Sobre los fundamentos de la física cuántica

La física cuántica tiene que ser validada por experimentos. Pero los experimentos deben interpretarse en el contexto de la física cuántica. ¿No es como una serpiente que se muerde la cola?

Por ejemplo, usando un microscopio de efecto túnel, uno puede ver átomos individuales. Esto suena como la prueba definitiva de la existencia de los átomos. Pero la imagen que vemos es, de hecho, calculada por una computadora basada en el concepto de tunelización cuántica.

También podría tomar el ejemplo de los quarks que no se pueden observar directamente o los bosones de Higgs. Su descubrimiento requiere experimentos complejos cuyas interpretaciones están lejos del sentido común y requieren análisis teórico.

Estoy de acuerdo en que la teoría cuántica y los experimentos realizados forman un todo consistente. ¿Podría una historia diferente de la ciencia haber conducido a una teoría fundamentalmente diferente? ¿Es la teoría cuántica solo una construcción histórica incidental en lugar de la aproximación más cercana a la verdad?

Los experimentos están siendo "interpretados" en el lenguaje de las estadísticas. ¿Los números medidos concuerdan con los predichos? No tenemos que saber nada sobre la interpretación física de estos números para hacer la comparación. Un microscopio de efecto túnel no permite ver los átomos. Usted está viendo formas en una pantalla que fueron reconstruidas por el software de computadora STM para que parezcan algo que su cerebro puede entender, pero eso no es lo que son los átomos, que su cerebro no puede entender, sin importar cómo la información se te presenta.
"Pero entonces una historia diferente de la ciencia podría haber llevado a algo fundamentalmente diferente". [citación necesitada] Además, parece ser consciente de que el método científico nunca produce una verdad definitiva, sino solo hipótesis bien probadas ("teorías"). Las teorías cuánticas no son diferentes de las teorías clásicas o relativistas en ese sentido, por lo que no estoy seguro de lo que está preguntando.
@ACuriousMind: Las teorías clásicas o relativistas al menos pueden basarse en el sentido común, lo que no ocurre con las cuánticas.
@ACuriousMind: Reemplacé la frase que cita con una pregunta.
@Bob: Tienes un modelo muy restringido de "sentido común". El "sentido común" antes de Galileo era la teoría de los cuatro elementos de Aristóteles de por qué los gases suben al cielo y la tierra se encuentra más cerca del centro del universo. También era el sentido común de Ptolomeo que todo en los cielos gira alrededor de la Tierra. ¿Y no es eso obvio cuando miras hacia arriba?
El "sentido común" no es en lo que se basa el método científico. Formular hipótesis y probarlas sí lo es. (Además, eres el primero en decirme que la relatividad tiene algo que ver con el sentido común ;) )
@CuriousOne: Esas eran teorías, no sentido común.
@Bob: ¿Entonces no crees que es de sentido común que el sol gire alrededor de la Tierra? Siempre te quedó completamente claro (sin que te lo dijeran nunca) que es al revés. Entonces, la mecánica cuántica también debería ser completamente de sentido común para usted, ya que su sentido común hace que todo sobre el mundo sea correcto sin ningún aporte de la ciencia. A decir verdad, simplemente estás atrapado en el conocimiento del siglo XIX y no sabes cómo liberar tu mente de él. Estudiar física real podría ayudar. :-)
@ACuriousMind: Olvidaste la mitad: formular hipótesis y probarlas, y analizar los resultados de esas pruebas (experimentos) usando la teoría .
Voto para cerrar esta pregunta como fuera de tema porque se trata de especulaciones sobre diferentes desarrollos históricos.

Respuestas (5)

No, no es una serpiente que se muerde la cola. Es una espiral. La historia de la ciencia es siempre una espiral.

Se encontró que los electrones producían patrones de interferencia (experimento). Entonces, se comportan como ondas. Entonces, otras partículas también deberían tener tal comportamiento (teoría). Entonces, de hecho, otras partículas deben probarse, por ejemplo, átomos de plata (experimento). Entonces, esto es una espiral. Tenemos algunos hechos experimentales, emitimos alguna teoría para justificar esos hechos, y la teoría predice nuevos hechos que tenemos que probar para fortalecer la teoría o refutarla.

Y sobre "la imagen que vemos es de hecho computada por una computadora basada en el concepto de tunelización cuántica". El microscopio "ve" manchas oscuras y menos oscuras, o colores diferentes.

De modo que el experimento y la teoría se alternan en un proceso histórico hasta que se alcanza un todo consistente teoría-experimento. Pero no puedo ver una razón por la que sólo habría un todo consistente que sería la verdad.
@Bob Sí, así es. Un buen ejemplo: experimentos con β El decaimiento parecía mostrar que se viola el principio de conservación de la energía. Luego, Pauli propuso una partícula a la que denominó "neutrón". Chadwick encontró una partícula más masiva, el neutrón, que no resultó satisfactoria. Entonces, la investigación tenía que continuar. En 1956, Cowan, Reines, Harrison, Kruse y McGuire confirmaron en una publicación que habían detectado el neutrino. ¿Pero el neutrino tenía o no tenía masa en reposo? Entonces, más investigación. Y así sucesivamente y así sucesivamente.
¿Espiral? Más como un paseo al azar en una ligera pendiente: la ciencia ha tropezado en la oscuridad en la dirección equivocada durante cientos de años a la vez en un tema determinado. La Tierra era el centro. Los cielos corrían en círculos. La gravedad se transmitió instantáneamente. Flogisto, Superconductividad, etc. La lista es larga.
@TomAndersen: sí, Tom. La historia de la física en la Edad Media fue tal como dices. Desafortunadamente, los eruditos eran, muchos de ellos, sacerdotes, y la iglesia no vio con buenos ojos algunas de sus predicciones. Copérnico fue aceptado pero algo más tarde sabemos lo que pasó con Galileo. Pero, perseguida y castigada como estaba, la ciencia avanzó. La mente no puede ser bloqueada.
@Sofia: Solo estás repitiendo propaganda, perdón por las palabras duras. ¿Debes haber oído hablar de la catástrofe del vacío? Ahora bien, ¿cómo es que el desacuerdo de más de 100 órdenes de magnitud no ha hecho que nadie cuestione seriamente la teoría? ¿O conoce este blog de Jon Butterworth, profesor de física en el University College London y miembro del grupo de Física de Altas Energías de la UCL, trabaja en el experimento Atlas en el Gran Colisionador de Hadrones de Cern: "En general, no podemos resolver el Modelo estándar exactamente. Usamos aproximaciones". Y más adelante: "aspectos de cómo se distribuyen los quarks y gluones...
... dentro de los protones con los que chocamos no se puede calcular a partir de primeros principios. Tampoco puede hacerlo la forma en que los quarks y gluones se convierten al final en nuevos hadrones. Tenemos algunas limitaciones de nuestra teoría, tenemos cosas básicas como la conservación de la energía y el momento, y tenemos muchos datos de otros lugares. Pero no podemos usar la teoría de la perturbación. ... Esto significa que no importa cuántas partículas incluyas en tu cálculo, no converges en una respuesta sólida. Al final, tenemos que hacer conjeturas informadas o modelos. Y estos siempre son ajustables". Así que apegarse a QM como ahora parece religión
Lo siento, olvidé proporcionar el enlace: Teoría de la perturbación: ¿estamos ocultando nueva física?

Elegiré el ejemplo de la mecánica cuántica para tratar de explicar cómo se establecen las ideas en la ciencia.

Piense en un tipo llamado PhotonicBoom que tiene una teoría que es, como cualquier otra teoría en física, altamente dependiente matemáticamente. Llamémoslo Mecánica Cuántica (QM). Si la teoría es matemática, tiene la ventaja de basarse en la razón. Puede usar esto para hacer predicciones . De una manera manual, se pueden hacer predicciones extrapolando la teoría e ideando una forma de probar si esas predicciones son ciertas. Si se demuestra que la predicción no ocurre en la naturaleza, entonces tiras la teoría y comienzas desde cero, se ha demostrado que es incorrecta.

En nuestro caso de QM, la gente planteó la hipótesis de que, por ejemplo, los niveles de energía están cuantificados. Formularon las matemáticas de la teoría y luego "extrapolaron" la teoría para hacer predicciones. Y QM predijo una amplia variedad de fenómenos, la mayoría de ellos extremadamente extraños.

Pero QM ha sobrevivido a todas las pruebas que se le han hecho. Esto sugiere que tenemos la teoría correcta, nos guste o no.

Y ahora sigue el paso obvio. Dar sentido a QM. ¿Cómo podemos dar sentido a fenómenos extremadamente extraños como el entrelazamiento, la tunelización, la superposición, el colapso del estado, etc.? Bueno, hay un paso fácil y obvio. Intentamos vincular conceptos que conocemos, conceptos con los que crecimos y que tenemos grabados en nuestros cerebros como "Estado: tiene sentido", aunque estos conceptos no tienen por qué ser más "sensibles" que otros conceptos.

Y esto es lo que hemos hecho. Vinculamos conceptos clásicos a los de la mecánica cuántica, es decir, pensemos en el espín, la formación de túneles, la dualidad onda-partícula, el colapso del estado, el entrelazamiento como un vínculo activo. Todos estos conceptos son ondulados a mano, técnicamente no son 100% precisos de lo que realmente está sucediendo. Pero tienen sentido y también son muy útiles para explicar lo que sucede en la mayoría de las situaciones, pero no en todas.

En sus ejemplos particulares, hemos asociado la noción de partícula a aquello con lo que interactúa un microscopio de efecto túnel, pero más precisamente, el microscopio en realidad detecta saltos discretos entre potenciales . ¡Pero el modelo del átomo es una descripción igualmente válida de lo que está sucediendo ya que estos potenciales electrostáticos son lo que llamamos el átomo en primer lugar! La forma en que los representamos en una imagen es arbitraria y se usa principalmente para darnos intuición, no necesariamente representa la verdad.

Luego mencionas los quarks y el Higgs. Puede que no estemos 100% seguros de que existan los quarks o el Higgs, pero bueno, estos modelos han hecho predicciones. Estas predicciones han sido verificadas experimentalmente. Entonces, ¿qué razón tenemos para no creer en la existencia de estas partículas? El hecho de que no los describamos con su terminología técnicamente correcta exacta (eso sería extremadamente doloroso, por ejemplo, para el descubrimiento de Higgs: "Hemos detectado con éxito rastros de la excitación cuántica del campo escalar cuántico complejo con un valor esperado distinto de cero !") no significa que las palabras 'partícula', 'quark' o 'Higgs' no sean suficientes para transmitir el mensaje. Supongo que el punto de este párrafo es que la física está ahí, ya sea que les adjuntemos algún término de sentido común o no.

Entonces, para terminar, ningún QM es verdadero (si es una teoría precisa o no es completamente irrelevante) y no depende en absoluto de la historia o del lenguaje que usamos para describirlo. Lo que habría sido diferente son las interpretaciones, pero esas son solo una construcción para reducir la terminología a más "cosas de sentido común cotidiano" por razones de comunicación. Debe tener cuidado de no atribuir un significado muy literal a estas interpretaciones, y definitivamente no pensar en ellas como una verdad definitiva. ¡Las cosas se pueden describir de muchas maneras diferentes!

¡Espero haber sido coherente en mi larga respuesta!

Escribes que estos potenciales son lo que llamamos el átomo en primer lugar , pero esta no era la definición inicial de un qto;. La definición (y por lo tanto la hipótesis a verificar) se cambió para ajustarse a la teoría. Es histórico, ¿no?
Prácticamente acertaste la parte conceptual, solo haría una adición que es psicológica: creo que parte del problema con QM es que las personas no están dispuestas a renunciar a viejos conceptos que no tienen sentido como la dualidad onda-partícula. o incluso el colapso literal. Las formulaciones modernas de QM tienen perfecto sentido sin ellas y las dificultades conceptuales que crean no agregan nada a la teoría a cambio. En el caso de QM, menos es más, lo que se refleja maravillosamente en la frase "¡Cállate y calcula!".
@bob si la definición cambió, lo que realmente no sé, es por lo que CuriousOne dijo anteriormente. ¡La gente no quiere renunciar a viejos conceptos! Prefieren cambiar sus definiciones técnicas en su lugar. Como dato curioso: átomo es griego para άτομο, que literalmente significa persona o individuo . Ahora ves un poco mejor por qué a la gente le gustan los conceptos antiguos. ¡También agradecería que el votante negativo explicara sus razones para votar negativamente!

Estoy de acuerdo en que la teoría cuántica y los experimentos realizados forman un todo consistente. ¿Podría una historia diferente de la ciencia haber conducido a una teoría fundamentalmente diferente? ¿Es la teoría cuántica solo una construcción histórica incidental en lugar de la aproximación más cercana a la verdad?

Uno tiene que separar los experimentos y las teorías utilizadas para modelar los experimentos.

Los experimentos funcionan con "proxies" . Para medir la temperatura usamos un termómetro, la altura de la columna es un proxy de la temperatura.

La lectura de la columna con nuestros ojos ingresa a nuestro cerebro a través del proxy de la luz que brilla en la columna del termómetro.

El conocimiento comunicado por el experimentador A al experimentador B y ellos están de acuerdo en la "lectura" pasa por una serie de proxies biológicos.

Los termómetros son proxies accesibles. Los experimentadores con física de partículas están usando más y más proxies anidados, uno tiene que mirar un detector LHC para medir la complejidad.

La razón por la que los experimentadores entienden las temperaturas y las presiones y las señales aún más complicadas de los quarks y los gluones se debe a la poderosa herramienta de las matemáticas. Para empezar, las matemáticas nos permiten modelar los datos, y luego se busca un modelo matemático más general llamado teoría física , que hará predicciones que se verificarán mediante nuevos experimentos y recopilación de datos. Una vez que la teoría hace esto con éxito, se valida . La mecánica cuántica es una teoría bien validada, no ha habido predicciones cruciales que hayan sido falsificadas, y la teoría se erige como la teoría subyacente en el mundo anidado de medidas y modelos que describen medidas.

Las matemáticas no pueden ser diferentes en diferentes historias; cualquier otra secuencia histórica no alcanzaría diferentes modelos matemáticos sobre los mismos datos por lo que la respuesta es: “es lo más cercano con las herramientas matemáticas que tenemos hasta ahora a la descripción del comportamiento de la naturaleza” .

Una civilización más avanzada podría tener teorías matemáticas más avanzadas, pero abarcarían la esencia de los modelos teóricos actuales.

Bob hace una buena pregunta. Las interpretaciones de la mecánica cuántica están repletas del tipo de razonamiento circular que identifica Bob. Los ejemplos más evidentes provienen de la identificación de fotones como partículas. Incluso Feynmann es culpable de esto, como se puede ver en este videoclip: https://www.youtube.com/watch?v=eLQ2atfqk2c

Retoma la pregunta alrededor de los 36 minutos del video, donde pregunta: "¿cómo sabemos que es corpuscular?" Aquí está la esencia del razonamiento circular:

  1. Tenemos un instrumento llamado "fotomultiplicador" que detecta las cantidades de luz más débiles posibles.

  2. Así es como funciona: cuando una partícula de luz golpea esta placa, elimina un electrón.

  3. Ese electrón se acelera a otra placa, donde elimina más electrones, etc.

  4. Toda esta cadena de eventos va a un amplificador que impulsa un altavoz. Por lo tanto, cuando escucha un clic, ha detectado un fotón.

  5. Por lo tanto, la luz está hecha de partículas.

Es circular porque usa los clics en el fotomultiplicador como prueba de que la luz es corpuscular, pero para explicar las palabras del fotomultiplicador, se basa en el "hecho" de que la luz está hecha de fotones.

Esta no es la única explicación posible de cómo funciona un detector de luz. En esta publicación de blog, por ejemplo, explico cómo una placa fotográfica puede detectar la luz sin depender de la teoría del fotón: http://marty-green.blogspot.ca/2014/12/wave-function-collapse-explained-by.html No es exactamente el tubo fotomultiplicador, pero es la misma idea básica.

Luego, Feynman continúa (a las 39:00) para respaldar su argumento hablando de que cuando la luz se extiende sobre un área, solo golpea un detector u otro, y nunca ambos. Es un razonamiento circular porque dice:

  1. Si la luz está hecha de fotones, este es el tipo de estadísticas de conteo que debe esperar en este experimento con dos detectores.

  2. De hecho, esas son las estadísticas que obtienes.

  3. Por lo tanto, la luz está hecha de fotones.

El problema con este argumento es que cualquier argumento razonable basado en la teoría ondulatoria proporciona exactamente las mismas estadísticas de detección que la teoría de partículas. Feynamnn incluso alude a esta dificultad cuando dice "... si dos se van juntos, tienes demasiados por venir y no puedes resolverlo". Explico por qué falla este argumento en esta entrada de blog: http://marty-green.blogspot.ca/2010/02/clicking-detectors.html

En algún nivel, incluso Feynmann sabe que estos argumentos son circulares. Se nota por la frustración inusual en su voz alrededor de las 39:30 cuando dice "no sé cuánto puedo enfatizar esto... SON partículas en todos los sentidos..."

Esta es una muy buena pregunta. La forma en que interpretamos los experimentos en QM a veces es confusa, otro ejemplo es el estado de vacío, algunos físicos hablan de esto usando el concepto de "partículas virtuales".

Sin embargo, este no es un problema solo de QM, en todas las otras teorías hacemos lo mismo, cada experimento se interpreta usando los términos de la propia teoría. Este "problema" es algo relacionado con la forma en que funciona la ciencia.

Por otro lado, se puede decir que el único propósito de las teorías físicas es reproducir los resultados, no importa la forma en que se haga.

QM se puede formular de manera diferente (históricamente, este es el caso), pero cada resultado experimental debe ser el mismo.

Con respecto a la última pregunta: "¿Es la teoría cuántica solo una construcción histórica incidental en lugar de la aproximación más cercana a la verdad?" La relación entre las teorías físicas y la "verdad" no es tan simple.

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