Observador (física cuántica)

Algunas interpretaciones de la mecánica cuántica postulan un papel central para el observador de un fenómeno cuántico. ^{[ 1 ]} El observador cuántico está vinculado al efecto del observador , donde una medición requiere necesariamente interactuar con el objeto físico que se mide, afectando sus propiedades a través de dicha interacción. El término "observable" ha adquirido un significado técnico, denotando un operador autoadjunto que representa los posibles resultados de una variable aleatoria . ^{[ 2 ] : 55}

El fundamento teórico del concepto de medición en mecánica cuántica es un tema controvertido profundamente ligado a las numerosas interpretaciones de esta disciplina . Un punto clave es el del colapso de la función de onda , para el cual varias interpretaciones populares afirman que la medición provoca un cambio discontinuo en un autoestado del operador asociado a la magnitud medida, un cambio que no es reversible en el tiempo.

Más explícitamente, el principio de superposición ( ψ = Σ _n a _n ψ _n ) de la física cuántica dicta que para una función de onda ψ , una medición dará como resultado un estado del sistema cuántico de uno de los m posibles autovalores f _n , n = 1, 2, ..., m , del operador ∧ F que está en el espacio de las autofunciones ψ _n , n = 1, 2, ..., m .

Una vez que se ha medido el sistema, se conoce su estado actual; y esto impide que se encuentre en alguno de sus otros estados: aparentemente se ha decoherido de ellos sin perspectivas de futuras interferencias cuánticas fuertes. ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]} Esto significa que el tipo de medición que se realiza en el sistema afecta al estado final del sistema.

Una situación estudiada experimentalmente relacionada con esto es el efecto Zeno cuántico , en el que un estado cuántico decaería si se dejara solo, pero no decae debido a su observación continua. La dinámica de un sistema cuántico bajo observación continua se describe mediante una ecuación maestra estocástica cuántica conocida como ecuación de Belavkin . ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]} Estudios posteriores han demostrado que incluso observar los resultados después de que se produce el fotón conduce al colapso de la función de onda y a la carga de un historial anterior, como lo muestra el borrador cuántico de elección retardada . ^{[ 9 ]}

Al hablar de la función de onda ψ, que describe el estado de un sistema en mecánica cuántica, conviene tener cuidado con la idea errónea de que la función de onda ψ equivale al objeto físico que describe. Este concepto, por lo tanto, requeriría la existencia de un mecanismo externo, como un instrumento de medición, ajeno a los principios que rigen la evolución temporal de la función de onda ψ , para explicar el llamado " colapso de la función de onda " tras una medición. Sin embargo, la función de onda ψ no es un objeto físico como, por ejemplo, un átomo, que posee masa, carga y espín observables, además de grados de libertad internos. En cambio, ψ es una función matemática abstracta que contiene toda la información estadística que un observador puede obtener a partir de las mediciones de un sistema dado. En este caso, no hay misterio alguno en que esta forma matemática de la función de onda ψ deba cambiar abruptamente tras una medición.

Una consecuencia del teorema de Bell es que la medición realizada sobre una de dos partículas entrelazadas puede parecer que tiene un efecto no local sobre la otra partícula. Surgen problemas adicionales relacionados con la decoherencia cuando el observador se modela como un sistema cuántico.

La interpretación de Copenhague , que es la interpretación de la mecánica cuántica más ampliamente aceptada entre los físicos, ^{[ 1 ] [ 10 ] : 248} postula que un "observador" o una "medición" es simplemente un proceso físico. Uno de los fundadores de la interpretación de Copenhague, Werner Heisenberg , escribió:

Por supuesto, la introducción del observador no debe malinterpretarse como una introducción de características subjetivas a la descripción de la naturaleza. El observador, más bien, solo tiene la función de registrar decisiones, es decir, procesos en el espacio y el tiempo, y no importa si se trata de un aparato o un ser humano; pero el registro, es decir, la transición de lo "posible" a lo "real", es absolutamente necesario y no puede omitirse en la interpretación de la teoría cuántica. ^{[ 11 ]}

Niels Bohr , también fundador de la interpretación de Copenhague, escribió:

Toda la información inequívoca sobre los objetos atómicos se deriva de las marcas permanentes, como una mancha en una placa fotográfica, causadas por el impacto de un electrón sobre los cuerpos que definen las condiciones experimentales. Lejos de implicar una complejidad especial, los efectos de amplificación irreversibles en los que se basa el registro de la presencia de objetos atómicos nos recuerdan la irreversibilidad esencial inherente al concepto mismo de observación. La descripción de los fenómenos atómicos tiene, en este sentido, un carácter perfectamente objetivo, ya que no se hace referencia explícita a ningún observador individual y, por lo tanto, teniendo en cuenta las exigencias relativistas, no existe ambigüedad en la comunicación de la información. ^{[ 12 ]}

Asimismo, Asher Peres afirmó que los "observadores" en física cuántica son

similar a los omnipresentes "observadores" que envían y reciben señales luminosas en la relatividad especial . Obviamente, esta terminología no implica la presencia real de seres humanos. Estos físicos ficticios bien podrían ser autómatas inanimados que pueden realizar todas las tareas requeridas, si se programan adecuadamente. ^{[ 13 ] : 12}

Los críticos del papel especial del observador también señalan que los observadores pueden ser observados, lo que da lugar a paradojas como la del amigo de Wigner ; y que no está claro cuánta consciencia se requiere. Como preguntó John Bell : "¿Estuvo la función de onda esperando miles de millones de años para saltar hasta que apareciera un ser vivo unicelular? ¿O tuvo que esperar un poco más a algún medidor altamente cualificado, con un doctorado?" ^{[ 14 ]}

La prominencia de ideas aparentemente subjetivas o antropocéntricas como la de "observador" en el desarrollo inicial de la teoría ha sido una fuente constante de inquietud y disputa filosófica . ^{[ 15 ]} Varias perspectivas religiosas o filosóficas de la Nueva Era otorgan al observador un papel más especial o imponen restricciones sobre quién o qué puede ser un observador. Como ejemplo de tales afirmaciones, Fritjof Capra declaró: "La característica crucial de la física atómica es que el observador humano no solo es necesario para observar las propiedades de un objeto, sino que es necesario incluso para definir estas propiedades". ^{[ 16 ]} No existe ninguna investigación creíble revisada por pares que respalde tales afirmaciones.

El principio de incertidumbre se ha confundido frecuentemente con el efecto del observador, incluso por su creador, Werner Heisenberg . ^{[ 17 ]} En su forma estándar, el principio de incertidumbre describe un límite superior a la precisión con la que se puede medir simultáneamente la posición y el momento de una partícula, con la consecuencia de que, al operar en este límite, aumentar la precisión de la medición de cualquiera de las magnitudes requiere disminuir la precisión de la medición de la otra. ^{[ 18 ]}

Una versión alternativa del principio de incertidumbre, ^{[ 19 ]} más en el espíritu de un efecto del observador, ^{[ 20 ]} explica completamente la perturbación que el observador tiene sobre un sistema y el error incurrido, aunque esta no es la forma más común en que se usa el término "principio de incertidumbre" en la práctica.

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