiba-tiba antara keadaan; radiasi membawa perbedaan energi antara keadaan menurut aturan frekuensi kuantum (berdasarkan pekerjaan oleh Planck dan Einstein) yang menghubungkan energi dengan frekuensi.

Bohr akhirnya mempresentasikan alasan modelnya dalam hal kuantisasi momentum sudut, dan itulah yang sering disajikan dalam teks. Namun, alasan asli Bohr, dan bisa dibilang yang paling dekat dengan pendekatan aktualnya terhadap fisika di tahun-tahun berikutnya, adalah bahwa ia membaca keberadaan keadaan stasioner independen dari rumus Balmer spektrum hidrogen dengan menafsirkan spektrum dengan aturan frekuensi kuantum. Artinya, keadaan stasioner diskrit tidak dihipotesiskan melainkan disimpulkan dari generalisasi empiris.

Prinsip Korespondensi

Bohr akhirnya memperluas pendekatan umum menyimpulkan sifat atom dari generalisasi empiris atau fenomena dengan pengembangan prinsip korespondensinya. Prinsip, pertama kali secara implisit digunakan dalam bentuk umum pada tahun 1918 dan dinamai sebagai prinsip khusus oleh Bohr pada tahun 1920, adalah klaim tentang hubungan antara teori klasik dan kuantum, dan khususnya tentang deskripsi klasik dari bukti empiris dan model kuantum atom.

Seperti yang kadang-kadang dinyatakan oleh Bohr—cara yang paling sering dikutip—teori kuantum baru harus menangkap kembali elektrodinamika klasik dalam batas tertentu—yaitu, teori lama harus ditunjukkan sebagai perkiraan bahwa dalam retrospeksi kira-kira akurat dalam bidang di mana efek kuantum diabaikan. Dalam atom hidrogen, menurut prinsip Bohr, itu akan terjadi ketika bilangan kuantum tinggi, di mana perbedaan energi antara keadaan stasioner menjadi kecil dibandingkan dengan energi keadaan itu sendiri.

Meskipun tergoda untuk memahami prinsip korespondensi sebagai persyaratan untuk rasionalitas kemajuan teori, yang paling-paling hanya satu aspek pendekatan Bohr dengan prinsip. Bagi Bohr, prinsip korespondensi adalah klaim intrateori, bukan antarteori, dan itu penting karena teori kuantum yang berkembang tidak memperhitungkan hubungan antara gerakan elektron dalam orbitnya dan fenomena empiris spektrum atom, sedangkan teori klasik telah memiliki akun seperti itu. Bohr secara konsisten bersikeras bahwa kita memerlukan deskripsi pengamatan yang stabil dari mana kita dapat menyimpulkan sifat atom, dan dia menekankan bahwa generalisasi tentang spektrum atom—tentang frekuensi radiasi dipancarkan atau diserap oleh atom—pada dasarnya adalah klaim tentang fenomena gelombang, karena pengukuran frekuensi radiasi dengan peralatan spektroskopi tidak dapat dihindari mengasumsikan teori gelombang.

Jadi, meskipun teori kuantum tampaknya mempertanyakan sifat gelombang radiasi elektromagnetik (setidaknya menurut konsep kuantum cahaya yang tersirat oleh efek fotolistrik, dan kemudian oleh efek Compton), para ilmuwan masih harus menggunakan elektrodinamika gelombang untuk memberikan bukti tentang sifat atom. , sehingga diperlukan suatu hubungan atau koordinasi antar teori. Oleh karena itu, kesepakatan dalam batasan antar teori bukanlah tujuan dari prinsip korespondensi, tetapi hanya sarana untuk memungkinkan keterkaitan klaim dalam teori baru.

Secara khusus, ini memungkinkan Bohr menghubungkan gerak periodik di dalam atom dengan aspek periodik radiasi dalam spektrum. Prinsip ini memberikan konten empiris pada bagian-bagian model yang sebelumnya tidak memilikinya dan memungkinkan penyimpulan sifat-sifat proses atom tertentu—misalnya, aturan seleksi untuk transisi kuantum—yang tidak memiliki metode penentuan lain.

Bagi Bohr, prinsip adalah cara untuk menghubungkan fenomena empiris yang dapat diamati dengan mekanisme kuantum (seperti mereka) “di belakang” fenomena empiris. Dua aspek terkait dari prinsip korespondensi sangat penting untuk pekerjaan Bohr setelah pengembangan mekanika kuantum. Pertama, meskipun Bohr hanya dapat menerapkannya secara tidak tepat dan seringkali hanya secara kualitatif, hal itu mengilhami pendekatan Heisenberg dalam mengembangkan apa yang akan menjadi mekanika kuantum, dan Bohr mengklaim bahwa mekanika kuantum mewujudkan prinsip korespondensi.

Kedua, pendekatan umum untuk menggabungkan deskripsi fenomena empiris yang independen dan berbasis klasik dalam teori kuantum menjadi dasar untuk interpretasinya sendiri tentang mekanika kuantum itu.

Komplementaritas dan Interpretasi Mekanika Kuantum

Interpretasi Bohr terkenal sulit untuk dijabarkan, tetapi ide intinya adalah bahwa deskripsi kita tentang Sifat-sifat sistem kuantum harus didasarkan pada konsep klasik, bahwa konsep-konsep ini dibatasi dalam ruang lingkup untuk konteks eksperimental tertentu, bahwa konsep yang berbeda sesuai untuk konteks yang berbeda, bahwa konteks yang berbeda menggunakan pasangan tertentu dari konsep yang saling eksklusif, dan bahwa konsep-konsep itu benar. tidak sepenuhnya menangkap sifat sistem kuantum.

Bohr menggunakan kata “komplementer” untuk menggambarkan kompleks gagasan yang bersama-sama dimaksudkan untuk mengatasi masalah interpretasi yang ditimbulkan oleh mekanika kuantum. Mekanika kuantum, terutama dalam formulasi Heisenberg, telah mempertahankan beberapa aspek dari teori kuantum lama tetapi telah meninggalkan orbit elektron yang pasti dari teori itu dan telah menggantikan metode abstrak dan formal untuk menghitung properti yang “dapat diamati”.

Makalah ketidakpastian Heisenberg telah memberikan argumen lebih lanjut untuk berpikir dalam istilah-istilah ini dengan menurunkan persamaan yang menggambarkan hubungan timbal balik antara presisi yang dengannya pasangan properti tertentu (misalnya, posisi dan momentum) dapat diukur. Meskipun ada beberapa indikasi dalam makalah Heisenberg bahwa dia mungkin telah memikirkan pertukaran presisi dalam hal gangguan (setiap pengukuran satu properti mengganggu properti lainnya dengan cara yang mencegah kita mengetahui secara bersamaan kedua properti hingga presisi arbitrer), Bohr mengaitkan hubungan ketidakpastian dengan gagasannya tentang komplementaritas dan mengklaim bahwa ketidakpastian atau ketidaktentuan yang dijelaskan oleh hubungan tersebut tidak hanya mencerminkan kurangnya pengetahuan tentang nilai-nilai properti yang pasti secara metafisik dari suatu sistem, tetapi lebih pada tingkat di mana konsep kita tidak dan tidak dapat dibuat untuk diterapkan pada sistem.

Komplementaritas mengklaim bahwa, meskipun kita tidak dapat secara bersamaan memberikan deskripsi ruang-waktu normal dan kausal dari fenomena kuantum yang sama dan meskipun tidak ada deskripsi yang sepenuhnya menangkap sifat fenomena, namun kita tidak memiliki cara lain untuk menggambarkan fenomena selain melalui gambar kausal dan spatiotemporal ini.

Meskipun filosofi Bohr kadang-kadang disebut interpretasi Kopenhagen, ada perbedaan penting antara pandangan Bohr yang sebenarnya dan apa yang sering dimaksud dengan nama itu. Nama ini kadang-kadang digunakan untuk menggambarkan apa yang lebih baik disebut interpretasi standar, yang mungkin terinspirasi oleh Bohr tetapi benar-benar didasarkan pada karya von Neumann dan mencakup runtuhnya paket gelombang, yang tidak memiliki bagian dalam filosofi Bohr.

Jika tidak, ini digunakan untuk menggambarkan serangkaian pandangan yang dianut oleh Bohr dan sejumlah mantan siswa dan rekan-rekannya dari Kopenhagen, terutama Heisenberg dan Pauli, tetapi ada perselisihan mengenai seberapa banyak pandangan mereka benar-benar memiliki kesamaan. Inti dari interpretasi Bohr adalah semacam holisme yang kita sekarang dapat memahami dalam hal keterjeratan. Holisme ini jelas dalam karya Bohr mulai tahun 1929 dan tentu saja pada tahun 1935. Bohr kemudian secara eksplisit menyatakan bahwa menyesatkan untuk berpikir bahwa pengamatan mengganggu properti karena penggunaan yang akan menyiratkan keberadaan set properti lengkap yang sudah ada sebelumnya.

Bohr menekankan bahwa aspek baru dan menantang interpretasi dari efek kuantum bukanlah diskrit, katakanlah, pertukaran energi melainkan fakta matematis dan teoretis yang tampak bahwa proses mekanika kuantum umumnya tidak dapat dipecah dengan cara yang memungkinkan kita untuk menggambarkannya secara akurat dalam bentuk interaksi antara sistem komponen seperti alat ukur dan sistem yang diukur.

Untuk menggambarkan atau menganalisis suatu eksperimen, para ilmuwan bagaimanapun harus memperlakukan pengukuran dengan cara ini, dan konsekuensinya adalah bahwa deskripsi sifat-sifat terukur dari subsistem dari keseluruhan sistem yang lebih besar paling-paling salah mengartikan keadaan atau fenomena mekanika kuantum yang sebenarnya. Dan justru dalam kesalahpahaman inilah sifat statistik dari prediksi mekanika kuantum muncul.

Meskipun tidak semua penafsir Bohr setuju, penekanan eksplisit ini dalam karyanya kemudian tidak mewakili perubahan drastis dalam interpretasinya. Memang, masuk akal untuk menyatakan bahwa komplementaritas adalah dan selalu untuk kesimpulan Bohra berdasarkan pendekatan korespondensinya dan penemuan noncommutativity dan holisme keterjeratan.

Bohr berpikir bahwa meskipun seseorang dapat memberikan representasi matematis abstrak dari sistem mekanika kuantum yang independen dari konseptualisasi klasik fenomena, simbol yang digunakan untuk mewakili sifat kuantum memiliki makna empiris hanya jika mereka dapat dikaitkan atau dimasukkan ke dalam korespondensi dengan fenomena yang dapat diamati. Untuk melakukan ini, pertama-tama perlu menetapkan deskripsi teoretis independen dari pengamatan, dan untuk ini perlu menggunakan konsep klasik untuk menggambarkan konteks pengukuran.

Komplementaritas adalah, kemudian, ekspresi dari keterbatasan yang noncommutativity menempatkan pada sejauh mana simbol kuantum yang berbeda dapat diberikan makna empiris. Meskipun Bohr adalah seorang realis tentang entitas yang dijelaskan oleh mekanika kuantum dan ia tampaknya telah percaya bahwa mekanika kuantum memang menggambarkan sifat sebenarnya dari sistem mekanika kuantum, ciri-ciri karyanya di atas menyarankan aspek antirealis tertentu untuk interpretasinya, terutama sehubungan dengan cara makna dan penerapan konsep kita tentang sifat kuantum bergantung entah bagaimana pada konteks di mana sifat-sifat itu diukur.

Ketegangan ini terbukti dalam respons Bohr ke kertas EPR. Makalah itu mempertanyakan kelengkapan mekanika kuantum justru atas dasar hubungan kuantum sistem terjerat; EPR mengklaim bahwa kemampuan untuk memprediksi sifat-sifat salah satu dari pasangan partikel yang terjerat setelah pengukuran yang lain, dalam jarak dan dalam waktu yang menghalangi interaksi kausal atas dasar relativistik, menunjukkan bahwa mekanika kuantum harus berasumsi bahwa prediksi tersebut berkaitan dengan sesuatu yang nyata dan sudah ada sebelumnya.

Properti yang independen dari pengukuran lainnya. Tanggapan Bohr tidak secara eksplisit menyangkal realisme tetapi mengatakan bahwa setiap penjelasan deskriptif tentang realitas kuantum hanya baik dalam kondisi penerapan konsep yang digunakan dalam pengukuran dan prediksi dan bahwa efek pada partikel yang jauh bukanlah penyebab fisik, melainkan efek pada kondisi tersebut. ; ini menunjukkan, mungkin, bahwa penguraian hanya konseptual.

Meskipun di tahun-tahun berikutnya Bohr mulai membahas komplementaritas dalam istilah yang semakin luas dan sebagaimana diterapkan pada bidang lain, terutama biologi, karya filosofisnya yang paling dekat dengan fisikalah yang memiliki dampak terbesar baik dalam filsafat maupun fisika.

Pada awal abad kedua puluh satu teorema tentang ketidakmungkinan jenis tertentu dari teori variabel tersembunyi dapat dilihat sebagai pembenaran dari banyak intuisi dalam pekerjaan itu, intuisi yang tetap terbukti dalam pendekatan pragmatis untuk mekanika kuantum yang diasumsikan oleh banyak fisikawan yang bekerja.