¿Puedes explicar en términos simples cómo la “observación determina la realidad” en la mecánica cuántica?

La pregunta está en el ámbito de las ‘interpretaciones de QM’, un tema polémico.

La buena noticia: ¡casi todos los físicos están seguros de saber la respuesta correcta a su pregunta!

La mala noticia: ¡hay al menos una docena de respuestas ‘correctas’ mutuamente excluyentes! Cada uno con su campamento de ‘creyentes fieles’.

Si la física es una ciencia exacta, ¿por qué exhiben opiniones tan diversas? Es porque la pregunta está en el ámbito de la ‘metafísica’, no de la física.

Todos están de acuerdo con los resultados obtenidos cuando se ejecuta un experimento y la descripción matemática. Eso es física. Pero estás preguntando qué sucede ‘realmente’. Esa es una rama de la filosofía, llamada ontología. Los físicos no ven que esta pregunta está más allá de su ámbito limitado. Por lo tanto, continúan estando seguros , como si estuvieran lidiando con una ciencia dura, física, cuando en realidad deberían ser tentativos e inciertos, porque es filosofía.

De todos modos, aquí está la forma correcta de verlo.

Un objeto cuántico posee, o es descrito por, una ‘función de onda’.

¿Qué es un ‘objeto cuántico’? Cualquier objeto en absoluto! Pero generalmente estamos pensando en algo muy pequeño como una partícula.

¿Qué es una ‘función de onda’? Un nombre común para la entidad matemática que describe el estado cuántico de la partícula.

Los objetos cuánticos pueden tener múltiples estados superpuestos (codificados por la función de onda). Por ejemplo, pueden estar ‘aquí’ y ‘allí’, con probabilidades dadas, que se suman a 1. Pero cualquier objeto que vea (u ‘observe’) está en un estado definido. ‘Aquí’ o ‘allí’.

Entonces, originalmente el objeto podría estar aquí o allá; cuando lo observas, es uno u otro. Se ha adquirido una cierta posición “real”, donde anteriormente era incierta: todavía no ontológicamente “real”. Eso es lo que se entiende por “la observación determina la realidad “. Esa es la respuesta a tu pregunta .

Si es así de simple, ¿cuál es el problema? Bueno, prima facie parece que la conciencia del observador hizo que la posición de la partícula se volviera “real”. Por cierto, eso se llama “colapso de la función de onda”: “colapsa” de múltiples “realidades” a una sola. Muchas personas (no solo los físicos) se sienten muy incómodas con la implicación de que la conciencia afecta la realidad externa y objetiva. Sienten que el ángulo de conciencia es tan genial, fascinante y halagador para nuestros egos, que no puede ser cierto. No son racionales, sino emocionales. Aún así, tienen un punto: parece extraño, ¿no? Por lo tanto, tiene sentido echar un vistazo más de cerca a lo que realmente sucede.

La partícula, con su función de onda ‘irreal’, interactúa con un dispositivo de medición (que no es consciente). Cuando eso sucede, tanto la partícula como el dispositivo (parecen) adquieren un estado definido. Por ejemplo, la partícula podría convertirse en ‘aquí’ y la pantalla de salida del dispositivo lee ‘aquí’. Alternativamente, podría estar ‘allí’. De cualquier manera, se ha convertido en un solo estado ‘real’, antes de que alguien mire la lectura. Cuando lo hacen, el experimentador lee ‘aquí’, pero él no causó eso. Ya era así.

Esa es una forma, a mitad de camino, de verlo: el colapso fue causado por la interacción con el dispositivo, no por el observador consciente.

Otra interpretación (MWI) dice que existen ambas ‘ramas’. La función de onda no colapsó, sino que provocó que el dispositivo también adoptara dos estados, correlacionados con el original “aquí” y “allí”. ¿Qué pasa cuando lo miras? ¡También te dividiste en dos estados! Dos ‘gemelos’ de ustedes se dividen en universos paralelos. Cada uno piensa que solo hay una realidad, pero en realidad todavía hay dos. ¡La función de onda nunca se colapsa!

Eso es mucho menos sensato, porque requiere una física desconocida para describir cómo tu conciencia se puede dividir en dos de esa manera. Parece una tontería, pero no puedo decir que esté mal.

La mejor interpretación combina estos dos puntos de vista. MWI comienza correcto. Cuando el dispositivo interactúa con la partícula, se crean dos ramas. En uno, la partícula está ‘aquí’ y la lectura dice ‘aquí’; en el otro está ‘allí’. La función de onda no se ha colapsado. Todo lo contrario: se podría decir que está expandido. Pero cuando miras el dispositivo, se derrumba a una de las alternativas. El otro simplemente desaparece.

Puedes elegir entre estas tres interpretaciones. ¡O inventa el tuyo! Todos los demás lo hacen, ¿por qué no tú?

Digamos que estás sentado en una playa mirando el atardecer. Tu amigo se escabulle detrás de ti y lanza una pelota de playa en la parte posterior de tu cabeza. Sucede una de dos cosas:

1. La pelota de playa te golpea en la cabeza. Se da cuenta automáticamente porque sintió (observó) el impacto y se giró para verlo allí.
2. Un viento del oeste evita que la pelota de playa golpee tu cabeza en pleno vuelo y la golpea en la cara de tus amigos. Te quedas completamente inconsciente de la acción.

La realidad es que tu amigo te arrojó una pelota de playa a la cabeza. En un universo físico, a la realidad no le importa si observas una acción. Lo único que te separa de tu amigo es cómo experimentaste esos momentos en la playa.

En física cuántica, nuestras observaciones solo cuentan la historia de lo que hemos observado, la realidad se mueve muy bien sin nuestras observaciones.

Creo que la formulación no es precisa y facilita que las personas tengan una idea equivocada.

Intenta pensarlo de esta manera: cuando decimos que algo existe en el lenguaje ordinario, queremos decir que puedo darte algunas coordenadas, x, y, z, t y decirte que si vas allí encontrarás a alguien. Si te digo que Elvis está vivo y puedes verlo en el aeropuerto de Dulles el 3 de mayo de 2018 a las 11:00 am cerca de la cafetería, y si vas allí, probablemente no lo encuentres. Eso es porque está muerto. Si te doy las coordenadas correctas y te digo que si vas allí en la misma fecha y hora verás el Monumento a Washington, lo encontrarás allí a menos que algo terrible haya sucedido en el ínterin.

Ahora supongamos que adquirimos uno de los dispositivos láser muy finamente diseñados que emite un fotón cuando presionas un botón que lo alimenta y le da una señal de encendido. Apuntamos a una pantalla de detección, un CCD que es como la “película” en una cámara digital. También tenemos un detector de coincidencia conectado para que sepamos que un fotón que golpea la pantalla tiene que llegar en el momento justo o de lo contrario debe ser un fotón perdido que ingresó a nuestro laboratorio de alguna manera.

Tenemos razones para creer que sabemos cuándo y dónde se emite un fotón porque podemos verificar que se haya utilizado algo de corriente eléctrica cuando presionamos el botón. También sabemos cuándo y dónde aparece un fotón porque se activa un dispositivo acoplado por carga identificable de una gran variedad de dispositivos pequeños similares. Podemos configurar nuestro dispositivo y jugar con él durante el tiempo que deseemos acostumbrarnos a la idea de que proporcionamos un factor causal que actúa como un disparador y de manera confiable obtenemos un resultado que parece hacer eco de ese factor causal.

Lo que sucede entre los dos eventos observables es incognoscible. El fotón está fuera de contacto con el resto del universo o, en otras palabras, no existe. ¿Dónde está? Bueno, no tiene una realidad hasta que se detecta, y en ese punto el fotón desaparece para siempre.

Así que agreguemos un aparato de doble rendija e intentemos seguir lo que sucede.

Cuando se emite un fotón, es posible diseñar una especie de guía telefónica de ubicaciones, tiempos y probabilidades para que el fotón aparezca. Pero tiene que haber algo para que el fotón aparezca para que se realice la probabilidad.

Uno por uno, los fotones son emitidos por el láser. A veces habrá un destello de luz en la barra central directamente entre las dos rendijas del aparato de doble rendija. a veces habrá un destello en el aparato de doble rendija fuera de la parte donde están las rendijas. A veces hay un destello en una mota de polvo que flota en el aire de la habitación en algún lugar cerca de la línea que va desde el centro de la abertura del láser hasta el centro de la pantalla de detección.

Cuando observamos el resto de los golpes, que ocurren en la pantalla de detección, encontramos que el patrón generado allí es muy diferente de lo que había antes de que se instalara el aparato de doble deslizamiento. La manera más fácil de explicar lo que sucede, en mi experiencia, es decir que, para cada fotón emitido, los “mapas” de probabilidad (probabilidades en términos de posiciones y tiempos) salen de cada una de las ranuras, y agregan los dos conjuntos de probabilidades a medida que avanzan. Aparte del destello ocasional de una mota de polvo, nada puede suceder hasta que se alcanza la pantalla de detección. Entonces, cualquier fotón que haya atravesado el aparato de doble rendija aparecerá.

Donde se muestran estos fotones no se conoce de antemano. Los fotones no tienen “posición real” (no x, y, z, t) donde puedan observarse hasta que se observen en algún punto. En ese instante, se “materializan” en nuestro mundo como un destello, como el impulso a un orbital superior de algún electrón, y como el registro que deja en ese punto. (Si la pantalla de detección es una hoja de película fotográfica, habrá un pequeño lugar expuesto para que se vea cuando se desarrolle la película).

Entonces, cuando puede observar la llegada de un fotón (incluso si es solo un punto expuesto en la película fotográfica que se ha almacenado en frío y no se ha desarrollado desde entonces), es decir, cuando ocurre un cambio físico donde aparece el fotón, entonces el fotón tiene una posición real (ya que muere).

Tenía una posición presunta cuando se emitió. Al menos podemos reducir la x, y, z, t de la apertura del láser, y tiene una posición cuando aparece, que podemos identificar al menos hasta las dimensiones de un grano de plata en la emulsión o una celda CCD en la pantalla del detector. Esas cosas son reales, pero el resto de la historia, las cosas intermedias, no son reales.

En la interpretación de muchos mundos, no es correcto que “la observación determine la realidad”. Esta es una declaración que pertenece a algunas interpretaciones de la interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica. Sí, claro, la interpretación de Copenhague es tan vaga y difícil de entender que hay varias interpretaciones de la misma. Uno de los fundadores de la mecánica cuántica y, junto con Bohr, uno de los fundadores de la interpretación de Copenhague, Heisenberg, escribió declaraciones que pueden hacerle pensar que “la observación determina la realidad”. El otro fundador de la interpretación de Copenhague, Bohr intentó evitar tales formulaciones.

En la interpretación de muchos mundos, todos los resultados cuánticamente mecánicamente posibles se realizan cada uno en su propio mundo. Esto no es una adición a la mecánica cuántica, sino simplemente una comprensión de que esto es lo que dicen las ecuaciones, nada más y nada menos.

La mecánica cuántica describe un sistema cuántico aislado que consiste en un solo átomo radioactivo que existe simultáneamente en una combinación de dos estados posibles: decaído y no decaído. Mientras ese átomo permanezca aislado, no está en un estado definido u otro. Se podría decir que esta falta de valor definido es una falta de “realidad” para esa propiedad.

Una vez que el átomo interactúa con un dispositivo de medición, como un contador Geiger, se describe como una combinación de estado decaído o no decaído. Ahora se puede considerar que tiene un estado definido, o si le gusta una “realidad” por la propiedad de estar en descomposición o no, dependiendo de si el contador Geiger detectó o no una desintegración.

Es la interacción del átomo con el dispositivo de medición que transforma el estado de un tipo de combinación a otro.

La palabra “observación” es muy engañosa, IMNERHO. Fomenta el hábito de imaginar que la conciencia debe estar involucrada en el colapso de una función de onda. Lo que colapsa la función de onda y localiza la partícula es cualquier interacción de fuerza suficiente para desviar la partícula en cuestión. La presencia de un “observador” consciente es irrelevante.

Indudablemente, algunos estarán en desacuerdo, porque el ángulo de la conciencia es tan genial, fascinante y halagador para nuestros egos.

La naturaleza de la causalidad cuántica fue descubierta hace más de un siglo. Incluso se expresó en el I Ching hace más de 2000 años. No es realmente nuevo.

En el mundo clásico se pensaba que todo tenía una causa singular. Si disparamos una flecha a un objetivo, el objetivo no tiene nada que ver con el vuelo de la flecha hasta donde podemos decir. Sin embargo, en el cuanto no hay acción singular, solo hay interacción. Si en lugar de una flecha estamos enviando una señal de radio, su ruta está determinada tanto por un receptor sintonizado en el canal derecho como por el transmisor que envía la señal. En el mundo cuántico, se puede considerar que todo funciona como un transceptor de radio.

Piensa en la acción cuántica transmitida por cuerdas entre las cosas. Si se empuja un extremo de una cuerda, la cuerda se afloja, pero la cuerda en su conjunto no se mueve a menos que algo tire del otro extremo de la misma cuerda.

La ciencia de la causa y el efecto ha golpeado una pared de ladrillos cuánticos y comprender nuestro complejo mundo donde los efectos tienen muchas causas requiere un nuevo tipo de pensamiento, el pensamiento cuántico. Ver la respuesta de Jim Whitescarver a ¿Puedes pensar cuánticamente lógicamente?