¿No habría en cada partícula del universo alguna forma de medición en un momento dado?

Question

Sé que este es probablemente un punto de confusión común, pero tengo una pregunta específica sobre las mediciones en la Mecánica Cuántica. He leído una explicación sobre esto pero sigue teniendo un punto de confusión.

La explicación de por qué una medición afecta de algún modo a lo que ocurre en un experimento cuántico, por ejemplo el experimento de la doble rendija, parece ser que al medir, incluso sólo al observar, interactuamos con el sistema y hacemos que la "función de onda colapse". Pero me parece que, con una definición tan amplia de "medición", todas las partículas, en cualquier lugar del universo, serían de alguna manera medidas en cualquier momento.

Esta respuesta explica que la luz es una forma de medición, pero la luz, después de todo, no es la única forma de realizar mediciones, ya que muy a menudo medimos las cosas puramente con la gravedad, y ¿acaso todas las partículas del universo no estarían sujetas a (y serían la fuente de) alguna traza de gravedad? ¿O acaso algunos interacción con alguna otra partícula, de alguna manera o forma? Parece que la respuesta sería afirmativa. Así que parece que nunca podríamos observar un experimento sin ese colapso.

Con las "mediciones" de la mecánica cuántica, las interacciones propiamente dichas, ¿por qué no se producen siempre?

Answer 1

Lo que usted describe es el proceso conocido como decoherencia En el caso de los sistemas cuánticos, cualquier interacción con su entorno (por ejemplo, con fotones u otras partículas que pasen por allí, y, sí, muy probablemente interactuando a través de la gravedad, aunque todavía no tenemos una teoría que lo describa completamente) tiene el potencial de destruir su naturaleza genuinamente cuántica, convirtiendo las superposiciones cuánticas en meras estadísticas clásicas. Este proceso es, de hecho, la primera mitad de una medición, siendo la segunda mitad la lectura del resultado que resuelve la superposición estadística restante en un único resultado.

Pero la decoherencia no es un proceso instantáneo de todo o nada: es progresivo en el tiempo, y cuanto más débil sea la interacción entre un sistema y su entorno, más lento será su decoherencia. Cuando realizamos una medición, hacemos deliberadamente que la interacción sea lo suficientemente fuerte y esperamos el tiempo suficiente para que se produzca la decoherencia completa, de modo que se pueda obtener un resultado. Pero entre las mediciones deliberadas, podemos hacer que la decoherencia sea tan débil como para que sea insignificante, al menos durante la duración del experimento, de modo que la evolución sea (casi) verdaderamente cuántica. Es relativamente fácil para, por ejemplo, átomos individuales a muy baja temperatura, pero se vuelve más y más difícil cuanto más grande es el sistema (es, por ejemplo, un obstáculo bien conocido y muy real para diseñar ordenadores cuánticos con suficientes qubits). En la práctica, la gravedad no suele ser el factor limitante, ya que se trata de una interacción muy débil.

Answer 2

Este tema también me dio problemas. La base fundamental para responderlo es mirar decoherencia .

Básicamente, cualquier interacción en la mecánica cuántica produce el resultado coherente esperado que proviene de la interacción de dos partículas. A menudo esto conduce a un entrelazamiento de sus estados. Si hemos construido las partículas con un estado previo conocido, podemos hacer afirmaciones sobre el estado de las partículas (como afirmaciones probabilísticas sobre el momento o el espín).

Sin embargo, ¿qué ocurre si no conocemos ninguna información sobre una de las partículas? ¿Qué pasa si ha llegado desde el exterior? En ese caso, no tenemos conocimiento del estado. Lo mejor que podemos hacer es hablar de su estado como una variable aleatoria y aplicar la estadística. El resultado es una función de densidad que muestra la probabilidad de que nuestra partícula bajo prueba se encuentre en un estado determinado.

Si se hace esto suficientes veces con partículas cuyo estado es Independiente e Idénticamente Disputado (IID), la "cuántica" de la partícula empieza a desaparecer. A medida que aumenta el número de interacciones, empieza a aplicarse el teorema del límite central, y la varianza en el estado resultante predicho disminuye. Finalmente, cuando la varianza es lo suficientemente baja, empezamos a decir que la partícula está "medida" y que tiene un estado que coincide con el valor esperado.

Este es, por supuesto, un punto de vista relativamente nuevo. El uso original de la medición era para explicar cómo el inusual mundo cuántico podía interactuar con el mundo "clásico", y en particular con los seres clásicos como nosotros, los seres humanos. Esto ha dado lugar a las famosas interpretaciones de la Mecánica Cuántica. La decoherencia es otra forma de explicar este efecto. En lugar de ofrecer la medida filosóficamente perfecta de una de las interpretaciones, ofrece un proceso estadístico cuyo límite es el mismo que los resultados predichos de las otras interpretaciones.

Puede ser interesante el concepto de mediciones débiles . Las mediciones débiles están diseñadas para proporcionar alguna medición conservando la mayor parte de la coherencia cuántica.

Answer 3

No todas las interacciones son mediciones o colapsan la función de onda. Cuando la luz se refleja en un espejo, la información de fase se conserva. Como cada fotón individual golpea el espejo y se dispersa en un electrón, el fotón no golpea el espejo en un solo punto ni interactúa con un solo electrón. Por el contrario, cada fotón golpea todo el espejo e interactúa con todos los electrones del espejo. En otras palabras, debido al principio de incertidumbre, la interacción es una superposición de interacciones con cada electrón del espejo. Esta incertidumbre evita que la función de onda del fotón se colapse.

El mismo concepto se aplica a otros procesos colectivos, incluido el viaje del fotón por el espacio, ya sea plano o curvado por la gravedad. Si se permite que el fotón tome cualquier trayectoria, entonces el fotón las toma todas simultáneamente con diferentes probabilidades y, por tanto, actúa como una onda. En este caso, la trayectoria del fotón a través del espacio es una superposición de todas las trayectorias posibles. Por lo tanto, la gravedad no colapsa la función de onda del fotón (al menos mientras se aleja de los agujeros negros).

Además, ciertas partículas tienen una baja probabilidad de interacción, por ejemplo, los neutrinos que pueden volar por el universo como por un espacio prácticamente vacío. Además, las hipotéticas partículas de la materia oscura pueden no interactuar en absoluto más que a través de la gravedad, mientras que las interacciones gravitatorias serían casi siempre un proceso colectivo descrito anteriormente que no colapsaría la función de onda.

La ciencia consiste en predecir resultados prácticos. Sin embargo, su pregunta parece más bien hipotética. Tanto si la respuesta es afirmativa como negativa, no parece haber ninguna diferencia práctica en ambos casos. Por último, la mecánica cuántica no describe por sí sola el universo en su conjunto. Para ello es necesario que la gravedad cuántica considere el espacio-tiempo como una función y no como un conjunto de variables independientes, lo que convierte a este mundo en una proyección. Así pues, su pregunta no podrá responderse plenamente hasta que se haya desarrollado la gravedad cuántica.