¿Cuál es actualmente la mejor explicación de cómo y por qué colapsa la función de onda cuántica?

Para obtener el tipo de comprensión rica que podría tener después de que primero necesitemos analizar cuál es la función de onda, también llamada vector de estado. [yo]

A diferencia de la mecánica clásica, que describe sistemas mediante la especificación de las posiciones y velocidades de sus componentes, la mecánica cuántica utiliza un objeto matemático complejo llamado vector de estado (la función de onda) para mapear los sistemas físicos. La interposición de este vector de estado en la teoría nos permite hacer coincidir estadísticamente las predicciones con nuestras observaciones del mundo microscópico, pero esta inserción también genera una descripción relativamente indirecta que está abierta a muchas interpretaciones igualmente válidas. Para “comprender realmente” la mecánica cuántica, necesitamos poder especificar el estado exacto del vector de estado y debemos tener una justificación razonable para esa especificación. Por el momento, solo tenemos preguntas. ¿El vector de estado describe la realidad física en sí misma, o solo algún conocimiento (parcial) que tenemos de la realidad? “¿Describe conjuntos de sistemas solamente (descripción estadística), o un solo sistema también (eventos únicos)? Suponga que, de hecho, se ve afectado por un conocimiento imperfecto del sistema, ¿no es natural esperar que exista una mejor descripción, al menos en principio? ”[Ii] Si es así, ¿cuál sería esta descripción más profunda y precisa de la realidad sea?

Para explorar el papel del vector de estado, considere un sistema físico hecho de N partículas con masa, cada una propagándose en el espacio tridimensional ordinario. En la mecánica clásica, usaríamos N posiciones y N velocidades para describir el estado del sistema. Por conveniencia, también podríamos agrupar las posiciones y velocidades de esas partículas en un solo vector V , que pertenece a un espacio vectorial real con 6 N dimensiones, llamado espacio de fase . [iii]

El vector de estado puede considerarse como el equivalente cuántico de este vector clásico V. La principal diferencia es que, como vector complejo, pertenece a algo llamado espacio vectorial complejo , también conocido como espacio de estados o espacio de Hilbert . En otras palabras, en lugar de estar codificados por vectores regulares cuyas posiciones y velocidades están definidas en el espacio de fase , el estado de un sistema cuántico está codificado por vectores complejos cuyas posiciones y velocidades viven en un espacio de estados . [iv]

La transición de la física clásica a la física cuántica es la transición del espacio de fases al espacio de estados para describir el sistema. En el formalismo cuántico, cada observable físico del sistema (posición, momento, energía, momento angular, etc.) tiene un operador lineal asociado que actúa en el espacio de estados. (Los vectores que pertenecen al espacio de estados se denominan “kets”.) La pregunta es, ¿es posible entender el espacio de estados de una manera clásica? ¿Podría la evolución del vector de estado ser entendida clásicamente (bajo una proyección del realismo local) si, por ejemplo, hubiera variables adicionales asociadas con el sistema que nuestra descripción / comprensión actual ignorara por completo?

Si bien esa pregunta está suspendida en el aire, observemos que si el vector de estado es fundamental, si realmente no hay una descripción de nivel más profundo debajo del vector de estado, entonces las probabilidades postuladas por la mecánica cuántica también deben ser fundamentales. Esta sería una anomalía extraña en física. La mecánica estadística clásica hace uso constante de las probabilidades, pero esas afirmaciones probabilísticas se relacionan con conjuntos estadísticos. Entran en juego cuando se sabe que el sistema en estudio es uno de los muchos sistemas similares que comparten propiedades comunes, pero que difieren en un nivel que no ha sido probado (por cualquier motivo). Sin conocer el estado exacto del sistema, podemos agrupar todos los sistemas similares en un conjunto y asignar ese estado de posibilidades a nuestro sistema. Esto se hace por conveniencia. Por supuesto, el estado promedio borroso del conjunto no es tan claro como cualquiera de los estados específicos que el sistema podría tener. Debajo de ese conjunto hay una descripción más completa del estado del sistema (al menos en principio), pero no necesitamos distinguir el estado exacto para hacer predicciones. Los conjuntos estadísticos nos permiten hacer predicciones sin sondear el estado exacto del sistema. Pero nuestra ignorancia de ese estado exacto obliga a esas predicciones a ser probabilísticas.

¿Se puede decir lo mismo sobre la mecánica cuántica? ¿La teoría cuántica describe un conjunto de estados posibles? ¿O el vector de estado proporciona la descripción más precisa posible de un solo sistema? [v]

Cómo respondemos a esa pregunta impacta cómo explicamos resultados únicos. Si tratamos el vector de estado como fundamental, entonces deberíamos esperar que la realidad siempre se presente en algún sentido difuminado. Si el vector de estado fuera la historia completa, entonces nuestras mediciones siempre deberían registrar propiedades manchadas, en lugar de resultados únicos. Pero ellos no. Lo que en realidad medimos son propiedades bien definidas que corresponden a estados específicos.

Siguiendo con la idea de que el vector de estado es fundamental, von Neumann sugirió una solución a ese ‘pequeño problema de observación’ llamado reducción de vector de estado (también llamado colapso de la función de onda). [vi] La idea era que cuando no estamos mirando, el estado de un sistema se define como una superposición de todos sus estados posibles (caracterizados por el vector de estado) y evoluciona de acuerdo con la ecuación de Schrödinger. Pero tan pronto como miramos (o tomamos una medida) todas menos una de esas posibilidades colapsan. ¿Como sucedió esto? ¿Qué mecanismo es responsable de seleccionar uno de esos estados sobre el resto? Hasta la fecha no hay respuesta. A pesar de esto, la idea de von Neumann se ha tomado en serio porque su enfoque permite los resultados únicos que observamos.

El problema que von Neumann intentaba abordar es que la ecuación de Schrödinger en sí misma no selecciona resultados únicos. No puede explicar por qué se observan resultados únicos. Según esto, si entra una mezcla difusa de propiedades (codificada por el vector de estado), entonces sale una mezcla difusa de propiedades. Para solucionar esto, von Neumann evocó la idea de que el vector de estado salta de manera discontinua (y aleatoria) a un solo valor. [vii] Sugirió que se produzcan resultados únicos porque el vector de estado retiene solo el “componente correspondiente al resultado observado, mientras que todos los componentes del vector de estado asociados con los otros resultados se ponen a cero, de ahí la reducción del nombre”. [viii]

El hecho de que este proceso de reducción sea discontinuo lo hace incompatible con la relatividad general. También es irreversible, lo que lo hace destacar como la única ecuación en toda la física que introduce la asimetría de tiempo en el mundo. Si creemos que el problema de explicar la unicidad del resultado eclipsa estos problemas, entonces podríamos estar dispuestos a tomarlos con calma. Pero para que este comercio valga la pena, necesitamos tener una buena historia de cómo ocurre el colapso del vector de estado. Nosotros no La ausencia de esta explicación se conoce como el problema de medición cuántica .

Muchas personas se sorprenden al descubrir que el problema de la medición cuántica sigue en pie. Se ha vuelto popular explicar la reducción del vector de estado (colapso de la función de onda) apelando al efecto del observador, afirmando que las mediciones de los sistemas cuánticos no pueden realizarse sin afectar esos sistemas, y que la reducción del vector de estado se inicia de alguna manera por esas mediciones. [ix] Esto puede parecer plausible, pero no funciona. Incluso si ignoramos el hecho de que esta ‘explicación’ no aclara cómo una perturbación podría iniciar la reducción del vector de estado, esta no es una respuesta permitida porque “la reducción del vector de estado puede tener lugar incluso cuando las interacciones no juegan ningún papel en el proceso”. “[X] Esto se ilustra mediante mediciones negativas o mediciones libres de interacción en la mecánica cuántica.

Para explorar este punto, considere una fuente, S , que emite una partícula con una función de onda esférica, lo que significa que sus valores son independientes de la dirección en el espacio. [xi] En otras palabras, emite fotones en direcciones aleatorias, cada dirección tiene la misma probabilidad. Rodeemos la fuente con dos detectores con perfecta eficiencia. El primer detector D1 debe configurarse para capturar la partícula emitida en casi todas las direcciones, excepto un pequeño ángulo sólido θ , y el segundo detector D2 debe configurarse para capturar la partícula si atraviesa este ángulo sólido.

Una medida sin interacción

Cuando el paquete de ondas que describe la función de onda de la partícula alcanza la distancia del primer detector, puede o no detectarse. (La probabilidad de detección depende de la proporción de los ángulos subtendidos de los detectores.) Si la partícula es detectada por D1 , desaparece, lo que significa que su vector de estado se proyecta sobre un estado que no contiene partículas y un detector excitado. En este caso, el segundo detector D2 nunca registrará una partícula. Si D1 no detecta la partícula, D2 la detectará más tarde. Por lo tanto, el hecho de que el primer detector no haya registrado la partícula implica una reducción de la función de onda a su componente contenido en θ , lo que implica que el segundo detector siempre detectará la partícula más tarde. En otras palabras, la probabilidad de detección por D2 ha sido mejorada en gran medida por un “no evento” en D1 . En resumen, la función de onda se ha reducido sin ninguna interacción entre la partícula y el primer aparato de medición.

Franck Laloë señala que esto ilustra que “la esencia de la medición cuántica es algo mucho más sutil que las ‘perturbaciones inevitables a menudo invocadas del aparato de medición’ (microscopio de Heisenberg, etc.)”. [Xii] Si la reducción del vector de estado realmente tiene lugar, entonces ocurre incluso cuando las interacciones no juegan ningún papel en el proceso, lo que significa que estamos completamente en la oscuridad acerca de cómo se inicia esta reducción o cómo se desarrolla. ¿Por qué entonces la reducción de vectores de estado todavía se toma en serio? ¿Por qué cualquier físico pensante sostiene la afirmación de que ocurre la reducción de vectores de estado, cuando no hay una historia plausible de cómo o por qué ocurre, y cuando la afirmación de que ocurre crea otros problemas monstruosos que contradicen los principios centrales de la física? La respuesta puede ser que generaciones de tradición han borrado en gran medida el hecho de que hay otra forma de resolver el problema de medición cuántica.

Volviendo a la otra opción, observamos que si suponemos que el vector de estado es un conjunto estadístico, es decir, si suponemos que el sistema tiene un estado más exacto, entonces la interpretación de este experimento mental se vuelve sencilla; inicialmente la partícula tiene una dirección de emisión bien definida, y D2 registra solo la fracción de las partículas que se emitieron en su dirección.

La mecánica cuántica estándar postula que esta dirección de emisión bien definida no existe antes de cualquier medición. Asumir que hay algo debajo del vector de estado, que existe un estado más preciso, equivale a introducir variables adicionales a la mecánica cuántica. Se aleja de la tradición, pero como dijo TS Eliot en The Sacred Wood , “la tradición debe ser desalentada positivamente”. [Xiii] El corazón científico debe buscar la mejor respuesta posible. No puede florecer si la tradición lo frena constantemente, ni puede ignorar opciones válidas. Los viajes intelectuales están obligados a forjar nuevos caminos.

Esta respuesta es un extracto modificado de mi libro ‘La intuición de Einstein: Visualizando la naturaleza en once dimensiones’, Capítulo 12.

Página en einsteinsintuition.com

[i] Para un sistema de partículas sin espinas con masas, el vector de estado es equivalente a una función de onda, pero para sistemas más complicados este no es el caso. Sin embargo, conceptualmente desempeñan el mismo papel y se usan de la misma manera en la teoría, por lo que no necesitamos hacer una distinción aquí. Franck Laloë. ¿Entendemos realmente la mecánica cuántica? , pag. 7)
[ii] Franck Laloë. ¿Entendemos realmente la mecánica cuántica? , pag. xxi.
[iii] Hay 6 N dimensiones en este espacio de fase porque hay N partículas en el sistema y cada partícula viene con 6 puntos de datos (3 para su posición espacial ( x, y, z ) y 3 para su velocidad, que tiene x , componentes y, z también).
[iv] El espacio de estados (espacio vectorial complejo o espacio de Hilbert) es lineal y, por lo tanto, se ajusta al principio de superposición. Cualquier combinación de dos vectores de estado arbitrarios y dentro del espacio de estados también es un estado posible para el sistema. Matemáticamente escribimos dónde y son números complejos arbitrarios.
[v] Franck Laloë. ¿Entendemos realmente la mecánica cuántica? , pag. 19)
[vi] Capítulo VI de J. von Neumann. (1932) Mathematische Grundlagen der Quantenmechanik , Springer, Berlín; (1955) Fundamentos matemáticos de la mecánica cuántica , Princeton University Press.
[vii] Desafío la validez lógica de la afirmación de que algo puede “causar una ocurrencia aleatoria”. Por definición, las relaciones causales impulsan los resultados, mientras que “aleatorio” implica que no existe una relación causal. Más profundo que esto, desafío la coherencia de la idea de que pueden ocurrir ocurrencias aleatorias genuinas. No podemos afirmar coherentemente que hay ocurrencias que están completamente desprovistas de cualquier relación causal. Hacerlo es eliminar lo que entendemos por “ocurrencias”. Cada ocurrencia está íntimamente conectada con el todo, y la ignorancia de lo que está impulsando un sistema no es razón para suponer que se maneja al azar. Las cosas no pueden ser conducidas al azar. La causa no puede ser aleatoria.
[viii] Franck Laloë. ¿Entendemos realmente la mecánica cuántica? , pag. 11)
[ix] Bohr prefirió otro punto de vista donde no se usa la reducción del vector de estado. D. Howard. (2004) ¿Quién inventó la interpretación de Copenhague? Un estudio en mitología. Philos Sci. 71 , 669-682.
[x] Franck Laloë. ¿Entendemos realmente la mecánica cuántica? , pag. 28)
[xi] Este ejemplo se inspiró en la sección 2.4 del libro de Franck Laloë, ¿Realmente comprendemos la mecánica cuántica? , pag. 27-31.
[xii] Franck Laloë. ¿Entendemos realmente la mecánica cuántica? , pag. 28)
[xiii] TS Eliot. (1921). El bosque sagrado . La tradición y el talento individual.

La naturaleza del colapso de la función de onda es una cuestión de interpretación, y comprenderlo es un aspecto clave del problema de medición de la mecánica cuántica. Algunas interpretaciones afirman que no hay colapso en absoluto: lo que aparece como colapso es en realidad el resultado de la decoherencia. El fenómeno de la decoherencia proporciona un mecanismo para comprender cómo, debido al acoplamiento del sistema con el entorno, la coherencia de la función de onda del sistema se vuelve inobservable para todos los fines prácticos . Sin embargo, la coherencia no puede destruirse o perderse por completo mediante una evolución continua de acuerdo con la ecuación de Schrödinger. Más importante aún, la decoherencia simplemente produce mezclas inadecuadas (que no pueden interpretarse como un reflejo de nuestra ignorancia de un estado puro real). No puede producir un estado mixto adecuado. Por lo tanto, la decoherencia por sí sola no proporciona una solución al problema de medición, ya que no da como resultado un colapso real.

En la interpretación de Copenhague, y en varias otras interpretaciones, el colapso de la función de onda es un cambio discontinuo en el estado de un sistema cuántico asociado con la medición. En contraste con la evolución continua de la función de onda de un sistema no observado de acuerdo con la ecuación de Schrödinger que produce una superposición de diferentes estados, cuando se observa un sistema, no se encuentra en una superposición sino en un solo estado (por ejemplo, el de Schrödinger Se observa que el gato está vivo o muerto, pero no una superposición de estados vivos y muertos). El colapso de la función de onda es el término utilizado para describir esta transición discontinua de una superposición coherente de estados a un solo estado después de la medición. Es una violación explícita de la ecuación de Schrödinger y está asociada con el hecho de que el sistema ha sido medido por un aparato que, por definición, no forma parte del sistema cuántico. Estudiar el proceso de medición como un proceso físico requeriría incluir el aparato de medición en el sistema para formar un sistema compuesto cuya función de onda no colapse hasta que sea medido por otro aparato de medición. Entonces, el colapso nunca puede ser tratado como un proceso físico dentro de un sistema físico, de acuerdo con estas interpretaciones.

Penrose ha propuesto que el colapso es un evento objetivo relacionado con la gravedad, pero eso implica una nueva física de la gravedad cuántica, y es altamente especulativo en este punto.

Depende de lo que pienses que es la función de onda. Si crees que representa la probabilidad de que algo esté en varios lugares, y las probabilidades están dispersas en el espacio debido a la naturaleza de la onda, o cualquier variante de esto, y si crees que la partícula se localiza en un punto específico de observación, entonces ¿Qué pasó con esas otras probabilidades? Decimos que colapsan a 1 en el punto de observación porque puedes verlo allí. Ha especulado, sin datos observables por definición, que la observación hizo que la partícula estuviera en ese punto, en oposición a la opinión de Einstein de que las probabilidades de la función de onda reflejaban su ignorancia antes de la observación. En consecuencia, debe argumentar que la función de onda colapsó.

Si crees eso, únete a una multitud popular de físicos. Si no lo hace, probablemente sea mejor unirse a la escuela de “cállate y calcula”. Esta es una situación bastante peculiar, ya que al creer que el evento está determinado por la interacción, en oposición al concepto de que la interacción ocurrió porque las dos especies estaban aproximadamente en el lugar correcto al mismo tiempo, entonces se necesita el colapso. Y lo bueno de esta creencia es que nunca se puede falsificar, porque aparentemente nadie puede observar sin interactuar.

Curiosamente, esa última oración puede no ser del todo cierta; Los físicos ahora están comenzando a hacer mediciones débiles que no perturban el objetivo. Supongo que se descubrirá un poco más sobre el significado de este aspecto de la mecánica cuántica a su debido tiempo.

Parte del misterio del colapso aparente de la función de onda ha sido resuelto por la teoría moderna de la decoherencia . La decoherencia explica por qué nunca se observan superposiciones de estados propios de posición o carga (u otros observables macroscópicos) [1], debido a las interacciones de un sistema cuántico y los muchos más grados de libertad en su entorno (incluido el dispositivo de medición). H. Dieter Zeh fue uno de los primeros en sugerir la plausibilidad de este mecanismo en su artículo publicado en 1970, donde dice [2]

Por lo tanto, las superposiciones de estados con carga diferente no pueden observarse por razones similares a las válidas para las superposiciones de estados macroscópicamente diferentes: no pueden ser dinámicamente estables debido a la interacción significativamente diferente de sus componentes con su entorno.

En la década de 1980, la teoría de la decoherencia se desarrolló con más detalle en el trabajo de Zurek [3] y Joos y Zeh [4], y se resume en un libro de texto de Giulini, Joos, Kiefer, Kupsch, Stamatescu y Zeh [ 5] Esencialmente, debido a que la medición implica inherentemente romper el aislamiento de un sistema cuántico, el proceso de decoherencia rápidamente lleva a un sistema en un estado cuántico puro a ser una mezcla incoherente de estados, donde cada estado es ponderado por los cuadrados de las amplitudes para cada medición posible. .

El proceso que conduce al colapso de la función de onda se reconoce como un fenómeno emergente a partir de los efectos de desvanecimiento de la decoherencia, pero cuál de los posibles estados propios realmente se observa en cualquier medición dada es inherentemente indeterminista. El “colapso de la función de onda” en estados propios de posición y carga (estados propios “señaladores”) se explica por la decoherencia, pero el estado que se observa realmente en cualquier medición dada todavía no está determinado de manera única por la mecánica cuántica. Este es el problema de medición .

La interpretación de Copenhague (cuántos físicos se les enseñó la mecánica cuántica y todavía piensan en la medición en el pizarrón) considera que durante una medición, los términos en un vector de estado que representan las otras posibilidades no observadas en una medición se eliminan, y el estado se restablece inmediatamente normalizado en el eigenstate observado (también incluye mágicamente cualquier colapso no local requerido para sistemas enredados). ¡Esta es una operación no unitaria! ¡Es un paso en la evolución del tiempo que rompe la ecuación de Schrödinger!

La mecánica cuántica ortodoxa sostiene que la ecuación de Schrödinger determina la evolución temporal unitaria de un estado cuántico:

[matemáticas] H \: | \ psi⟩ = i \ partial_ {t} \: | \ psi⟩ [/ matemáticas]

Pero para la interpretación de Copenhague, una operación no unitaria ocurre en cualquier medida:

[matemáticas] M \: | \ psi⟩ \ rightarrow m_ {1} \: | m_ {1}⟩ [/ matemáticas]

Una de las interpretaciones alternativas de la mecánica cuántica, la interpretación de muchos mundos, desarrollada por primera vez por Hugh Everett en 1957 [6] y popularizada Bryce DeWitt en la década de 1970 [7], elimina por completo de la teoría el funcionamiento no unitario del colapso de la función de onda. . Postula que, dado que cualquier sistema cuántico aislado evoluciona unitariamente bajo la ecuación de Schrödinger, el estado del universo en sí mismo es un sistema cerrado, evoluciona unitariamente bajo la ecuación de Schrödinger, continuamente.

La interpretación de muchos mundos ha influido y ha sido fuertemente influenciada por el desarrollo de la teoría de la decoherencia. La decoherencia explica por qué las superposiciones de estados propios observables se desacoplan en presencia de un entorno con muchos más grados de libertad, aunque el estado del sistema total, incluido el entorno, sigue siendo un estado cuántico puro que evoluciona bajo la ecuación de Schrödinger. De acuerdo con la interpretación de muchos mundos, estas mezclas desacopladas de estados son cada una independientemente real, aunque están efectivamente desconectadas observacionalmente. Esto lleva a la fantástica afirmación de que todas las posibilidades de todas las interacciones posibles tienen una rama correspondiente en el vector de estado universal inmensamente fragmentado del multiverso, pero sigue siendo una propuesta controvertida entre los físicos [8].

La interpretación de muchos mundos logra eliminar el colapso de la función de onda ad hoc de la mecánica cuántica; El estado del multiverso continúa evolucionando unitariamente. También tiene éxito en preservar un tipo de localidad porque la interferencia y los actos coordinados de los sistemas enredados ocurren naturalmente cuando los diferentes términos en el vector de estado universal son coherentes. El lagrangiano del universo todavía solo tiene interacciones locales, incluso cuando hay correlaciones no locales en su dinámica, como ondas en un estanque que aparentemente conspiran para interferir.

También hay otras interpretaciones de la mecánica cuántica, incluida la teoría de Broglie-Bohm, la teoría de historias consistentes y otras que generalmente intentan abarcar una construcción laboriosa para preservar la localidad o una noción de realismo o ambas, pero la gente está pensando. Incluso ha habido una afirmación reciente de que la mecánica cuántica no puede interpretarse estadísticamente, y que uno debe tener una visión ontológica del estado cuántico [9].

Y por lo tanto, mientras la mecánica cuántica ha formado un marco altamente predictivo para predecir experimentos, las implicaciones metafísicas de la teoría y lo que realmente corresponde a un vector de estado en realidad no se comprenden . Sin embargo, entre las cosas que no se entienden sobre la mecánica cuántica, el “colapso de la función de onda” no es una de ellas.

Notas finales

1. La base de los estados que son estados propios de posición y cargo se seleccionan de cualquier otra base arbitraria, fundamentalmente porque el lagrangiano que describe las interacciones de un sistema tiene términos que son locales en esa base. Esto se llama “base de puntero” porque es la base de estados propios de cualquier puntero / salida / medidor / monitor de un aparato de medición.
2. Zeh, HD (1970). Sobre la interpretación de la medición en la teoría cuántica. Fundamentos de Física 1, 69–76.
3. Zurek, WH (1981). Base de puntero del aparato cuántico: ¿En qué mezcla se colapsa el paquete de ondas? Phys. Rev. D 24, 1516-1525.
   Zurek, WH (1982). Reglas de superselección inducidas por el medio ambiente. Phys. Rev. D 26, 1862-1880.
4. Joos, E. y Zeh, HD (1985). La aparición de propiedades clásicas a través de la interacción con el medio ambiente. Zeitschrift fur Physik B Condensed Matter , 59223–243.
5. Giulini, D., Joos, E., Kiefer, C., Kupsch, J., Stamatescu, I. y Zeh, HD (1996). La decoherencia y la aparición de un mundo clásico en la teoría cuántica . Saltador.
6. Everett, H. (1957). Formulación de “estado relativo” de la mecánica cuántica. Reviews of Modern Physics 29, 454–462.
7. DeWitt, BS (1970). Mecánica cuántica y realidad. Physics Today 23, 30.
8. Como escuché que uno lo dijo una vez durante el almuerzo en la sala de profesores de Penn: “¿Se supone que debemos creer que hay un universo en el que te arrojo mi comida?” (Y seguramente mundos mejores y peores también).
9. Pusey, MF, Barrett, J. y Rudolph, T. (2012). Sobre la realidad del estado cuántico. Nature Phys. 8, 476. [arxiv: 1111.3328]

Nota: este ensayo fue adaptado del Apéndice A.1.2 de mi Ph.D. tesis, que se puede descargar aquí: http://rreece.github.io/docs/CER …

Estás preguntando acerca de uno de los dos santos griales de la física moderna, el otro es la unificación de la relatividad y la física cuántica. Sea lo que sea que lea aquí, tenga en cuenta que solo son opiniones, preferencias, más o menos calificadas. Entre los principales científicos del mundo no hay consenso sobre esa respuesta, y las posibles “interpretaciones” de lo que realmente está sucediendo, en lugar de reducirse, en realidad se están volviendo cada vez más variadas, ya que todas las propuestas hasta ahora tienen problemas y los científicos intentan llegar a nuevas propuestas.

Dicho esto, creo que debemos hacer una distinción importante. Espontáneo “colapso de la función de onda” y “colapso de la función de onda inducido por la conciencia”. Tengo que decir que tomo la Interpretación de Muchos Mundos como demasiado inverosímil. No se puede refutar, pero es muy difícil de tragar. Para mí, todavía requiere una explicación de por qué experimento esta realidad y no otra. La explicación de que hay millones de mí mismo experimentando realidades diferentes no me satisface.

Tampoco creo que solo la conciencia pueda “colapsar la función de onda”, quiero creer que el universo existió y evolucionó de manera definitiva antes de que surgiera cualquier Vida. El colapso de la función de onda debe ocurrir espontáneamente, por decoherencia o por algún otro mecanismo (ver más abajo para obtener alguna pista).

Sin embargo, es cierto que nosotros como seres conscientes también podemos causar un “colapso de la función de onda” por nuestras decisiones conscientes. Lo hacemos todo el tiempo y multitud de experimentos muestran que el resultado de condiciones de inicio idénticas es diferente dependiendo de lo que decidamos hacer mientras el experimento está en curso (aparentemente nuestras decisiones conscientes pueden incluso cambiar lo que fue el pasado, pero lo haré no ingrese en ese tema aquí).

Ahora, finalmente, una pista para que consideres. Si está interesado en estos temas, supongo que está un poco familiarizado con los experimentos de interferencia, no con la simple rendija doble, sino con algunos más desarrollados, como los experimentos con interferómetro Mach-Zehnder como el “borrador cuántico” o el “experimento de elección retardada”. En estos experimentos, los fotones se “dividen” para que sigan diferentes caminos y luego se recombinen y detecten. Jugando con el desplazamiento de ambos caminos podemos producir interferencia o destruirla (podemos hacer que los picos y valles de ambos caminos coincidan y se refuercen entre sí o que se cancelen entre sí, lo que se denomina interferencia constructiva o destructiva).

Podemos hacer tales experimentos en condiciones de laboratorio, con distancias limitadas, donde las ondas permanecen estables. Pero intentemos estos experimentos con ambos caminos corriendo por unos pocos kilómetros antes de que se recombinen para buscar la interferencia constructiva o destructiva. Encontramos que es imposible. Durante la larga distancia, la ola ha perdido el enfoque preciso, y para cuando los 2 frentes de onda se encuentran nuevamente, se han revuelto, no muestran nada, ni interferencia constructiva ni destructiva, solo una onda revuelta sin ningún patrón discernible.

Entonces, una interpretación es que a escalas muy pequeñas existen todas las realidades posibles y pueden mostrar superposición, pero cuando la escala se agranda, la mayoría de las realidades alternativas se mezclan para que ya no se manifiesten físicamente, se cancelan mutuamente. Sus ondas no producen interferencia constructiva (es decir, una realidad robusta) ni interferencia destructiva (que sería la ausencia de esa realidad), se fusionan de una manera codificada que solo produce “ruido cuántico” pero que no tiene manifestación física.

Entonces, todas las realidades posibles permitidas por la teoría y reconocidas por los partidarios de las Interpretaciones de Muchos Mundos sí existen, sus ondas coexisten, todas las realidades existen en cierto sentido aquí, pero todas ellas menos una se pierden en su interferencia mutua y no se manifiesta físicamente, solo la realidad que representa la interferencia constructiva de todas las realidades, donde todas coinciden exactamente, se manifiesta físicamente.

Bueno, esta es solo una especulación más, sin más apoyo que ninguna de las otras interpretaciones más comunes.

Brevemente, la mayoría de los físicos ya no creen que un colapso real ocurra literalmente. (Pero supongo que el gran Streater sí.) El colapso es una buena aproximación, válida para todos los fines prácticos. Yendo más allá de esto hay diferentes opiniones. La decoherencia es muy popular y sostiene que el proceso se debe a interacciones térmicas u otras interacciones leves con el entorno, por lo que las superposiciones coherentes presentes en el enredo se disipan rápidamente en el entorno, donde sería poco práctico detectarlas, y el resultado parece para nosotros, debido a nuestras percepciones aproximadas, como si fuera un colapso de la función de onda. Esto todavía no es una opinión mayoritaria. Otras vistas conectan el proceso de medición, que puede ser aproximado por el colapso tradicional, como una cuestión de algún proceso termodinámico de amplificación. Esto todavía no está completamente resuelto, pero vea el trabajo reciente de Roger Balian y sus alumnos (de ninguna manera son los únicos ni lo iniciaron … parece haber sido iniciado por una sugerencia de Schroedinger al entonces postdoc HS Green en una visita al IAS de Dublín),
arXiv: cond-mat / 0203460 y muchos otros, como Hannabuss y otros investigadores mencionados en la bibliografía de mis propios límites termodinámicos,
Probabilidad no conmutativa y enredo cuántico
http://arxiv.org/abs/quant-ph/05… . …
Me resulta difícil creer que la Interpretación de Muchos Mundos tenga el mismo número de adherentes que los dos puntos de vista que ya he mencionado, pero si es así, entonces estos son
Las tres vistas actuales más importantes. Ciertamente está relacionado con la decoherencia.
Un importante físico contemporáneo del pasado que pensó que el colapso tiene algo que ver
con conciencia a pesar de que esto fue en los años 40 y 50, fue
el Nobelista Eugene Wigner. No creo que muchos físicos piensen esto, ya que ya no piensan que el “colapso” es más que una aproximación a la física real involucrada.

Una vez más, me sorprende cuánta gente sabe acerca de la función de onda en la Mecánica Cuántica y todas las paradojas asociadas, mientras que muy pocas personas saben acerca de la Teoría del Campo Cuántico, la única teoría que tiene sentido. En QFT no hay funciones de onda. Solo hay campos e intensidades de campo. Los campos evolucionan y a veces depositan su energía en un átomo absorbente. Yo llamo a esto colapso cuántico. Así es como lo describo en mi libro. (Si desea obtener más información, lea el Capítulo 10 en la teoría de campo cuántico. Net / chap10.)

Colapso cuántico . Si los campos evolucionaron solo como se describe en las ecuaciones de campo, no sucedería nada significativo porque las ecuaciones no describen la transferencia de energía o momento. Por ejemplo, no describen cómo un fotón transfiere su energía a un fotorreceptor en su ojo. Yo llamo a este proceso colapso cuántico porque después de que un cuántico transfiere su energía no puede continuar existiendo; debe desaparecer de todo el espacio. Al igual que el gato de Schrödinger, no puede estar en un estado medio muerto y medio vivo. Aunque no tenemos una teoría para describir el colapso cuántico, sabemos que sucede; de hecho, es una parte esencial de QFT. [1] Como escribió Art Hobson, refiriéndose al experimento de dos rendijas:

Todo el campo extendido … debe depositar su cantidad cuántica de energía de una vez, en un solo instante, porque el campo no puede transportar una fracción de una cantidad cuántica; siempre debe contener exactamente uno o exactamente cero cuantos de energía. Cuando el campo deposita su cantidad de energía en la pantalla de visualización, todo el campo extendido debe perder instantáneamente esta cantidad de energía. – A. Hobson

El colapso cuántico es similar al colapso de la función de onda en QM, pero los conceptos son muy diferentes. En QM, la función de onda describe la probabilidad de que una partícula se encuentre en un lugar determinado o de que el sistema se encuentre en un estado determinado, y cuando se realiza una medición, las probabilidades “colapsan” en una certeza. En QFT, el colapso es un proceso físico que realmente sucede. Puede que no sea lo que esperábamos, pero tampoco esperábamos que la Tierra fuera redonda o que la materia estuviera hecha de átomos. Así como aprendimos a vivir con esos conceptos, también podemos aprender a vivir con un colapso cuántico.

El colapso cuántico no solo es una parte necesaria de QFT, sino que brinda soluciones a dos de los problemas más molestos en la física actual: el problema de medición y el enredo, como se describe en el Capítulo 9.

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[1] Se debe advertir al lector que muchos físicos no aceptan el colapso cuántico. Creen que una superposición de estados continúa hasta un momento posterior. Por ejemplo, Roger Penrose sugirió que el colapso ocurre cuando la energía gravitacional excede una cierta cantidad (P1994, p. 339).

La mayoría de la gente dirá “la observación provoca el colapso de la función de onda” y esa es una respuesta perfectamente razonable, siempre que la sigan con alguna calificación de lo que significa “observación” en su contexto particular.

El universo ha estado evolucionando desde mucho antes de que existiera la posibilidad de un observador e incluso ahora las cosas suceden independientemente de si alguien o algo los está “observando”. Por lo tanto, las interpretaciones basadas en alguna observación consciente simplemente fallan en la prueba lógica. También creo que la interpretación de muchos mundos falla la prueba lógica, pero por otras razones.

La interpretación de Copenhague es que las funciones de onda literalmente representan las probabilidades de cosas que le pueden pasar a una onda / partícula a medida que evoluciona con el tiempo. El evento / cosa que colapsa la función de onda es cuando la onda / partícula interactúa con otro campo / onda / partícula de tal manera que tiene que ocurrir un resultado concreto. Eso no es demasiado difícil de asimilar y no requiere universos múltiples (no demostrables) ni nada metafísico.

La respuesta de Ryan Reece es excelente, pero puede estar por encima de tu cabeza. Ciertamente está por encima de la mía. Aquí hay una gran simplificación de lo que dijo:

La decoherencia es la matemática que muestra cómo cuando una función de onda cuántica se vuelve lo suficientemente compleja al interactuar lo suficiente con el mundo exterior, la superposición se separa en estados distintos. Inicialmente, tenías un estado que era una mezcla de girar hacia arriba y hacia abajo. Pero cuando interactúa con un detector, antes de la decoherencia, la vista sería que el detector y la partícula se unirían en una superposición de estados, uno detectando un giro hacia arriba y otro detectando un giro hacia abajo. Pero no funciona de esa manera. Este es típicamente un estado demasiado complejo. La superposición se descompone en dos estados separados del universo que ya no se superponen uno encima del otro.

Si bien es posible crear cuidadosamente superpositones bastante complejos, en el mundo real casi todas las interacciones marginalmente significativas tenderán a decodificar rápidamente la superposición en estados distintos.

Sin embargo, esto no responde a la pregunta de cómo interpretar estos estados distintos. Tanto la opinión de que solo se realiza un estado (la visión tradicional) como la opinión de que estos estados separados representan universos alternativos reales (la visión del mundo) son consistentes con los principios de la decoherencia.

Hay trece respuestas publicadas en este momento, y me sorprende que ninguna de ellas dé un ejemplo concreto real de lo que quieren decir con “colapso de la función de onda”. Hay una enorme cantidad de jerga, pero a nadie le importa aplicarla a una situación física específica para mostrar lo que significan. Y eso es lo que está mal con la física hoy.

Durante unos veinte años, me he estado aplicando a varios problemas físicos que involucran el colapso de la función de onda de una forma u otra, y ocasionalmente encuentro una explicación que evita el colapso y se las arregla con la evolución continua del tiempo de la función de onda. A veces encuentro que mi explicación ya ha sido encontrada por otra persona. Pero he descubierto una explicación para un problema que nadie más ha resuelto: la aparición de manchas de plata en una placa fotográfica expuesta a la luz muy débil de una estrella distante.

Eso es seguramente “colapso de la función de onda” si alguna vez hubo tal cosa. La función de onda de la fuente de luz distante está tan extendida que es claramente imposible concentrar suficiente energía clásica en el pequeño volumen de una sola molécula de bromuro de plata para proporcionar la energía sustancial necesaria para reducir la plata al estado metálico. La onda electromagnética debe haber “colapsado” su energía en un solo fotón. Esa es la única forma de concentrar la energía requerida.

¿O es eso? La explicación estándar anterior tiene un enorme defecto que nunca se reconoce. La explicación estándar trata la reducción del cristal de bromuro de plata como un proceso altamente endotérmico que requiere una gran cantidad de energía. Pero, de hecho, el cristal de bromuro de plata contiene miles de millones de átomos, y la concentración de equilibrio de plata pura a temperatura ambiente en realidad permite la existencia de un puñado de átomos de plata pura. En otras palabras, la conversión a bromuro de plata solo es altamente desfavorable si calcula solo la entalpía del sistema e ignora la entropía. En la placa fotográfica real no expuesta, el punto de equilibrio para la conversión es mucho más cercano de lo que la gente cree. Eso es lo primero que debes entender.

La segunda cosa a tener en cuenta es que si tiene una cantidad muy pequeña de energía en la frecuencia correcta que pasa a través de un cristal con miles de millones de moléculas, efectivamente impulsa el proceso de reducción en un grado muy pequeño … y cuando la energía se va, no necesariamente vuelve a donde estaba. El inicio del proceso de reducción es en sí mismo un fenómeno electromagnético que genera nueva energía, y en las circunstancias correctas, esa nueva energía retroalimenta el cristal y conduce la conversión a su finalización. Llamo a este fenómeno sifón cuántico y lo explico con mayor detalle en esta publicación de blog: colapso de la función de onda explicado por sifón cuántico

El problema con la física es que está lleno de personas que no conocen su termodinámica clásica y su teoría electromagnética clásica, pero son realmente buenos para lanzar la nueva jerga sobre cosas como vectores de estado, decoherencia y espacio de Hilbert. No están interesados en encontrar explicaciones físicas para los fenómenos reales porque ese no es el juego que saben jugar. Les gusta la física tal como es y no están interesados ​​en desmitificarla.

Si las teorías A y B hacen las mismas predicciones, y si una de ellas es verdadera y la otra es falsa, entonces está bien usar la que sea más fácil.

Si una teoría falsa hace las mismas predicciones que una teoría verdadera, ¿por qué no usarla (y no solo para los cálculos, sino también para comprender lo que está sucediendo!).

Con eso en mente, para responder a su pregunta, use la interpretación de Muchos Mundos, incluso si no cree que esta interpretación sea verdadera.

Desde este punto de vista, la función de onda no colapsa, solo parece hacerlo. Esa es, creo, la explicación más fácil para el colapso de la función de onda, así como para muchos otros aspectos misteriosos de la mecánica cuántica.

Sin embargo, no tome esto como un dogma, siempre que haga predicciones correctas, use lo que sea más fácil de entender (independientemente de la “verdad”, lo que sea que eso signifique).

La teoría de Ghirardi – Rimini – Weber se publicó en 1986 y es una versión del colapso espontáneo. Plantea una nueva constante fundamental de la naturaleza que se relaciona con la estabilidad de la función de onda, lo que resulta en un colapso espontáneo en algún lugar de la región de 10 ^ 8 años.

La razón por la que el gato de Schrodinger no está vivo ni muerto es porque el gato está hecho de muchas órdenes de magnitida con más partículas que 10 ^ 8, por lo que es muy probable que en cualquier momento, una de esas partículas se colapse espontáneamente. Dado que todas las posiciones de las partículas en el gato están enredadas, cualquiera de ellas colapsando hará que todas colapsen, lo que provocará que el gato esté vivo o muerto.

Tim Maudlin comenta que “la teoría es tan simple y transparente que no se puede sorprender que tardó más de medio siglo en descubrirla”.

La teoría se hizo compatible con la estructura relativista del espacio-tiempo y las desigualdades de Bell en 2006 por Roderich Tumulka.

Hay una buena discusión que se relaciona con su pregunta en esta pregunta:

¿Qué es el colapso de la función de onda en el contexto de la mecánica cuántica y cómo se relaciona (o no) con la conciencia?

Como dijo Prachi; observación.

La mecánica de la misma se debate. Aunque hay un consenso mayoritario.

Colapso cuántico

La explicación epistemológica: cállate y calcula. La función de estado en el espacio de fases del sistema representa (su módulo a la segunda potencia) la probabilidad de que el sistema, si lo observamos a través de un aparato clásico (todo lo que siente nuestra mente es un aparato clásico, no es una cuestión de conciencia observador o no) El problema con esto es que las funciones de onda no representan el estado del sistema y no hay otro objeto matemático que lo haga. Pero esta es una pregunta filosófica, y el problema de medición proviene de allí y luego es un problema filosófico (no físico)

La mejor explicación es que la función de onda no colapsa. Y la interpretación de muchos mundos explica por qué parece colapsar.

Observación.
¡El acto de observar un sistema lo perturba!