En esta entrada de blog, examinaremos qué significa el colapso de ondas, centrándonos en la interpretación de Copenhague y la interpretación de los muchos mundos entre las diversas interpretaciones de la mecánica cuántica, y consideraremos las características y limitaciones de cada interpretación.
Desde finales del siglo XIX hasta principios del siglo XX, comenzaron a surgir fenómenos que no podían explicarse únicamente con la física clásica. Maxwell y Einstein descubrieron que la luz posee propiedades tanto ondulatorias como corpusculares. Max Born predijo que las partículas también poseen propiedades ondulatorias. Se dice que el experimento de la doble rendija de Davisson-Germer demostró experimentalmente que los electrones poseen un comportamiento ondulatorio. Un análisis más detallado del experimento de la doble rendija revela lo siguiente: Un dispositivo que emite electrones, una placa con dos rendijas y una pantalla están dispuestos en secuencia. Los electrones emitidos por la fuente de electrones pasan a través de las dos rendijas y llegan a la pantalla; cuando se observa la llegada de los electrones a la pantalla, aparece un patrón de interferencia. Este patrón no aparece cuando solo hay una hendidura. Por lo tanto, la posición de un electrón debe explicarse como una onda que pasa simultáneamente a través de ambas rendijas. La mecánica cuántica surgió para explicar estos fenómenos. En mecánica cuántica, las ondas de probabilidad se describen como los componentes fundamentales de la naturaleza. Las ondas de probabilidad se utilizan para describir el estado de la materia. El estado de la materia incluye propiedades como la posición y el espín. Una onda de probabilidad indica que un valor no es fijo en ningún punto en particular, sino que la probabilidad de ocurrencia varía en cada punto. La mecánica cuántica se estableció a principios del siglo XX, y numerosos resultados experimentales de ese período y posteriores respaldan la validez de esta teoría. En el núcleo de esta teoría se encuentra la ecuación de onda de Schrödinger. Como ecuación fundamental de la mecánica cuántica, la ecuación de onda de Schrödinger describe cómo cambia una onda de probabilidad a lo largo del tiempo. Sin embargo, aún no está claro cómo se relacionan exactamente estas ondas de probabilidad con la vida cotidiana. En la vida cotidiana, los resultados que observamos no son múltiples estados, sino un único estado definido. ¿Cómo se puede explicar esto? ¿Qué es una onda de probabilidad y existe alguna manera de comprenderla? Para resolver estas cuestiones, han surgido diversas interpretaciones de la mecánica cuántica. En una encuesta anterior realizada en una conferencia de física cuántica, se preguntó a los participantes sobre sus preferencias con respecto a cada interpretación. La preferencia por la interpretación de Copenhague se situó en el 42%, la perspectiva de la información cuántica en el 24% y la interpretación de los muchos mundos en el 18%. Como se puede observar en la encuesta, la interpretación de Copenhague es la interpretación predominante dentro de la comunidad de físicos. La interpretación de Copenhague es la desarrollada desde los inicios de la mecánica cuántica por investigadores liderados por Bohr. Brian Greene presentó el principio fundamental de la interpretación de Copenhague de la siguiente manera: «Siempre que intentamos observar una onda de probabilidad directamente, el acto mismo de observación la interrumpe». La interpretación de Copenhague explica que, en el momento de la observación, la onda de probabilidad ya no puede permanecer en ese estado y colapsa en un solo punto. Se explica que el resultado de este colapso en un solo punto es la realidad con la que estamos familiarizados. Este proceso se denomina colapso de onda. La perspectiva de la información cuántica explica que el universo mismo está compuesto de información cuántica, que constituye la esencia misma del universo. Postula que todo es el resultado de cálculos cuánticos que involucran esta información cuántica. Desde este punto de vista, a veces se considera al universo entero como una máquina que realiza cálculos cuánticos. Seth Lloyd ha escrito un libro que defiende de forma convincente esta perspectiva. En ese libro, explicó el papel de la información y cómo se relaciona con las leyes físicas reales. Por ejemplo, explicó cómo la computación cuántica tiende a propagar información desconocida y profundizó en las leyes físicas relacionadas con la entropía. La interpretación de los muchos mundos fue propuesta por Hugh Everett. Esta interpretación no acepta el colapso de la función de onda, que es la piedra angular de la interpretación de Copenhague. En cambio, plantea que el universo se ramifica en múltiples mundos y que todas las posibilidades se realizan. De este modo, se explica que en cada mundo, un observador percibe la realidad con la que estamos familiarizados. El concepto de colapso de la función de onda, que puede considerarse el núcleo de la interpretación de Copenhague, me resulta poco convincente. Como señaló Brian Greene, el límite que define lo que constituye una "observación" no está claro. La explicación es algo así: el colapso de la función de onda no ocurre cuando los objetos microscópicos interactúan entre sí, pero sí ocurre cuando un observador realiza una medición; sin embargo, esta explicación es difícil de aceptar.
Es natural suponer que las leyes de la física se aplican de forma universal e idéntica en todo el universo. Dado que el observador también forma parte del universo, creo que es natural que las leyes de la mecánica cuántica se apliquen por igual a todas las acciones, incluida la observación. Sin embargo, la interpretación de Copenhague explica que el colapso de la onda se produce como resultado del acto de observación del observador. Desde el punto de vista matemático, el colapso de ondas es también una operación distinta de las operaciones mecánicas cuánticas ordinarias. Aunque no puedo explicar aquí en detalle el proceso por el cual cambia una función de onda de probabilidad, se puede describir como una operación que implica la multiplicación por una matriz reversible con ciertas propiedades especiales. “Reversible” significa que existe una correspondencia biunívoca entre el resultado y el estado que lo causó. Sin embargo, cuando se produce el colapso de la función de onda, esta correspondencia se rompe. El sistema queda fijado en un único estado, lo que imposibilita restaurar el estado original. En los casos en que la naturaleza de la observación es crucial, como en la interpretación de Copenhague, a veces se introduce el concepto del corte de Heisenberg. Este concepto postula que las leyes de la mecánica cuántica se aplican hasta cierto límite, y más allá de ese límite, la función de onda colapsa. Sin embargo, este límite no está claramente definido. Podría establecerse a nivel de objetos como electrones o protones, o podría establecerse a nivel de objetos macroscópicos como los seres humanos. Esto resulta insatisfactorio porque no especifica dónde exactamente debe trazarse este límite. Un ejemplo muy conocido que ilustra esta situación es el experimento mental del gato de Schrödinger. En este experimento mental, aparecen una partícula más pequeña que un átomo y un gato. La pequeña partícula puede desintegrarse con cierta probabilidad, un proceso que puede explicarse mediante la mecánica cuántica. Se coloca un dispositivo de detección junto a él. Se dice que en el momento en que se detecta dicha descomposición, se activa un mecanismo que mata al gato. Esto plantea la cuestión de si el gato está vivo o muerto en ese momento. La interpretación de Copenhague explica que el estado del gato, ya sea vivo o muerto, se determina en el momento en que se le observa. Esta explicación se basa en la premisa de que ni siquiera los objetos macroscópicos experimentan el colapso de las ondas. Esto sugiere que incluso los objetos grandes deben considerarse dentro del marco de la mecánica cuántica. En consecuencia, existen experimentos mentales que llevan esta situación a un extremo aún mayor. En este experimento mental, suponemos que un amigo llevó a cabo el experimento mental del gato de Schrödinger y observó el estado del gato. En tal caso, no proporciona una explicación definitiva de en qué límite debe considerarse que la función de onda ha colapsado. En lo que respecta a este límite, algunos consideran que el grado de conocimiento del observador es crucial, y se dice que esto está relacionado con la probabilidad. Sin embargo, la interpretación de Copenhague tiene la ventaja de explicar de forma fácil y clara los resultados observados por el observador. De hecho, explica muy bien los resultados de varios experimentos. Basta con aplicar el colapso de ondas en el momento de observar los resultados experimentales o al interactuar con objetos macroscópicos. Se trata de una interpretación conveniente que no requiere considerar el estado cuántico del equipo de observación. Una de las razones de su gran éxito, a pesar del resultado intuitivamente difícil de aceptar del colapso de las ondas, es probablemente su capacidad para explicar bien los resultados experimentales. Precisamente porque el colapso de las ondas es una explicación tan antinatural, creo que la Interpretación de los Muchos Mundos podría ser una alternativa viable a la interpretación de Copenhague. La interpretación de los muchos mundos no reconoce el colapso de las ondas. Se dice que es una interpretación derivada de centrarse únicamente en la ecuación de onda de Schrödinger. Dado que no considera que el acto de observación esté sujeto a ninguna ley especial, interpreta el proceso simplemente como un cambio en el estado de onda visto desde la ecuación de onda. En otras palabras, se entiende que cuando se realiza una observación, la onda no colapsa; más bien, el observador y el objeto entran en un estado entrelazado desde el punto de vista de la mecánica cuántica. Para comprender este estado de entrelazamiento, examinemos un ejemplo desde la perspectiva de la Interpretación de los Muchos Mundos, que no reconoce el colapso de las ondas. El espín de un electrón puede ser hacia arriba (↑) o hacia abajo (↓). El equipo de observación es un dispositivo que mide el espín del electrón. Supongamos que la ventana de visualización de estado del equipo de observación tiene tres estados posibles: arriba (⟰), abajo (⟱) y en blanco (). Analicemos la situación antes de la medición. El espín del electrón y la ventana de visualización del estado del equipo de observación pueden describirse como ondas de probabilidad mutuamente independientes. El electrón no está fijo ni hacia arriba (↑) ni hacia abajo (↓), sino que está representado por una onda de probabilidad. El aparato de medición se habría configurado en el estado vacío () para el experimento, y habría una función de onda de probabilidad que representaría esta situación. Analicemos la situación después de la medición. Llegado este punto, ya no se puede describir como funciones de onda de probabilidad independientes. En cambio, el estado general se describe mediante una única función de onda de probabilidad que abarca tanto al electrón como al aparato de medición.
Específicamente, está representada por una única función de onda de probabilidad que describe solo dos situaciones posibles: una en la que el espín del electrón está hacia arriba y la ventana de estado del aparato de observación indica "arriba" (↑⟰), y otra en la que el espín del electrón está hacia abajo y la ventana de estado del aparato de observación indica "abajo" (↓⟱). Este fenómeno, en el que múltiples estados dejan de ser independientes, se describe como “entrelazamiento”. La interpretación de los muchos mundos va un paso más allá. Observando el ejemplo anterior, hay dos situaciones posibles (↑⟰, ↓⟱). La interpretación de los muchos mundos considera que el mundo está dividido en estos dos estados. Es decir, en un mundo ocurre la situación ↑⟰, y en otro mundo ocurre la situación ↓⟱. Se dice que, al examinar la ecuación de Schrödinger, no hay ningún problema matemático importante al verla de esta manera. Si separamos los estados posibles basándonos en los resultados de las observaciones e interpretamos cada resultado como un mundo distinto, esa es precisamente la interpretación de los muchos mundos. Por lo tanto, todo acontecimiento que pueda considerarse una observación se ve como un acontecimiento en el que los mundos se dividen. En consecuencia, en cada mundo se realiza toda posibilidad que sea factible desde el punto de vista de la mecánica cuántica. El aspecto de la Interpretación de los Muchos Mundos que me resulta más atractivo es que no considera el acto de observación como algo especial. Dado que incluso el observador es visto como parte de un mundo sujeto a las mismas leyes de la mecánica cuántica, considero que esta interpretación es más universalmente aplicable. Sin embargo, la interpretación de los muchos mundos se enfrenta a numerosas críticas. No existe una explicación convincente de lo que significa que el mundo se divida en múltiples mundos. Además, la afirmación de que existen múltiples mundos es extraña en sí misma. Si los mundos se crean continuamente hasta el infinito, no hay manera de explicar cómo podemos llevar la cuenta de tantos de ellos. Además, si los diferentes mundos están completamente separados y no pueden influirse entre sí, se podría argumentar que, desde la perspectiva del observador, la existencia de otros mundos carece por completo de sentido. Desde ese punto de vista, la interpretación en sí misma pierde sentido. Además, aún quedan bastantes retos por abordar en la Interpretación de los Muchos Mundos. En primer lugar, una de las tareas que deben abordarse es proporcionar una explicación adecuada de qué mundo percibirá un observador real. También debe existir una manera de describir los fenómenos desde la perspectiva del observador —en lugar de desde la perspectiva del todo— para poder explicar los fenómenos que observamos en la vida cotidiana. Esto se debe a que no observamos directamente las ondas de probabilidad, sino solo sus resultados. La interpretación de Copenhague explica claramente este aspecto. La interpretación de Copenhague sostiene que el mundo que observamos se realiza a través del colapso de la función de onda, y produce resultados que se ajustan a la realidad. Además, la interpretación de los muchos mundos debería poder explicar la interpretación de Copenhague. Si la interpretación de los muchos mundos es la correcta, debería poder explicar, desde su propia perspectiva, cómo todos los resultados experimentales hasta la fecha han coincidido con las predicciones de la interpretación de Copenhague. Además, debemos determinar en qué circunstancias podrían surgir diferencias entre las dos interpretaciones. Por lo tanto, establecer una conexión con la interpretación de Copenhague también supone un gran desafío. No apoyo el concepto de colapso de ondas de la interpretación de Copenhague porque no está claro cuándo exactamente debe aplicarse, y considero que la práctica de aislar la medición como un proceso separado es problemática en términos de universalidad. En cambio, creo que deberíamos mantener la perspectiva de que todo el universo puede describirse como una onda probabilística en mecánica cuántica, y que el observador también forma parte de ella. Por lo tanto, creo que la Interpretación de los Muchos Mundos y teorías similares podrían servir como alternativas. Sin embargo, como ya se mencionó, estas interpretaciones también presentan varios problemas. Como demuestran los resultados de encuestas realizadas a físicos, aún no se ha llegado a una conclusión definitiva sobre la interpretación de la mecánica cuántica. Algunas de las interpretaciones existentes han sido refutadas experimentalmente en el pasado. Sin embargo, aún no se han realizado experimentos de este tipo para la interpretación de Copenhague ni para la interpretación de los Muchos Mundos. Es posible que algún día se desarrollen diseños experimentales capaces de demostrar realmente las diferencias entre estas interpretaciones. Alternativamente, podríamos llegar a la conclusión de que todas estas interpretaciones son igualmente válidas. Por lo tanto, creo que a medida que profundice nuestra comprensión de las leyes de la física, se abrirán nuevas vías para interpretar la mecánica cuántica. Será fascinante presenciar cómo se desarrolla ese proceso.
