¿Ejemplos de eventos que son impredecibles por principio?

Question

¿Existen ejemplos de fenómenos/acontecimientos/estados de cosas (en adelante "acontecimientos") cuyos resultados se consideran imprevisibles, incluso en principio?

Es decir, ¿hay acontecimientos tales que, si se tuviera acceso a toda la información pertinente y se conocieran todos los principios y leyes de la naturaleza pertinentes, cuyos resultados no se podrían predecir con exactitud como cuestión de principio (a diferencia de en la práctica / con la tecnología actual / con la actual comprensión incompleta de las leyes de la naturaleza, etc.).

Estoy buscando una especie de evento A en el que, como experimento de pensamiento, imaginamos que al retroceder en el tiempo hasta antes del evento A y al mantener todas las condiciones que conducen al evento A exactamente idénticas, todavía podríamos esperar algún resultado diferente B la segunda vez.

Entiendo que la respuesta aquí puede depender no sólo de los hechos, sino también de un marco interpretativo de esos hechos, y si es así, me gustaría oír una interpretación relativamente corriente.

Edita para mayor claridad: Estoy interesado en cualquier tipo de evento, decadencia radioactiva, electrones moviéndose por las órbitas, etc., etc.

Answer 1

Sí, El principio de incertidumbre de Heisenberg en la mecánica cuántica dice que a medida que la posición de una partícula se vuelve más restringida, su momento se vuelve más incierto, y viceversa. Esto no es simplemente los límites de nuestra propia observación sino una propiedad real de todos los sistemas ondulatorios.

De manera más formal, σ _x σ _p >= h / 4π. σ _x es la desviación estándar (incertidumbre) sobre la posición, σ _p para el impulso, y h es el Constante de Planck .

Así que si se retrocediera en el tiempo y se volviera a ejecutar el mismo sistema cuántico, se obtendría un resultado diferente.

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Descomposición radiactiva es otro sistema cuántico que, a nivel de átomos individuales, es imposible saber cuándo va a decaer por mucho tiempo que se haya observado el átomo. El tiempo de un átomo vida media es una probabilidad estadística para un gran grupo de átomos, pero no se puede predecir la descomposición de un solo átomo. Si se observa un átomo hasta que decae, se retrocede en el tiempo y se vuelve a observar, no se puede predecir cuándo decaerá.

Esto dio lugar al famoso El gato de Schrödinger experimento mental. Haz una caja con un frasco de veneno. Hay un disparador que espera la descomposición de un solo átomo. Cuando eso ocurre, el frasco se rompe y el gato muere. Sin abrir la caja, ¿el gato está vivo o muerto? Schrödinger pretendía que el experimento señalara lo aparentemente absurdo de la Interpretación de Copenhague del principio de incertidumbre, pero desde entonces se ha convertido en una explicación sucinta de superposición cuántica .

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Todo esto es según la mayoría de la corriente principal interpretaciones de la mecánica cuántica El más importante es el Interpretación de Copenhague . El Interpretación de muchos mundos también es popular, y también dice que si se corre el tiempo hacia atrás y hacia adelante se obtendría un resultado diferente (un "mundo" diferente).

Pero otros, como La teoría de De Broglie-Bohm , intentan conciliar la observación experimental con un mundo cuántico determinista.

No hay consenso entre los expertos en mecánica cuántica sobre cuál es la interpretación correcta . Sean Carroll llamó a los resultados de la encuesta "El gráfico más embarazoso de la física moderna" . Así que mientras escribía la respuesta con certeza... en realidad no estamos seguros.

También es importante señalar que esto se aplica a nivel de partículas individuales . A escala macroscópica todo se promedia, por lo que, a menos que se prepare un experimento o aparato específico para medir partículas individuales, como el gato de Schrödinger, se vería el mismo resultado macroscópico.

Answer 2

Voy a estar en desacuerdo con las respuestas publicadas hasta ahora. Creo que la mecánica cuántica es en principio totalmente determinista: dada la función de onda del universo en cualquier momento, su evolución temporal está completamente determinada. El problema de los experimentos es que nunca podremos conocer la función de onda exacta (hasta la fase) del universo, ni siquiera de un solo electrón. Eso es lo que hace que el resultado de los experimentos sea imprevisible. En principio, si conociéramos TODA la información relevante (la función de onda exacta en cada momento) podríamos predecir el resultado de cualquier medición.

DESCARGO DE RESPONSABILIDAD: Soy un reconocido chiflado en este foro cuyas respuestas son rutinaria y masivamente votadas a la baja por gente que sabe mucho más que yo.

Answer 3

Yo argumentaría como una cuestión de principios que toda la realidad es esencialmente imprevisible. Es decir, si retrocedes en el tiempo y presencias el mismo universo avanzar de nuevo, el resultado empezaría a diferir, primero mínimamente, y luego cada vez más. La razón es que los procesos cuánticos son intrínsecamente imprevisibles y algunos sistemas son no lineales hasta el punto de que los pequeños eventos aleatorios tienen repercusiones a gran escala. El proverbial Efecto mariposa es un ejemplo. O simplemente una secuencia de colisiones de bolas de billar muy clásicas. Tras un número finito de colisiones, el estado cuántico de un solo átomo de la primera bola es suficiente para alterar significativamente la dirección de la última. No se puede hacer nada al respecto.

¿Y qué pasa con la astronomía? Los movimientos de los cuerpos celestes son totalmente predecibles, ¿no es así? Incluso las culturas de la Edad de Piedra podían predecir los eclipses, y nosotros podemos predecir los movimientos de los cuerpos celestes con gran precisión.

A menos que un meteorito golpee la tierra y esculpa la luna. 1 O no. Es fácilmente concebible que una eyección de masa solar altere la trayectoria de un meteorito lo suficiente como para que unos milenios después no impacte contra la Tierra. Y creo que es obvio que los procesos en la zona de convección del sol, y por lo tanto los eventos de eyección, son totalmente no lineales y por lo tanto propensos a diferir de "carrera a carrera" debido a los efectos a gran escala de la aleatoriedad cuántica.

No hay luna. No hay mareas. No hay piscinas de marea. No hay vida avanzada. No hay humanos. Uy.

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_{¹Se pueden esgrimir argumentos similares para sucesos de mayor escala, como lo que se ve afectado por un chorro relativista en función de la precesión de un cuásar, etc., o el aspecto exacto de los restos de la explosión de una supernova (supongo que también es un suceso bastante no lineal). Esto último tendría importantes consecuencias a gran escala para el desarrollo posterior de una región de una galaxia.}

Answer 4

Pues bien, en el ámbito de la mecánica cuántica, muchas cosas son imprevisibles. Por ejemplo, los electrones de un átomo existen en una nube alrededor del núcleo, y debido al Principio de Incertidumbre, nunca se puede saber con exactitud la posición y el momento de un electrón, por principio. Por lo tanto, es imposible predecir dónde se encontrará exactamente ese electrón hasta que lo midas. Es intrínsecamente aleatorio. Esta propiedad desaparece a escalas mayores, así que no estoy seguro de que haya otros ejemplos de comportamiento completamente impredecible. Espero que una explicación mecánica cuántica sea suficiente.

Answer 5

Sí, por supuesto, como dice la respuesta de @Schwern, una medición cuántica es impredecible (a menos que hayas preparado específicamente un estado para el sistema microscópico, y no haya habido ninguna interacción con él, en cuyo caso recuperas el mismo estado). Menciono en esta respuesta algunas otras informaciones interesantes, y luego imperfecciones.

Además, para que quede claro, no estoy comentando la interpretación de la teoría cuántica como colapso de la forma de onda, ni la teoría del piloto de Bohm, ni ninguna otra. Cualquier interpretación tiene que estar de acuerdo con las observaciones y mediciones que hacemos en la teoría cuántica, así que local/no local, realista/no realista, son cuestiones diferentes a las que se comentan a continuación. Sea cual sea la interpretación (es decir, variables ocultas o no), está claro que la teoría cuántica conduce a resultados aleatorios en las mediciones.

En el caso radiactivo, la emisión de las partículas radiactivas se produce de forma puramente aleatoria. La distribución estadística es un proceso aleatorio de Poisson.

En los últimos 15-20 años ha sido posible medir las propiedades de fotones individuales, átomos, electrones e iones, y probablemente más. El microscopio electrónico de efecto túnel (1981) utiliza electrones individuales para obtener imágenes de la superficie de un sólido, y "ve" los átomos individuales. Véase https://en.m.wikipedia.org/wiki/Scanning_tunneling_microscope

Se han atrapado y medido átomos e iones individuales. El caso más intuitivo es la observación de sistemas cuánticos en los que el estado sólo puede ser dos, como la polarización de un fotón (si es circular, sólo puede ser derecha o izquierda, es decir, sólo dos estados), o un electrón que a lo largo de cualquier eje sólo puede tener espín arriba o abajo, o el estado de un ion atrapado de dos estados (estado de reposo y un estado excitado bastante estable). Esto se hace en los laboratorios de computación cuántica, donde se utilizan algunos dispositivos para utilizar un fotón o un ion y medir sus estados. Si no se preparan en un estado específico, se medirá una polarización o un estado o espín aleatorio.

Así que la pregunta es entonces qué es el azar, cuando se preparan en un estado específico? Consideremos el electrón con un espín hacia arriba en el eje z. Si ahora intentas medir el espín en el eje x o y, para ese electrón que has preparado cuidadosamente, saldrá aleatoriamente hacia arriba y hacia abajo. Al igual que la posición y el momento no pueden definirse ni medirse simultáneamente con exactitud, el espín en las tres direcciones tampoco puede definirse ni medirse simultáneamente. Si se mide uno, el otro será totalmente aleatorio. Y no hay manera de que usted (o la naturaleza) pueda preparar un sistema microscópico para poder medir exactamente todos los valores.

También puedes preparar un sistema de dos estados en una superposición de los dos estados, digamos una superposición de arriba y abajo. Cuando lo midas será un 50% de subida y un 50% de bajada, completamente al azar.

Todo eso es en principio, simplemente de la mecánica cuántica, y no importa el aparato de medición que se utilice. Véase el artículo de la wiki sobre la aleatoriedad cuántica en https://en.m.wikipedia.org/wiki/Quantum_indeterminacy .

Tenga en cuenta que muchos otros sistemas que pensaríamos que son aleatorios, a menudo se pueden analizar con muchos datos y determinar que no son puramente aleatorios. Esto es cierto para los sistemas caóticos, que son puramente deterministas pero son exponencialmente sensibles a las condiciones iniciales. También suele ser cierto para la aleatoriedad clásica, como el lanzamiento de monedas. Asimetrías muy pequeñas e indetectables en la fabricación de la moneda pueden, después de muchas tiradas, favorecer sólo un poco la cara sobre la cruz o lo contrario, si se tiene la suficiente paciencia, es decir, las imperfecciones prácticas pueden eliminar a menudo la aleatoriedad perfecta. Pero todos estos son factores prácticos y clásicos. Los generadores de números aleatorios generan idealmente secuencias perfectamente aleatorias, pero a lo largo de mucho tiempo posiblemente las imperfecciones del hardware pueden permitir ver algo de no aleatoriedad. De forma más complicada, puedes preparar un estado cuántico, pero también puede haber imperfecciones. La cosa es que hemos sido capaces de crear esas máquinas y condiciones en el laboratorio lo suficientemente bien como para poder generar suficiente aleatoriedad con varios procesos en los que podría tomar un gran número de edades del universo para captar la aleatoriedad. Así que, en efecto, y a efectos prácticos, es suficientemente aleatorio. La teoría cuántica parece ir más allá, pero por supuesto al final construimos los sistemas, y nuestra huella está en ellos. Sólo que a veces habría que observarlo durante más tiempo del que existirá para ver la no aleatoriedad.