¿Podría resolverse el problema de la medición mediante la teoría de cuerdas u otros ToE?

Sabemos por los experimentos exitosos que demuestran la desigualdad y el entrelazamiento de Bell que el universo no es clásico, sino mecánico cuántico. Esto significa que se comporta de maneras muy poco intuitivas. El "problema de la medición" surge porque no podemos formular una buena imagen intuitiva de lo que está pasando. Una forma en que tratamos de explicarlo, la "interpretación de Copenhague", hace que los cálculos sean relativamente fáciles, pero tiene un paso misterioso, la "medición", que elude nuestra intuición. La explicación de este paso de medición se conoce como el "problema de la medición", y dado que es fundamentalmente un problema con nuestra intuición, es posible que no haya solución (tenga en cuenta que los seguidores de la interpretación de muchos mundos y la interpretación de la onda piloto de De Broglie-Bohm afirman haber resuelto el problema de la medida,

La mecánica cuántica no es solo una teoría del universo, sino un marco utilizado para construir todo tipo de teorías (el modelo estándar, la teoría de cuerdas, la mecánica cuántica no relativista). Para una teoría del todo, hay dos posibilidades. La primera es que sigue siendo fundamentalmente mecánica cuántica, en cuyo caso la situación seguirá siendo la misma y el problema de la medición no desaparecerá. La segunda es que es fundamentalmente algo distinto a la mecánica cuántica. Debido a que todavía tiene que aproximarse a la mecánica cuántica, no se comportará de acuerdo con nuestra intuición clásica. Creo que esto significa que muy probablemente sería aún menos intuitivo que la mecánica cuántica, y el problema de la medición sería reemplazado por algo aún más difícil de entender.

Estimado Qurious, para todos los propósitos prácticos y comprobables experimentalmente, la teoría de la medición se entendió a fines de la década de 1920, poco después de que se descubriera la mecánica cuántica, y el "problema de la medición" se resolvió en el nivel de la fenomenología. La antigua interpretación de la mecánica cuántica dejaba algunas preguntas abiertas pero, desde un punto de vista empírico, eran solo "cuestiones académicas".

El progreso posterior, especialmente las derivaciones de la decoherencia en la década de 1980, confirmaron la imagen de Copenhague y derivaron el límite cuántico clásico, una pieza que faltaba en el antiguo enfoque de Copenhague, de las reglas de la propia mecánica cuántica de muchos cuerpos. Todos los problemas relacionados con la teoría de la medición han sido respondidos en principio.

Las personas pueden preferir diferentes filosofías para interpretar la mecánica cuántica: historias consistentes; muchos mundos; la vieja interpretación positivista de Copenhague, pero finalmente están de acuerdo con las predicciones para todos los experimentos, por lo que sus filosofías son físicamente equivalentes. Lo importante es que las predicciones se pueden hacer para cada situación ahora.

Entonces, el problema de la medición no puede resolverse mediante la teoría cuántica de campos, la teoría de cuerdas o cualquier otra cosa, porque se resolvió durante mucho tiempo antes de que estas nuevas capas de conocimiento físico comenzaran a estudiarse.

La teoría cuántica de campos, la teoría de cuerdas, las teorías que describen estados de la física de la materia condensada, la física nuclear, la física atómica y molecular, la óptica y otras subdisciplinas de la física que dependen de los fenómenos cuánticos toman los postulados universales de la mecánica cuántica como principios exactamente válidos que no pueden ser modificado de ninguna manera.

Los desarrollos modernos en la investigación del entrelazamiento, iniciados originalmente por Einstein y sus colaboradores (especialmente las desigualdades de Bell , el estado GHZM y la paradoja de Hardy ), han eliminado todas las dudas de que la nueva descripción cuántica de la realidad debe ser tomada en serio y toda "clásica". los modelos de los fenómenos cuánticos pueden ser falsificados.

Entonces, la teoría de cuerdas, e incluso la teoría cuántica de campos, no cambian nada en absoluto sobre el marco compartido de la mecánica cuántica y sus postulados. La pregunta de si nuestro Universo sigue las leyes conocidas de la mecánica cuántica ha sido respondida, de facto, durante 85 años, y lo más probable es que nada vuelva a cambiar en estos asuntos básicos.

No hay ningún problema real aquí y los postulados del marco dinámico cuántico a continuación permanecerán con nosotros.

1. El mundo está asociado con un espacio de Hilbert.
2. Se permite toda superposición lineal compleja de dos vectores permitidos.
3. Cada observable está asociado con un operador hermitiano lineal
4. Los valores absolutos al cuadrado de las amplitudes de probabilidad (productos internos complejos con vectores propios de los observables) determinan las probabilidades de que se observe uno u otro resultado
5. No se puede predecir nada excepto las probabilidades; es incorrecto imaginar que cualquier sistema físico que pueda verse afectado por la mecánica cuántica tiene propiedades bien definidas y determinadas (cantidades variables) antes de la medición
6. La evolución está codificada en el hamiltoniano o la acción, a través de la ecuación de Schrödinger, las ecuaciones de movimiento de Heisenberg para los operadores, la integral de trayectoria de Feynman u otro formalismo matemático equivalente.

Lo que están haciendo la teoría cuántica de campos y la teoría de cuerdas es encontrar e investigar los espacios de Hilbert más correctos y los "Hamiltonianos" (o estructuras equivalentes) que actúan sobre ellos y que definen la dinámica. También hay personas que estudian teorías basadas en el supuesto básico de "negación de la mecánica cuántica", pero no tienen nada que ver con la investigación en física de partículas o teoría de cuerdas.

Por supuesto, es hipotéticamente concebible que en algún momento en el futuro, uno (o varios) de los postulados se refuten experimentalmente. Si eso ocurre, las teorías cuánticas de campos, la teoría de cuerdas y muchas otras teorías sobre materia nuclear, condensada y otras ramas de la física también se mostrarán inválidas o incompletas. Pero el "miedo" a que esto pueda suceder no significa que la ciencia no deba construir sobre los supuestos que parecen ser válidos según el estado actual del arte. Si el "miedo" fuera suficiente para detener la investigación, la ciencia se volvería imposible.

No hay nada "prematuro" en tomar los principios de la mecánica cuántica como hechos establecidos, especialmente porque se conocen desde hace 85 años y cada experimento que se ha hecho en esos 85 años ha confirmado que son correctos.

En su excelente charla de 1994 Quantum Mechanics In Your Face , el eminente físico Sidney Coleman comparó la resistencia a la mecánica cuántica con la resistencia a la teoría heliocéntrica. La gente solía decir que las creencias geocéntricas (muy parecidas a la creencia de que el mundo tiene que ser clásico) existían porque "parece" que el mundo es geocéntrico (o clásico). ¿Cómo sería si el mundo fuera heliocéntrico (o cuántico)? Bueno, se vería como el mundo real. Bienvenido a casa. Por cierto, la charla de Coleman se dio hace 17 años pero la mayoría de la gente todavía no ha aceptado la mecánica cuántica como un hecho.

Soy optimista de que la teoría de cuerdas en su forma final explicará la mecánica cuántica.

La forma más sencilla de que esto ocurra sería que la teoría final fuera intrínsecamente cuántica; no es una "cuantización" de una teoría clásica, aunque aún debe tener un límite clásico, una aproximación que se comporte clásicamente. Esto significaría que la mecánica cuántica y la teoría final eran un paquete, matemáticamente.

Sin embargo, me refiero a una explicación genuina. La característica verdaderamente problemática de la mecánica cuántica no es el no determinismo, es el antirrealismo. Si la mecánica cuántica fuera una teoría aleatoria clásica, tendríamos una imagen de lo que sucede entre las mediciones, por ejemplo, una evolución "similar al movimiento browniano" de propiedades físicamente localizadas. Pero las probabilidades cuánticas surgen de los números complejos. Esto permite que ocurra una interferencia destructiva: las contribuciones de las historias a la integral de trayectoria pueden cancelarse. Esto no puede suceder en la teoría clásica de la probabilidad, donde las probabilidades son siempre no negativas y, por lo tanto, siempre se suman de forma no decreciente, y es la principal obstrucción para una explicación realista de la mecánica cuántica. Una mecánica probabilística clásica que reproduce la mecánica cuántica, como la de Edward Nelson. s mecánica estocástica - viola el espíritu de la relatividad especial, porque implica un paseo aleatorio en todas las direcciones del espacio de configuración. Una mecánica determinista no local como la mecánica de Bohm también es conceptualmente no relativista. Entonces, en cambio, escuchamos que las cosas no tienen propiedades hasta que se miden. Eso es "antirrealismo".

Aquí hay un ejemplo de un tercer enfoque realista de la mecánica cuántica y cómo podría ser realizado por la teoría de cuerdas.

Existe una similitud entre la teoría cuántica de campos en tiempo imaginario y la mecánica estadística clásica a temperatura finita que se ha señalado muchas veces. Esto podría sugerir una explicación de la probabilidad cuántica en términos de dependencias probabilísticas clásicas que son locales en el espacio y el tiempo, pero que dan lugar a correlaciones de tipo espacial a través de un zigzag en el tiempo: hacia adelante a lo largo de un cono de luz, hacia atrás a lo largo de otro. Hay una serie de formulaciones propuestas de la mecánica cuántica que tienen este aspecto de causalidad bidireccional, pero ninguna de ellas proporciona una derivación rigurosa del marco cuántico de la teoría ordinaria de la probabilidad.

Una forma en que podríasucedería si estuviera calculando probabilidades en una variedad de espacio-tiempo que no fuera orientable en el tiempo. Si tuviera una condición inicial, una condición final y una distribución de probabilidad clásica sobre el número de curvas temporales cerradas en el medio, tal vez terminaría con algo así como las probabilidades de transición de la mecánica cuántica, incluso con una ley de campo localmente determinista. propagación en la variedad. Pero los bucles de tiempo a escala de Planck implican curvaturas muy altas, por lo que en el marco de la teoría de cuerdas estaríamos hablando de los grandes grados de libertad de la cuerda. De todos modos, la idea es que la teoría fundamental es "clásica" en el sentido de ofrecer una descripción objetiva de la naturaleza, y que las peculiaridades de la mecánica cuántica surgen simplemente porque tú'

Mientras tanto, si observo lo que realmente está sucediendo en la teoría de cuerdas, hay desarrollos formales que podrían ser el comienzo de un movimiento más allá de la mecánica cuántica. Al promover el trabajo reciente sobre los twistores en la teoría de calibre, Arkani-Hamed dice que no solo ofrece espacio-tiempo emergente sino también mecánica cuántica emergente, porque no se asume la unitaridad. Y Witten tuvo un artículo el año pasado derivando la mecánica cuántica no relativista de la teoría de cuerdas topológica.

Sin embargo, Witten todavía usaba integrales de trayectoria, y podría ser que el trabajo de Arkani-Hamed et al también sea solo mecánica cuántica desde otro ángulo, en lugar de un atisbo de algo más profundo. Y lo que escribí sobre la mecánica cuántica que surge de las probabilidades clásicas que son bidireccionales en el tiempo también podría estar equivocado. Pero ayuda tener algunas de esas posibilidades a la vista, cuando se opone al antirrealismo.

Incluso si alguna forma de mecánica bohmiana fuera la única interpretación realista viable de la mecánica cuántica, creo que estaríamos racionalmente obligados a preferirla al antirrealismo. Lo que realmente espero, sin embargo, es que en el proceso de formular la teoría física final, el desarrollo incremental de nuevos formalismos cuánticos (ver el final del punto 6 en la lista de Lubos), llevado a cabo por razones técnicas más que filosóficas, en última instancia, produzca una versión del marco cuántico en la que no necesite hablar sobre mediciones y observables en el nivel fundamental. Simplemente habrá relaciones entre las cosas que existen según la teoría. Y en ese punto ya no será necesario el antirrealismo.

El "problema de medición" relacionado con QM gana gran parte de su longevidad debido a la aleatoriedad que QM introdujo en una física fundamental que previamente había tenido éxito dentro de su dominio y (aparentemente) determinista. Sin embargo, los físicos habían trabajado antes con teorías estadísticas (donde las estadísticas procedían de la ignorancia de los detalles) y han aprendido a adaptarse ya que nada de este debate interpretativo afecta las ecuaciones básicas (como las de Schrödinger).

Una parte clave de la pregunta es "¿un TOE/teoría fundamental no cambiará la teoría cuántica?". Una respuesta simple es que no lo sabemos: podría, pero podría no tocar la teoría cuántica; tendrá otro trabajo que hacer. Un aspecto más sutil de esto es que en física, cuando aparece una teoría de reemplazo, tiene que respetar los éxitos (obtenidos durante muchas décadas o siglos) de su predecesor. Como la teoría cuántica es bastante matemática, una nueva teoría de este tipo también tiene que "respetar" muchos de los teoremas asociados ahora con la teoría cuántica, así como los resultados experimentales. Es este factor el que hace que la discusión sobre este tema sea larga: algunos teoremas (pero no todos) ocasionalmente se refinan. Ejemplos de teoremas incluyen: Teorema de Bell, Teorema de Kochen-Specker - ahora Kochen-Specker-Conway.

Todos estos tipos de teoremas incorporan el tipo de propiedades y problemas de superposición que menciona la pregunta.

Finalmente, una posibilidad (quizás incluso bastante probable) es que el TOE sea solo un conjunto de ecuaciones (validadas experimentalmente). Entonces pueden quedar todavía preguntas de interpretación. Sin duda modificado por el conocimiento de exactamente qué ecuaciones funcionan, pero aún sujeto a (lo que luego se describirá como filosófico) debate.

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