Problema de medición

En mecánica cuántica , el problema de la medición es el problema de los resultados definidos: los sistemas cuánticos tienen superposiciones, pero las mediciones cuánticas solo dan un resultado definido. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

En mecánica cuántica, la función de onda evoluciona de forma 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 al realizar la medición, lo que significa que la medición "hizo algo" al sistema que no es una consecuencia obvia de la evolución de Schrödinger . El problema de la medición radica en 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 instante posterior. Si los observadores y sus aparatos de medición se describen mediante una función de onda determinista, ¿por qué no podemos predecir resultados precisos para 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 se desconoce el destino del gato hasta que se abre la cámara. Antes de la observación, según la mecánica cuántica, el átomo se encuentra 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 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 ocurre 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 a menudo se agrupan bajo la interpretación de Copenhague son las más antiguas y, en conjunto, probablemente siguen siendo la postura 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 consideró posteriormente insuficientemente matizado. ^{[ 10 ] [ 11 ]}

En general, las perspectivas de la tradición de Copenhague postulan que existe algo en el acto de observación que resulta en el colapso de la función de onda . Este concepto, aunque a menudo atribuido a Niels Bohr , se debe a Werner Heisenberg , cuyos escritos posteriores oscurecieron muchos desacuerdos que él y Bohr tuvieron durante su colaboración y que nunca resolvieron. ^{[ 12 ] [ 13 ]} En estas escuelas de pensamiento, las funciones de onda pueden considerarse 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 ]} La forma exacta de entender este proceso sigue siendo un tema de debate. ^{[ 16 ]}

Bohr expuso sus puntos de vista en una carta a Pauli en 1947. ^{[ 17 ]} Bohr señala que los procesos de medición, como las cámaras de niebla o las placas fotográficas, implican una amplificación enorme que requiere energías muy superiores a los efectos cuánticos que se estudian, y observa que estos procesos son irreversibles. ^{[ 18 ]} Consideraba que una explicación coherente de este asunto era un problema sin resolver.

La interpretación de los muchos mundos de Hugh Everett intenta resolver el problema sugiriendo que solo existe una función de onda, la superposición de todo el universo, y que esta nunca colapsa; por lo tanto, no hay problema de medición. En cambio, el acto de medir es simplemente una interacción entre entidades cuánticas, por ejemplo, observador, instrumento de medición, electrón/positrón, etc., que se entrelazan para formar una única entidad mayor, por ejemplo, gato vivo/científico feliz . Everett también intentó demostrar cómo se manifestaría la naturaleza probabilística de la mecánica cuántica en las mediciones, un trabajo que posteriormente amplió 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 contiene no solo la función de onda, sino también datos suplementarios (una trayectoria) que indican la posición de la(s) partícula(s). La función de onda genera el campo de velocidad de las partículas. Estas velocidades son tales que la distribución de probabilidad de la partícula se mantiene consistente 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, de donde proviene el aparente colapso de la función de onda, aunque en realidad no exista tal colapso. ^{[ 21 ]}

Un cuarto enfoque lo constituyen los modelos de colapso objetivo . En estos modelos, la ecuación de Schrödinger se modifica y obtiene términos no lineales. Estas modificaciones no lineales son de naturaleza estocástica y dan lugar a un comportamiento que, para objetos cuánticos microscópicos, como electrones o átomos, es inconmensurablemente cercano al que proporciona la ecuación de Schrödinger habitual. Sin embargo, para objetos macroscópicos, la modificación no lineal cobra importancia 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 gravitatoria, como en los modelos de Diósi y Penrose . La principal diferencia de los modelos de colapso objetivo con respecto a los otros enfoques es que realizan predicciones falsables que difieren de la mecánica cuántica estándar. Los experimentos ya se están acercando al régimen de parámetros en el que se pueden comprobar 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 no nula de sufrir un "impacto", 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 implica que la probabilidad de que ocurra un colapso en algún punto 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 a las de la mecánica cuántica ortodoxa en ciertas condiciones, no es una interpretación de la mecánica cuántica en sentido estricto.

Erich Joos y Heinz-Dieter Zeh afirman que el fenómeno de la decoherencia cuántica , que se estableció con fundamentos sólidos 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 se aplica la intuición clásica. ^{[ 25 ] [ 26 ]} La decoherencia cuántica se convierte en una parte importante de algunas actualizaciones modernas de la interpretación de Copenhague basadas en historias consistentes . ^{[ 27 ] [ 28 ]} La decoherencia cuántica no describe el colapso real de la función de onda, sino que 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 lentamente, descrita en un artículo de Schlosshauer de 2006 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 ... Cabe decir que no parece haberse alcanzado ninguna conclusión decisiva sobre el éxito de estas derivaciones.

Como es bien sabido, [muchos trabajos 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 afirmación. Las superposiciones parecen ser estados novedosos y existentes individualmente, a menudo sin contrapartes clásicas. Solo las interacciones físicas entre sistemas determinan entonces una descomposición particular en estados clásicos desde la perspectiva de cada sistema en 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 implicadas en el tema, véase Medición en mecánica cuántica .

• R. Buniy, S. Hsu y A. Zee Sobre el origen de la probabilidad en la mecánica cuántica (2006)
• Bell, John Stewart (1990), "Contra la 'medición'"", Physics World , 3 (8): 33– 41, doi : 10.1088/2058-7058/3/8/26.