En aquesta entrada del blog, examinarem què significa el col·lapse d'ones, centrant-nos en la interpretació de Copenhaguen i la interpretació dels múltiples mons entre les diverses interpretacions de la mecànica quàntica, i considerarem les característiques i limitacions de cada interpretació.
Des de finals del segle XIX fins a principis del segle XX, van començar a sorgir fenòmens que no es podien explicar només amb la física clàssica. Maxwell i Einstein van descobrir que la llum posseeix propietats ondulatòries i particulars. Max Born va predir que les partícules també posseeixen propietats ondulatòries. Es diu que l'experiment de la doble escletxa de Davisson-Germer va demostrar experimentalment que els electrons posseeixen un comportament ondulatori. Una anàlisi més detallada de l'experiment de la doble escletxa revela el següent: un dispositiu que emet electrons, una placa amb dues escletxes i una pantalla estan disposats en seqüència. Els electrons emesos per la font d'electrons passen a través de les dues escletxes i arriben a la pantalla; quan s'observa l'arribada dels electrons a la pantalla, apareix un patró d'interferència. Aquest patró no apareix quan només hi ha una escletxa. Per tant, la posició d'un electró s'ha d'explicar com una ona que passa a través de les dues escletxes simultàniament. La mecànica quàntica va sorgir per explicar aquests fenòmens. En mecànica quàntica, les ones de probabilitat es descriuen com els components fonamentals de la natura. Les ones de probabilitat s'utilitzen per descriure l'estat de la matèria. L'estat de la matèria inclou propietats com la posició i l'espín. Una ona de probabilitat indica que un valor no és fix en cap punt concret, sinó que la probabilitat d'ocurrència varia en cada punt. La mecànica quàntica es va establir a principis del segle XX, i nombrosos resultats experimentals d'aquell període i posteriors donen suport a la validesa d'aquesta teoria. Al centre d'aquesta teoria hi ha l'equació d'ona de Schrödinger. Com a equació fonamental de la mecànica quàntica, l'equació d'ona de Schrödinger descriu com canvia una ona de probabilitat al llarg del temps. Tanmateix, no està clar exactament com es relacionen aquestes ones de probabilitat amb la vida quotidiana. A la vida quotidiana, els resultats que observem no són múltiples estats sinó un únic estat definit. Com es pot explicar això? Què és una ona de probabilitat i hi ha alguna manera d'entendre-la? Per resoldre aquestes preguntes, han sorgit diverses interpretacions de la mecànica quàntica. En una enquesta anterior realitzada en una conferència de física quàntica, es va preguntar als participants sobre les seves preferències respecte a cada interpretació. La preferència per la interpretació de Copenhaguen es va situar en el 42%, la perspectiva informacional quàntica en el 24% i la interpretació dels múltiples mons en el 18%. Com es pot veure a l'enquesta, la interpretació de Copenhaguen és la interpretació principal dins de la comunitat de la física. La interpretació de Copenhaguen és la que va desenvolupar des dels primers dies de la mecànica quàntica per estudiosos liderats per Bohr. Brian Greene va introduir el principi bàsic de la interpretació de Copenhaguen de la següent manera: "Sempre que intentem observar una ona de probabilitat directament, el mateix acte d'observació la interromp". La interpretació de Copenhaguen explica que en el moment de l'observació, l'ona de probabilitat ja no pot romandre en aquest estat i es col·lapsa en un sol punt. S'explica que el resultat d'aquest col·lapse en un sol punt és la realitat amb què estem familiaritzats. Aquest procés s'anomena col·lapse de l'ona. La perspectiva de la informació quàntica explica que l'univers mateix està compost d'informació quàntica, que constitueix l'essència mateixa de l'univers. Postula que tot és el resultat de càlculs quàntics que impliquen aquesta informació quàntica. Des d'aquest punt de vista, de vegades es veu tot l'univers com una màquina que realitza càlculs quàntics. Seth Lloyd ha escrit un llibre que defensa de manera persuasiva aquesta perspectiva. En aquest llibre, va explicar el paper de la informació i com es relaciona amb les lleis físiques reals. Per exemple, va explicar com la computació quàntica tendeix a difondre informació desconeguda i va aprofundir en les lleis físiques relacionades amb l'entropia. La interpretació dels molts mons va ser proposada per Hugh Everett. Aquesta interpretació no accepta el col·lapse de la funció d'ona, que és la pedra angular de la interpretació de Copenhaguen. En canvi, postula que l'univers es ramifica en múltiples mons i que totes les possibilitats es realitzen. Així, explica que en cada món, un observador percep la realitat amb la qual estem familiaritzats. Trobo poc convincent el concepte de col·lapse de la funció d'ona —que es pot veure com el nucli de la interpretació de Copenhaguen—. Com va assenyalar Brian Greene, el límit que defineix què constitueix una "observació" no està clar. L'explicació és més o menys així: el col·lapse de la funció d'ona no es produeix quan els objectes microscòpics interactuen entre si, però sí que es produeix quan un observador fa una mesura; tanmateix, aquesta explicació és difícil d'acceptar.
És natural suposar que les lleis de la física s'apliquen universalment i de manera idèntica a tot l'univers. Com que l'observador també forma part de l'univers, crec que és natural que les lleis de la mecànica quàntica s'apliquin per igual a totes les accions, inclosa l'observació. Tanmateix, la interpretació de Copenhaguen explica que el col·lapse de l'ona es produeix com a resultat de l'acte d'observació de l'observador. Matemàticament, el col·lapse d'ones també és una operació diferent de les operacions de la mecànica quàntica ordinàries. Tot i que no puc explicar aquí en detall el procés pel qual una funció d'ona de probabilitat canvia, es pot descriure com una operació que implica la multiplicació per una matriu reversible amb certes propietats especials. «Reversible» significa que hi ha una correspondència biunívoca entre el resultat i l'estat que el va causar. Tanmateix, quan es produeix el col·lapse de la funció d'ona, aquesta correspondència es trenca. El sistema es queda fix en un sol estat, fent impossible restaurar l'estat original. En casos on la naturalesa de l'observació és crucial —com en la interpretació de Copenhaguen— de vegades s'introdueix el concepte del tall de Heisenberg. Aquest concepte postula que les lleis de la mecànica quàntica s'apliquen fins a un cert límit, i més enllà d'aquest límit, la funció d'ona col·lapsa. Tanmateix, aquest límit no està clarament definit. Es podria establir al nivell d'objectes com ara electrons o protons, o es podria establir en objectes macroscòpics com els humans. Això no és satisfactori perquè no especifica exactament on s'ha de traçar aquest límit. Un exemple ben conegut que il·lustra aquesta situació és l'experiment mental del gat de Schrödinger. En aquest experiment mental, apareixen una partícula més petita que un àtom i un gat. La petita partícula es pot desintegrar amb una certa probabilitat, un procés que es pot explicar mitjançant la mecànica quàntica. Al costat hi ha un dispositiu de detecció. Es diu que en el moment en què es detecta una descomposició d'aquest tipus, s'activa un mecanisme que mata el gat. Això planteja la qüestió de si el gat és mort o viu en aquell moment. La interpretació de Copenhaguen explica que l'estat del gat —si és viu o mort— es determina en el moment en què s'observa. Aquesta explicació es basa en la premissa que fins i tot els objectes macroscòpics no experimenten col·lapse d'ones. Suggereix que fins i tot els objectes grans s'han de considerar dins del marc de la mecànica quàntica. En conseqüència, hi ha experiments mentals que porten aquesta situació a un extrem encara més gran. En aquest experiment mental, suposem que un amic va dur a terme l'experiment mental del gat de Schrödinger i va observar l'estat del gat. En aquest cas, no proporciona una explicació definitiva d'en quin límit s'ha de considerar que la funció d'ona s'ha col·lapsat. Pel que fa a aquest límit, alguns consideren crucial l'abast del coneixement de l'observador, i es diu que això està relacionat amb la probabilitat. No obstant això, la interpretació de Copenhaguen té l'avantatge d'explicar fàcilment i clarament els resultats observats per l'observador. De fet, explica molt bé els resultats de diversos experiments. N'hi ha prou amb aplicar el col·lapse d'ones en el moment d'observar els resultats experimentals o en interactuar amb objectes macroscòpics. És una interpretació convenient que no requereix tenir en compte l'estat quàntic de l'equip d'observació. Una de les raons del seu gran èxit, malgrat el resultat intuïtivament difícil d'acceptar del col·lapse de l'ona, és probablement la seva capacitat per explicar bé els resultats experimentals. Precisament perquè el col·lapse de les ones és una explicació tan poc natural, crec que la Interpretació dels Molts Mons podria ser una alternativa viable a la interpretació de Copenhaguen. La Interpretació dels Molts Mons no reconeix el col·lapse de les ones. Es diu que és una interpretació derivada centrant-se únicament en l'equació d'ona de Schrödinger. Com que no considera l'acte d'observació com a subjecte a cap llei especial, interpreta el procés simplement com un canvi en l'estat de l'ona tal com es veu a partir de l'equació d'ona. En altres paraules, s'entén que quan es fa una observació, l'ona no col·lapsa; més aviat, l'observador i l'objecte entren en un estat entrellaçat mecànicament quàntica. Per entendre aquest estat entrellaçat, examinem un exemple des de la perspectiva de la Interpretació dels Molts Mons, que no reconeix el col·lapse de les ones. L'espín d'un electró pot ser ascendent (↑) o descendent (↓). L'equip d'observació és un dispositiu que mesura l'espín de l'electró. Suposem que la finestra de visualització d'estat de l'equip d'observació té tres estats possibles: amunt (⟰), avall (⟱) i en blanc (). Vegem la situació abans de la mesura. L'espín de l'electró i la finestra de visualització d'estat de l'equip d'observació es poden descriure com a ones de probabilitat mútuament independents. L'electró no està fix ni amunt (↑) ni avall (↓), sinó que es representa mitjançant una ona de probabilitat. L'aparell de mesura s'hauria configurat a l'estat buit () per a l'experiment, i hi hauria una funció d'ona de probabilitat que representaria aquesta situació. Vegem la situació després de la mesura. En aquest punt, ja no es pot descriure com a funcions d'ona de probabilitat independents. L'estat general es descriu mitjançant una única funció d'ona de probabilitat que engloba tant l'electró com l'aparell de mesura.
Concretament, es representa mitjançant una única funció d'ona de probabilitat que descriu només dues situacions possibles: una on l'espín de l'electró és ascendent i la finestra d'estat de l'aparell d'observació indica "amunt" (↑⟰), i una altra on l'espín de l'electró és descendent i la finestra d'estat de l'aparell d'observació indica "avall" (↓⟱). Aquest fenomen, en què múltiples estats ja no són independents, es descriu com a "entrellaçament". La Interpretació dels Molts Mons ho porta un pas més enllà. Si mirem l'exemple anterior, hi ha dues situacions possibles (↑⟰, ↓⟱). La interpretació dels múltiples mons veu el món dividit en aquests dos estats. És a dir, en un món es produeix la situació ↑⟰, i en un altre món es produeix la situació ↓⟱. Es diu que, en examinar l'equació de Schrödinger, no hi ha cap problema matemàtic important en veure-la d'aquesta manera. Si separem els estats possibles basant-nos en els resultats de les observacions i interpretem cada resultat com un món diferent, això és precisament la Interpretació dels Molts Mons. Així, tot esdeveniment que es pot considerar una observació es veu com un esdeveniment en què els mons es divideixen. En conseqüència, totes les possibilitats que són factibles des del punt de vista quàntic es realitzen en cada món. L'aspecte de la Interpretació dels Molts Mons que trobo més atractiu és que no considera l'acte d'observació com quelcom d'especial. Com que fins i tot l'observador és vist com a part d'un món subjecte a les mateixes lleis de la mecànica quàntica, considero que aquesta interpretació és més universalment aplicable. Tanmateix, la Interpretació dels Molts Mons s'enfronta a moltes crítiques. No hi ha cap explicació convincent del que significa que el món es divideixi en múltiples mons. A més, l'afirmació que existeixen múltiples mons és estranya en si mateixa. Si els mons es creen contínuament ad infinitum, no hi ha manera d'explicar com podem fer-ne un seguiment de tants. A més, si els diferents mons estan completament separats i no es poden influir mútuament, es podria argumentar que, des de la perspectiva de l'observador, l'existència d'altres mons no té cap sentit. Des d'aquest punt de vista, la interpretació en si mateixa no té cap sentit. A més, encara hi ha força reptes que cal abordar en la Interpretació dels Molts Mons. En primer lloc, proporcionar una explicació adequada de quin món percebrà un observador real és una de les tasques que s'han d'abordar. També hi ha d'haver una manera de descriure els fenòmens des de la perspectiva de l'observador —en lloc de la perspectiva del conjunt— per tal d'explicar els fenòmens que observem a la vida quotidiana. Això és degut a que no observem directament les ones de probabilitat, sinó només els seus resultats. La interpretació de Copenhaguen explica clarament aquest aspecte. La interpretació de Copenhaguen sosté que el món que observem es realitza a través del col·lapse de la funció d'ona i produeix resultats que s'alineen amb la realitat. A més, la Interpretació dels Molts Mons hauria de ser capaç d'explicar la interpretació de Copenhaguen. Si la Interpretació dels Molts Mons és la correcta, hauria de ser capaç d'explicar —des de la seva pròpia perspectiva— com tots els resultats experimentals fins ara han coincidit amb les prediccions de la interpretació de Copenhaguen. A més, hem de determinar en quines circumstàncies poden sorgir diferències entre les dues interpretacions. Per tant, establir una connexió amb la interpretació de Copenhaguen també és un repte important. No dono suport al concepte de col·lapse d'ona de la interpretació de Copenhaguen perquè no està clar quan s'hauria d'aplicar exactament, i considero problemàtica la pràctica d'aïllar la mesura com un procés separat en termes d'universalitat. En canvi, crec que hauríem de mantenir la perspectiva que tot l'univers es pot descriure com una ona probabilística en mecànica quàntica, i que l'observador també en forma part. Per tant, crec que la Interpretació dels Molts Mons i teories similars podrien servir com a alternatives. Tanmateix, com s'ha esmentat anteriorment, també persisteixen diversos problemes amb aquestes interpretacions. Com ho demostren els resultats d'enquestes realitzades amb físics, encara no s'ha arribat a cap conclusió definitiva sobre la interpretació de la mecànica quàntica. Algunes de les interpretacions existents tenen un historial de ser refutades per experiments. Tanmateix, encara no s'han dut a terme experiments d'aquest tipus per a la interpretació de Copenhaguen o la interpretació dels molts mons. És possible que algun dia es puguin desenvolupar dissenys experimentals capaços de demostrar realment les diferències entre aquestes interpretacions. Alternativament, podem concloure que totes aquestes interpretacions són igualment vàlides. Per tant, crec que a mesura que s'aprofundeixi la nostra comprensió de les lleis de la física, s'obriran noves vies per interpretar la mecànica quàntica. Serà fascinant presenciar com es desenvolupa aquest procés.
