Parece haber una impresión generalizada de que la mecánica cuántica no es determinista, por ejemplo, el mundo es mecánico cuántico y no determinista .
Tengo una pregunta básica sobre la mecánica cuántica en sí. Un objeto mecánico cuántico está completamente caracterizado por el vector de estado. La evolución temporal del vector de estado es perfectamente determinista. El sistema, el equipo, el entorno y el observador son parte del vector de estado del universo. Las mediciones con diferentes resultados son parte del vector de estado en diferentes espacios-tiempo. La medición es un proceso complicado entre sistema y equipo. el equipo tiene grados de libertad, los estados del equipo que ni conocemos ni podemos calcular. En este sentido, la situación de QM es bastante similar a la física estadística. ¿Por qué no puede la situación, al igual que la física estadística, introducir una suposición para un cálculo simple, de que cada estado microscópico accesible tiene la misma probabilidad? En QM, también introducimos una suposición sobre la medición probabilística para producir el resultado de la medición.
PS1: Si consideramos que lo no determinista es una característica intrínseca de la mecánica cuántica, entonces la medición tiene que desobedecer la imagen de Schrödinger.
PS2: El argumento de la fase en negrita anterior no obedece a la desigualdad de Bell. En la teoría de la variable oculta local de la mecánica cuántica moderna de Sakurai, una partícula con , el resultado de la medición de espín corresponde a "estado". Si solo digo que la evolución temporal del universo es
PS3: Mi pregunta es solo sobre la mecánica cuántica en sí. Es muy posible que la teoría final de la naturaleza requiera una modificación drástica de QM. Sin embargo está fuera de la cuestión actual.
PD4: se podría decir que el vector de estado es probabilístico. Sin embargo, el resultado de la medición ocurre en el equipo, que es parte del vector de estado total. Dada una interpretación probabilística en una teoría determinista es lógicamente inconsistente.
Estoy de acuerdo con mucho de lo que escribes en tu pregunta. Si la mecánica cuántica se considera determinista es una cuestión de interpretación, resumida en esta comparación de interpretaciones de wiki . La definición wiki de determinismo es este contexto, que creo que es completamente satisfactorio, es
El determinismo es una propiedad que caracteriza los cambios de estado debido al paso del tiempo, es decir, que el estado en un instante futuro es una función del estado en el presente (ver evolución del tiempo). Puede que no siempre esté claro si una interpretación particular es determinista o no, ya que puede no haber una elección clara de un parámetro de tiempo. Además, una teoría dada puede tener dos interpretaciones, una de las cuales es determinista y la otra no.
En, por ejemplo, la interpretación de muchos mundos , la evolución del tiempo es unitaria y se rige completamente por la ecuación de Schrödinger. No hay nada como el "colapso de la función de onda" o una regla de Born para las probabilidades.
En otras interpretaciones, por ejemplo, Copenhague , existe una regla de Born, que introduce un colapso no determinista junto con la evolución determinista de la función de onda por la ecuación de Schrödinger.
En su texto vinculado, el autor escribe que la mecánica cuántica no es determinista. Supongo que el autor rechaza los muchos mundos y otras interpretaciones deterministas de la mecánica cuántica. Los aspectos de tales interpretaciones siguen siendo algo insatisfactorios; por ejemplo, es difícil calcular probabilidades correctamente sin la regla de Born.
La diferencia entre la física estadística y la mecánica cuántica es que, en la física estadística, siempre es razonable medir una cantidad o demostrar que el efecto de esa cantidad se puede agrupar en una variable aleatoria fácil de trabajar, a menudo mediante el uso de el teorema del límite central. En tales situaciones, se puede demostrar que la respuesta será una respuesta determinista más una pequeña perturbación de las variables aleatorias con una expectativa de 0 y una varianza muy pequeña.
En mecánica cuántica, las propiedades interesantes aparecen en situaciones en las que no es posible medir una cantidad y no es plausible agruparla en una variable aleatoria utilizando el teorema del límite central. A veces se puede, por supuesto: en particular, este enfoque funciona bien para modelar un sistema de mecánica cuántica que ya está bien modelado en la física clásica. ¡En su mayor parte, no observamos muchos efectos cuánticos en la vida cotidiana! Sin embargo, la mecánica cuántica se centra en las regiones más interesantes donde esas cantidades no medibles tienen un impacto importante en el resultado del sistema.
Como ejemplo, en muchos escenarios de entrelazamiento, puede salirse con la suya ignorando la correlación entre los estados de las partículas. Esto es bueno, porque en teoría, hay un pequeño nivel de entrelazamiento entre todas las partículas que han interactuado, y es bueno saber que a menudo podemos salirnos con la nuestra ignorando esto y tratando los valores como simples variables independientes e idénticamente distribuidas. Sin embargo, en los casos de entrelazamiento en los que está interesada la mecánica cuántica, exploramos intencionalmente situaciones en las que el entrelazamiento es lo suficientemente fuerte como para que esa correlación no se pueda simplemente descartar y aun así producir resultados validados experimentalmente. Estamos obligados a llevarlo a través de nuestras ecuaciones si queremos proporcionar un buen modelo de la realidad.
Hay muchas maneras de hacer esto, y una de las líneas divisorias con respecto al tema es la línea trazada entre las diferentes interpretaciones de QM. Algunos de ellos se aferran a un modelo determinista, otros se aferran a argumentos no deterministas (la interpretación de Copenhague es un ejemplo). En general, los modelos que son deterministas tienen que renunciar a algo más que es valorado por los físicos. La teoría de los muchos mundos se sale con la suya siendo determinista al argumentar que todos los resultados posibles de cada observación clásica ocurren en su propio universo. Esto es consistente con las ecuaciones que creemos que son un buen modelo de la mecánica cuántica, pero tiene efectos secundarios extraños cuando se aplica al mundo más grande (suicidio cuántico, por ejemplo). La interpretación de Copenhague es, en mi opinión, la interpretación más natural en el sentido de que encaja con la forma en que hacemos la física clásica sin problemas, sin molestas realidades alternativas. He descubierto que los simples mortales se sienten más cómodos con los saltos intuitivos de la interpretación de Copenhague, en comparación con los saltos intuitivos de otras interpretaciones. Sin embargo, la interpretación de Copenhague es decididamente no determinista. Debido a que este parece más fácil de explicar para muchas personas, ha alcanzado una gran notoriedad, por lo que su no determinismo se aplica a toda la mecánica cuántica a través de mecanismos sociales (¡que son mucho más complicados que cualquier mecanismo cuántico!) en comparación con los saltos intuitivos de otras interpretaciones. Sin embargo, la interpretación de Copenhague es decididamente no determinista. Debido a que este parece más fácil de explicar para muchas personas, ha alcanzado una gran notoriedad, por lo que su no determinismo se aplica a toda la mecánica cuántica a través de mecanismos sociales (¡que son mucho más complicados que cualquier mecanismo cuántico!) en comparación con los saltos intuitivos de otras interpretaciones. Sin embargo, la interpretación de Copenhague es decididamente no determinista. Debido a que este parece más fácil de explicar para muchas personas, ha alcanzado una gran notoriedad, por lo que su no determinismo se aplica a toda la mecánica cuántica a través de mecanismos sociales (¡que son mucho más complicados que cualquier mecanismo cuántico!)
Así que puedes elegir la interpretación que quieras. Si te gusta el determinismo, hay muchas opciones. Sin embargo, no se pueden usar muchas de las herramientas básicas de la mecánica estadística para manejar escenarios cuánticos porque la física básica de la mecánica cuántica conduce a situaciones en las que las suposiciones básicas de la mecánica estadística se vuelven insostenibles. Su ejemplo del resultado de la medición que ocurre en el equipo es un excelente ejemplo. Al igual que en la física estadística, el estado del equipo de medición se puede modelar como un vector de estado, y resulta que es una suposición muy razonable suponer que se distribuye aleatoriamente. Sin embargo, el equipo diseñado para medir los efectos cuánticos está expresamente diseñado para correlacionarse fuertemente con el estado de la partícula bajo observación antes de que comenzara la medición. Cuando se completa la medición, la distribución del estado del equipo de medición está decididamente mal modelada como un estado más una perturbación con una pequeña varianza. La distribución es, en cambio, una distribución muy multimodal, porque estaba correlacionada con el estado de la partícula, y la mayoría de las medidas interesantes que queremos tomar son las de una partícula cuyo estado [no medido] está bien descrito por una distribución multimodal.
La mecánica cuántica no es determinista de las mediciones reales, incluso en un experimento gedanken, debido al principio de incertidumbre de Heisenberg, que en la representación del operador aparece como operadores que no conmutan . Es una relación fundamental de la mecánica cuántica:
Si mide la posición con precisión, el impulso es completamente indefinido.
La interpretación de las soluciones de la ecuación de Schrödinger como predictoras del comportamiento de la materia depende de los postulados: la función de estado determinada por la ecuación es una distribución de probabilidad para encontrar el sistema bajo observación con energía y coordenadas dadas. Esto no cambia si se consideran conjuntos grandes, excepto computacionalmente. La naturaleza probabilística siempre estará ahí mientras la teoría sea la misma.
Olvídate de las interpretaciones.Las predicciones de la mecánica cuántica, que concuerdan con todas las interpretaciones (por definición de 'interpretación'), no permiten la predicción de resultados experimentales/observacionales sin importar cuánta información se recopile sobre las condiciones iniciales. (Ni siquiera puede obtener la información clásica necesaria en la física clásica debido al principio de incertidumbre). Ninguna de las interpretaciones cuestiona esto, ni siquiera en principio. De acuerdo con las matemáticas, que son tremendamente exitosas en sus predicciones, un presente dado no determina el futuro. Por eso se dice que la mecánica cuántica es indeterminista, no por ninguna interpretación. No importa si crees en el colapso de la función de onda o no o en otros mundos o no o lo que sea. Decir que la teoría es determinista debido a algunas matemáticas involucradas en el cálculo no esno se puede predecir, el presente no determina el futuro.
Si aprendes Mecánica Cuántica verás que los observables de cualquier sistema cuántico dependen del estado del sistema (final, inicial, estado fundamental o estado excitado). En teoría, hay una serie de interpretaciones de la wiki de Quantum Mechanics , link .
La formulación matemática de la mecánica cuántica se basa en las nociones de operadores. Cuando realiza una medición, perturba el estado del sistema al aplicarle un operador. El valor propio del operador corresponde al valor medido del sistema observable. Sin embargo, cada valor propio tiene una cierta probabilidad y, por lo tanto, al medir (aplicar) un operador en el sistema de estados, habrá un número finito (o infinito) de estados finales, cada uno de ellos con una probabilidad dada. Esta es la esencia de lo no determinista en la mecánica cuántica.
Surge la siguiente pregunta: ¿cómo se aplica lo no determinista en el universo a gran escala y la "longitud" de los fenómenos no deterministas en el universo?
Porque en la teoría clásica (como la relatividad general, el electromagnetismo), tienes, por ejemplo, las ecuaciones de Einstein que gobiernan la dinámica y son totalmente deterministas.
El estado cuántico de un sistema está completamente caracterizado por un vector de estado solo cuando el sistema es un estado puro. El vector de estado evoluciona de dos maneras diferentes descritas por dos postulados: el postulado de Schrödinger (válido cuando no hay medidas) y el postulado de medida. El postulado de Schrödinger describe una evolución determinista y reversible. . El postulado de la medida describe una evolución no determinista e irreversible. .
no es derivable de . En realidad es incompatible con , y esa es la razón por la cual los padres fundadores introdujeron dos postulados de evolución en QM. De hecho, suponiendo una superposición inicial de dos estados para el supersistema compuesto (sistema + aparato + entorno)
el resultado de una medición es o , pero debido a que estos estados son ortogonales, no pueden haber evolucionado ambos desde un solo estado inicial por una evolución unitaria determinista, ya que eso y implica , lo que es incompatible con el requisito de ortohogonalidad.
Entonces, si el resultado de la medición fue , la evolución fue .
El hecho de que QM sea probabilístico y no determinista está obligado por las 4 reglas que se exponen a continuación. Estas reglas no pueden coexistir lógicamente para proporcionar determinismo. Conducen sin esfuerzo a la interpretación probabilística.
Sí, lamentablemente (para mí) no soy físico. Así que toma esto con pinzas.
Un poco de reflexión sobre este tema desconcertante le hará llegar a estas conclusiones basadas en hechos bien conocidos:
@Mundo cuántico:
1) Las entidades tienen una existencia 'extendida'. (Una especie de 'campo de energía' que intenta 'llenar' todo el espacio).
2) Las entidades tienen alguna existencia 'oscilatoria'. (Lo que da lugar a fenómenos de 'interferencia').
3) Las interacciones entre entidades son 'discretas'. (Intercambian 'quanta' de alguna cosa).
4) Las interacciones usan la 'cantidad mínima' de algunas 'cosas de energía'.
La interacción de estos hechos es lo que da lugar al no determinismo ( probabilidad ) en QM.
Pensemos en un ejemplo sencillo:
Suponga que tiene 3 entidades A , B y C (un escenario de 1 emisor y 2 receptores), donde A es la fuente de alguna perturbación que se enviará a B y C al "mismo tiempo". Pensemos en la perturbación en términos prácticos (es decir, dinero) y asígnele una unidad de medida (dólares).
Ahora, ¿cómo enviaría A un total de 2 dólares a ambos ( B y C )?
Bueno, A debería darles 1 dólar a cada uno y ¡¡¡problema resuelto!!!. Sin embargo, hay una restricción aquí (recuerde # 4) y es: ¡¡¡Las interacciones solo se realizan con una moneda mínima !!!'.
Con eso en mente, ¿cómo puede A dar a B y C un centavo (moneda mínima) al mismo tiempo? pues.. no se puede!!!
En cada momento (interacción) A debe elegir entre B o C para regalar cada centavo hasta completar los 2 dólares a ambos. Y si lo piensas un poco, te das cuenta de que la única solución objetiva para A debe ser lanzar una moneda imaginaria cada vez para decidir quién recibirá ¡1 centavo !. [Por supuesto, para esta situación de 1 remitente y 2 receptores, ¡una moneda con 2 caras encaja bien!. Pero para otros escenarios, la moneda o el dado tendrán que cambiar.]
En el mundo analógico de la mecánica clásica , A enviaría una cantidad infinitamente pequeña de dinero a ambos (¡sin restricción monetaria mínima y al mismo tiempo!) y lo que veremos es un hermoso crecimiento continuo de los bolsillos de dinero de B y C. No hay necesidad de lidiar con probabilidades !!!!.
Si piensa detenidamente, en términos sencillos, la probabilidad surge de la naturaleza discreta de las interacciones entre entidades. Este es el trato real que hace que todo sea tan extraño e interesante .
[Espero que esta respuesta general y algo vaga le dé una pista sobre por qué surge la probabilidad en la descripción ofrecida por QM]
La pregunta ahora es: ¿Por qué tiene que ser así?
Webb
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