La interferencia desaparece cuando hay alguna interacción que produce enredos. No usaré la palabra “observador”, porque no sé lo que eso significa. Sé cuándo desaparecerá la interferencia, así que te contaré sobre eso.
Para responder su pregunta en el idioma que la hizo, es “cualquier partícula que interactúa” con la advertencia de que la interacción debe dejar un registro. Por lo tanto, sus puntos en los dos párrafos finales son bastante precisos. Resulta que no todas las interacciones dejan un registro completo. Cuando lo hace, destruye la interferencia. El tipo de interacción del que estamos hablando es, de hecho, completamente inequívoco, y se llama “enredo”.
Hiciste una buena observación:
En cuanto a “cualquier partícula interactuando”, me parece que si este fuera el caso, veríamos muchos más colapsos aleatorios e inesperados de la función de onda al realizar la doble rendija u otro experimento similar, ya que hay átomos y partículas que siempre rebotan sobre el lugar e interactuando entre sí de manera incontrolable. Esto parece que dificultaría la reproducción confiable de patrones de interferencia.
De hecho, en muchos experimentos, eso es exactamente lo que sucede. Se llama decoherencia cuántica. Es por eso que todavía no tenemos computadoras cuánticas. Los entendemos teóricamente bastante bien, pero es demasiado difícil diseñar sistemas que no tengan un montón de movimiento aleatorio de los átomos que destruyen los efectos cuánticos todo el tiempo. Los experimentos en efectos cuánticos a menudo se llevan a cabo a temperaturas extremadamente bajas para combatir esta decoherencia.
Sin embargo, los fotones utilizados en un interferómetro simple simplemente no interactúan con el aire o los espejos de esta manera. Tienen cierta interacción que resulta en la reflexión de las superficies o en la refracción. Pero estas son interacciones coherentes; No dejan un registro en los átomos con los que interactúa la luz.
Ocasionalmente, un fotón se dispersará de una molécula de aire o algo, destruyendo la interferencia para ese fotón. Entonces, la interferencia observada en un experimento típico no es perfecta. Sin embargo, puede ser bastante bueno. Al menos un experimento ha enviado fotones a unas cien millas sin perder su estado cuántico. (Ver Spookiness cuántico se extiende por las Islas Canarias)
Creo que no es muy útil seguir y seguir tratando de entender esto sin ver las matemáticas básicas del mismo. Describí el experimento de doble rendija en la respuesta de Mark Eichenlaub a ¿Cómo saben los electrones en el experimento de doble rendija que mi cámara no está rota? (ligeramente editado a continuación)
Aquí está la configuración. Las rendijas están a la izquierda de la imagen y los detectores están a la derecha. Para simplificar, solo tenemos dos detectores, en lugar de una matriz completa de ellos, por lo que solo veremos interferencias muy simples, no un patrón complicado.
Si el electrón está en la ranura derecha, lo llamamos [math] \ mathbf {R} [/ math] y si está a la izquierda, lo llamamos [math] \ mathbf {L} [/ math]. El electrón también puede estar en una superposición de rendijas como [math] .6 \ mathbf {R} – .8 \ mathbf {L} [/ math]. Los números en frente se llaman “amplitudes”. La regla en la mecánica cuántica es que si cuadras esas dos amplitudes, los cuadrados se suman a uno ([matemática] .6 ^ 2 + (-.8) ^ 2 = .36 + .64 = 1 [/ matemática])
Para entender la interferencia, necesitamos una regla de lo que sucede cuando el electrón pasa de las ranuras a los detectores. La regla que usaremos es
[math] \ mathbf {R} \ to \ frac {1} {\ sqrt {2}} (\ mathbf {A} + \ mathbf {B}) [/ math]
[math] \ mathbf {L} \ to \ frac {1} {\ sqrt {2}} (\ mathbf {A} – \ mathbf {B}) [/ math]
Los coeficientes de [math] \ frac {1} {\ sqrt {2}} [/ math] se eligen para que el electrón tenga la misma amplitud en ambos detectores y obedezca la regla de que las amplitudes al cuadrado suman uno.
Si el electrón comienza en [math] \ mathbf {R} [/ math], termina con amplitudes iguales en ambos detectores. Lo mismo es cierto si comienza en [math] \ mathbf {L} [/ math] (excepto que una amplitud es negativa, pero el electrón todavía se distribuye por igual entre los dos). Sin embargo, suponga que el electrón comienza en la superposición [math] \ frac {1} {\ sqrt {2}} (\ mathbf {R} + \ mathbf {L}) [/ math]. Luego, aplicando la regla de cómo evolucionan los estados a medida que el electrón se mueve hacia los detectores, obtenemos
[matemáticas] \ frac {1} {\ sqrt {2}} (\ mathbf {R} + \ mathbf {L}) \ a [/ math]
[matemáticas] \ frac {1} {\ sqrt {2}} \ left (\ frac {1} {\ sqrt {2}} (\ mathbf {A} + \ mathbf {B}) + \ frac {1} { \ sqrt {2}} (\ mathbf {A} – \ mathbf {B}) \ right) = \ mathbf {A} [/ math]
Traduciendo esto al lenguaje de alguien que realmente está haciendo el experimento, si cubrimos la ranura de la derecha, aparecerán electrones en ambos detectores. Si descubrimos la ranura derecha pero cubrimos la izquierda, los electrones volverán a aparecer en ambos detectores. Pero si descubrimos ambas ranuras, los electrones nunca aparecen en [math] \ mathbf {B} [/ math]. Eso es interferencia. La interferencia entre las dos ranuras evita que los electrones vayan a [math] \ mathbf {B} [/ math] a pesar de que cada ranura envía individualmente electrones allí.
A continuación, agregamos otro sistema, llamado Mister X, que puede estar en los estados [math] \ mathbf {1} [/ math] o [math] \ mathbf {2} [/ math]. (El señor X puede ser físicamente cualquier cosa; daré un ejemplo más adelante). Digamos que el señor X está en estado [math] \ mathbf {1} [/ math]. La regla es que el estado total (es decir, el estado que describe tanto al señor X como al electrón) es el producto de los estados de los sistemas individuales. Empezamos en el estado
[math] \ mathbf {1} \ left (\ frac {1} {\ sqrt {2}} (\ mathbf {R} + \ mathbf {L}) \ right) [/ math]
y a medida que los electrones van a la pantalla, esto evoluciona a
[math] \ mathbf {1} \ frac {1} {\ sqrt {2}} \ left (\ frac {1} {\ sqrt {2}} (\ mathbf {A} + \ mathbf {B}) + \ frac {1} {\ sqrt {2}} (\ mathbf {A} – \ mathbf {B}) \ right) = \ mathbf {1} \ mathbf {A} [/ math]
La interferencia sigue ahí. El señor X no ha hecho nada: todavía no hay posibilidad de que el electrón vaya a [math] \ mathbf {B} [/ math].
Ahora hacemos que Mister X interactúe con el electrón. Describimos una interacción diciendo lo que sucede a los estados durante la interacción. Aquí está la interacción que usaremos:
[math] \ mathbf {1R} \ to \ mathbf {1R} [/ math]
[math] \ mathbf {1L} \ to \ mathbf {2L} [/ math]
[matemáticas] \ mathbf {2R} \ a \ mathbf {2R} [/ math]
[matemáticas] \ mathbf {2L} \ a \ mathbf {1L} [/ math]
Cuando se produce esta interacción, el estado evoluciona así:
[math] \ mathbf {1} \ frac {1} {\ sqrt {2}} (\ mathbf {R} + \ mathbf {L}) \ to \ frac {1} {\ sqrt {2}} (\ mathbf {1R} + \ mathbf {2L}) [/ math]
Este tipo de estado se llama “enredo”. Ya no podemos escribir el estado del sistema ya que el estado de Mister X multiplicado por el estado del electrón. El señor X y el electrón no tienen sus propios estados individuales. Tienen un estado conjunto que solo se puede describir al considerarlos a ambos al mismo tiempo. El señor X y el electrón están enredados.
¿Qué sucede cuando dejamos que el electrón se propague a la pantalla? Llevarlo a través. Ahora tenemos cuatro términos (omitiré escribir todos los pasos)
[matemáticas] \ frac {1} {2} (\ mathbf {1A} + \ mathbf {1B} + \ mathbf {2A} – \ mathbf {2B}) [/ math]
De manera crucial, el término [math] \ mathbf {1B} [/ math] no se cancela con el término [math] \ mathbf {2B} [/ math] como lo hizo antes. Son estados diferentes: no podemos restarlos para obtener cero. Por lo tanto, la interferencia se destruye. Una vez más encontramos electrones en ambos detectores.
En resumen, cuando ambas ranuras están abiertas, vemos interferencia porque ningún electrón va nunca a [math] \ mathbf {B} [/ math]. Sin embargo, cuando ambas ranuras están abiertas pero el electrón se enreda con Mister X, la interferencia desaparece y vemos que los electrones comienzan a aparecer en [math] \ mathbf {B} [/ math] nuevamente.
El señor X puede ser literalmente cualquier cosa. Pongamos un ejemplo. En un experimento real de doble rendija, los electrones rebotan en capas de átomos en un cristal, no en rendijas. En su mayoría, los electrones no interactuarán con el cristal excepto para rebotar. El estado del cristal no cambia. Sin embargo, a veces un electrón interactuará con el cristal cuando rebota, volteando el giro de diferentes electrones en el cristal mientras lo hace. En ese caso, si vamos al cristal y vemos dónde se ha volteado el giro, nos dice dónde rebotó el electrón. El electrón en el cristal es el Señor X. Cuando se produce este tipo de interacción, la interferencia desaparecerá.
Este paradigma hace que los efectos “extraños” de la mecánica cuántica sean mucho más fáciles de entender. Por ejemplo, un experimento de “borrador cuántico” es uno en el que simplemente aplicamos un operador inverso para desenredar el Mister X del electrón y, por lo tanto, recuperar la interferencia; No es una especie de vudú extraño.
Eso es realmente todo lo que hay que hacer. Veremos interferencias mientras el sistema no se enrede con nada. Una vez que se enreda, la interferencia desaparece. Este enredo podría llamarse “observación” o “medición” si lo desea. Pero en realidad es solo un simple estado matemático que hace que la interferencia desaparezca de acuerdo con las reglas básicas de la mecánica cuántica.
Si puede ofrecer algún comentario sobre esta respuesta, consulte Interferencia en Mecánica Cuántica por Mark Eichenlaub en Painting the Cathedral
Vea una configuración física que ilustra estas ideas en la publicación Quantum Imaging con fotones no detectados de Lulu