Problema de medición

Problema teórico en física cuántica

No confundir con el problema de la medida (desambiguación) .

Parte de una serie de artículos sobre
Mecánica cuántica
${\displaystyle i\hbar {\frac {\partial }{\partial t}}|\psi (t)\rangle ={\hat {H}}|\psi (t)\rangle }$ Ecuación de Schrödinger
Introducción Glosario Historia
Fondo Mecanica clasica Teoría cuántica antigua Notación bra-ket Hamiltoniano Interferencia
Fundamentos Complementariedad Decoherencia Enredo Nivel de energía Medición No localidad Número cuántico Estado Superposición Simetría Tunelización Incertidumbre Función de onda  ( colapso )
Experimentos La desigualdad de Bell Davisson – Germer Doble hendidura Elitzur – Vaidman Franck – Hertz Desigualdad de Leggett-Garg Mach – Zehnder Corchete Borrador cuántico  ( opción retardada ) El gato de Schrödinger Stern – Gerlach La elección retrasada de Wheeler
Formulaciones Visión general Heisenberg Interacción Matriz Espacio de fase Schrödinger Sumas sobre historias (integral de ruta)
Ecuaciones Dirac Klein – Gordon Pauli Rydberg Schrödinger
Interpretaciones Visión general Bayesiano Historias consistentes Copenhague de Broglie – Bohm Conjunto Variable oculta Muchos-mundos Colapso objetivo Lógica cuántica Relacional Transaccional
Temas avanzados Mecánica cuántica relativista Teoría cuántica de campos Ciencia de la información cuántica Computación cuántica Caos cuántico Matriz de densidad Teoría de la dispersión Mecánica estadística cuántica Aprendizaje automático cuántico
Científicos Aharonov campana Blackett Bloch Bohm Bohr Nació Bose de Broglie Candlin Compton Dirac Davisson Debye Ehrenfest Einstein Everett Fock Fermi Feynman Glauber Gutzwiller Heisenberg Hilbert Jordán Kramers Pauli Cordero Landó Laue Moseley Millikan Onnes Planck Rabi Raman Rydberg Schrödinger Sommerfeld von Neumann Weyl Viena Wigner Zeeman Zeilinger
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En mecánica cuántica , el problema de medición considera cómo, o si, se produce el colapso de la función de onda . La incapacidad para observar tal colapso directamente ha dado lugar a diferentes interpretaciones de la mecánica cuántica y plantea un conjunto clave de preguntas que cada interpretación debe responder.

La función de onda en la mecánica cuántica evoluciona de forma determinista según la ecuación de Schrödinger como una superposición lineal de diferentes estados. Sin embargo, las mediciones reales siempre encuentran el sistema físico en un estado definido. Cualquier evolución futura de la función de onda se basa en el estado en el que se descubrió que estaba el sistema cuando se realizó la medición, lo que significa que la medición "hizo algo" en el sistema que no es obviamente una consecuencia de la evolución de Schrödinger . El problema de la medición es describir qué es ese "algo", cómo una superposición de muchos valores posibles se convierte en un único valor medido.

Para expresar las cosas de manera diferente (parafraseando a Steven Weinberg ), ^{[1] [2]} la ecuación de onda de Schrödinger determina la función de onda en cualquier momento posterior. Si los observadores y sus aparatos de medición se describen ellos mismos mediante una función de onda determinista, ¿por qué no podemos predecir resultados precisos para las mediciones, sino solo probabilidades? Como pregunta general: ¿Cómo se puede establecer una correspondencia entre la realidad cuántica y la realidad clásica? ^[3]

El gato de Schrödinger

Un experimento mental que se utiliza a menudo para ilustrar el problema de la medición es la "paradoja" del gato de Schrödinger . Se dispone un mecanismo para matar a un gato si ocurre un evento cuántico, como la desintegración de un átomo radiactivo. Así, el destino de un objeto a gran escala, el gato, está enredado con el destino de un objeto cuántico, el átomo. Antes de la observación, de acuerdo con la ecuación de Schrödinger y numerosos experimentos con partículas, el átomo se encuentra en una superposición cuántica , una combinación linealde estados decaídos y sin decaer, que evolucionan con el tiempo. Por lo tanto, el gato también debe estar en una superposición, una combinación lineal de estados que se pueden caracterizar como un "gato vivo" y estados que se pueden caracterizar como un "gato muerto". Cada una de estas posibilidades está asociada con una amplitud de probabilidad específica distinta de cero . Sin embargo, una sola observación particular del gato no encuentra una superposición: siempre encuentra un gato vivo o un gato muerto. Después de la medición, el gato está definitivamente vivo o muerto. La pregunta es: ¿Cómo se convierten las probabilidades en un resultado clásico real y bien definido?

Interpretaciones

Artículo principal: Interpretaciones de la mecánica cuántica.

Los puntos de vista que a menudo se agrupan como la interpretación de Copenhague son los más antiguos y, en conjunto, probablemente todavía la actitud más extendida sobre la mecánica cuántica. ^{[4] [5]} N. David Mermin acuñó la frase "¡Cállate y calcula!" para resumir puntos de vista al estilo de Copenhague, un dicho que a menudo se atribuye erróneamente a Richard Feynman y que Mermin luego encontró insuficientemente matizado. ^{[6] [7]}

Generalmente, las opiniones en la tradición de Copenhague postulan algo en el acto de observación que resulta en el colapso de la función de onda . Este concepto, aunque a menudo atribuido a Niels Bohr , se debió a Werner Heisenberg , cuyos escritos posteriores ocultaron muchos desacuerdos que él y Bohr habían tenido durante su colaboración y que los dos nunca resolvieron. ^{[8] [9]} En estas escuelas de pensamiento, las funciones de onda pueden considerarse como información estadística sobre un sistema cuántico, y el colapso de la función de onda es la actualización de esa información en respuesta a nuevos datos. ^{[10] [11]} Exactamente cómo entender este proceso sigue siendo un tema de controversia. ^[12]

Bohr ofreció una interpretación que es independiente de un observador subjetivo, una medición o un colapso; en cambio, un proceso "irreversible" o efectivamente irreversible provoca el deterioro de la coherencia cuántica que imparte el comportamiento clásico de "observación" o "medición". ^{[13] [14] [15] [16]}

La interpretación de los muchos mundos de Hugh Everett intenta resolver el problema sugiriendo que solo hay una función de onda, la superposición de todo el universo, y que nunca colapsa, por lo que no hay problema de medición. En cambio, el acto de medición es simplemente una interacción entre entidades cuánticas, por ejemplo, observador, instrumento de medición, electrón / positrón, etc., que se entrelazan para formar una única entidad más grande, por ejemplo, gato viviente / científico feliz . Everett también intentó demostrar cómo aparecería la naturaleza probabilística de la mecánica cuántica en las mediciones, un trabajo más tarde ampliado por Bryce DeWitt.. Sin embargo, los defensores del programa everettiano aún no han llegado a un consenso sobre la forma correcta de justificar el uso de la regla de Born para calcular probabilidades. ^{[17] [18]}

La teoría de De Broglie-Bohm intenta resolver el problema de medición de manera muy diferente: la información que describe el sistema contiene no solo la función de onda, sino también datos suplementarios (una trayectoria) que dan la posición de la (s) partícula (s). El papel de la función de onda es generar el campo de velocidad de las partículas. Estas velocidades son tales que la distribución de probabilidad de la partícula permanece consistente con las predicciones de la mecánica cuántica ortodoxa. Según la teoría de De Broglie-Bohm, la interacción con el entorno durante un procedimiento de medición separa los paquetes de ondas en el espacio de configuración, que es de donde proviene el colapso aparente de la función de onda, aunque no haya un colapso real. ^[19]

Un cuarto enfoque lo dan los modelos de colapso objetivo . En tales modelos, la ecuación de Schrödinger se modifica y obtiene términos no lineales. Estas modificaciones no lineales son de naturaleza estocástica y conducen a un comportamiento que para los objetos cuánticos microscópicos, por ejemplo, electrones o átomos, es inmensurablemente cercano al dado por la ecuación de Schrödinger habitual. Para los objetos macroscópicos, sin embargo, la modificación no lineal se vuelve importante e induce el colapso de la función de onda. Los modelos de colapso objetivo son teorías efectivas . Se cree que la modificación estocástica proviene de algún campo externo no cuántico, pero se desconoce la naturaleza de este campo. Un posible candidato es la interacción gravitacional como en los modelos de Diósi yPenrose . La principal diferencia de los modelos de colapso objetivo en comparación con los otros enfoques es que hacen predicciones falsables que difieren de la mecánica cuántica estándar. Los experimentos ya se están acercando al régimen de parámetros en el que se pueden probar estas predicciones. ^[20] La teoría de Ghirardi-Rimini-Weber (GRW) propone que el colapso de la función de onda ocurre espontáneamente como parte de la dinámica. Las partículas tienen una probabilidad distinta de cero de sufrir un "impacto", o colapso espontáneo de la función de onda, del orden de una vez cada cien millones de años. ^[21]Aunque el colapso es extremadamente raro, la gran cantidad de partículas en un sistema de medición significa que la probabilidad de que ocurra un colapso en algún lugar del sistema es alta. Dado que todo el sistema de medición está enredado (por entrelazamiento cuántico), el colapso de una sola partícula inicia el colapso de todo el aparato de medición. Debido a que la teoría GRW hace diferentes predicciones de la mecánica cuántica ortodoxa en algunas condiciones, no es una interpretación de la mecánica cuántica en un sentido estricto.

El papel de la decoherencia

Erich Joos y Heinz-Dieter Zeh afirman que el fenómeno de la decoherencia cuántica , que se estableció en terreno firme en la década de 1980, resuelve el problema. ^[22] La idea es que el entorno provoca la apariencia clásica de los objetos macroscópicos. Zeh afirma además que la decoherencia hace posible identificar el límite difuso entre el micromundo cuántico y el mundo donde se aplica la intuición clásica. ^{[23] [24]} La decoherencia cuántica se convierte en una parte importante de algunas actualizaciones modernas de la interpretación de Copenhague basada en historias consistentes . ^{[25] [26]}La decoherencia cuántica no describe el colapso real de la función de onda, pero explica la conversión de las probabilidades cuánticas (que exhiben efectos de interferencia ) a las probabilidades clásicas ordinarias. Véanse, por ejemplo, Zurek, ^[3] Zeh ^[23] y Schlosshauer. ^[27]

La situación actual se está aclarando lentamente, descrita en un artículo de 2006 de Schlosshauer de la siguiente manera: ^[28]

En el pasado se han presentado varias propuestas no relacionadas con la decoherencia para dilucidar el significado de las probabilidades y llegar a la regla de Born ... Es justo decir que no parece haberse llegado a ninguna conclusión decisiva en cuanto al éxito de estas derivaciones. ...

Como es bien sabido, [muchos artículos de Bohr insisten en] el papel fundamental de los conceptos clásicos. La evidencia experimental de superposiciones de estados macroscópicamente distintos en escalas de longitud cada vez más grandes contrarresta ese dictamen. Las superposiciones parecen ser estados novedosos y que existen individualmente, a menudo sin contrapartes clásicas. Solo las interacciones físicas entre sistemas determinan entonces una descomposición particular en estados clásicos desde el punto de vista de cada sistema en particular. Por lo tanto, los conceptos clásicos deben entenderse como emergentes localmente en un sentido de estado relativo y ya no deben reclamar un papel fundamental en la teoría física.

Ver también

Para un tratamiento más técnico de las matemáticas involucradas en el tema, consulte Medición en mecánica cuántica .

• Tiempo y espacio absolutos
• Teoría del constructor
• Los experimentos mentales de Einstein
• Paradoja EPR
• Teorema de gleason
• Observador (física cuántica)
• Filosofía de la física
• Cognición cuántica
• Pseudo-telepatía cuántica
• Efecto Quantum Zeno
• Amigo de Wigner

Referencias y notas

1. Weinberg, Steven (1998). "La gran reducción: la física en el siglo XX" . En Michael Howard y William Roger Louis (eds.). La historia de Oxford del siglo XX . Prensa de la Universidad de Oxford. pag. 26 . ISBN 0-19-820428-0.
2. Weinberg, Steven (noviembre de 2005). "Errores de Einstein". La física hoy . 58 (11): 31–35. Código bibliográfico : 2005PhT .... 58k..31W . doi : 10.1063 / 1.2155755 .
3. Zurek, Wojciech Hubert (22 de mayo de 2003). "Decoherencia, einselección y los orígenes cuánticos de lo clásico". Reseñas de Física Moderna . 75 (3): 715–775. arXiv : quant-ph / 0105127 . Código Bibliográfico : 2003RvMP ... 75..715Z . doi : 10.1103 / RevModPhys.75.715 . S2CID 14759237 . 
4. Schlosshauer, Maximilian; Kofler, Johannes; Zeilinger, Anton (agosto de 2013). "Una instantánea de las actitudes fundamentales hacia la mecánica cuántica". Estudios de Historia y Filosofía de la Ciencia de la Parte B . 44 (3): 222–230. arXiv : 1301.1069 . Código bibliográfico : 2013SHPMP..44..222S . doi : 10.1016 / j.shpsb.2013.04.004 . S2CID 55537196 . 
5. Ball, Philip (2013). "Los expertos todavía están divididos sobre lo que significa la teoría cuántica" . Naturaleza . doi : 10.1038 / nature.2013.12198 . S2CID 124012568 . 
6. Mermin, N. David (1989). "¿Qué le pasa a esta almohada?". La física hoy . 42 (4): 9. doi : 10.1063 / 1.2810963 .
7. Mermin, N. David (2004). "¿Podría Feynman haber dicho esto?" . La física hoy . 57 (5): 10-11. Código Bibliográfico : 2004PhT .... 57e..10M . doi : 10.1063 / 1.1768652 .
8. Howard, Don (diciembre de 2004). "¿Quién inventó la" interpretación de Copenhague "? Un estudio en mitología" . Filosofía de la ciencia . 71 (5): 669–682. doi : 10.1086 / 425941 . ISSN 0031-8248 . 
9. Camilleri, Kristian (mayo de 2009). "Construyendo el mito de la interpretación de Copenhague" . Perspectivas de la ciencia . 17 (1): 26–57. doi : 10.1162 / posc.2009.17.1.26 . ISSN 1063-6145 . 
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11. Peierls, Rudolf (1991). "En defensa de la" medida " ". Mundo de la física . 4 (1): 19-21. doi : 10.1088 / 2058-7058 / 4/1/19 . ISSN 2058-7058 . 
12. Healey, Richard (2016). "Vistas cuánticas-bayesianas y pragmáticas de la teoría cuántica" . En Zalta, Edward N. (ed.). Enciclopedia de Filosofía de Stanford . Laboratorio de Investigación en Metafísica, Universidad de Stanford.
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15. Stig Stenholm (1983), "Para comprender el espacio y el tiempo", en Pierre Meystre (ed.), Óptica cuántica, gravitación experimental y teoría de la medición , Plenum Press, p. 121. Muchos han enfatizado el papel de la irreversibilidad en la teoría de la medición. Solo así se puede obtener un registro permanente. El hecho de que las posiciones separadas de los punteros deben ser de naturaleza asintótica generalmente asociada con la irreversibilidad se ha utilizado en la teoría de medición de Daneri, Loinger y Prosperi (1962). Ha sido aceptado como una representación formal de las ideas de Bohr por Rosenfeld (1966).
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Otras lecturas

Wikiquote tiene citas relacionadas con: Problema de medición

• R. Buniy, S. Hsu y A. Zee Sobre el origen de la probabilidad en la mecánica cuántica (2006)