18.1 El enfoque de colapso
La interpretación de Copenhague o el enfoque del colapso de la mecánica cuántica fue ideada por Werner Heisenberg en la década de 1920 [1] y modificada por los físicos italianos Giancarlo Ghirardi, Alberto Rimini, y Tullio Weber, [2,3] y el físico británico Roger Penrose. [4,5]
El enfoque de colapso establece que la medición de un sistema cuántico invoca un “colapso” de la función de onda cuántica de un estado superposicional a un estado que puede describirse de manera clásica, de acuerdo con la regla de Born [19459020 ] [6] (discutido en Capítulo 17 ).
A primera vista, el enfoque de colapso parece contradecir la teoría de la relatividad especial de Albert Einstein (discutida en el Libro I), que establece que nada puede viajar más rápido que la velocidad de la luz. [7] Esto se debe a un efecto conocido como enredo, un término acuñado por Erwin Schrödinger en 1935. [8] [ 19459010]
18.2 Enredo cuántico
Schrödinger declaró,
Si dos cuerpos separados, sobre los cuales, individualmente, tenemos un conocimiento máximo, entran en una situación en la que se influencian entre sí y luego se separan nuevamente, entonces surge regularmente lo que acabo de llamar enredos [Verschränkung] de nuestro conocimiento de los dos cuerpos … Nuestro conocimiento sigue siendo máximo, pero al final, si los cuerpos se han separado nuevamente, ese conocimiento no se descompone nuevamente en una suma lógica de conocimiento de los cuerpos individuales. [9]
El entrelazamiento puede ilustrarse con ejemplos de cualquier propiedad observable, como posición, momento o giro. Dos electrones enredados, por ejemplo, deben poseer espines de signos opuestos. El giro se puede medir en cualquier ángulo, pero generalmente se describe como “arriba” o “abajo”, o “izquierda” o “derecha” cuando se mide en planos horizontales o verticales. Esto significa que medir el giro de un miembro de un par de electrones enredados determina instantáneamente el giro del otro, incluso si está muy lejos.
Schrödinger demostró que ninguna ecuación describe el estado de un solo electrón enredado, y el estado general de espín no puede equipararse con ninguna combinación de los estados individuales. Esto significa que no se puede decir que los electrones enredados sean individuos.
18.2.1 El documento EPR
A Einstein no le gustó el enfoque de colapso porque sugiere que la acción instantánea a distancia ocurre cuando la función de onda colapsa. Einstein, el físico estadounidense Boris Podolsky y el físico estadounidense-israelí Nathan Rosen presentaron lo que se conoció como el documento EPR en 1935. [10]
El artículo de EPR afirma que la mecánica cuántica está incompleta. Debe haber variables ocultas que expliquen por qué no hay necesidad de viajes instantáneos, algo a lo que Einstein se refirió como “espeluznante”. [11]
Einstein trató de pensar en una forma de atribuir propiedades observables a un sistema sin medirlo directamente. Se dio cuenta de que si se medía la posición de un electrón en un par entrelazado, también podría determinar su momento midiendo la del segundo electrón. Esto contradiría la afirmación de Heisenberg de que la posición y el impulso de un electrón no pueden conocerse simultáneamente. Einstein esperaba que los efectos del enredo pudieran explicarse si el movimiento de los fotones estuviera de alguna manera guiado por el campo electromagnético.
En 1964, el físico británico John Stewart Bell ideó una forma de evaluar teóricamente una teoría de variables ocultas como la de Einstein. [12] El matemático estadounidense Simon Kochen y el matemático suizo Ernst Specker demostraron que la teoría de la variable oculta de Einstein no podía ser correcta en 1967. ] [13]
Los físicos estadounidenses Stuart Freedman y John Clauser realizaron la primera prueba experimental en 1972. [14] Freedman y Clauser mostraron que Einstein estaba equivocado; la información parece ser enviada instantáneamente. Esto fue verificado por el físico francés Alain Aspect en 1982. [15,16] Aspect mostró que si la información se envía a través del espacio-tiempo, debe viajar más rápido que la velocidad de la luz. Un experimento en 2008 mostró que debe viajar al menos 10,000 veces esta velocidad. [17]
18.2.2 Holismo cuántico
La “acción a distancia” cuántica es similar a la acción a distancia de Newton (discutida en el Libro I), donde se pensaba que la fuerza de la gravedad afectaba los objetos instantáneamente a través de grandes distancias, pero difiere en dos aspectos:
- En primer lugar, la acción cuántica a distancia no tiene la simetría que tiene la fuerza gravitacional. En mecánica cuántica, la primera medición siempre determina el resultado de la segunda; No son de influencia mutua.
- En segundo lugar, en la mecánica cuántica, los efectos son independientes de la distancia, mientras que en el modelo newtoniano la fuerza gravitacional disminuye proporcionalmente al cuadrado de la distancia entre los objetos.
Una mejor interpretación puede ser el holismo cuántico. [18] El holismo se refiere a la idea de que los aspectos de un estado no están determinados por sus partes constituyentes, sino por el estado en su conjunto.
18.2.3 Teletransportación cuántica
En 1993, el físico Charles Bennett y un equipo de investigadores de IBM demostraron que los efectos del enredo cuántico permiten la teletransportación, siempre que el objeto viaje a la velocidad de la luz y se destruya la copia original. [19]
Esto fue demostrado por primera vez en 1998 por físicos en Europa y Estados Unidos que teletransportaron un fotón de aproximadamente un metro a través de una habitación. [20] Los fotones se han teletransportado desde 140 km, [21] y los objetos macroscópicos fueron los primeros teletransportado en 2012. [22]
18.3 Otras interpretaciones de la mecánica cuántica
En 1952, el físico estadounidense David Bohm sugirió que no hay necesidad de una acción instantánea a distancia porque el enfoque de colapso es incorrecto y no hay colapso de la función de onda. [23,24]
Bohm ideó un tipo diferente de teoría de variables ocultas conocida como mecánica de Bohmian o la interpretación de Bohm de la mecánica cuántica. Esto sugiere que los objetos cuánticos siguen caminos que están determinados por una ecuación guía, una idea que fue ideada por primera vez por Louis de Broglie en 1927, [25] y fue apoyada por Campana. [26,27]
En 1957, el físico estadounidense Hugh Everett III sugirió que Bohm tiene razón, no hay colapso de la función de onda, pero interpretó esto de manera muy diferente, ideando los muchos mundos o la interpretación de Everett de la mecánica cuántica [28,29] (discutido en Capítulo 20 ). Todavía no hay consenso sobre cuál de estas explicaciones, si alguna, es correcta.