Prácticamente, ¿cómo colapsa un 'observador' una función de onda?

He estado leyendo/aprendiendo sobre el experimento de la doble rendija, sus implicaciones en la teoría cuántica y cómo explica que las "partículas" pueden comportarse como ondas y partículas.

Sé que la función de onda es una probabilidad de la ubicación de la partícula, y que disparar los electrones a través de las dobles rendijas provoca un patrón de interferencia asociado con múltiples ondas. Esto, aunque no tiene sentido intuitivo (en relación a cómo algo puede existir incluso como una onda), es algo que puedo seguir.

Sin embargo, he leído/escuchado que un "observador" colapsa la función de onda en un solo punto. Esto es lo que hizo que los electrones aparecieran en la pared detrás de la rendija; sin embargo, Feynman (ciertamente, como un experimento mental) sugirió que colocar un "observador" antes de las rendijas haría que los electrones volaran a través de ellas como partículas, y no dejarían un patrón de interferencia en la pared posterior.

¿Qué es un “observador”? ¿Cómo y por qué el electrón "sabría" que está siendo observado y, por lo tanto, haría que cambiara de comportamiento?

El tema de la decoherencia puede ser de su interés. en.wikipedia.org/wiki/Quantum_decoherence Básicamente, se podría decir que el "colapso" ocurre cuando el electrón se enreda con un dispositivo de medición. Debido a que el dispositivo de medición está extremadamente enredado con el entorno circundante (moléculas de aire, etc.), todos los valores esperados aparecerán como clásicos a partir de ese momento. Este libro puede ser demasiado avanzado, pero "Decoherence" de Schlosshauer ofrece una muy buena descripción.
Como dijo my2cts, "el colapso de la función de onda solo está en la cabeza de los físicos". No solo eso, sino que nadie puede describir físicamente qué es una onda de luz. Cualquier fenómeno de la luz se puede derivar con una teoría de partículas. ¿Qué es una onda de luz sino miles de millones de fotones coherentes? ? El término correlación es lo que se necesita en lugar de entrelazamiento. No solo puede correlacionar con partículas, sino que también puede describir cómo hacerlo. ¿Qué es el enredo sino la correlación?
en relación a cómo cualquier cosa puede incluso existir como una onda El electrón ≠ la función de onda
Pequeña corrección: "Sé que la función de onda es una probabilidad de la ubicación de la partícula" no es correcto. La función de onda es la amplitud de probabilidad (ver esta publicación ) que no es lo mismo que una densidad de probabilidad (también llamada distribución, lo que normalmente encuentras en tu curso básico de probabilidad). Para obtener la probabilidad real (densidad), necesita el cuadrado del módulo de la función de onda ( es decir , la regla de Born).
Una observación es fundamentalmente una interacción . Esto hace tropezar a la gente porque instintivamente pensamos en 'observar' algo como una forma de 'mirar' un sistema para obtener información a distancia sin interactuar con él. A nivel cuántico, esta noción de separación desaparece, y la parte de interacción de una observación se vuelve tan significativa que es incapaz de no alterar el estado del objeto bajo observación.

Respuestas (6)

Las otras respuestas aquí, si bien son técnicamente correctas, pueden no presentarse en un nivel apropiado para sus antecedentes aparentes.

Cuando el electrón interactúa con cualquier otro sistema de tal manera que el comportamiento del otro sistema depende del del electrón (por ejemplo, registra una cosa si el electrón se fue a la izquierda y otra si se fue a la derecha), entonces el electrón ya no tiene una función de onda. propio: el sistema electrón+"detector" tiene un estado conjunto . Los dos están enredados .

El electrón no tiene que "saber" nada. La interacción física simple da como resultado un vector de estado que, según las leyes de la mecánica cuántica, impedirá la interferencia de cualquiera de los subsistemas de este sistema más grande. Dicho esto, el estado conjunto puede mostrar en sí mismo una especie de "efecto de interferencia" (aunque no del tipo que normalmente se piensa en el experimento de dos rendijas).

Si este enredo está bien controlado (como en un laboratorio), entonces (a) mostrar esta "interferencia conjunta" podría ser práctico, y (b) también es posible deshacer el enredo, restaurando así la única superposición del electrón. Así es como sabemos que no se ha "colapsado".

Pero si el entrelazamiento es causado por fotones perdidos, moléculas de aire, etc., entonces cualquier esperanza de controlarlos se desvanece casi de inmediato y ya no podemos exhibir interferencia en la práctica. A partir de aquí, el sistema parecerá comportarse de forma clásica, con las diferentes ramas evolucionando de forma independiente. Este hecho se llama decoherencia . La superposición aún no se ha "colapsado", pero ya no tenemos la capacidad de mostrar o explotar la superposición.

Puede notar que esto todavía deja abierta una pregunta crucial: ¿ cuándo las muchas ramas se vuelven una? Esto se llama el problema de la medición , y los físicos no están de acuerdo con la respuesta aún hoy.

Tal como lo entiendo: no hay forma de medir "telepáticamente" algo sobre el electrón. Necesitamos hacer rebotar otro electrón (o protón, o lo que sea) fuera de él, o tal vez podamos hacer que algo se vea afectado por su campo eléctrico, pero el electrón se verá igualmente afectado por el campo del dispositivo de medición. En otras palabras, para medir el electrón, nos vemos obligados a perturbarlo. Y ahí es cuando ocurre el "colapso". Eso es "observar".
En el mundo macro podemos observar cosas sin afectarlas (notablemente) porque hay cosas diminutas (fotones) que pueden rebotar en cosas grandes sin afectarlas significativamente. Pero cuando entramos en el reino cuántico, no hay nada más pequeño aún, porque las partículas cuánticas ya son (por definición) las cosas más pequeñas que existen.
@A_P Sería genial si pudiera explicar por qué los resultados negativos o sin interacción como los de Renninger son igualmente efectivos para reducir la función de onda a valores clásicos.
@JPattarini Gracias por mencionar esto. La falta de un evento de detección puede ser tan reveladora como la presencia de uno. En el gedankenexperiment de Renninger, la función de onda no se reduce a un punto, sino al hemisferio de trayectorias donde no se detecta. La forma sencilla de entender todo esto es que cada vez que se obtiene información sobre un estado, esto constituye un enredo. Y claramente, la información a veces puede llegar por medios negativos. En lugar de ser "forzados a perturbarlo", aquí intentamos y fallamos en perturbarlo, en cierto sentido. Pero intentarlo fue suficiente.
@A_P Creo que tendré que publicar una pregunta específica sobre esto, pero parece que si un resultado negativo de un detector es suficiente para actualizar la función de onda, entonces deberíamos ver los efectos de Quantum Zeno en cualquier configuración similar a Renninger. Básicamente, si la detección y la no detección son medidas en igualdad de condiciones, parece que la evolución del estado difícilmente debería poder ocurrir.
@JPattarini Otra pregunta es una buena idea. no soy fisico Pero, ¿por qué crees que veríamos un efecto Quantum Zeno? Solo hay un detector, a una distancia fija, que es responsable del colapso parcial. Además, el estado todavía evoluciona ; simplemente no lo hace como una superposición coherente.
si dejamos D + estados medios del detector donde hubo detección y D − donde no había , entonces | ψ ⟩ evoluciona a | D + ⟩ ⊗ | ψ 1 ⟩ + | D − ⟩ ⊗ | ψ 2 ⟩ , dónde | ψ 2 ⟩ es una superposición de estados propios de posición. Esos todavía pueden interferir entre sí; simplemente no podían interferir con ninguna | ψ 1 ⟩ estados (ignorando que la partícula ha sido absorbida en esa rama de todos modos).
@A_P Me temo que también necesito una explicación simplista, pero veo muchas conferencias científicas. ¿Cómo su respuesta está de acuerdo/en conflicto con una interpretación de "muchos mundos" de la mecánica cuántica?
@ JackR.Woods Llamamos a una superposición decoherente cuando crece más allá de nuestra capacidad de gestión (o detección). Debido a que es extremadamente improbable que las ramas de la superposición interfieran más allá de ese punto, a algunas personas les gusta decir que deberíamos llamarlos "mundos diferentes". Pero no hay ningún evento especial que suceda que pueda demarcar un límite claro, así que siento que esto es un poco tonto. ¿Por qué "casi imposible de revertir para los humanos modernos" debería ser el límite para la creación del mundo? (continuación)
La gente de las cavernas no pudo detectar ni siquiera una superposición de una sola partícula, y cada partícula está en tal superposición cuando se observa de alguna manera. ¿Significa esto que cada partícula estaba en "dos mundos" en ese entonces? Por supuesto que no. Además, mucha gente comete el error de pensar que cuando los mundos se bifurcan, hay un solo resultado. Esto no es cierto. Todas las posibilidades siguen ahí, incluso si no interfieren. Solo cuando todo se enreda contigo sucede algo distinto (desde tu perspectiva). Por otra parte, soy un don nadie, así que probablemente sea mejor leer "los expertos".

El colapso de la función de onda es una característica de la interpretación de Copenhague, que es una interpretación de la mecánica cuántica. No es el único. En estos días la gente realmente no habla de interpretaciones de la mecánica cuántica. Hablan más en términos de decoherencia. Una de las cosas que siempre fue insatisfactoria sobre el CI fue que nunca definió lo que significaban términos como "observador" y "medición".

Una forma más natural de pensar en esto es en términos de decoherencia. Cuando un sistema de mecánica cuántica interactúa con un entorno, existe una tendencia a que la información de fase se confunda. La decoherencia es una teoría que nos permite calcular este tipo de cosas y, por ejemplo, encontrar la escala de tiempo en la que se pierde la información de esta fase. Cuando el entorno es algo grande con mucha energía, la escala de tiempo para la decoherencia es muy corta. Cuando las personas hablan de observadores y medidas, se refieren a objetos tan grandes y que contienen tanta energía que esta escala de tiempo es mucho más corta que cualquier otra escala de tiempo en el problema y, por lo tanto, tiene sentido tratarlo como un colapso instantáneo. como en CI.

Además, la decoherencia no asigna superposiciones a funciones propias, sino estados puros a mixtos que pueden interpretarse como distribuciones de probabilidad "clásicas": la decoherencia per se no aborda mediciones individuales
@Ben Crowell ¿Cómo explica la decoherencia el colapso parcial de la función de onda en la configuración de Renninger?

El colapso de la función de onda solo ocurre en la cabeza del físico.

Lo que estamos tratando es el entrelazamiento del electrón y las funciones de onda del detector. En el problema de la doble rendija podemos escribir la función de onda del electrón como ψ L + ψ R . El detector tiene dos estados ortogonales, L y R . Si no hay detector tenemos interferencia. Si hay una y si distingue las dos posibilidades con 100% de certeza entonces la función de onda debe ser ψ L L + ψ R R . Este es un estado enredado donde la interferencia está ausente como ⟨ ψ L L | ψ R R ⟩

= ⟨ ψ L | ψ R ⟩ ⟨ L | R ⟩ = 0 .

No se produce colapso a menos que sea durante la instalación del detector.

Los primeros años de la teoría cuántica estuvieron dominados por una escuela de pensamiento conocida como la interpretación de Copenhague.

De acuerdo con esa escuela de pensamiento, la función de onda de una partícula podría sufrir un cambio instantáneo cuando se mide alguna propiedad de la partícula. Se asumió que el acto de medir causaba el cambio (que a veces se llama el 'colapso' de la función de onda). Entonces, la respuesta breve a su pregunta, según la escuela de Copenhague, es que un observador provoca un colapso de la función de onda al realizar una medición. Por ejemplo, si un fotón interactúa con una placa fotográfica para producir una mancha oscura, la posición del fotón se localiza repentinamente.

Muchos físicos han planteado objeciones a esta interpretación, y esas objeciones se basan en tres motivos principales. En primer lugar, el colapso parece ser instantáneo, sin una teoría de apoyo sobre lo que lo media o desencadena. En segundo lugar, una 'medida' es simplemente una interacción entre la partícula y alguna otra partícula que resulta ser parte del aparato de medición. Y en tercer lugar, que el aparato de medición en sí mismo es solo una colección de partículas con funciones de onda, entonces, ¿por qué no debería estar sujeto al mismo tipo de cambio discontinuo junto con el objeto que está midiendo?

Estas objeciones aún no se han resuelto por completo. Se han propuesto muchas resoluciones, y cada una tiene sus defensores y detractores.

Un fotón es, o está asociado con, un paquete de ondas electromagnéticas. Se puede pensar que su energía está incorporada en la densidad de energía de los campos eléctricos y magnéticos. Una función de onda describe este paquete de ondas. Observar un fotón generalmente significa que ha sido capturado (como en un CCD o en una película). Al ser capturado, el fotón cede su energía al dispositivo de captura y la onda desaparece. No queda nada para que la función describa.

A los estudiantes de física se les enseñan las siguientes tres cosas: 1) Una función de onda es una función de densidad de probabilidad, de tamaño infinito, que sirve como una ficción útil, permitiéndonos calcular las propiedades de una partícula. 2) El colapso de la función de onda es un evento real, un evento no ficticio, iniciado por algo externo a la función de onda particular en cuestión. 3) Los físicos tienen alguna idea de lo que sucede en el universo, por lo que debemos tomarlos en serio.

Claramente, una de estas tres cosas debe desaparecer.

Las dos primeras afirmaciones son incorrectas. ¿Quién enseña esto?
Prácticamente, ¿cómo colapsa un 'observador' una función de onda?
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