El problema de medición en la mecánica cuántica es el problema de determinar cuándo ( y si ) ocurre el colapso de la función de onda . El hecho de no observar directamente tal colapso ha dado lugar a diferentes interpretaciones de la mecánica cuántica y ha planteado un conjunto clave de preguntas que cada interpretación debe responder.
La función de onda en la mecánica cuántica 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 determinado. Cualquier evolución posterior de la función de onda se basa en el estado en el que se encontraba el sistema en la medición, lo que significa que la medición "hizo algo" en el sistema, lo que claramente no es una consecuencia de la evolución de Schrödinger. El problema de la medida describe qué es ese “algo”, cómo una superposición de muchos valores posibles se convierte en un único valor medido.
En otras palabras (parafraseando a Steven Weinberg [1] [2] ), la ecuación de onda de Schrödinger determina la función de onda en cualquier momento posterior. Si los observadores y sus instrumentos de medición se describen mediante una función de onda determinista, ¿por qué no podemos predecir el resultado exacto de las mediciones, sino solo las probabilidades? O más en general: ¿Cómo se puede establecer una correspondencia entre la realidad cuántica y la clásica? [3]
Un experimento mental que se utiliza a menudo para ilustrar el problema de la medición es la "paradoja" del gato de Schrödinger . El mecanismo está diseñado para matar al gato si ocurre algún evento cuántico, como la descomposición de un átomo radiactivo. Así, el destino del objeto masivo, el gato, está entrelazado con el destino del objeto cuántico, el átomo. Antes de la observación, según la ecuación de Schrödinger y numerosos experimentos con partículas, el átomo se encuentra en una superposición cuántica , una combinación lineal de estados decaídos y no decaídos que evolucionan con el tiempo. Por lo tanto, el gato también debe estar en una superposición, una combinación lineal de estados que pueden caracterizarse como "gato vivo" y estados que pueden caracterizarse como "gato muerto". Cada una de estas posibilidades está asociada con una amplitud de probabilidad distinta de cero específica . Sin embargo, una sola observación separada de un gato no encuentra una superposición: siempre encuentra un gato vivo o un gato muerto. Después de la observación, el gato definitivamente está vivo o muerto. Pregunta: ¿Cómo se traducen las probabilidades en un resultado clásico real y bien definido?
La interpretación de Copenhague es la interpretación más antigua y quizás aún la más aceptada de la mecánica cuántica. [4] [5] [6] [7] En general, postula que hay algo en el acto de observación que hace que la función de onda colapse . Cómo sucede esto es un tema de controversia. En general, los defensores de la Interpretación de Copenhague tienden a ser intolerantes con las explicaciones epistemológicas del mecanismo subyacente. Esta posición se resume en el mantra frecuentemente citado "¡Cállate y calcula!" [ocho]
La interpretación de los muchos mundos de Hugh Everett intenta resolver el problema asumiendo que solo hay una función de onda, la superposición de todo el universo, y que nunca colapsa, por lo que no hay problema de medición. En cambio, el acto de medir es simplemente una interacción entre objetos cuánticos, por ejemplo, un observador, un instrumento de medición, un electrón/positrón, etc., que se enredan para formar un solo objeto más grande, por ejemplo, un gato vivo/científico feliz . Everett también intentó demostrar cómo la naturaleza probabilística de la mecánica cuántica podría aparecer en una medición; el trabajo es posteriormente ampliado por Bryce DeWitt .
La teoría de de Broglie-Bohm trata de 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 adicionales (trayectoria) que brindan información sobre la posición de la(s) partícula(s). El papel de la función de onda es formar un campo de velocidad para las partículas. Estas velocidades son tales que la distribución de probabilidad de las partículas permanece constante con las predicciones de la mecánica cuántica convencional. De acuerdo con la teoría de De Broglie-Bohm, la interacción con el entorno durante el procedimiento de medición separa los paquetes de ondas (grupos) en el espacio de configuración, de donde obviamente viene el colapso de la función de onda , aunque en realidad no hay colapso.
La teoría de Ghirardi-Rimini-Weber se diferencia de otras teorías del colapso al suponer que el colapso de la función de onda ocurre espontáneamente. Las partículas tienen una probabilidad distinta de cero de sufrir un "golpe" o un colapso espontáneo de la función de onda del orden de una vez cada cien millones de años. [9] Aunque el colapso es muy raro, el número absoluto 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 partícula inicia el colapso de todo el instrumento de medición.
Erich Yus y en:H. Dieter Zeh afirma que el fenómeno de la decoherencia cuántica , que despegó en la década de 1980, resuelve el problema. [10] La idea es que el entorno es el causante de la clásica aparición de los objetos macroscópicos. Zech continúa afirmando que la decoherencia permite identificar ese límite borroso entre el microcosmos cuántico y el mundo donde se aplica la intuición clásica. [11] [12] La decoherencia cuántica se ha propuesto en el contexto de la interpretación de muchos mundos , pero también se está convirtiendo en una parte importante de algunas actualizaciones modernas de la interpretación de Copenhague basadas en historias consensuales . [13] [14] La decoherencia cuántica no describe el colapso real de la función de onda, pero explica la transición de las probabilidades cuánticas (que exhiben efectos de interferencia) a las probabilidades clásicas ordinarias. Véase, por ejemplo, Zurek [3] , Zech [11] y Schlosshauer [15] .
Esta situación se está volviendo cada vez más clara, como se describe en un artículo de 2006 de Schlosshauer [16] :
En el pasado se han presentado varias propuestas de no decoherencia para explicar el significado de las probabilidades y se ha llegado a la regla de Born... Es justo decir que aparentemente no se ha llegado a ninguna conclusión definitiva sobre el éxito de estas conclusiones. … Como es bien sabido [como insisten muchas de las notas de Bohr] el papel fundamental de los conceptos clásicos. La prueba experimental de superposiciones de estados macroscópicamente diferentes en escalas de longitud cada vez mayores contradice tal dicho. Las superposiciones resultan ser estados inusuales e individuales, a menudo sin gemelos. Sólo las interacciones físicas entre sistemas determinan la descomposición específica en estados clásicos desde el punto de vista de cada sistema específico. Así, los conceptos clásicos deben entenderse como que surgen localmente en el sentido de un estado relativo, y ya no deben reclamar un papel fundamental en la teoría física.El cuarto enfoque está dado por modelos de reducción objetiva . En tales modelos, la ecuación de Schrödinger se modifica y adquiere condiciones no lineales. Estas modificaciones no lineales de naturaleza estocástica conducen a un comportamiento que, para objetos cuánticos microscópicos, como electrones o átomos, es inmensamente cercano al obtenido por la ecuación ordinaria de Schrödinger. Sin embargo, para los objetos macroscópicos, esta modificación no lineal se vuelve importante y provoca el colapso de la función de onda. Los modelos de reducción objetiva se refieren a teorías fenomenológicas . Se considera que la modificación estocástica se debe a algún campo externo no cuántico, pero se desconoce la naturaleza de este campo. Un posible candidato es la interacción gravitacional tanto en los modelos de Diosi como en la interpretación de Penrose . La principal diferencia entre los modelos de reducción objetiva en comparación con otros intentos es que hacen predicciones falsificables que difieren de la mecánica cuántica estándar. Los experimentos ya están cerca del régimen de parámetros donde se pueden probar estas predicciones. [17]