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¿Puede la interpretación de Montevideo de la mecánica cuántica hacer lo que afirma?

Inspirado en parte por las grandes respuestas a a mi pregunta anterior de physics.SE sobre la "inversión de la decoherencia gravitacional Hoy estaba releyendo los intrigantes artículos de Gambini, Pullin, Porto y otros, sobre lo que llaman la "interpretación de Montevideo" de la mecánica cuántica. Han escrito muchos artículos sobre este tema con un contenido que se solapa en parte; ver aquí para obtener una lista.

El objetivo general aquí es tratar de identificar, dentro de las leyes de la física (más o menos conocidas), una fuente de decoherencia que sería irreversible por razones de física fundamental en lugar de sólo asombrarse duro de revertir tecnológicamente. Se puede discutir filosóficamente sobre si alguien debería preocuparse por eso, si esa fuente de decoherencia es necesaria o suficiente para "resolver el problema de la medición", etc. Aquí, sin embargo, estoy interesado exclusivamente en la cuestión más estrecha de si tal fuente de decoherencia existe .

La idea básica de Gambini et al. es fácil de explicar: las consideraciones de gravedad cuántica (por ejemplo, el límite de Bekenstein) ponen muy plausiblemente límites fundamentales a la precisión de los relojes. Así, al realizar un experimento de interferencia cuántica, no podemos saber exactamente cuando hacer la medición y, por supuesto, ¡los estados propios de energía giran constantemente! Así que, sólo por esa razón (¡si no por otra!), podemos pensar en cualquier estado puro que midamos como "un poco manchado" en un estado mixto, las entradas fuera de diagonal en la matriz de densidad un poco menos que el máximo.

Más concretamente, Gambini et al. afirman el siguiente límite superior aproximado para las magnitudes de los elementos no diagonales. Aquí, T es el tiempo transcurrido entre el inicio del experimento y la medición, T planck es el tiempo de Planck, y E A -E B es la diferencia de energía entre las dos cosas que se mantienen en superposición (para que $\frac{E_A - E_B}{\hbar}$ es la frecuencia de Bohr).

(1) $\left| \rho_{offdiagonal} \right| \lt \exp \left( -\frac{2}{3} T_{planck}^{4/3}T^{2/3} \left( \frac{E_A - E_B}{\hbar} \right)^{2} \right).$

Si E A -E B fuera igual a (digamos) la masa-energía de unos pocos millones de protones, entonces (1) podría ciertamente conducir a efectos observables en escalas de tiempo razonables (como un segundo).

Ahora bien, puede ser que haya un error en el análisis de Gambini et al. o en mi comprensión del mismo, o que el análisis se base en supuestos tan especulativos que no se pueda decir realmente una cosa u otra. Si es así, ¡háganmelo saber!

Pero si nada de lo anterior se cumple, mi pregunta es la siguiente:

¿Puede el límite (1) hacer realmente algo parecido a lo que Gambini et al. afirman que hace, es decir, impedir que se observe la "interferencia macroscópica"? Más concretamente, ¿es realmente cierto que cualquier cosa que consideremos intuitivamente como una "superposición macroscópica" debe tener una gran E A -E B y, por tanto, una fase relativa entre los dos componentes que gira a una velocidad increíble? En principio, ¿por qué no podríamos preparar (digamos) un gato de Schrödinger en un estado propio de energía, con los componentes vivos y muertos con la misma energía (de modo que E A -E B \=0)? ¿No constituiría dicho estado un contraejemplo de lo que pretenden Gambini et al.

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itprofessional Puntos 151

Jorge Pullin me envió un correo electrónico respondiendo a mi pregunta y a las críticas de Ron Maimon. En caso de que la gente esté interesada, lo publico aquí con el amable permiso de Jorge. Me gustó especialmente su aclaración de que la interpretación de Montevideo es no realmente una "interpretación", sino una nueva física que hace nuevas y diferentes predicciones comprobables. En particular, en opinión de Jorge y Rodolfo, el argumento que dan en relación con los relojes es de carácter "motivacional"; no lo afirman como una derivación de los principios aceptados de la gravedad cuántica. --Scott


Empecemos por su propia pregunta. Creemos que se responde en este artículo de Paz y Zurek.

Límite cuántico de la decoherencia: Superselección de estados propios de energía inducida por el entorno. Juan Pablo Paz (U. de Buenos Aires), Wojciech Hubert Zurek (Los Álamos). Nov 1998. 4 pp. Publicado en Phys.Rev.Lett. 82 (1999) 5181-5185 DOI: 10.1103/PhysRevLett.82.5181 e-Print: quant-ph/9811026 [quant-ph] PDF

De hecho, nuestro enfoque puede considerarse como una finalización del enfoque de la decoherencia ambiental ambiental. Paz y Zurek han demostrado que la base de los punteros está definida por los vectores propios del hamiltoniano de interacción y el auto-hamiltoniano. No está claro si los estados punteros pueden definirse entre los estados propios que pertenecen al mismo nivel propio del hamiltoniano dominante. Si ese fuera el caso, nuestros axiomas no conducirían a la producción de eventos para un gato de Schroedinger que implicara estados de ese tipo.

En cuanto a los puntos planteados por Maimón, hay varios, algunos explícitos y otros implícitos, por lo que intentaremos intentaremos tratarlos por separado:

a) Su primer punto es que no hay fase relativa en dos sistemas que interactúan porque la teoría subyacente es la mecánica cuántica ordinaria. Creemos que esto es un malentendido de lo que hacemos. O quizás no lo hemos explicado con claridad. Aunque se habla de una "interpretación de la mecánica cuántica", la interpretación de Montevideo tiene una nueva física, descrita por la ecuación de Schroedinger modificada que tenemos. Esto queda claro, por ejemplo, cuando la formulamos axiomáticamente. Por cierto, un lugar conveniente para encontrar nuestros documentos es en http://www.montevideointerpretation.com

Como resultado, los sistemas pierden la coherencia relativa. Se puede motivar la nueva física en la imposibilidad de observar con precisión la mecánica cuántica ordinaria, y lo hicimos en algunos de los artículos, pero en algún momento hay que admitir que se trata de una nueva física. La nueva física surge naturalmente de las descripciones relacionales que son adecuadas para las teorías generalmente covariantes como la relatividad general. En el artículo de Torterolo et al. mostramos que en ese contexto lo único que se puede calcular son probabilidades condicionales entre observables que evolucionan en el tiempo inobservable. Uno podría extender ese cálculo incluyendo un segundo reloj. Pero incluso si uno preparó ambos relojes en el mismo estado inicial, después de algún tiempo los relojes no estarán de acuerdo en los tiempos asignados a cada medición, al contrario de lo que afirma Maimon.

b) En cuanto a su punto de los fotones, si se pudiera poner la pantalla muy muy lejos, sostenemos que efectivamente la interferencia desaparecería. Pero obviamente en cualquier experimento factible el efecto es demasiado pequeño para ser observado. Nos gustaría que fuera más fácil, entonces haría que todo el paradigma fuera comprobable experimentalmente. Desgraciadamente, la única manera de ver el efecto es tener estados del tipo del gato de Schroedinger con enormes diferencias de energía en comparación con lo que hay a nivel atómico. Eso no es fácil de encontrar en el laboratorio.

c) En cuanto a la parte del kool aid, también estamos de acuerdo contigo. Dudo que mucha gente, aparte de algunos fanáticos de las cuerdas, afirme que la teoría de cuerdas resuelve el problema del tiempo en sistemas generalmente covariantes. Por no hablar del hecho de que el universo real no es AdS.

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heathrow Puntos 25

No, no puede. Esto no es una interpretación, ni una nueva teoría, es un malentendido. Los documentos son vacíos, y no de forma interesante.

¿Qué hora es?

La idea básica es que no sabemos qué hora es, en realidad. Así que hacemos una distribución de probabilidad para saber qué hora es, y esto cambia la fase de la función de onda en una cantidad proporcional a lo mucho que no sabemos la hora. Entonces los autores afirman que esta incertidumbre introduce un fenómeno de decoherencia en la ecuación de Schrodinger, porque las fases de los estados propios de energía se desplazan en una cantidad incierta.

Esto es simplemente un error. La razón es que aunque no sabemos qué tiempo es, sabemos por la suposición del autor de que hay un tiempo de Schrodinger consistente (este es uno de sus axiomas) que sea la hora que sea es el mismo tiempo para dos cosas cualesquiera en la teoría. Así que mientras hay una incertidumbre en la fase de un sistema aislado por no saber qué tiempo es, no hay incertidumbre introducida en la fase relativa de dos sistemas que interactúan, y no hay decoherencia causada por esta incertidumbre, excepto por errores en el análisis.

Errores

Estos errores se introducen sutilmente al hacer una separación entre "observador" y "sistema", e introducir la distribución de probabilidad para la lectura del reloj sólo en aquellos casos en los que el observador está interactuando con el sistema, y cuando los observadores están interactuando entre sí, no cuando los sistemas están interactuando con los sistemas.

Por ejemplo, supongamos que tenemos un fotón dividido por un divisor de haz, con una parte que atraviesa un vidrio, y luego a través de una doble rendija para medir la interferencia. Esto funcionará, los haces permanecen coherentes, porque el fotón que atraviesa no excita ningún cuanto irreversible en el vidrio. Sin embargo, hay que tener en cuenta que el cristal es grande y macroscópico.

De todos modos, una vez que los fotones interfieren, se obtiene un patrón que no da importancia a la hora que es, sólo a la diferencia de fase relativa entre los dos fotones, la diferencia de camino en el sistema óptico. Así que al fotón no le importa que no sepamos qué hora es para el cristal, porque simplemente atraviesa el cristal y no, y sea la hora que sea, interfiere con el otro fotón, al que tampoco le importa qué hora es, porque es la misma que la del otro fotón.

Nótese que el fotón interactuó con este enorme vidrio, y todos los eventos de absorción y emisión atómica tuvieron que confluir coherentemente, aunque para el vidrio no sepamos qué hora es. La coherencia relativa se mantiene en todo momento.

Entonces, ¿cuándo aparece el problema del tiempo en estos papeles? Aparece cuando el observador se enreda con el sistema y, en ese momento, los autores declaran que la incertidumbre sobre qué tiempo es se manifiesta como una incertidumbre en la fase del sistema que mide el observador.

Si hay un segundo observador que mide otra cosa, introducen una incertidumbre en el tiempo del segundo observador. Pero luego, cuando los observadores llegan a hablar, los autores pretenden que los desplazamientos de fase de los dos observadores no están correlacionados, cuando en realidad la incertidumbre en el tiempo que es exactamente lo mismo para los dos observadores, porque es una incertidumbre en la misma variable global t que ambos desconocen.

Por lo tanto, sea cual sea la incertidumbre t para cada observador, los efectos de coherencia entre los dos observadores no se borran, a menos que se suponga que el t global real es diferente para los dos observadores, una suposición que está en desacuerdo con los postulados de la teoría, de que hay un tiempo global haciendo tictac por debajo de todo.

No hay problema de tiempo en la teoría de la matriz S

En contra de lo que afirman los autores, la teoría de cuerdas resuelve definitivamente y para siempre el problema del tiempo, de eso se trata. La solución fue la motivación para que Heisenberg introdujera la teoría de la matriz S en primer lugar, permite hacer una teoría en los casos en que el espacio y el tiempo no son fiables.

Una teoría de la matriz S no da una historia detallada de los eventos en el interior del espaciotiempo, sólo relaciona cosas en el límite con otras cosas en el límite. No tiene una variable de tiempo local real no asintótica, por lo que no puede describir en detalle fenómenos dependientes del tiempo, como la formación y evaporación de un agujero negro cuántico. Por eso nos encontramos en la vergonzosa situación de tener una descripción cuántica esencialmente exacta de la formación y evaporación de agujeros negros y, al mismo tiempo, no poder responder a algunas de las preguntas más sencillas sobre este proceso.

Así que si haces un cálculo de dispersión de cuerdas, o un cálculo de AdS/CFT usando estados de frontera, no tienes un problema de tiempo en el interior, no puedes, porque el tiempo en el interior simplemente no aparece en la descripción. En el mejor de los casos se reconstruye aproximadamente a partir del estado cuántico en la frontera.

Podrías decir "¡pero entonces qué pasa con el problema del tiempo en la frontera!", pero la teoría de la frontera es no gravitacional, y tampoco tiene un problema de tiempo. Este es el milagro de la teoría de cuerdas, y esto es lo que la convierte en la única candidata plausible para la gravedad cuántica los problemas filosóficos se evaporan completamente en la matriz S, es como si nunca hubieran existido.

Podrías objetar que hay una variable t en la hoja del mundo de la cuerda perturbativa, pero esto es un artefacto de la teoría perturbativa, de describir el proceso de dispersión de la cuerda en detalle usando estados intermedios, que luego interpretas como localizados en el tiempo. Esta interpretación no es del todo buena, no puedes asociar operadores locales a la cuerda. Si haces teoría de campos de cuerdas, tienes que hacerlo en el cono de luz, y entonces la historia de la cuerda se vuelve más o menos local a lo largo del frente de luz, pero la variable temporal del frente de luz va en diagonal en el espacio-tiempo, y el campo de la cuerda sólo está contando una historia local en las coordenadas transversales al par del cono de luz. Sigue siendo no local en el par luz-cono (tiempo y otra coordenada).

Si se diera la matriz-S exacta correcta en nuestro vacío, no habría ninguna variable-t en la matriz-S, sólo el estado de entrada y salida de la matriz-S que no hace referencia a ningún reloj. Se podría objetar que la matriz S da desplazamientos de fase en las ondas salientes, y para medir estos desplazamientos de fase se podría pensar que se necesita un reloj, pero esto no es así, ya que la fase relativa entre dos estados se puede determinar en principio realizando una segunda dispersión mucho más tardía que se puede aproximar como dos dispersiones separadas, y permitiendo que los productos dispersados en diferentes direcciones interfieran entre sí para formar franjas. Los cambios de fase de la dispersión original aparecen ahora en las direcciones k de la difracción de bragg de las dos ondas, y se puede reconstruir la información del cambio de fase a partir de datos complicados de la matriz de dispersión en principio sin necesidad de un reloj en el interior, simplemente considerando un estado interno más complicado.

Esto es exactamente lo que se hace con un fotón: lo dispersas por una doble rendija para convertir la diferencia de desplazamiento de fase en un patrón de difracción espacial. Esto no es oscuro en absoluto, aunque es imposible describir los elementos de la matriz s apropiados en detalle para cualquier experimento realista.

Esto significa que el problema del tiempo ni siquiera se puede plantear en la teoría de la matriz S, y el tiempo no se trata de forma diferente al espacio, porque ninguno de los dos se trata en absoluto. Ésta es la mayor de las virtudes de la teoría de cuerdas, y es la razón por la que el programa de la matriz S fue capaz de hacer un progreso tan sorprendente en la gravedad cuántica, que no era su objetivo original.

2voto

Charles Ma Puntos 12330

No leí estos artículos como "consideraciones sobre la gravedad cuántica" sino sobre los límites impuestos por la gravitación (cuasi)clásica a los experimentos cuánticos. Discuten principalmente los relojes (*) pero creo que para esta discusión es más fácil considerar las mediciones de distancia:

En un interferómetro las distancias entre los espejos, etc., tienen que ser controladas con gran precisión para ver un patrón de interferencia. Para controlar las distancias entre los espejos hay que hacerlos más pesados y la limitación de la gravitación (cuasi)clásica es que los espejos no pueden formar un agujero negro.

Así que creo que se pierde el punto de vista al afirmar que "se obtiene un patrón al que le importa un bledo la hora que sea".

Si se realizara un experimento de interferencia con cuerpos macroscópicos las longitudes de onda efectivas estarían en la longitud de Planck o por debajo de ella y no se podrían colocar los espejos con la suficiente precisión para ver nada. Creo que este es el tipo de cuestión del que hablan y no de una nueva teoría de la gravedad cuántica. El hecho de que la matriz S se pueda calcular en la teoría de cuerdas es genial, pero no tiene realmente nada que ver con esto, en mi opinión.

(*) Supongo que la razón por la que consideran los relojes es porque quieren obtener límites cuantitativos universales sobre los tiempos de decoherencia y no sólo declaraciones cualitativas sobre un experimento de interferencia particular.

2voto

matt wilkie Puntos 1772

¿Puede la interpretación de Montevideo de la mecánica cuántica hacer lo que afirma? Sí.

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