¿Qué significa exactamente "observado" cuando se habla de la dualidad onda-partícula?

En general, apoyaría la respuesta de Ayesha , ya que explica que la decoherencia es provocada por lo microscópico que interactúa con lo macroscópico.

Como sucede con muchas cosas en la Física Cuántica, esto es evidentemente cierto en los extremos (por ejemplo, poner un detector en el camino de un fotón en el experimento de doble rendija), pero no está claro cuándo algo se considera macroscópico. Por ejemplo, en algún lugar entre el acoplamiento de un espín atómico a otro átomo individual y el acoplamiento a un millón de otros átomos, nosotros (y presumiblemente el universo) decimos que se ha producido una decoherencia y que la función de onda se ha derrumbado.

Una respuesta es mirar la matriz de densidad . Considere que un par de fotones tienen una matriz de densidad de 2x2. Si entrelazamos las polarizaciones de fotones de manera similar, entonces tenemos HH o VV, que sería una matriz de densidad así:

     H    V
  H  0.5  0
  V  0    0.5

Von Neumann nos dice que la medición siempre aumenta la entropía dentro del sistema, disminuyendo así la información cuántica contenida en él. Entonces, incluso si realizamos una medición que no está relacionada, como verificar los estados HV, comenzamos a corromper la matriz. Así que tal vez se convierte en:

               First
               H     V
Second     H  0.44   0
           V  0.1    0.46

Supongamos que entrelazamos aún más este par con otro par (todavía en su estado limpio), de modo que si el segundo fotón del primer par es V, también lo es el primer fotón del segundo par (y lo mismo para H):

                First pair
                  HH       HV      VH       VV
            HH   0.44                   
Second      HV 
 Pair       VH
            VV            0.1              0.46

Si ese segundo par estuviera un poco manchado y se pareciera más a:

HH 0.48, HV 0.03, VH 0.07, VV 0.42

Entonces nosotros tenemos:

       HH          HV        VH       VV
  HH  0.48x0.44            0.48x0  
  HV  0.03x0.44            0.03x0 
  VH             0.07x0.1          0.07x0.46
  VV             0.42x0.1          0.42x0.46

Renormalizado (/0.4988):

       HH       HV     VH    VV
  HH  .4234              
  HV  .0265             
  VH          .0140         .0646
  VV          .0842         .3873

Podemos ver cómo la pureza original de la superposición está siendo contaminada por la entropía y, a medida que aumenta el espacio con la adición de más partículas, esto erosionará aún más el estado original. Nótese en particular cómo el estado HHHH tiene P=42,34%, mientras que el estado VVVV tiene P=38,73%. Claramente, esta erosión erosionará uno de los estados originales más que el otro, por lo que después de algunas interacciones podríamos esperar que uno desaparezca por debajo del ruido de fondo, dejando un solo estado preferido. En el experimento, esto resultaría como una 'decoherencia' en la que la creciente interacción con el entorno disipa la superposición original a través de un espacio cada vez más grande hasta que el ruido aleatorio toma el control.

La metáfora de la señal frente al ruido es adecuada, ya que parece ser la información cuántica almacenada en los estados que se erosionó. Este es el origen de los métodos de corrección de errores cuánticos diseñados para utilizar codificaciones para mantener un estado coherente durante más tiempo.

Por lo tanto, 'observación' realmente significa el acoplamiento de un estado cuántico a un sistema mucho más grande y, al hacerlo, contaminar la información cuántica almacenada con entropía y, por lo tanto, experimentar decoherencia.

Supongamos que representamos la función de onda del fotón como$\psi_p$y la función de onda del observador como$\psi_o$. Siempre que el fotón y el observador no interactúen de ninguna manera, podemos escribir la función de onda total como un producto:

$$\Psi = \psi_p\psi_o \tag{1}$$

El problema es que no puedes hacer ninguna medición del fotón sin interactuar con él, y tan pronto como lo haces te enredas con el fotón. El entrelazamiento significa que la función de onda total de usted y el fotón ya no es separable en un producto como en la ecuación (1).

Exactamente lo que suceda a continuación depende de la interpretación del colapso de la función de onda que prefiera. Mi propia interpretación preferida es decoherencia / muchos mundos , y vista de esta manera después de la interacción, la función de onda total evoluciona para volverse aproximadamente separable nuevamente, por lo que una vez más obtienes:

$$\Psi' = \psi'_p\psi'_o$$

Pero la función de onda del fotón ha cambiado por la interacción, por lo que$\psi_p \ne \psi'_p$, y esto afectará a la evolución posterior de$\psi'_p$a medida que el fotón pasa a través de las rendijas y, por lo tanto, afectará el patrón de difracción producido.

Lo que suceda exactamente dependerá de la fuerza de la interacción, porque esto determinará cuánto cambia la función de onda. Es posible hacer que la medición sea una interacción muy débil, en cuyo caso se obtiene una medición débil y el patrón de difracción no se vería afectado. Sin embargo, en este tipo de argumentos, la medida generalmente se toma como una que indica la posición de la partícula y, en ese caso, la interacción tendría que ser lo suficientemente fuerte como para reducir significativamente la incertidumbre en la posición de la partícula, por lo que no sorprende que esto cambie significativamente. el patrón de difracción.

Tenga en cuenta que no he asumido nada sobre el observador aparte de que puede ser descrito por una función de onda y que interactúa con el fotón. Muchos sistemas pueden ser observadores: el efecto que tienen solo depende de la fuerza de la interacción.

Lo ilustraré haciendo referencia al experimento mental del gato de Schrödinger. El experimento consiste en un gato dentro de una caja, a la que se adjunta una pequeña cantidad de una sustancia radiactiva. En el transcurso de una hora, la sustancia puede o no emitir una partícula. Si lo hace, entonces un contador Geiger activa una lata de cianuro, matando al gato. Después de una hora, la función de onda del gato tiene la forma

$$\psi_{cat} = \frac{1}{\sqrt{2}}\left( \psi_{alive} + \psi_{dead} \right)$$

Ahora, aquí vemos el defecto del término "medición": sugiere la participación de un observador humano. Antes de su observación del gato, el gato no está ni vivo ni muerto, sino una combinación lineal de los dos estados, y si el gato está realmente muerto, lo mató mirando por la ventana.

Por supuesto, esto suena intrínsecamente absurdo. Resolvemos la paradoja considerando la activación del contador Geiger como la "medición", no la intervención del observador humano. Una medida, entonces, consiste aquí en una interacción entre el sistema microscópico (la partícula en descomposición) y el sistema macroscópico (la activación del contador Geiger). Con todo, "medición" es un término bastante pobre, ya que inherentemente sugiere la presencia de un observador humano. Heisenberg sugirió el término "evento" en su lugar.

(En algunas formulaciones de la mecánica cuántica, incluso es posible prescindir por completo del concepto de "medida" y, en cambio, hacer que el aparato de "medición" y el sistema mismo se describan mediante una función de onda).

Para dar también una respuesta más directa a su fotón en un ejemplo de rendija, en palabras simples:

Observar el fotón que pasa a través de la rendija no es solo un acto conceptual, significa colocar un detector de fotones en la rendija y, a medida que pasa el fotón, se mide su estado y, dado que una medición en mecánica cuántica tiene el costo de perturbar el estado original del sistema (lo que aquí significa que cualquier mecanismo que utilice el detector tendrá una influencia en el estado del fotón, por ejemplo, el momento de la luz se transfiere a los electrones).

En consecuencia, el fotón colapsará en uno de sus estados propios (del cual uno dependerá de su estado inicial de superposición) y ya no estará en un estado desconocido (es decir, una superposición de estados), lo que significa que su estado es perfectamente conocido y no lo sabrás. observar una interferencia por su espectro de intensidad, todas las franjas desaparecen.

Finalmente, digamos que si continúa midiendo (es decir, observando) el fotón colapsado, usando el mismo detector, observará el mismo estado para el fotón, pero si cambia los detectores (como cambiar el ángulo del polarizador, simplemente una base diferente) entonces puedes cambiar aún más el estado del fotón, por los mismos principios.

Para acostumbrarse a estas ideas, es mejor si comienza leyendo ejemplos de medición de la polarización de fotones que también le presentarán la notación bra-ket de Dirac de una manera bastante sencilla.