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La fisica y quimica

Capítulo 20. Mecánica cuántica y mundos paralelos

 

20.1 Problemas con la mecánica cuántica

 

La mecánica cuántica desafía las nociones clásicas de espacio, tiempo, materia y probabilidad. Los defensores del enfoque de colapso de la mecánica cuántica (discutido en Capítulo 17 ) afirman que cuando medimos una propiedad de un sistema cuántico, las diferentes posibilidades dadas en la ecuación de onda de Erwin Schrödinger colapsan en un solo resultado. La probabilidad de cualquier resultado puede determinarse utilizando la regla de Born. Sin embargo, nunca hemos encontrado estas dinámicas de colapso, y no hay nada parecido en la teoría cuántica misma.

 

Podríamos dejar de lado este problema y esperar que esta dinámica se descubra a tiempo, pero aún tenemos que resolver el problema de cómo los estados cuánticos pueden interactuar con la materia ordinaria. Esto se conoce como el problema de medición.

 

El problema de medición es similar al problema que enfrentan los dualistas mente-cuerpo como Rene Descartes, quien argumentó que hay dos sustancias fundamentalmente diferentes en el universo (discutidas en Capítulo 26 ) que interactúan, a pesar de exhibir diferentes propiedades y obedecer diferentes leyes físicas. [1]

 

La interpretación de Bohm de la mecánica cuántica (discutida en Capítulo 18 ) resuelve todos estos problemas al descartar la idea de un colapso, pero luego debe agregar dinámicas para explicar por qué todas menos una de las posibilidades dadas en la ecuación de Schrödinger se suprimen. [2]

 

Todos estos problemas podrían resolverse con el antirrealismo (discutido en Capítulo 30 ), la opinión de que no debemos tomar las teorías físicas literalmente cuando invocan objetos que no podemos ver. Los antirrealistas argumentan que todas las teorías científicas anteriores han demostrado ser falsas, por lo que tampoco debemos tomar literalmente las entidades invisibles postuladas por nuestras teorías actuales. Este argumento es contrarrestado por el hecho de que se han construido instrumentos que dependen de estas entidades invisibles para funcionar. [3]

 

El antirrealismo y la interpretación de Bohm siguen siendo populares, pero su principal rival afirma resolver los problemas de la mecánica cuántica sin depender de ninguna dinámica adicional o variables ocultas. En 1957, Hugh Everett sugirió que simplemente deberíamos tomar la ecuación de onda de Schrödinger literalmente, aplicando la teoría a todo, incluido el universo mismo. [4]

 

20.2 Interpretación de muchos mundos de Everett

 

Everett demostró que si no hay una dinámica de colapso y no hay variables ocultas que supriman los efectos de una superposición, entonces todo evolucionará de acuerdo con la evolución unitaria de la función de onda de Schrödinger (discutido en Capítulo 17 ) .

 

Esto significa que un observador no está separado del sistema cuántico que está midiendo. Cuando miden una propiedad de un sistema cuántico, no colapsa en un solo estado determinado, como sugiere el enfoque de colapso. En cambio, todas las posibilidades dadas por la ecuación de Schrödinger se actualizan y, dado que el observador también se encuentra en un estado de superposición, las observará a todas.

 

Cuando alguien mide el giro de un electrón, por ejemplo, podría tener una probabilidad del 50% de aparecer “arriba” y una probabilidad del 50% de aparecer “abajo”. Tanto la interpretación de Bohm como el enfoque de colapso predicen que un observador registrará solo un resultado de acuerdo con su probabilidad. La interpretación de muchos mundos de Everett predice que grabarán ambos. [4]

 

Everett se refirió a su interpretación como la “formulación de estado relativo” porque muestra que todo lo que experimentamos existe en términos relativos. En el ejemplo anterior, la experiencia de medir el electrón para que esté “arriba” solo es real en relación con la experiencia de medir que el electrón está “abajo”. Ninguna rama es más real que la otra.

 

Everett argumentó que no parece experimentar todos los resultados posibles porque nosotros también nos comportamos como un objeto cuántico, y los elementos individuales de una superposición no se afectan entre sí. [4]

 

Aunque Everett solo mencionó la palabra “ramas” en 1957, el realismo asociado con ellas pronto llevó a que se usara el término “mundos paralelos”. El físico estadounidense Bryce DeWitt fue el primero en hacerlo cuando popularizó la interpretación de muchos mundos de Everett en 1970 [5] y en 1977, Everett defendía su teoría en estos términos . [6]

 

20.2.1 Conservación de energía

 

DeWitt describió cómo, desde nuestra perspectiva subjetiva, parece que el universo es,

 

dividiéndose constantemente en una cantidad estupenda de ramas, todas resultantes de la medición como interacciones entre sus innumerables componentes. Además, cada transición cuántica que tiene lugar en cada estrella, en cada galaxia, en cada rincón remoto del universo está dividiendo nuestro mundo local en la Tierra en miríadas de copias de sí mismo. [7]

 

Sin embargo, la interpretación de muchos mundos no contradice las leyes de conservación de energía, porque el universo no literalmente se divide cada vez que ocurre un evento cuántico. Esto se debe a que la teoría se aplica al universo en su conjunto.

 

No hay una dinámica de colapso en la interpretación de muchos mundos, por lo que no hay un momento distinto en el que se dice que se realizó una medición. Cuando nos damos cuenta del resultado de un experimento cuántico, el mundo no se divide, simplemente nos damos cuenta de en qué mundo estamos . Este universo superposicional se conoce como el multiverso.

 

20.2.2 Acción a distancia

 

La interpretación de muchos mundos no enfrenta el problema de explicar la aparición de la acción instantánea a distancia, lo cual es evidente en el enfoque de colapso de la mecánica cuántica. Esto se debe a que no es necesario enviar información entre un sistema cuántico enredado y otro.

 

Dos partículas enredadas pueden ser separadas y luego observadas por dos personas. Cuando el primero mide una propiedad de su partícula cuántica, QA , se dan cuenta de en qué mundo se encuentran y saben que los resultados del segundo observador estarán correlacionados con los suyos. Sin embargo, QA no necesita enviar una señal a QB para “decirle” los resultados. Esto se debe a que todos los resultados se actualizan, por lo que QB solo necesita ‘saber’ que está en un mundo que está correlacionado con QA , y esta información se intercambió cuando los dos cuánticos los estados se enredaron en primer lugar.

 

20.2.3 El problema base preferido

 

La interpretación de muchos mundos resuelve el problema de medición al afirmar que los objetos macroscópicos también obedecen las leyes de la mecánica cuántica, pero luego se enfrenta a un problema similar conocido como el problema de base preferido.

 

El problema de base preferido pregunta por qué el universo se divide en los “mundos separados” que experimentamos si realmente es parte de un multiverso descrito por la ecuación de onda de Erwin Schrödinger.

 

El físico estadounidense Henry Stapp describió cómo,

 

si el universo ha estado evolucionando desde el Big Bang de acuerdo con la ecuación de Schrödinger [sin una base preferida], entonces debe ser una estructura amorfa en la que cada dispositivo es una nube manchada de un continuo de diferentes posibilidades De hecho, el planeta tierra no tendría una ubicación bien definida, ni los ríos y océanos, ni las ciudades construidas en sus orillas. [14]

 

Schrödinger consideró este problema por primera vez cuando discutió las implicaciones realistas de su teoría en 1952. Declaró que,

 

casi todos los resultados [que pronuncia un teórico cuántico] se refieren a la probabilidad de que esto o aquello … suceda, con una gran cantidad de alternativas. La idea de que no sean alternativas, sino que todo suceda simultáneamente parece loco para [ellos], simplemente imposible. [Piensan] que si las leyes de la naturaleza toman esta forma durante un cuarto de hora, digamos, deberíamos encontrar nuestro entorno convirtiéndose rápidamente en un atolladero, o una especie de gelatina o plasma sin rasgos, todos los contornos se vuelven borrosos, nosotros mismos probablemente nos convertimos en medusas. [15]

 

Schrödinger pensó que esta idea debía ser defectuosa y declaró que,

 

la compulsión de reemplazar los sucesos simultáneos, como lo indica directamente la teoría, [con] alternativas [es] una decisión extraña. [15]

 

Los defensores de la interpretación de muchos mundos no tenían forma de explicar el problema base preferido hasta que la teoría de la decoherencia fue desarrollada por Heinz-Dieter Zeh en 1970 [16] (discutido en Capítulo 19 ) y extendido por Wojciech Zurek en 1981. [17]

 

La decoherencia muestra que se formará una base natural, lo que nos impide experimentar ramas que involucran objetos macroscópicos indeterminados. Matemáticamente, se dice que estas ramas decaen exponencialmente, pero no desaparecen por completo, por lo que la decoherencia solo puede darnos una apariencia aproximada de definición.

 

Todavía no está claro si la naturaleza aproximada de la decoherencia muestra que la interpretación de muchos mundos es incorrecta, o si puede explicarse. Puede ser que nuestras mentes hayan evolucionado para comprender únicamente objetos definidos, o porque la decoherencia es lo suficientemente precisa como para explicar nuestras observaciones cuando se combina con una teoría material de la mente (discutida en Capítulo 28 ).

 

 

Probabilidad y libre albedrío

 

Probabilidad y mecánica clásica

 

Clásicamente, entendemos las probabilidades en términos de teoría de la decisión. El enlace teórico de la decisión establece que es racional que una persona use su conocimiento objetivo de un sistema para determinar cómo actuar. [8,9]

 

Objetivamente, sabemos que los dados regulares tienen una probabilidad de 1/6 de aterrizar en cualquier número en particular, y que las monedas tienen una probabilidad de 1/2 de aterrizar ya sea cara o cruz. Una persona racional debería intentar apostar por el número que tiene la mayor probabilidad objetiva.

 

El problema con esto es que no sabemos cómo derivar probabilidades sin conocer la simetría del sistema. Si en realidad tiramos dados y contamos cuántas veces ocurre cada resultado, se espera que surja un conjunto de probabilidades objetivas, pero no importa cuántos recorridos de frecuencia se ejecuten, nunca podremos saber con certeza si los dados están ponderados. Siempre existe la posibilidad de que hayamos tenido mala suerte.

 

Esto plantea la pregunta de por qué deberíamos estar racionalmente obligados a usar nuestro conocimiento objetivo de las probabilidades al hacer apuestas.

 

Funcionalismo sugiere que algún día podremos definir la probabilidad objetiva como una propiedad física. Esta propiedad se definirá independientemente del vínculo teórico de decisión, pero llegará a las mismas conclusiones. Primitivismo es la opinión de que debemos aceptar el vínculo teórico de decisión como una ley fundamental de la naturaleza y no buscar una explicación más profunda. Eliminativismo es la opinión de que no existen las probabilidades objetivas.

 

Funcionalismo cauteloso es la opinión de que algún día encontraremos una definición funcional y, mientras tanto, podemos usar el enlace teórico de decisión como tal. Esto permite a los científicos continuar usando la teoría de la decisión al considerar las probabilidades objetivas.

 

Libre albedrío y mecánica clásica

 

A primera vista, no parece que tengamos libre albedrío. La mecánica clásica muestra que si supiéramos todas las leyes naturales, entonces deberíamos poder predecir el futuro. El neurofisiólogo estadounidense Benjamin Libet exploró esta idea en una serie de experimentos realizados en 1985 [10] y en 2008, Chun Siong Soon y colegas del Instituto Max Planck en Alemania demostró que puede predecir la libre elección de una persona hasta 10 segundos antes de que sepa lo que hará. [11]

 

Esto parece mostrar que no tomamos decisiones conscientes libremente. Sin embargo, en 1954, el filósofo británico Alfred Jules Ayer demostró que el determinismo no es incompatible con el libre albedrío porque los dos no son mutuamente excluyentes. [12]

 

Para ser responsables de nuestras acciones, Ayer argumentó que debemos actuar de manera consistente con nuestro carácter y esto implica que nuestro comportamiento es, hasta cierto punto, predecible. Ayer sugirió que el libre albedrío debería contrastarse con la restricción en lugar de la causalidad. Él dijo:

 

Porque no es cuando mi acción tiene alguna causa, sino solo cuando tiene un tipo especial de causa, que se considera que no es libre. [12]

 

En 2002, el psicólogo estadounidense Daniel Wegner sugirió que el libre albedrío puede entenderse como una ilusión generada por el cerebro. [13] Al igual que el filósofo inglés Thomas Hobbes (discutido en Capítulo 26 ), Wegner argumentó que esto se debe a nuestra incapacidad de obtener conocimiento de nuestra propia mente.

 

 

20.2.4 Probabilidad

 

La interpretación de muchos mundos elimina el universo objetivamente indeterminado sugerido por el enfoque del colapso. No hay incertidumbre objetiva porque cada posibilidad física realmente sucede. [4] A pesar de esto, experimentamos eventos cuánticos con probabilidades bien medidas.

 

El problema de cómo podemos atribuir probabilidades a los eventos, dado que cada posibilidad física es segura, se conoce como el problema de la incoherencia.

 

Everett intentó resolver el problema de incoherencia argumentando que existe una probabilidad asociada con la experiencia subjetiva. Esto significa que desde un punto de vista subjetivo, un observador no será consciente de todas las posibilidades, por lo que las probabilidades representan sus posibilidades de observar un resultado específico. [18]

 

Dado que tiene sentido hablar de probabilidades dentro de la interpretación de muchos mundos, surge un problema más grave. ¿De qué sirve decir que un átomo tiene un 1% de probabilidad de descomponerse en las próximas 24 horas cuando solo hay dos posibilidades, un mundo donde se descompone y un mundo donde no lo hace?

 

El problema cuantitativo pregunta por qué Everett está justificado al usar la regla de Born para asignar probabilidades, en lugar de asignar una probabilidad igual a cada rama. Everett sugirió que debemos encontrar alguna forma de medir o sopesar el resultado de cada superposición. [18]

 

En el ejemplo anterior, se puede pensar que el universo se ramifica en 100 copias, el átomo se desintegra en una, pero no en las otras 99. Estos 99 mundos permanecen idénticos hasta que las nuevas interacciones cuánticas los obligan a divergir, por lo que pueden considerarse como un mundo con un peso de 99.

 

El significado de la palabra “peso” todavía se debate, pero el problema cuantitativo es análogo a los problemas planteados por las probabilidades clásicas. Cuando lanzamos un dado ponderado, por ejemplo, sabemos que solo hay seis resultados posibles, por lo que esto plantea la pregunta de por qué tenemos derecho a darles probabilidades desiguales.

 

Con las probabilidades clásicas, los científicos usan el enlace teórico de la decisión, que establece que es racional que una persona use su conocimiento objetivo de un sistema para determinar cómo actuar. [8,9]

 

No hay más justificación para el uso de probabilidades clásicas, por lo que los defensores de la interpretación de muchos mundos pueden defender su uso de la regla de Born de la misma manera que los defensores del enfoque de colapso.

 

El físico británico David Deutsch demostró que pueden ir más allá y demostrar que su concepto de “peso” se ajusta a la definición funcional de probabilidad objetiva. [19] Esto se debe a que define la probabilidad objetiva como una propiedad física que es independiente del vínculo teórico de decisión pero llega a las mismas conclusiones sobre cómo actuar cuando se enfrenta con incertidumbre

 

20.2.5 Libre albedrío

 

Una idea errónea sobre la interpretación de muchos mundos es que se crean nuevos mundos cada vez que tomamos una decisión o arrojamos una moneda. Esto no sucede porque estos son eventos macroscópicos que pueden describirse de manera clásica. Solo nos ramificamos cuando las interacciones cuánticas tienen efectos macroscópicos.

 

El físico Harald Atmanspacher mostró que hay poca evidencia de que los eventos cuánticos en el cerebro afecten la conciencia en 2006. [20] Esto se debe a que nuestras experiencias están correlacionadas con los conjuntos neuronales. formado a partir de varios miles de neuronas acopladas (discutido en Capítulo 28 ). Las cualidades superpuestas de los objetos de este tamaño son suprimidas por la decoherencia, por lo que nuestras representaciones mentales se describen de manera clásica.

 

20.2.6 Navaja de Ockham

 

Algunas personas son reacias a aceptar la interpretación de muchos mundos porque se basa en la existencia de una cantidad infinita de otros mundos no observables para explicar nuestras experiencias en este. A veces se afirma que esto lo hace innecesariamente extravagante, violando la navaja de afeitar de Ockham, la idea de que el enfoque más simple es preferible (discutido en Capítulo 30 ).

 

DeWitt admitió tener estas reservas cuando leyó por primera vez sobre la interpretación de Everett. Él dijo:

 

Todavía recuerdo vívidamente el shock que experimenté al encontrarme por primera vez con este concepto de mundos múltiples. La idea de 10 100+ copias ligeramente imperfectas de uno mismo, divididas constantemente en copias adicionales, que finalmente se vuelven irreconocibles, no es fácil de conciliar con el sentido común. [7]

 

Los defensores de la interpretación de muchos mundos rechazan la idea de que contradice la navaja de Ockham y argumentan que la navaja de Ockham favorece su enfoque.

 

La navaja de afeitar de Ockham establece que las entidades no deben multiplicarse más allá de la necesidad, pero esto no se refiere al número de objetos no observables que invoca una teoría. Se refiere al número de supuestos mutuamente independientes que hace una teoría y su complejidad individual.

 

La interpretación de muchos mundos es más simple en términos ockhamistas porque resuelve todos los problemas que enfrenta el enfoque de colapso y la interpretación de Bohm sin agregar una estructura adicional a la teoría de la mecánica cuántica. También es matemáticamente más simple describir un universo superposicional que definir todas las excentricidades de cualquier particular.

 

Everett declaró que las objeciones a la interpretación de muchos mundos sobre la base de que contradice el sentido común parecen estar basadas en la idea de que la ciencia solo debe describir lo que ya observamos. En cambio, las teorías científicas deberían hacer predicciones novedosas (discutidas en Capítulo 30 ) que pueden conducir al descubrimiento de fenómenos completamente nuevos. [18] La historia ya nos ha enseñado que si vamos a hacer preguntas profundas, entonces no debemos esperar respuestas mundanas.

 

 

Una multitud de multiversos

 

La interpretación de muchos mundos no es la única teoría que predice un multiverso. Hay al menos cuatro tipos de multiverso predichos por la física moderna y todos son compatibles. El cosmólogo sueco-estadounidense Max Tegmark afirma,

 

la pregunta clave no es si el multiverso existe, sino cuántos niveles tiene. [21]

 

Multiverso Nivel 1 de Tegmark

 

El espacio es extremadamente grande, y la materia solo puede tomar un número limitado de formas antes de que las cosas comiencen a repetirse.

 

 

 A diagram showing 16 different types of object that can be made in a two-dimensional universe with four particles of two different types.

 

 

 

 

 

Figura 20.1
Crédito de imagen

Se pueden construir dieciséis tipos de objetos en un universo bidimensional con cuatro partículas de dos tipos diferentes. Después de esto, los objetos comienzan a repetirse. Hay alrededor de 2 10 118 tipos de objetos en nuestro universo y siempre estamos a unos 10 10 118 metros de nuestro duplicado más cercano.

 

 

Multiverso Nivel # 2 de Tegmark

 

La teoría de la inflación eterna predice que el multiverso # 1 es uno de los muchos “universos de bolsillo” (discutido en el Libro I).

 

Multiverso Nivel # 3 de Tegmark

 

La interpretación de muchos mundos muestra que hay una cantidad infinita de multiversos # 1 y # 2, muchos de los cuales existen en el mismo espacio-tiempo que el nuestro. Simplemente no nos damos cuenta de ellos.

 

Los físicos predicen que algunas de las formas de vida inteligentes en los multiversos n. ° 1, n. ° 2 y n. ° 3 podrán crear realidades artificiales, dentro de las computadoras, que serán casi idénticas a las nuestras.

 

Multiverso nivel 4 de Tegmark

 

Más allá de los multiversos n. ° 1, n. ° 2 y n. ° 3, el multiverso definitivo se compone de nada más que matemáticas.

 

Tegmark afirma que si el universo es matemático, entonces la “simetría matemática completa” sugiere que deben existir multiversos que contengan universos de todas las formas posibles, y que otros multiversos podrían obedecer a leyes físicas diferentes a las nuestras.

 

 

20.2.7 Evidencia de mundos paralelos

 

La comunidad científica no aceptará la interpretación de muchos mundos de Everett de la mecánica cuántica hasta que haya hecho una predicción novedosa que pueda verificarse. Hay varias ideas para experimentos que podrían hacer esto, pero aún no son prácticas de implementar, ya que requieren inteligencia artificial (IA) y nanoelectrónica reversible.

 

Deutsch sugirió la primera prueba experimental para falsificar el enfoque de colapso en 1985. [22,23] En el experimento mental de Deutsch, un átomo que tiene un El estado de giro determinado en un eje, ‘izquierda’, por ejemplo, se pasa a través de un aparato Stern-Gerlach que tiene la posibilidad de medirlo en otro eje, ya sea girar ‘hacia arriba’ o girar ‘hacia abajo’ en este caso. Esto significa que el átomo está entonces en una superposición de estados ‘arriba’ y ‘abajo’ desde la perspectiva de un observador que aún no se ha enredado con él.

 

Esta superposición viaja al ‘órgano sensorial’ artificial de una IA. Aquí, se proporcionan dos opciones: se puede detectar como “girar hacia arriba” o “hacia abajo”. La mente consciente de la IA luego registra el resultado.

 

El enfoque de colapso predice que esto hará que el átomo colapse en un estado determinado, con un giro determinado ‘arriba’ o ‘abajo’ (pero no ‘izquierda’ o ‘derecha’). La interpretación de muchos mundos predice que la mente se ramificará en dos, una mente registrará hacia arriba y otra hacia abajo (pero ninguna registrará ‘izquierda’ o ‘derecha’).

 

Todo el proceso se invierte, por lo que el átomo emerge de la entrada al aparato Stern-Gerlach y la mente olvida qué resultado registró. Sin embargo, este proceso no borra ninguno de los otros recuerdos de la IA, incluida la memoria de que sí registró el átomo en un estado definido.

 

Si se colocó un detector ‘izquierda-derecha’ en la entrada del aparato Stern-Gerlach, entonces el enfoque de colapso predice que se detectará como un estado ‘izquierdo’ o ‘derecho’ con la misma probabilidad. Si la interpretación de muchos mundos es correcta, entonces el átomo estará en el mismo estado en el que estaba antes de la medición, todavía tendrá un giro ‘izquierdo’.

 

El físico ruso-israelí Lev Vaidman describió un experimento similar en 1998. [24] Si un fotón pasa a través de un polarizador que tiene la posibilidad de enviarlo dos direcciones diferentes, hacia los detectores A o B, luego los experimentos muestran que se detectará en uno u otro detector, pero no en ambos. Si eliminamos el detector A, entonces el fotón solo se detecta en B la mitad del tiempo. Vaidman sugirió que podríamos falsificar el enfoque de colapso invirtiendo el proceso, como sugirió Deutsch, y observando con qué frecuencia el fotón se ‘recompone’.

 

El enfoque de colapso predice que un fotón solo se detectará en la fuente la mitad del tiempo, sin embargo, la interpretación de Everett predice que se detectará cada vez porque el fotón llega desde ambos caminos, ya sea que se haya detectado o no.

 

También hay argumentos en cosmología que podrían falsificar el enfoque del colapso. En 1970, DeWitt demostró que pasaría un tiempo antes de que la función de onda universal de Everett se descodificara y que algún día podamos encontrar evidencia de esto. [5]

 

Sin embargo, estos experimentos y observaciones no falsificarán la interpretación de Bohm, porque Bohm también declaró que no hay colapso de la función de onda. La evidencia real puede requerir la comunicación entre mundos. El físico Rainer Plaga sugirió un experimento para hacer esto en 1997. [25]

 

Plaga argumentó que debería ser posible comunicarse con otros mundos paralelos si pudiéramos repetir el experimento de Deutsch y aislar parte del aparato, para que se pueda cambiar antes de que se haya descodificado por completo.

 

Un observador podría ramificarse, por ejemplo, al configurar el aparato para que solo excite un ion si registra un cierto resultado. Si el ion está excitado y no registran ese resultado, entonces pueden suponer que el átomo fue excitado por su yo paralelo. Esto no sucedería si la interpretación de Bohm es correcta. Todavía no se ha probado ninguna interpretación de la mecánica cuántica, y tanto las interpretaciones de Bohm como de muchos mundos son actualmente populares entre los científicos y filósofos de la ciencia.