¿El colapso de la función de onda depende del observador?

El problema de la medida es uno de los problemas abiertos más relevantes de la mecánica cuántica. ¿Qué es una medida? ¿Qué constituye un observador y qué no? ¿Es la función de onda un objeto físico (ontológico) o simplemente una construcción matemática que representa nuestra ignorancia del estado de un sistema?

Intentar responder a estas preguntas ha producido una multitud de interpretaciones de la mecánica cuántica.

La interpretación de Copenhague es la más famosa. Básicamente establece que las cosas pequeñas son cuánticas, las cosas grandes son clásicas, y cuando una cosa pequeña interactúa con una cosa grande hay una medición y un colapso de la función de onda para todos , mientras que cuando las cosas pequeñas interactúan entre sí, simplemente se enredan y evolucionar unitariamente, sin ningún colapso. El problema con esta interpretación es que no dice dónde debemos trazar la línea entre lo grande y lo pequeño.

Las interpretaciones de Many World, por otro lado, tratan todo (cosas grandes y pequeñas) como un sistema cuántico. Todo evoluciona unitariamente, nunca hay colapso . El inconveniente es que esto significa que eres un sistema cuántico, por lo que puedes estar en una superposición. Y esto es difícil de conciliar con la idea de un "yo".

Otras interpretaciones, como el bayesianismo cuántico, defienden que un estado cuántico es solo una representación del grado de creencia que una persona puede tener sobre el resultado de algunas mediciones. La función de onda es, por tanto, subjetiva y no un objeto físico objetivo. Según el bayesianismo cuántico, el colapso de la función de onda es solo una actualización bayesiana de las creencias del observador. En este sentido, una función de onda puede colapsar para mí y no para ti.

Como puede ver, la cuestión del colapso de la función de onda está lejos de resolverse. Después de una medición, puede colapsar para todos, solo para alguien o puede que nunca colapse. Si esto le parece una especulación y no hechos científicos, tiene razón. A día de hoy, nadie ha podido distinguir experimentalmente entre estas (y otras) interpretaciones.

Lo que Frauchiger y Renner intentan hacer en su famoso artículo es diseñar un experimento mental que pueda descartar algunas de estas interpretaciones, al mostrar una contradicción entre un conjunto de suposiciones bien aceptadas.

No está claro cuándo, o si ocurre, el colapso de la función de onda. Lo que está claro es que todos están de acuerdo en principio sobre qué mediciones ocurren y cuáles son sus resultados.

Las únicas situaciones en las que puedo pensar que se asemejan a "medidas dependientes del observador" son:

1. En la imagen de muchos mundos, generalmente se producen diferentes mediciones en diferentes mundos (y, por supuesto, los resultados son diferentes). Sin embargo, todos en un mundo están de acuerdo en principio sobre todas las medidas y sus resultados. Las personas dentro de un laboratorio sellado están en el mismo mundo que las personas fuera.

2. Si hace algo que se parece a una medición pero que es perfectamente reversible termodinámicamente, entonces, en principio, puede deshacerlo. Podría imaginarse que un ser consciente termodinámicamente reversible (IA que se ejecuta en una computadora cuántica) hace este tipo de cuasi-medición de un sistema cuántico, se vuelve consciente del resultado y luego lo invierte (lo que necesariamente incluye borrar su propia memoria de lo que vio), dejando el sistema en su estado original sin medir. Eso podría llamarse una medida, y podría llamarse privado para ese ser.

Editar: Anteriormente dije aquí que pensaba que el artículo de Bub estaba equivocado. Ese argumento ignoraba el hecho de que la medición en el$\{\leftarrow,\rightarrow\}$Se supone que la base es una medida de imagen de Heisenberg del sistema en un momento anterior.

Ahora he leído el artículo original de Frauchiger y Renner, que parece ser consistente con el de Bub. Sigo pensando que está mal, por una razón más complicada, que escribí en otra respuesta .

Cuando decimos que un objeto de la mecánica cuántica, como una partícula, está sujeto a una medición, queremos decir que está interactuando de alguna manera con otras partículas, es decir, aquellas que forman el dispositivo de medición. Atribuir alguna cualidad especial a una medida, en contraposición a cualquier otra forma de interacción entre partículas, parece una tontería evidente. Las partículas interactúan sin necesidad de dispositivos de observación o medición.

Tomemos, por ejemplo, el experimento de dos rendijas con fotones. Imagine que se determinan las posiciones de los fotones incidentes registrando los puntos de contacto en una placa fotográfica. ¿Crees que las marcas en la placa fotográfica no estarían allí sin la presencia de un 'observador'? No, eso es claramente falso. La localización del fotón ocurre cuando interactúa con una de las moléculas que componen el recubrimiento fotosensible de la película, es decir, cuando el fotón interactúa con otro objeto cuántico. Los observadores no tienen nada que ver con el proceso.

El colapso de las olas es en gran medida una cuestión de interpretación. En MWI, no hay colapso de la función de onda. Más bien, el observador se enreda con el estado, y el sistema combinado tiene un componente en el que el observador ve un resultado y otros componentes en los que el observador ve otros resultados.

En la Interpretación de Copenhague, la "observación" no requiere "ver" el resultado en el sentido tradicional. Más bien, ocurre cuando lo que se mide afecta al observador lo suficiente como para que se enrede, independientemente de si el observador es consciente de cómo lo ha afectado. Entonces, a menos que este sistema "cerrado" sea capaz de aislar completamente la medición en un sentido mecánico cuántico, la función de onda colapsará para el observador "externo".

En la práctica, es imposible, al menos en nuestro nivel actual de tecnología, aislar más que un pequeño número de partículas del resto del universo. Pero si solo estamos haciendo un experimento mental e imaginando que hemos aislado un sistema, entonces la Interpretación de Copenhague se vuelve un poco rara. El experimento mental del gato de Schrödinger es un ejemplo. Según la Interpretación de Copenhague, no hay colapso de la función de onda, y el gato se encuentra en una superposición de vivo y muerto. Si tuviéramos que poner a los experimentadores humanos con el gato, esos experimentadores estarían en una superposición cuántica de observar al gato como vivo y observarlo como muerto. Aquí es donde CI se vuelve problemático, ya que parece haber una contradicción entre el colapso de la función de onda para los observadores internos, pero no para los observadores externos.

Sugeriría que el colapso de la función de onda es una aproximación útil, no un absoluto matemático. Prallax ha dado un buen resumen de las posiciones. Bajo este punto de vista, una cosa grande (en la interpretación de Copenhague) es lo suficientemente grande como para que nunca veas efectos de superposición. La distinción entre grande y pequeño no es clara, depende de cuánto tiempo observe el sistema. Si no lo observa por mucho tiempo, los eventos improbables no ocurrirán (probablemente) y pueden ignorarse. Está de acuerdo con Muchos Mundos pero señala que durante el período de observación todos los mundos están de acuerdo en lo que sucederá. Si hay resultados diferentes con una probabilidad razonable de que ocurran, la función de onda no colapsa.

Hay un análogo clásico en las colisiones de dos cuerpos. Si una pelota entra y golpea a otra pelota, si hay una gran disparidad entre las masas de las pelotas, podemos ignorar el cambio de velocidad de la pelota más grande e ignorar el impulso transferido a la pelota grande. El tamaño que debe tener la disparidad para que sea una buena aproximación depende de la precisión con la que esté modelando o midiendo el sistema. De manera similar, en la dinámica orbital, si la masa del satélite es insignificante en comparación con el primario, asumimos que el primario es fijo y puede absorber cualquier cantidad de impulso. No hay un límite definido, solo la precisión de la aproximación que es aceptable. El colapso de la función de onda dice que después de la interacción (medición) el estado es un estado propio del valor medido, lo que significa que el medidor no es un objeto cuántico.

No existe tal cosa como el colapso de la función de onda. Si lo hubiera, la ecuación de Schrödinger sería incorrecta.

La medición requiere un aparato de medición con múltiples estados ortogonales. Cada uno de estos estados está entrelazado con parte de la función de onda del sistema a medir. Estas partes son lo que podríamos llamar funciones de onda colapsadas. Están colapsados ​​con respecto al sistema sin el aparato de medición.

Físicamente, agregar un aparato de medición a un sistema físico altera el sistema de una manera que puede llamarse 'colapso'. Sin embargo, no existe tal cosa como un acto de medición que conduzca a un cambio en la función de onda y mucho menos provoque su colapso.