¿Qué existen los fenómenos cuánticos antes de la observación?

Usted habla del problema de la medición , que aún no tiene una resolución ampliamente aceptada.

Pero un estado cuántico puro después de una medición se encuentra exactamente en el mismo tipo de entidad que tenía antes de la medición, es decir, un nuevo estado cuántico puro. Es simplemente que la medida obliga (por cualquier mecanismo aún no completamente comprendido que resuelva el problema de la medida) al estado cuántico a estar en uno de los vectores propios del operador que describe la medida. Es "forzado" (colapsa...) en el estado propio que corresponde al valor de medición obtenido de la medición. Qué estado propio / vector son estos es aleatorio: este es el único lugar donde cuánticola incertidumbre entra en escena. A partir de ahí, evolucionará de nuevo siguiendo la ecuación de Schrödinger tal como lo hacía antes de la medición. Uno de los resultados de esta última declaración es que si el operador de medición particular ("observable") conmuta con el hamiltoniano, entonces el estado permanece como está, asumiendo solo un retardo de fase global que aumenta linealmente con el tiempo. Entre mediciones, la evolución del estado cuántico es completamente determinista.

Si hay incertidumbre en la medición ( es decir, más allá y diferente de la incertidumbre cuántica anterior, por ejemplo , debido a las imprecisiones de los instrumentos), entonces el estado, desde el punto de vista del medidor, se convierte en una mezcla clásica de estados puros. En principio, uno modela esto asignando probabilidades clásicas a cada uno de los estados puros que podrían ser consistentes con la medición: estas probabilidades son las probabilidades condicionales clásicas dado el valor de medición particular que se ha obtenido. Esto es, de hecho, una generalización de la situación que se tiene en el experimento mental de Wigner Friend.. En principio, uno desarrolla todas estas posibilidades a través de cálculos paralelos de ecuaciones de Schrödinger y luego combina sus predicciones de probabilidad clásicamente para calcular distribuciones de probabilidad generales para mediciones en el futuro. En la práctica, la forma más sencilla de hacer este cálculo es a través del formalismo de matriz de densidad. En resumen: las dinámicas subyacentes siguen siendo las de la evolución del estado unitario puro: la ignorancia del observador acerca de qué estado puro prevalece exactamente está codificada y manejada por el formalismo de la matriz de densidad .

Lo que ha descrito es la interpretación de Copenhague, en la que la función de onda le da la probabilidad de encontrar una partícula en una determinada posición. Cuando observamos la partícula, "colapsamos" la función de onda y entonces sabemos dónde está.

Esta no es la única interpretación, pero es la estándar. Sin embargo, en general, no es posible distinguir entre diferentes interpretaciones, porque todas dan los mismos resultados experimentales (con algunas excepciones).

Permítame responder a su pregunta "¿estos experimentos realmente reflejan cómo funciona la naturaleza?" con otra pregunta: si estos experimentos no reflejan cómo funciona la naturaleza, entonces, ¿cómo podríamos hacer estos experimentos y obtener estos resultados? En otras palabras, los extraños resultados de estos experimentos deben ser consistentes con el funcionamiento de la naturaleza.

Sin embargo, debo señalar que las interpretaciones modernas tienden a no incluir la idea del observador y el colapso de la función de onda, debido a problemas como "¿qué constituye un observador?" y "¿por qué un observador provoca el colapso de la función de onda?"

Se ha dicho que según la ecuación de Schrödinger, independientemente de la observación, las partículas existen en un estado de función de onda, que es una serie de potencialidades en lugar de objetos reales. Entonces, el acto de observar, provoca que una ola de potencialidad colapse a un estado de materia.

¿Es esto cierto?

La respuesta a tu primera pregunta es: depende. :) El hecho de que puedas tomar la función de onda que describe un electrón en un potencial (una de las soluciones básicas de la ecuación de Schrödinger) y luego elevar al cuadrado este resultado te da una distribución de probabilidad de dicho electrón en ese potencial en particular.

Pero nunca sabrá con precisión dónde y con qué momento está el electrón sin medirlo. Por lo general, esto se hace con al menos un fotón (generalmente mucho), y el fotón se envía hacia la distribución de probabilidad y el fotón desviado/emitido resultante se mide con un detector. Pero esa medida es solo una pequeña pieza de información sobre dónde estaba el electrón en el momento particular en que el fotón interactuó con él. Entonces, en cierto sentido, al disparar el fotón al electrón, de hecho "fijaste" el estado del electrón por un breve momento. Sin embargo, a menos que elimines completamente al electrón del potencial en el que se encontraba cuando disparaste el fotón, en realidad no cambiaste la distribución de probabilidad del electrón.

El colapso de la función de onda es un término que describe el momento particular de la medición. Hasta ese momento, solo tienes una distribución de probabilidad. Recuerdo que algunos de mis libros de texto y algunos trabajos de investigación se refieren a esta distribución de probabilidad con el término: función de densidad de probabilidad. Esto es precisamente lo que calculas cuando elevas al cuadrado la función de onda.

Si considera que nada es real hasta que se observa, entonces no está equivocado. Pero en términos prácticos, no vivimos en un mundo en el que percibimos con precisión los eventos que ocurren en una escala de tiempo medida en el tiempo de Planck. Y es probable que tenga problemas para comprender los conceptos de la mecánica cuántica moderna.

En cuanto a tu segunda pregunta:

Además, ¿son estos experimentos cuánticos anomalías, y no cómo funciona la naturaleza, o estos experimentos cuánticos, como la doble rendija y los borradores cuánticos, en realidad reflejan cómo funciona la naturaleza incluso en ausencia de manipulaciones humanas?

Estos experimentos son en realidad cómo funciona la naturaleza. Sin embargo, como mencioné en mi respuesta a su primera pregunta, depende de su punto de vista. Y la naturaleza funciona de maneras mucho más complicadas de lo que vemos en los experimentos o en los cálculos relativamente simples realizados, por ejemplo, en los cursos de posgrado. En los escenarios no experimentales/no teóricos donde la mayoría de la mecánica cuántica tiene lugar en el universo, hay MUCHAS interacciones que ocurren simultáneamente. Para cualquier sistema dado de interacciones de partículas, usted está mirando fácilmente órdenes de magnitud más complejas de lo que nadie ha calculado con éxito hasta el día de hoy. Solo tenemos una capacidad computacional/analítica limitada, y eso es solo para los sistemas más simples (como el átomo de hidrógeno o algunas moléculas simples). Se puede hacer mucho simulando o calculando cosas para moléculas utilizando potenciales de electrones y una variedad de suposiciones, pero no está buscando funciones de onda para estas moléculas. Entonces... la forma en que se enseña la mecánica cuántica hoy en día le da a la mayoría de la gente una visión muy simple y limitada.

En la mecánica cuántica no relativista tienes una ecuación diferencial parcial como la ecuación de Schrödinger. Las soluciones se llaman funciones de onda. Es similar a las ecuaciones de Maxwell en que si proporciona los valores en un momento, puede obtener los valores en otro momento.

A diferencia de Maxwell, los valores que debe proporcionar son complejos y, a diferencia de Maxwell, debe proporcionarlos no para cada punto en el espacio físico sino para un espacio que tiene 3n componentes donde n es el número de partículas, especificar todos esos números es suficiente para decirle donde cada partícula es así que son coordenadas para una configuración completa de todas las n partículas.

DE ACUERDO. Así que para cada configuración especificamos un número complejo. El valor de los números complejos evoluciona en el tiempo según la ecuación de Schrödinger.

Si tiene dos partículas, entonces es posible que una función de onda$\Psi(x,y,z,X,Y,Z,t)$podría escribirse como un producto de otras dos funciones

$$\Psi(x,y,z,X,Y,Z,t)=A(x,y,z,t)B(X,Y,Z,t).$$ Si es así, es factorizable. Las medidas están relacionadas con estos estados factorizables.

A veces hay operaciones que si las haces dos veces obtienes el mismo resultado, por ejemplo, puedes hacer un dispositivo que divide un haz hacia la izquierda y hacia la derecha, pero si tienes dos de esas máquinas, el haz que salió a la izquierda en la primera siempre va a la izquierda en la segunda máquina y el rayo que iba a la derecha en la primera siempre va a la derecha en la segunda máquina. Tales estados son propios de los haces, y el dispositivo siempre actúa sobre estas cosas propias de la misma manera. Las mediciones están relacionadas con estos dispositivos y estados.

Ahora tenemos los ingredientes para responder a su pregunta. Siempre puede escribir su función de onda como una suma de estados factorizables, cada uno de los cuales es propio de algunos dispositivos y actuarán de manera totalmente objetiva para esos dispositivos. Sin embargo, si eres propio de un dispositivo, no serás propio de otros dispositivos, por lo que esos otros dispositivos te harán evolucionar para dividir en una suma cada una de las sumas que son propias de ese dispositivo.

Cuando alguien dice potencial, simplemente quiere decir que no es propio de ese dispositivo. Y lo que dicen las ecuaciones de evolución es que se divide en una suma de estados propios. Técnicamente, ya era una suma de estados propios, por lo que al dividir me refiero a los diferentes estados propios cuando se factorizan, un estado diferente para otras partículas tiene la onda de otra partícula separada.

Por ejemplo

$$\Psi(x,y,z,X,Y,Z,0)=\left(5A(x,y,z,0)+2a(x,y,z,0)\right)B(X,Y,Z,0)$$ donde A y a son propios, evoluciona a $$\Psi(x,y,z,X,Y,Z,0) = \left(5A(x,y,z,t)C(X,Y,Z,t)\right) + \left(2a(x,y,z,t)D(X,Y,Z,t)\right)$$ donde C y D son disjuntos (separados).

Esa otra partícula, la que se separa si se acopla a diferentes estados propios, está midiendo efectivamente a la primera. Si se requiere un grupo completo para separar el estado propio del primero, entonces juntos miden el primero. Para medirlo, básicamente también tienen que no verse afectados por todo lo demás. No puedes medir una cosa si todo lo demás te distrae y afecta lo que haces, porque entonces las otras cosas podrían hacer que no te separes.

Observe el 5 y el 2, a veces un término en la suma es más pequeño que otro término en la suma y entonces puede tener menos efecto en la evolución futura cuando ambos se superponen.

En nuestro ejemplo, todo no se superpondrá de nuevo si las partes separadas (C y D) nunca se superponen de nuevo. Y las cosas que no se superponen actúan como si fueran la única cosa en el mundo. Entonces, las cosas que lo miden actúan como si solo existiera ese resultado. Dado que actúan como si fueran lo único que llamamos un colapso, se necesita tiempo para separarlos por completo, pero una vez separados, cada uno actúa como si solo existiera.

Entonces otra cosa puede medir la cosa que la midió y así sucesivamente, actuando cada uno como si sólo existiera la cosa propia de lo que midió. Y dado que traer eigen a un dispositivo es repetible, esta opinión parece objetiva para lo que lo midió, ya que hacerlo nuevamente da los mismos resultados.

Así es como un resultado puede parecer objetivo a una parte (como una C o una D).

Dado que nunca hemos visto una desviación de la evolución de las ondas, es razonable decir que así es la naturaleza. Sin embargo, obviamente, los dispositivos cambiaron las cosas, separaron las ondas. Un dispositivo diferente se habría separado$\Psi$en$3K(x,y,z,t)+4k(x,y,z,t)$en lugar de$5A(x,y,z,t)+2a(x,y,z,t)$así que las medidas hacen algo. Y suceden con el tiempo, por lo que el orden en que los hace puede importar, tal vez usted era propio de A / a pero hizo una medición K / k que lo separa en cosas que son K / k, entonces si hace un A / a tendrá que dividir K en A/a y dividir k en A/a, donde ahora obtiene algo de A y algo de a, mientras que si hubiera hecho su medición de A/a primero habría obtenido A con seguridad (o obtenido un para seguro porque ya era propio de A/a, por lo que era uno (por ejemplo, A) o el otro (por ejemplo, a)).

Así que realmente no he mencionado esos escalares 2,3,4,5 que aparecieron. Cuando escribes$\Psi$como combinación de estados propios, estás matemáticamente obligado a tener constantes allí. Son importantes para hacer algo propio de un dispositivo a partir de cosas que son propias de otra cosa, pero solo si no están separadas.

En particular, si observa un dispositivo que mide cuántas veces un montón de cosas se desviaron hacia la izquierda, esas constantes afectarán lo que ese dispositivo es propio y, por lo tanto, lo que vemos cuando medimos cuántas de ellas se enviaron hacia la izquierda. Entonces afectan lo que el dispositivo de medición llama la frecuencia de las observaciones.

Entonces las ondas parecen seguir siempre la ecuación tanto cuando estamos midiendo como cuando no. Medir tiene un efecto. Y el orden en que mide cambia sus resultados. Pero nunca medimos los valores numéricos de la onda, todo lo que podemos hacer es evolucionarla para que se convierta en partes que luego actúen de forma independiente y que cada parte pueda pensar que es el todo. Y esa apariencia parece objetiva porque si esa parte hace la misma medida dos veces, obtiene el mismo resultado en ambas ocasiones (a menos que haga una medida diferente en el medio, ya que las medidas dividen cosas que no son propias y las cambia).