¿Qué significa que un fenómeno físico sea "fundamentalmente aleatorio"?

Cuando la gente habla de aleatoriedad "fundamental" o "inherente" en el contexto de la mecánica cuántica, el significado técnico detrás de esto es el teorema de Bell , que nos dice que no hay teorías de variables ocultas locales que expliquen los resultados de la mecánica cuántica.

Una teoría de "variable oculta local" es básicamente la idea clásica de cómo funciona el mundo: todo tiene una lista de propiedades bien definidas, como posición o momento, y hay un valor "verdadero" preciso para cada uno de estos en cada momento, y las leyes de la física en principio determinan el valor preciso en cada otro tiempo de aquellos en un instante. La "aleatoriedad" en este mundo clásico es incidental y surge del conocimiento incompleto, dispositivos de medición imperfectos, etc. Cuando lanzas una moneda clásica exactamente de la misma manera, siempre arrojará el mismo resultado. La "aleatoriedad" es solo porque los humanos son extremadamente malos en el nivel de consistencia requerido para voltearlo "de la misma manera" nuevamente.

El teorema de Bell dice que la mecánica cuántica es incompatible con las teorías de variables ocultas locales. Ninguna teoría de este tipo puede jamás predecir los resultados que, de hecho, observamos. (Buscar y cerrar "lagunas" en nuestros experimentos que podrían hacer posible argumentar que en realidad no observamos las violaciones de las desigualdades de Bell que descartan las teorías de variables ocultas locales es un nicho algo activo en el que no entraré aquí. )

Entonces, "aleatoriedad fundamental" realmente se supone que significa "sin variables ocultas": antes de medir el impulso de una partícula, no tenía uno definido . El estado cuántico no es una lista de números con valores definidos para las propiedades que podemos medir, es simplemente una lista de probabilidades. Decir que esto es "fundamental" es decir que es imposible explicar estas probabilidades simplemente como resultado de nuestra falta de conocimiento de algunas variables definidas subyacentes, es decir, es el contenido del teorema de Bell. La afirmación es que las incertidumbres y probabilidades de la mecánica cuántica son realmente características del mundo , no características de nuestra incapacidad para comprenderlo.

Para completar, permítanme mencionar que el teorema de Bell le brinda una forma de preservar la creencia en variables ocultas: en lugar de abandonar el realismo, puede optar por renunciar a la localidad, hablando en términos generales, la noción de que las cosas no pueden afectar instantáneamente el estado de otras cosas separadas de ellas en espacio. Esto es lo que hace la mecánica de Bohm , pero está lejos de ser el punto de vista dominante entre los físicos. Aunque hay una plétora de diferentes interpretaciones cuánticas , que son en realidad marcos ontológicos que intentan explicar cómo pensar en un mundo que no es clásico ni mecanicista, la mayoría elige la localidad y abandona el realismo, razón por la cual escuchará a menudo que " la mecánica cuántica dice que el mundo es fundamentalmente aleatorio".

En su caso de desintegración radiactiva, significa que los tiempos de desintegración de una muestra de material radiactivo ocurren de forma completamente aleatoria. La muestra tendrá bastantes núcleos radiactivos. Cuando un solo núcleo se desintegra es al azar. La descomposición puede ocurrir temprano o tarde, no hay forma de predecir cuál. Después de una medición de x segundos, encontrará que algunos decaimientos fueron tempranos y otros, de la misma muestra, tardíos. Se habrá determinado el historial de descomposición de una muestra. Después del hecho, es decir, después de que se hayan medido las desintegraciones aleatorias, podemos calcular las propiedades como la vida media y la vida útil. mientras que una segunda medición tendrá las mismas propiedades, los tiempos de caída reales no se pueden predecir porque son aleatorios.

En la mecánica clásica, uno puede teóricamente predecir una trayectoria para todo y solo los errores de medición entran en las mediciones prácticas. Cuando los números se vuelven muy grandes como en un gas nuevamente en la física clásica, la suposición es que si uno tuviera la capacidad de obtener tantos datos, todo se calcularía de manera predecible.

En la mecánica cuántica, debido al postulado de la función de onda probabilística (segunda página), es inherentemente imposible predecir un solo evento (x,y,z,t). Solo se puede predecir la acumulación de mediciones. Esto es evidente en los experimentos de doble rendija, un electrón a la vez, mira esto .

La vida útil de la desintegración nuclear se predice mediante la mecánica cuántica, es decir, una acumulación de eventos similares. Los eventos individuales son aleatorios, la probabilidad ponderada por la función de onda que describe el evento.