¿Es falsable la interpretación de Copenhague?

El gato de Schrödinger está vivo y muerto, hasta que se hace una observación.

Este es un experimento gedanken muy engañoso (y cruel), que utiliza un gato como detector del comportamiento mecánico cuántico de las partículas en descomposición.

No hay forma de que uno pueda etiquetar qué partícula se descompondrá, cada una tiene una probabilidad de decaer, y el experimento del gato enfatiza la naturaleza probabilística de la mecánica cuántica y confunde la percepción macroscópica con la realidad microscópica, en mi opinión.

Los objetos macroscópicos deben tratarse de manera clásica, compuestos como están del orden de 10 ^ 23 funciones de onda que, a nivel de gato, son incoherentes y, por lo tanto, de comportamiento clásico.

No hay manera de distinguir entre interpretaciones experimentalmente. Describen los mismos datos. Si no lo hacen, no se llamarían interpretaciones. Una interpretación que no estuviera de acuerdo con todas las medidas microscópicas sería falsificada y ya no estaría en la lista.

Editar , después de editar la pregunta:

¿Es el mismo caso con la interpretación de Copenhague? ¿De verdad dice algo sobre el mundo?

Utiliza el modelo matemático en el que se basa para describir los datos experimentales existentes y predecir el comportamiento futuro. Hasta el momento se valida continuamente incluso cuando se extiende a nuevos regímenes cinemáticos como con la relatividad especial y general.

Las otras interpretaciones en la lista tienen sus problemas (no se pueden extender) a nuevos regímenes cinemáticos como con la teoría de Bohm, o son demasiado complicadas conceptualmente para ayudar a desarrollar la intuición en los datos del microcosmos y, por lo tanto, la enseñanza de la física convencional no los utiliza. .

En este sentido se está discutiendo la complejidad del lenguaje matemático.

Es posible (como en el caso de la "naturaleza particulada de la luz" de Newton) que los datos experimentales futuros en nuevos regímenes cinemáticos puedan elegir otra interpretación que la C para nuevos datos de regímenes de energía más altos o no pensados ​​en las condiciones límite actuales. . Esto no invalidaría la utilidad de la simplicidad de la interpretación C en los datos existentes. Todavía usamos la mecánica clásica en el régimen adecuado.

¿Es posible comprender la teoría cuántica simplemente a través de probabilidades, sin las descripciones 'autocontradictorias'?

En la experiencia de la física convencional, sí.

La forma más sencilla de entender el experimento de la doble rendija, un electrón a la vez, que demuestra que a nivel cuántico el electrón es una partícula mecánica cuántica, es la interpretación de Copenhague, con probabilidades.

En el marco superior, los puntos son las huellas de los electrones en el experimento "dispersión de electrones en dos rendijas de geometría dada". Es lo que se espera de una partícula, una señal específica en (x,y,z). Sin embargo, la acumulación gradual muestra el patrón de interferencia de una onda. No hay una autodescripción contradictoria. Solo el descubrimiento de que en el microcosmos las partículas no son bolas de billar, que tienen una distribución de probabilidad aleatoria cuando se dispersan. Los electrones tienen otros atributos, que la interpretación C describe mediante el uso de probabilidades de interacción con el cuadrado conjugado complejo de una función de onda específica, de ecuaciones diferenciales específicas (llamadas ecuaciones de onda debido a las soluciones senoidales que dan) en las condiciones límite dadas de dispersión de electrones de dos rendijas.

Editar:

En un comentario a otra respuesta, dice su sesgo subyacente:

Mi interpretación es que el mundo es determinista y las probabilidades surgen de la falta de conocimiento suficiente para predecir los estados. ¿No es esta interpretación más sencilla? ¿Es esta también una visión común entre los científicos cuánticos, me refiero al determinismo?

En la actualidad, como se le respondió en los comentarios, el determinismo viene en las distribuciones de probabilidad, que se pueden determinar absolutamente dadas las condiciones de contorno.

La teoría de la onda piloto de Bohm trata de generar distribuciones de probabilidad clásicas para explicar el éxito de las soluciones de la ecuación de Schrödinger, y lo logra en energías no relativistas, por eso se le llama interpretación. Es extremadamente complicado y tropieza cuando se trata de relatividad especial. En lo que respecta a la navaja de Occam, es realmente muy complicada, teóricamente, y no se ha puesto de moda.

Ha surgido en la discusión anterior que una interpretación es diferente de una teoría en que una teoría puede ser refutada, mientras que una interpretación no. De hecho, si todas las interpretaciones de QM están completas, todas tienen las mismas predicciones y, por lo tanto, no se pueden distinguir experimentalmente.

Realmente, una interpretación es una herramienta, y puede ser falsificada en cierto sentido. Las interpretaciones nos ayudan a comprender el contexto de una teoría, aplicarla y extenderla. Nos ayudan a determinar cuándo una teoría es relevante para experimentar y relevante para nuestra comprensión intuitiva de cómo funciona el mundo. Si una interpretación nos llevaría a aplicar una teoría establecida a una nueva situación, y luego la teoría falla en esa situación, ¿qué se falsificó? Se podría argumentar que la interpretación fue. Y si esta extensión fallida de la teoría conduce a un ajuste de la interpretación, podría afectar nuestra comprensión de todas las aplicaciones exitosas anteriores de la teoría.

Típicamente, una interpretación precede a la teoría. Piénsalo: si quieres desarrollar una teoría cuantitativa de cómo funciona algo, empiezas con tu intuición del sistema. Piensa en cuáles son los parámetros y las variables físicas relevantes, así como en cómo podrían interactuar. Solo entonces escribe una ecuación que describe el sistema. Esta ecuación es tu teoría y hace predicciones que pueden ser falseadas, siempre que comprendas (a través de tu interpretación) el significado de las variables de la ecuación. Mi ejemplo favorito es$F=ma$, que uno podría argumentar que es cierto por definición. Pero no es simplemente una definición porque es totalmente inútil si no tenemos una comprensión interpretativa para conectar con nuestro mundo lo que es una fuerza , una masa y una aceleración . ¿Qué son, realmente, estas cosas? La teoría se construye a partir de la interpretación.

Pero la mecánica cuántica es diferente. Para QM, las ecuaciones históricamente fueron lo primero. Lo que predicen las ecuaciones es tan contrario a la intuición que no existe una interpretación acordada que conecte sin ambigüedades la mecánica de QM con el mundo en el que vivimos, y actualmente tenemos múltiples interpretaciones, todas "explicando" la misma mecánica fundamental. Cada vez que surge un nuevo experimento que podría estar en conflicto con una interpretación (como, por ejemplo, el experimento de Afshar que "desmiente" el principio interpretativo de complementariedad), entonces las interpretaciones se adaptan (aunque algunas se adaptan más naturalmente que otras).

Pero, ¿significa eso que las interpretaciones son inútiles para QM? ¿Deberíamos simplemente "callarnos y calcular"? No claro que no. Como mencioné, las interpretaciones son herramientas. Todavía se pueden usar para ayudarnos a comprender cómo aplicar el QM a nuevas situaciones y brindarnos un contexto con el cual extender la teoría según sea necesario. En la medida en que una interpretación es útil para esto, es una buena interpretación. Si le gusta el determinismo de Bohm y puede usarlo para ayudarlo a aplicar QM, entonces tiene éxito. Si lo lleva a aplicar o extender QM de una manera que es inconsistente con el experimento, entonces falla. Esta es la manera en que se puede "falsificar" una interpretación.

De hecho, el estímulo para la interpretación de Copenhague fue algo así como "solo sabemos las cosas que obtenemos de las mediciones, por lo que no nos importa lo que sucede en el medio". Considere dos declaraciones:

R. Obtenemos este estado con esta probabilidad al hacer mediciones y no nos importa lo que suceda en el medio.

B. El sistema entre mediciones está en todos los estados posibles simultáneamente.

Si desea falsificar la interpretación de Copenhague, debe falsificar la declaración A, no la declaración B.

Edición ninja: algunos autores afirman (no sé de dónde lo saben) que cuando Maxwell estaba trabajando en su teoría de la electrodinámica, imaginaba el espacio lleno de pequeños engranajes y manivelas que transfieren las influencias. Sin embargo, cuando quieres falsificar a Maxwell, apuntas a sus predicciones (qué obtendremos si medimos esta cosa de esa manera) no a esos engranajes.

Nadie ha ideado todavía una forma experimental de distinguir entre la interpretación de Copenhague y la interpretación de Muchos Mundos. En ambos casos, las posibilidades indeterminadas son inaccesibles hasta que se miden; y después de que se realiza una medición, todos los aspectos accesibles de la realidad son aquellos que son consistentes con el resultado de la medición. La interpretación de Muchos Mundos dice que las otras posibilidades siguen siendo reales pero inaccesibles; la interpretación de Copenhague dice que dejan de ser reales y por lo tanto son inaccesibles. Desde la perspectiva del experimentalista no hay diferencia. Algunos dirían que la Navaja de Ockham favorece a Copenhague; algunos dirían que favorece Muchos Mundos; cada uno parece absurdo a su manera, pero ambos han pasado todas las pruebas experimentales hasta el momento.

Una interpretación no puede ser falsificada por experimentación, pero sí por lógica. El concepto de IC del colapso de la función de onda viola la causalidad. Este hecho me falsifica a CI, ya que no estoy dispuesto a abandonar la causalidad en aras de una interpretación.

Si ubicamos la interpretación de Copenhague dentro de la clase más amplia de interpretaciones de colapso objetivo, entonces sí, es posible 'falsificar' la interpretación de Copenhague.

Estas interpretaciones afirman que en todo momento existe la posibilidad de que un estado de superposición colapse en (o hacia) un estado de superposición u otro. La probabilidad de este colapso está relacionada con la "grandeza"* de la superposición. Por lo tanto, si crea una superposición de una gran roca en dos lugares a la vez, colapsará muy rápidamente, mientras que una superposición de un electrón en dos lugares a la vez casi nunca colapsará. Por supuesto, una vez que se mide el electrón, ahora está enredado con el dispositivo de medición que es "grande". Esto significa que tan pronto como se realiza la medición, es muy probable que el sistema colapse inmediatamente.

Este postulado de "colapso" requiere una extensión a la evolución temporal unitaria de la mecánica cuántica "ortodoxa"* que las interpretaciones de los Mundos Múltiples toman muy en serio. Esta extensión significa que las leyes de la física para los modelos de colapso objetivo son diferentes a las leyes de la física de la mecánica cuántica "ortodoxa". La diferencia debe ser físicamente medible. De hecho lo es.

La mecánica cuántica convencional dice que si creas un estado de superposición y esta superposición no interactúa con nada, persistirá para siempre. Los modelos de colapso objetivo dicen que incluso si el sistema no interactúa con nada , el sistema colapsará, de manera probabilística, después de un período de tiempo. Esta es una diferencia comprobable.

Propongo el siguiente experimento de doble rendija. Ponga una partícula en una superposición. Pásalo a través de una doble rendija. Deje que la superposición se propague a través del espacio durante el tiempo.$T$. Mida la ubicación de la partícula. Repita muchas veces. Si la superposición persiste, al observar todos los resultados verá un patrón de interferencia. Si no es así, verá que el patrón de interferencia desaparece y el contraste disminuye.

Ahora, varía el tiempo.$T$y repetir. Ahora, varía la masa.$M$o tamaño de la partícula y estado de superposición

La mecánica cuántica ortodoxa dice que como$T$o$M$aumenta, no deberíamos ver ningún cambio en el contraste. Los modelos de colapso objetivo dicen que el contraste de interferencia disminuirá a medida que$T$y$M$se incrementan. Así, estas dos interpretaciones particulares pueden distinguirse experimentalmente.

Ahora, hay un punto MUY importante aquí. Arriba he estipulado que es importante que la superposición no interactúe con nada más (partículas de aire, fotones, campos magnéticos, etc.) mientras está en la superposición. Esto se debe a que, debido a la decoherencia, si la partícula interactúa con cualquier cosa, TAMBIÉN será una fuente de reducción de contraste. Esta es la razón por la que es difícil realizar estos experimentos en la práctica. Es muy difícil hacer que los sistemas cuánticos no interactúen con nada. Y cuanto más grande es el sistema, más difícil es asegurarse de que no haya decoherencia.

Entonces, para realizar el experimento anterior, debemos crear la superposición y ver si decae en función del tiempo, pero también debemos haber controlado el experimento lo suficientemente bien como para descartar cualquier forma normal de decoherencia que cause la reducción en el contraste. Por ejemplo, ahora hay investigadores que crean una superposición cada vez más grande. A medida que aumentan la superposición o esperan más, SÍ ven una reducción en el contraste. Sin embargo, pueden explicar que esto se debe a las típicas imperfecciones/decoherencias experimentales. Por lo tanto, todavía han comparado las dos interpretaciones de manera significativa.

Sin embargo, esa última afirmación no es del todo correcta. Al realizar ese experimento, han dicho algo sobre la velocidad de este "colapso espontáneo". Pueden decir que han determinado experimentalmente que cualquiera que sea la tasa de colapso espontáneo (llámese$\Gamma_{SC}$), saben que es MÁS LENTO que la tasa de decoherencia,$\Gamma_{D}$, que pueden explicar en su experimento.

Han verificado experimentalmente la siguiente restricción para su elección de$T,M,N$etc.

La mecánica cuántica "ortodoxa" diría$\Gamma_{SC}=0$mientras que los modelos de colapso objetivo dicen$\Gamma_{SC}>0$. El objetivo de estos experimentos de superposición es aumentar$T$y$M$(aumentando así$\Gamma_{SC}$) mientras disminuye$\Gamma_D$para ver si pueden realizar una medición que rompa esta desigualdad, lo que nos obligaría a agregar definitivamente las leyes del colapso objetivo a las leyes de la mecánica cuántica.

Como mencioné, es muy difícil controlar y reducir la tasa de decoherencia.$\Gamma_D$. Todavía estamos a muchos órdenes de magnitud de realizar mediciones definitivas que descarten modelos de colapso objetivo para objetos macroscópicos. Pueden pasar décadas o más antes de que podamos controlar los sistemas cuánticos lo suficientemente bien como para intentar hacer superposiciones realmente grandes (como la escala de gramos), pero la gente seguirá trabajando para lograrlo.

Consulte este artículo para obtener información sobre la investigación que se está realizando ahora para hacer superposiciones cada vez más grandes.

*Aquí grandeza puede significar la masa de las partículas involucradas en la superposición, el número de partículas, la distancia de la superposición, etc.

**Aquí uso "ortodoxo" para referirme únicamente a la evolución unitaria de la función de onda. Sin colapso. Esto puede estar en conflicto directo con el uso donde la mecánica cuántica "ortodoxa" significa la interpretación de Copenhague. Por eso aclaro aquí. Quizás sería mejor decir "mecánica cuántica de Everett".

La aleatoriedad del resultado de la aplicación repetida de la Regla de Born es una parte esencial de la Interpretación de Copenhague. Si encontramos que, por ejemplo, las mediciones repetidas de un espín alternativamente a lo largo de los ejes x e y producen una serie de resultados ascendentes y descendentes cuya complejidad de Kolmogorov es sustancialmente menor que la longitud de la cuerda misma; es decir, una cadena comprimible algorítmicamente , entonces eso cuenta como falsificación.

Muchos mundos que interactúan es una forma sutil de reconstruir la mecánica cuántica de Bohm a partir de muchos mundos clásicos que interactúan mediante algunas interacciones simples por pares y, en principio, se pueden distinguir de las otras teorías tradicionales. Generalmente se argumenta que las diferentes interpretaciones de la mecánica cuántica son solo una clase de equivalencia que difiere solo en el lenguaje pero no en las consecuencias observables.

De hecho, la lectura más estricta de la interpretación de Copenhague ya ha sido falsificada por el experimento Quantum Eraser.