En aquesta entrada del blog, examinarem els antecedents de la mecànica quàntica, els punts principals de la interpretació de Copenhaguen i la interpretació dels múltiples mons, i com aquestes dues interpretacions veuen "l'observació", i després reflexionarem sobre el propòsit de la mecànica quàntica.
Fa molt de temps en la història de la física, Max Planck va publicar un article i resultats experimentals basats en els seus experiments de radiació de cos negre, afirmant que "tota l'energia consisteix en paquets molt petits amb valors discrets". Això va sacsejar els fonaments de la visió predominant entre els físics de l'època, que creien que tots els fenòmens del món macroscòpic podien ser explicats per la mecànica newtoniana. A partir d'aquest moment, a mesura que els equips de mesura avançaven i els físics adquirien la capacitat d'observar el món microscòpic, van publicar diversos resultats experimentals que revelaven les limitacions de la mecànica newtoniana. Aquests resultats, que no es podien explicar per les teories existents, aviat van conduir al reconeixement de la necessitat d'un nou marc de la mecànica, i així va néixer la "mecànica quàntica". La mecànica quàntica aviat va consolidar la seva posició proporcionant amb èxit respostes a fenòmens naturals que no es podien resoldre per la física existent, com ara l'explicació d'Einstein de l'efecte fotoelèctric i el model de Bohr de l'espectre de l'àtom d'hidrogen. A més, gràcies als esforços d'innombrables físics i desenvolupaments com la teoria de la transformació proposada per Paul Dirac i Pascual Jordan, es va establir com un camp d'estudi diferent.
Tanmateix, això simplement significava la finalització de la "forma" matemàtica —l'eina utilitzada per descriure el contingut de la mecànica quàntica— i no implicava que s'hagués establert des de la perspectiva de la interpretació física. Fins i tot ara, dècades després, continuen els conflictes d'opinió entre físics destacats pel que fa a la "interpretació" dels fenòmens de la mecànica quàntica. Des de la "interpretació de Copenhaguen" —sovint anomenada la interpretació principal— fins a la "interpretació dels molts mons", que va sorgir en resposta a les limitacions de la primera i diverses altres interpretacions, aquests diferents enfocaments continuen complementant-se mútuament abordant les llacunes que cap interpretació única pot explicar completament. En una conferència de mecànica quàntica celebrada a Àustria en el passat, es va dur a terme una enquesta entre 33 físics de renom mundial preguntant quina interpretació donaven suport; la interpretació de Copenhaguen va rebre el 42%, la interpretació teòrica de la informació el 24% i la Interpretació dels Molts Mons el 18%. Atès que cap interpretació única va superar el 50% en aquesta enquesta, sembla clar que cada interpretació té les seves pròpies limitacions. En aquest article, presentaré breument la «interpretació de Copenhaguen» i la «interpretació dels múltiples mons» —que representen una part important del camp i mantenen punts de vista oposats sobre l'acte d'«observació»— i en discutiré les limitacions. La «interpretació teòrica de la informació» s'exclou d'aquesta discussió perquè veu la mecànica quàntica des d'una perspectiva una mica diferent de les altres dues.
El marc bàsic de la interpretació de Copenhaguen, proposada per Bohr i Heisenberg, és el següent: "Mentre l'observador no apliqui equips de mesura, l'electró dins d'un àtom es mou d'acord amb les lleis de la causalitat. Tanmateix, quan s'intenta descriure l'electró en una posició i un temps fixos dins de l'espai-temps, intervenen interaccions discretes, fent que es desviï de la causalitat, i l'observador no té més remei que confiar en les probabilitats quàntiques". La mecànica newtoniana afirma que les partícules observades en el món macroscòpic posseeixen valors específics i ben definits de posició i moment quan es mouen. Això significa que en el món macroscòpic, on existeixen observadors, és a dir, humans, la posició i el moment són fixos. Tanmateix, en el món microscòpic, un electró en moviment existeix en un estat on aquestes quantitats físiques no es poden determinar definitivament com un sol valor. Més aviat, coexisteixen diversos estats diferents simultàniament. Per exemple, si hi ha tres estats possibles (1, 2 i 3) que pot ocupar un electró, l'electró existeix en els tres estats simultàniament abans de ser observat. Matemàticament, això es pot expressar com la suma de les funcions d'ona corresponents a 1, 2 i 3. Quan un observador en el món macroscòpic observa l'electró, l'electró es redueix a un únic estat entre els molts estats possibles, determinat per la probabilitat associada a aquest estat. En altres paraules, l'acte d'"observació" canvia l'estat de l'electró. Per exemple, en el moment en què es determina que l'electró es troba en l'estat 1, la possibilitat que existeixi simultàniament en els estats 2 i 3 desapareix. Això és el que la interpretació de Copenhaguen anomena el "col·lapse de la funció d'ona". En conseqüència, l'acte d'"observació" té una immensa importància en la interpretació de Copenhaguen.
Físics famosos com Einstein van refutar la interpretació de Copenhaguen, citant diversos experiments mentals com a prova. Entre aquests, el més conegut és el "gat de Schrödinger". Dins d'una caixa segellada hi ha un gat i un dispositiu capaç d'alliberar verí depenent de l'estat determinat mecànicament quànticament d'una partícula. Si el gat dins la caixa és viu o mort després d'un cert temps, que en si mateix és un estat, només es determina en el moment en què s'obre la tapa i s'observa el gat. Aquest experiment mental il·lustra que aplicar l'acte d'"observació", que té una gran importància en el món microscòpic, al món macroscòpic condueix a conclusions estranyes; com a resultat, ha provocat una profunda reflexió sobre el significat de l'observació en la mecànica quàntica. Aquí és on comença la "interpretació dels múltiples mons".
Everett III, anteriorment de la Universitat de Princeton, va refutar les afirmacions de la interpretació de Copenhaguen, argumentant que la distribució de probabilitat d'una partícula no desapareix mitjançant l'acte d'observació, sinó que existien múltiples mons possibles des del principi. En altres paraules, la posició d'una partícula no es determina a un valor únic mitjançant l'observació; més aviat, ja existeixen múltiples mons paral·lels, i simplement observem un d'ells. Els estats que no observem directament es despleguen en altres mons possibles. Per exemple, si la nostra observació produeix l'estat 2, els altres estats no desapareixen en aquell moment; es despleguen en altres mons, i simplement no els podem observar.
Tanmateix, la Interpretació dels Molts Mons té clarament els seus problemes. Si un esdeveniment que podria ocórrer passa en tots els mons possibles, quin significat té la probabilitat associada a cada estat? Everett va intentar resoldre això simplement multiplicant cada estat per un pes. Tanmateix, què significa que un món sigui més important que un altre continua sent tema de debat.
Considerant aquestes dues interpretacions —cadascuna amb el seu propi significat i limitacions—, tendeixo a afavorir la interpretació de Copenhaguen. Si tornem als orígens de la mecànica quàntica, veiem que finalment va néixer per explicar fenòmens del món microscòpic. En altres paraules, com que va ser creada per desentranyar fenòmens mitjançant l'observació i els fets resultants, l'acte d'observació de l'observador té un significat tan significatiu. En l'observació real de partícules, per observar l'estat d'una sola partícula, hem d'exercir un cert grau d'influència sobre ella. En física, això s'anomena "pertorbació". En altres paraules, observar l'estat d'una partícula implica induir un lleuger canvi en la partícula i després observar la seva resposta. Tot i que la connexió entre induir un canvi en la partícula i el col·lapse de la funció d'ona en termes matemàtics és una mica ambigua, coincideixen en què ambdues alteren l'estat original. Això significa que l'acte d'observació en si mateix és físicament significatiu.
La mecànica quàntica s'ha allunyat de la mentalitat determinista de la mecànica newtoniana clàssica i ha adoptat un enfocament probabilístic. Quanta gent podria acceptar fàcilment la idea que la posició d'una poma just davant seu canvia amb probabilitats variables cada vegada que la miren? És cert que tant la interpretació de Copenhaguen com la interpretació dels molts mons tenen el seu propi significat i limitacions a l'hora d'ajudar les persones —que estan acostumades als estats definits dels objectes— a comprendre els fenòmens que es produeixen al món microscòpic. Sóc un estudiant d'enginyeria que estudia com crear noves tecnologies utilitzant fenòmens científics i els resultats obtinguts de la seva observació. El desenvolupament de la mecànica quàntica ens ha proporcionat eines per interpretar fenòmens del món microscòpic, i això ha conduït directament a tecnologies que són útils per a les persones. L'equip de ressonància magnètica (RMN), que ha fet una contribució significativa a la medicina moderna, es va desenvolupar aplicant el fenomen de la RMN (Ressonància Magnètica Nuclear) de la mecànica quàntica; aquesta tecnologia s'utilitza no només en espectroscòpia —que determina les estructures moleculars— sinó fins i tot en l'exploració petroliera. A partir d'això, crec que la interpretació més adequada per explicar els fenòmens —que considero que és l'objectiu de la ciència— tindrà més importància.
