En mecánica cuántica , el problema de la medición es el problema de los resultados definidos: los sistemas cuánticos tienen superposiciones, pero las mediciones cuánticas sólo dan un resultado definido. [1] [2]
La función de onda en mecánica cuántica evoluciona de manera 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 se encontraba el sistema cuando se realizó la medición, lo que significa que la medición "hizo algo" al 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 expresarlo de otra manera (parafraseando a Steven Weinberg ), [3] [4] la ecuación de Schrödinger determina la función de onda en cualquier momento posterior. Si los observadores y sus aparatos de medición se describen a sí mismos mediante una función de onda determinista, ¿por qué no podemos predecir resultados precisos de las mediciones, sino solo probabilidades? Como pregunta general: ¿cómo se puede establecer una correspondencia entre la realidad cuántica y la realidad clásica? [5]
Un experimento mental llamado el gato de Schrödinger ilustra el problema de la medición. Se dispone un mecanismo para matar a un gato si ocurre un evento cuántico, como la desintegración de un átomo radiactivo. El mecanismo y el gato están encerrados en una cámara, por lo que el destino del gato es desconocido hasta que se abre la cámara. Antes de la observación, según la mecánica cuántica, el átomo está en una superposición cuántica , una combinación lineal de estados desintegrados e intactos. También según la mecánica cuántica, el sistema compuesto átomo-mecanismo-gato se describe mediante superposiciones de estados compuestos. Por lo tanto, el gato se describiría como en una superposición, una combinación lineal de dos estados: un "átomo intacto-gato vivo" y un "átomo desintegrado-gato muerto". Sin embargo, cuando se abre la cámara, el gato está vivo o está muerto: no se observa ninguna superposición. Después de la medición, el gato está definitivamente vivo o muerto. [6] : 154
El escenario del gato ilustra el problema de la medición: ¿cómo puede una superposición indefinida producir un único resultado definido? También ilustra otros problemas en la medición cuántica, [7] : 585 incluyendo ¿cuándo se produce una medición? ¿Fue cuando se observó al gato? ¿Cómo se define un aparato de medición? ¿El mecanismo para detectar la desintegración radiactiva? ¿El gato? ¿La cámara? ¿Cuál es el papel del observador ?
Las opiniones que suelen agruparse bajo el nombre de interpretación de Copenhague son las más antiguas y, en conjunto, probablemente aún la actitud más extendida sobre la mecánica cuántica. [8] [9] N. David Mermin acuñó la frase "¡Cállate y calcula!" para resumir las opiniones de tipo Copenhague, un dicho que a menudo se atribuye erróneamente a Richard Feynman y que Mermin más tarde consideró insuficientemente matizado. [10] [11]
En general, las opiniones de la tradición de Copenhague postulan que en el acto de observación hay algo que da como resultado el colapso de la función de onda . Este concepto, aunque a menudo se atribuye a Niels Bohr , se debió a Werner Heisenberg , cuyos escritos posteriores oscurecieron muchos desacuerdos que él y Bohr tuvieron durante su colaboración y que los dos nunca resolvieron. [12] [13] 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. [14] [15] Cómo entender exactamente este proceso sigue siendo un tema de disputa. [16]
Bohr expuso sus puntos de vista en una carta de 1947 a Pauli. [17] Bohr señala que los procesos de medición como las cámaras de nubes o las placas fotográficas implican una enorme amplificación que requiere energías muy superiores a los efectos cuánticos estudiados y señala que estos procesos son irreversibles. [18] Consideraba que una explicación coherente de esta cuestión era un problema sin resolver.
La interpretación de los múltiples mundos de Hugh Everett intenta resolver el problema sugiriendo que sólo hay una función de onda, la superposición de todo el universo, y que nunca colapsa, por lo que no hay un 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 vivo/científico feliz . Everett también intentó demostrar cómo aparecería la naturaleza probabilística de la mecánica cuántica en las mediciones, un trabajo ampliado posteriormente 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. [19] [20]
La teoría de De Broglie-Bohm intenta resolver el problema de la medición de una manera muy diferente: la información que describe el sistema no sólo contiene la función de onda, sino también datos complementarios (una trayectoria) que indican 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 sigue siendo coherente 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. [21]
Un cuarto enfoque es dado por 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. Sin embargo, para los objetos macroscópicos, 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 y Penrose . 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 donde se pueden probar estas predicciones. [22]
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 "golpe", o colapso espontáneo de la función de onda, del orden de una vez cada cien millones de años. [23] 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 entrelazado (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 predicciones diferentes de la mecánica cuántica ortodoxa en algunas condiciones, no es una interpretación de la mecánica cuántica en un sentido estricto.
Erich Joos y Heinz-Dieter Zeh afirman que el fenómeno de la decoherencia cuántica , que se estableció firmemente en la década de 1980, resuelve el problema. [24] La idea es que el entorno causa la apariencia clásica de los objetos macroscópicos. Zeh afirma además que la decoherencia permite identificar el límite difuso entre el micromundo cuántico y el mundo donde es aplicable la intuición clásica. [25] [26] La decoherencia cuántica se convierte en una parte importante de algunas actualizaciones modernas de la interpretación de Copenhague basada en historias consistentes . [27] [28] 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. Véase, por ejemplo, Zurek, [5] Zeh [25] y Schlosshauer. [29]
La situación actual se está aclarando poco a poco, como se describe en un artículo de 2006 de Schlosshauer de la siguiente manera: [30]
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 mayores contradice tal dictamen. Las superposiciones parecen ser estados nuevos e individuales, a menudo sin ninguna contraparte clásica. Sólo las interacciones físicas entre sistemas determinan entonces una descomposición particular en estados clásicos desde el punto de vista de cada sistema particular. Por lo tanto, los conceptos clásicos deben entenderse como emergentes localmente en un sentido de estado relativo y ya no deberían reclamar un papel fundamental en la teoría física.
Para un tratamiento más técnico de las matemáticas involucradas en el tema, véase Medición en mecánica cuántica .
Muchos han enfatizado el papel de la irreversibilidad en la teoría de la medición. Solo de esta manera se puede obtener un registro permanente. El hecho de que las posiciones de puntero separadas deben ser de la naturaleza asintótica generalmente asociada con la irreversibilidad se ha utilizado en la teoría de la medición de Daneri, Loinger y Prosperi (1962). Ha sido aceptado como una representación formal de las ideas de Bohr por Rosenfeld (1966).
