Primero, permítanme decir que tengo mucha menos experiencia con la física que la mayoría de la gente aquí. La mecánica cuántica fue todo lo que llegué y eso fue hace unos 9 años, sin ningún uso mientras tanto.
Mucha gente parece pensar que con el acto de observar el universo estamos cambiando el universo. Este es el saludo manual estándar producido por personas que no entienden la física, gracias Fritjof Capra.
Al leer sobre física cuántica en Internet, encuentro que esta idea se propaga con demasiada frecuencia. Con tanta frecuencia que me pregunto si mi comprensión es precisa.
Mis preguntas:
¿Observar una partícula siempre significa golpearla con algo para colapsar la función de onda?
¿Hay algún otro tipo de observación?
¿Qué quieren decir los físicos cuando dicen "observar"?
Relacionado, pero no llega a la pregunta de qué es la observación: ¿Cuál es la diferencia entre una medición y cualquier otra interacción en la mecánica cuántica?
Suponiendo que la "primera" partícula entrante se prepara en estado puro, parece necesaria la interacción con otra partícula. Sin embargo, tal interacción podría ser simplemente la emisión espontánea de un fotón u otra partícula por parte de la partícula entrante original.
Lo que es más importante, tal interacción no es suficiente en sí misma. Para que ocurra un evento de medición (colapso de la función de onda en el formalismo de Von Neumann) también debemos "perder físicamente el rastro" de parte de la información de la partícula que interactúa después de que haya tenido lugar la interacción, por lo que debemos reemplazar la descripción del estado enredado. de la segunda partícula después de la interacción con una mezcla probabilística de dichos estados, forzando una descripción de la primera partícula después de la interacción en términos de una matriz de densidad de probabilidad de valor real en lugar de la amplitud de estado puro de valor complejo con la que comenzamos. Este cambio de descripción incluye automáticamente un aumento de entropía, que también se produce físicamente.
A menos que la segunda partícula que interactúa escape del aparato o interactúe con una tercera partícula que también escape, es decir, "interactúe con el entorno", aún no se ha realizado ninguna medición, toda la interacción es en principio reversible y la descripción de amplitud compleja sigue siendo adecuada. . La medición requiere la "pérdida" (a través de la decoherencia) de la información entrelazada al entrelazarse aún más con el entorno y disiparse.
La tercera partícula que escapa es a menudo un fotón o fonón emitido. Vea la referencia en la respuesta vinculada . ¿Cuál es la diferencia entre una medición y cualquier otra interacción en la mecánica cuántica? , particularmente el artículo de 1939 de London y Bauer (pero evite su metafísica) para más detalles. Más recientemente, ver este libro sobre la teoría de la medición cuántica , en particular la página 102 que se refiere a la opinión de Zeh.
Es posible que haya notado que queda cierta ambigüedad en esta descripción. Esto ha sido analizado con gran detalle y resuelto por Zurek, pero se vuelve un poco complicado. Véase, por ejemplo , http://arxiv.org/abs/1001.3419 y las referencias que contiene.
"Colapsar la forma de onda" es un término cargado, con el que no todos los físicos estarían de acuerdo. Hay muchas interpretaciones "sin colapso" en las que no hay un papel especial para la medición que altere directamente la función de onda. También hay interpretaciones de tipo colapso en las que el colapso ocurre más o menos espontáneamente, como en la teoría de Roger Penrose según la cual los efectos gravitacionales hacen que cualquier superposición por encima de un cierto umbral de masa colapse increíblemente rápido.
Como cuestión práctica, es difícil pensar en una técnica de medición que no pueda describirse como golpear una partícula con otra. La mayoría de los experimentos ópticos cuánticos se basan en la dispersión de la luz de un átomo para detectar el estado del átomo, muchos experimentos con partículas cargadas implican colocar las partículas en una superficie o un cable para detectarlo, y así sucesivamente. Creo que el experimento de qubit de estado sólido realizado por personas como Rob Schoelkopf en Yale probablemente contaría como una excepción, porque creo que usan un SQUID para detectar el estado de sus átomos artificiales a través de campos magnéticos. Sin embargo, si quieres ser realmente exigente, probablemente podrías considerar que también es una interacción de partículas, en algún sentido de QED.
Incluso allí, sin embargo, el acto de medir no deja el sistema inicial sin cambios. Si bien no habría un acuerdo general con la frase específica "la observación cambia el universo", la idea de que los sistemas cuánticos se comportan de manera diferente después de una medición es fundamental para la teoría y no se puede evitar.
Lo que pasa es que hay una variedad de opiniones diferentes que, como no se pueden distinguir por experimento, andan por ahí y son utilizadas por diferentes personas para interpretar los experimentos.
La visión convencional de la mecánica cuántica, aunque se ha erosionado con el tiempo, es que se debe hacer una clara distinción entre lo clásico y lo cuántico. El aparato debe describirse de forma clásica, mientras que el cuanto describe los resultados de medición del experimento. Von Neumann ha tratado de mostrar que la distinción no necesita ser nítida y que se puede incluir el aparato en la descripción cuántica, pero luego tiene que ser observado por otro aparato que tiene que ser descrito clásicamente. Wigner argumentó que esta regresión de la división cuántica/clásica se puede llevar a la mente, por lo que hay mucha gente que se aferra a estas ideas, porque parecen justificar la importancia de la mente humana sobre cualquier otra cosa en el mundo.
Otros enfoques han argumentado que no hay distinción entre clásico y cuántico, al menos. Una es la interpretación de muchos mundos, que establece que una superposición de estados representa estados realmente realizados pero en diferentes universos. Otra es la interpretación de Bohmian o de onda piloto, que establece que la ecuación de onda describe una onda que guía partículas. Luego se complementa una ecuación adicional a la ecuación de Schrödinger para mostrar cómo ocurre esta guía. En ambas teorías no hay necesidad de hablar de medición, al menos no en un sentido más profundo de lo que se haría en la física clásica.
Aquí hay una lista no exhaustiva de interpretaciones de la mecánica cuántica.
Entonces, dentro del contexto de la interpretación de Copenhague y el paradigma de von Neumann/Wigner, la respuesta a la pregunta del título sería sí, hay una diferencia entre medir y golpear con otra partícula. Dentro del contexto de las interpretaciones de Bohmian o MWI, la respuesta sería no.
¿Cómo se sabe el resultado de un experimento? Lo "observas".
¿Cómo haces eso realmente? Bueno, con tus ojos.
¿Cómo funciona? Los fotones emitidos o reflejados por una superficie golpean moléculas especiales en sus ojos. Esto conduce a una señal que se transmite al resto de su cerebro.
Entonces, la observación real finalmente ocurre mediante el intercambio de fotones. Ahora quieres observar partículas realmente pequeñas. Partículas que son tan pequeñas que la interacción con un fotón en realidad las cambia.
Lo que plantea la pregunta de si puede examinar algo como un electrón sin golpearlo con un fotón o cualquier cosa que pueda cambiar su estado. Esto es realmente difícil. Entonces, en la mayoría de los casos, observar algo sí lo influye.
Hay un par de trucos como observar algo que en sí mismo está influenciado por la partícula que desea medir (digamos que el campo eléctrico de un electrón en movimiento podría influir en otra molécula y podría hacer su medición en la molécula).
Pero al final, todos estos procesos se basan en la resonancia. Si desea medir algo, debe crear una resonancia de algún tipo y eso siempre significa una interacción bidireccional en algún nivel.
Esta pregunta me recuerda el koan Zen:
¿Cuál es el sonido de una mano?
De acuerdo con este sitio (que también elabora sobre el koan) si:
mientras caminas, te paras, te sientas y te recuestas, procedes directamente sin interrupción en el estudio de este koan, de repente arrancarás la raíz kármica del nacimiento y la muerte y derribarás la cueva de la ignorancia.
... y/o comprender la mecánica cuántica :-) Ok ... tal vez no lo suficientemente bien para obtener un título, pero entiendes mi punto ;)
todas las partículas son la suma o el producto de otras interacciones de partículas, sin embargo, se requieren colisiones de mayor energía para que se realice el umbral de las observaciones.