¿Cuál es actualmente la mejor explicación de cómo y por qué colapsa la función de onda cuántica?

Parte del misterio del colapso aparente de la función de onda ha sido resuelto por la teoría moderna de la decoherencia . La decoherencia explica por qué las superposiciones de estados propios de posición o carga (u otros observables macroscópicos) [1] nunca se observan, debido a las interacciones de un sistema cuántico y los muchos más grados de libertad en su entorno (incluido el dispositivo de medición). H. Dieter Zeh fue uno de los primeros en sugerir la plausibilidad de este mecanismo en su artículo publicado en 1970, donde dice [2]

Por lo tanto, las superposiciones de estados con carga diferente no pueden observarse por razones similares a las válidas para las superposiciones de estados macroscópicamente diferentes: no pueden ser dinámicamente estables debido a la interacción significativamente diferente de sus componentes con su entorno.

En la década de 1980, la teoría de la decoherencia se desarrolló con más detalle en el trabajo de Zurek [3] y Joos y Zeh [4], y se resume en un libro de texto de Giulini, Joos, Kiefer, Kupsch, Stamatescu y Zeh [ 5] Esencialmente, debido a que la medición implica inherentemente romper el aislamiento de un sistema cuántico, el proceso de decoherencia rápidamente lleva a un sistema en un estado cuántico puro a ser una mezcla incoherente de estados, donde cada estado es ponderado por los cuadrados de las amplitudes para cada medición posible. .

El proceso que conduce al colapso de la función de onda se reconoce como un fenómeno emergente a partir de los efectos de desvanecimiento de la decoherencia, pero cuál de los posibles estados propios realmente se observa en cualquier medición dada es inherentemente indeterminista. El “colapso de la función de onda” en estados propios de posición y carga (estados propios “señaladores”) se explica por la decoherencia, pero el estado que se observa realmente en cualquier medición dada todavía no está determinado de manera única por la mecánica cuántica. Este es el problema de medición .

La interpretación de Copenhague (cuántos físicos se les enseñó la mecánica cuántica y todavía piensan en la medición en el pizarrón) considera que durante una medición, los términos en un vector de estado que representan las otras posibilidades no observadas en una medición se eliminan, y el estado se restablece inmediatamente normalizado en el eigenstate observado (también incluye mágicamente cualquier colapso no local requerido para sistemas enredados). ¡Esta es una operación no unitaria! ¡Es un paso en la evolución del tiempo que rompe la ecuación de Schrödinger!

La mecánica cuántica ortodoxa sostiene que la ecuación de Schrödinger determina la evolución temporal unitaria de un estado cuántico:

[matemáticas] H \: | \ psi⟩ = i \ partial_ {t} \: | \ psi⟩ [/ matemáticas]

Pero para la interpretación de Copenhague, una operación no unitaria ocurre en cualquier medida:

[matemáticas] M \: | \ psi⟩ \ rightarrow m_ {1} \: | m_ {1}⟩ [/ matemáticas]

Una de las interpretaciones alternativas de la mecánica cuántica, la interpretación de muchos mundos, desarrollada por primera vez por Hugh Everett en 1957 [6] y popularizada Bryce DeWitt en la década de 1970 [7], elimina por completo de la teoría el funcionamiento no unitario del colapso de la función de onda. . Postula que, dado que cualquier sistema cuántico aislado evoluciona unitariamente bajo la ecuación de Schrödinger, el estado del universo en sí mismo es un sistema cerrado, evoluciona unitariamente bajo la ecuación de Schrödinger, continuamente.

La interpretación de muchos mundos ha influido y ha sido fuertemente influenciada por el desarrollo de la teoría de la decoherencia. La decoherencia explica por qué las superposiciones de estados propios observables se desacoplan en presencia de un entorno con muchos más grados de libertad, aunque el estado del sistema total, incluido el entorno, sigue siendo un estado cuántico puro que evoluciona bajo la ecuación de Schrödinger. De acuerdo con la interpretación de muchos mundos, estas mezclas desacopladas de estados son cada una independientemente real, aunque están efectivamente desconectadas observacionalmente. Esto lleva a la fantástica afirmación de que todas las posibilidades de todas las interacciones posibles tienen una rama correspondiente en el vector de estado universal inmensamente fragmentado del multiverso, pero sigue siendo una propuesta controvertida entre los físicos [8].

La interpretación de muchos mundos logra eliminar el colapso de la función de onda ad hoc de la mecánica cuántica; El estado del multiverso continúa evolucionando unitariamente. También tiene éxito en preservar un tipo de localidad porque la interferencia y los actos coordinados de los sistemas enredados ocurren naturalmente cuando los diferentes términos en el vector de estado universal son coherentes. El lagrangiano del universo todavía solo tiene interacciones locales, incluso cuando hay correlaciones no locales en su dinámica, como ondas en un estanque que aparentemente conspiran para interferir.

También hay otras interpretaciones de la mecánica cuántica, incluida la teoría de Broglie-Bohm, la teoría de historias consistentes y otras que generalmente intentan abarcar una construcción laboriosa para preservar la localidad o una noción de realismo o ambas, pero la gente está pensando. Incluso ha habido una afirmación reciente de que la mecánica cuántica no puede interpretarse estadísticamente, y que uno debe tener una visión ontológica del estado cuántico [9].

Y por lo tanto, mientras la mecánica cuántica ha formado un marco altamente predictivo para predecir experimentos, las implicaciones metafísicas de la teoría y lo que realmente corresponde a un vector de estado en realidad no se comprenden . Sin embargo, entre las cosas que no se entienden sobre la mecánica cuántica, el “colapso de la función de onda” no es una de ellas.

Notas finales

La base de los estados que son estados propios de posición y cargo se seleccionan de cualquier otra base arbitraria, fundamentalmente porque el lagrangiano que describe las interacciones de un sistema tiene términos que son locales en esa base. Esto se llama “base de puntero” porque es la base de estados propios de cualquier puntero / salida / medidor / monitor de un aparato de medición.
Zeh, HD (1970). Sobre la interpretación de la medición en la teoría cuántica. Fundamentos de Física 1, 69–76.
Zurek, WH (1981). Base de puntero del aparato cuántico: ¿En qué mezcla se colapsa el paquete de ondas? Phys. Rev. D 24, 1516-1525.
Zurek, WH (1982). Reglas de superselección inducidas por el medio ambiente. Phys. Rev. D 26, 1862-1880.
Joos, E. y Zeh, HD (1985). La aparición de propiedades clásicas a través de la interacción con el medio ambiente. Zeitschrift fur Physik B Condensed Matter , 59223–243.
Giulini, D., Joos, E., Kiefer, C., Kupsch, J., Stamatescu, I. y Zeh, HD (1996). La decoherencia y la aparición de un mundo clásico en la teoría cuántica . Saltador.
Everett, H. (1957). Formulación de “estado relativo” de la mecánica cuántica. Reviews of Modern Physics 29, 454–462.
DeWitt, BS (1970). Mecánica cuántica y realidad. Physics Today 23, 30.
Como escuché que uno lo dijo una vez durante el almuerzo en la sala de profesores de Penn: “¿Se supone que debemos creer que hay un universo en el que te arrojo mi comida?” (Y seguramente mundos mejores y peores también).
Pusey, MF, Barrett, J. y Rudolph, T. (2012). Sobre la realidad del estado cuántico. Nature Phys. 8, 476. [arxiv: 1111.3328]

Nota: este ensayo fue adaptado del Apéndice A.1.2 de mi Ph.D. tesis, que se puede descargar aquí: http://rreece.github.io/docs/CER…