¿Es que la aleatoriedad en el nivel cuántico es inherente o que no podemos medir en el nivel cuántico sin cierto grado de incertidumbre?

El principio de incertidumbre no tiene que ver con la física, las mediciones ni nada de eso. Es más básico que eso:

Matemáticamente, en la mecánica de ondas, la relación de incertidumbre entre la posición y el momento surge porque las expresiones de la función de onda en las dos bases ortonormales correspondientes en el espacio de Hilbert son transformadas de Fourier entre sí (es decir, la posición y el momento son variables conjugadas). Una función distinta de cero y su transformación de Fourier no se pueden localizar con precisión. Una compensación similar entre las variaciones de los conjugados de Fourier surge en todos los sistemas subyacentes al análisis de Fourier, por ejemplo en ondas de sonido: un tono puro es un pico agudo en una sola frecuencia, mientras que su transformación de Fourier da la forma de la onda de sonido en el tiempo dominio, que es una onda sinusoidal completamente deslocalizada. En mecánica cuántica, los dos puntos clave son que la posición de la partícula toma la forma de una onda de materia, y el momento es su conjugado de Fourier.

– Principio de incertidumbre

Pero cuando se habla de aleatoriedad en QM: todos han visto un patrón de interferencia en una burbuja de jabón o un CD, por lo que la luz es claramente una onda, y el efecto fotoeléctrico también confirma que es claramente una partícula … Una forma de salir de este enigma es supongamos que es una ola, pero solo una “transmisión” de muy corta duración, pero eso no funciona:

Sin embargo, los experimentos confirman que el fotón no es un pulso corto de radiación electromagnética; no se extiende a medida que se propaga, ni se divide cuando encuentra un divisor de haz. Más bien, el fotón parece ser una partícula similar a un punto, ya que es absorbido o emitido en su conjunto por sistemas arbitrariamente pequeños, sistemas mucho más pequeños que su longitud de onda, como un núcleo atómico (≈10−15 m de ancho) o incluso el punto -como electrón. Sin embargo, el fotón no es una partícula puntual cuya trayectoria está conformada probabilísticamente por el campo electromagnético, tal como lo concibieron Einstein y otros; esa hipótesis también fue refutada por los experimentos de correlación de fotones citados anteriormente.

– Fotón

Hmm … atrapado de nuevo. Entonces, tal vez es una partícula, pero la interferencia puede explicarse porque hay una distribución de probabilidad que reúne más fotones en ciertos lugares y menos en otros. ¡Finalmente, esto explica los experimentos! Y también viola la conservación de energía, así que por esta explicación arruinamos toda la física …

Bueno, como dicen: “Una vez que eliminas lo imposible, lo que queda, por improbable que sea, debe ser la verdad”.

Hay dos formas en que la probabilidad se puede aplicar al comportamiento de los fotones; La probabilidad puede usarse para calcular el número probable de fotones en un estado particular, o la probabilidad puede usarse para calcular la probabilidad de que un solo fotón esté en un estado particular. La primera interpretación viola la conservación de energía. La última interpretación es la opción viable, si no intuitiva. Dirac explica esto en el contexto del experimento de doble rendija:

Algún tiempo antes del descubrimiento de la mecánica cuántica, la gente se dio cuenta de que la conexión entre las ondas de luz y los fotones debe ser de carácter estadístico. Sin embargo, no se dieron cuenta claramente de que la función de onda proporciona información sobre la probabilidad de que un fotón se encuentre en un lugar en particular y no el número probable de fotones en ese lugar. La importancia de la distinción se puede aclarar de la siguiente manera. Supongamos que tenemos un haz de luz que consiste en una gran cantidad de fotones divididos en dos componentes de igual intensidad. Suponiendo que el haz está conectado con el número probable de fotones en él, deberíamos tener la mitad del número total en cada componente. Si ahora se hace que los dos componentes interfieran, deberíamos requerir un fotón en un componente para poder interferir con uno en el otro. Algunas veces estos dos fotones tendrían que aniquilarse entre sí y otras veces tendrían que producir cuatro fotones. Esto contradeciría la conservación de la energía. La nueva teoría, que conecta la función de onda con las probabilidades para un fotón, supera la dificultad al hacer que cada fotón entre parcialmente en cada uno de los dos componentes. Cada fotón interfiere solo consigo mismo. La interferencia entre dos fotones diferentes nunca ocurre.

– Paul Dirac, Los principios de la mecánica cuántica, cuarta edición, Capítulo 1

– polarización de fotones

Y aquí estamos, haciendo experimentos con interferencia de un solo fotón:

No importa que realmente hayamos construido computadoras con estas cosas 🙂

Parece un mundo bastante aleatorio, ¿no?

Si quiero un generador de números verdaderamente aleatorio para mi computadora, no puedo usar la lógica provista por una computadora diseñada para garantizar que los resultados aleatorios se reporten como errores o se corrijan. En cambio, puedo usar algo que explota el principio de incertidumbre. El ruido de disparo es una buena fuente de ruido aleatorio y se puede suministrar a través de un puerto USB.

“El ruido de disparo existe porque fenómenos como la luz y la corriente eléctrica consisten en el movimiento de ‘paquetes’ discretos (también llamados” cuantificados “)”.

Esto me parece bastante aleatorio y es la base de todos los comportamientos percibidos como clásicamente aleatorios también.

¿Dios realmente juega a los dados?

El principio de incertidumbre debe garantizar la objetividad de los resultados experimentales. Esta no es una observación tan pequeña. La objetividad simplemente significa que el resultado de una medición depende tanto del estado del sistema bajo observación como del estado del sistema de medición.

Pero la mecánica cuántica permite el tratamiento de las interacciones sujeto-observador como si fueran puramente objetivas. Como resultado, la mecánica cuántica permite la física acausal o no determinista.

Contraste la mecánica cuántica con la unitaria estricta. La unitaridad estricta, elimina los dispositivos de medición, los observadores, los agentes inteligentes y lo que sea que tengas de una posición especial, insistiendo en que todo, en todo momento, obedece a la unitaridad. La unitaridad es causal y determinista. En este formalismo, los resultados aleatorios son un resultado subjetivo.

A2A En física se pueden hacer mediciones muy precisas. El tiempo de los eventos se puede medir en attosegundos (que 0.000000000000000001 segundos). Este nivel de medición es en muchos órdenes de magnitud suficiente para realizar mediciones muy precisas en mecánica cuántica. Por ejemplo, la vida media de un neutrón libre es de aproximadamente 15 minutos. La desintegración de neutrones se puede medir en cualquier laboratorio, pero el momento exacto en que una desintegración de neutrones en particular es aleatorio, no porque no se pueda medir con precisión un segundo o minuto, sino que no se puede predecir exactamente cuándo sucederá. A veces se descompone en 10 minutos, a veces en 16 minutos, a veces en 12, incluso un reloj doméstico puede medir eso. No hay nada que pueda influir en que un neutrón se descomponga tarde o temprano, solo sucede cuando sucede.

No se trata de lo que sabes, se trata de lo que puedes saber. Entonces, dado que un límite de lo que puedes saber se traduce en lo que no puedes saber, eso te deja con “incertidumbre”, y puedes llamarlo inherentemente seguro. Pero, en verdad, así como Darwin no se le ocurrió el “más apto”, y Eistein no se le ocurrió el “fotón”, Heisenberg nunca lo concibió como “incertidumbre”. Hubiera preferido no tener su nombre asociado con el llamado HUP. Prefirió elegir un término menos subjetivo socialmente y hablar de detemperación, que es un principio más fuerte, creo que estará de acuerdo.

Hasta donde los experimentos pueden decir, la aleatoriedad es inherente. Es decir, no se debe a que no podamos medir lo suficientemente bien.

Se han establecido experimentos para verificar realmente si el resultado de la medición aparentemente aleatorio en realidad podría determinarse de antemano, mediante un uso realmente inteligente de partículas enredadas. Los resultados nos dicen claramente a la luz del día que los resultados de la medición no se determinan antes de medirlos, al menos en la forma en que generalmente nos referimos a ello. (Consulte “Paradoja de EPR” o “Desigualdad de Bell” para obtener más información al respecto).

Estos experimentos descartan lo que los filósofos pueden llamar “un realismo local”, lo que significa que pequeñas partes (“locales”) de nuestro universo siempre tienen propiedades establecidas (“son reales”) independientemente del resto del universo.

Todavía es posible que vivamos en un realismo no local, lo que significa que las propiedades para partes más grandes del universo se determinan antes de medirlas. (Esto incluye la posibilidad de que todo en el universo esté determinado de antemano). Entonces, en ese sentido, no podemos descartar que la aleatoriedad a nivel cuántico en realidad no sea aleatoria.

(Sé que esta respuesta puede parecer lejana, pero los experimentos y sus resultados no son una novedad para las personas que conocen bien la mecánica cuántica; creo que los primeros experimentos se llevaron a cabo a finales de los 70 y se han confirmado muchas veces desde entonces. Que las implicaciones no son más conocidos porque muchos descartan resultados extraños asociados con la mecánica cuántica o porque a muy pocos les importan las preguntas filosóficas sobre la realidad).

La opinión mayoritaria actual es que es inherentemente aleatorio. Sin embargo, esa no es una opinión sin disidentes. Experimentos recientes han confirmado que se ajusta a la desigualdad de Bell, que dice que si se cumplen ciertas condiciones, que el experimento ha demostrado ser así, no puede deberse a variables ocultas.

La mecánica cuántica se basa en el principio probabilístico, no perjudicial en mecánica cuántica, esta es una naturaleza intrínseca de la QM.