Interpretaciones de la mecánica cuántica

La interpretación de Copenhague es un conjunto de puntos de vista sobre el significado de la mecánica cuántica, atribuidos principalmente a Niels Bohr y Werner Heisenberg . Es una de las actitudes más antiguas hacia la mecánica cuántica, ya que sus características se remontan al desarrollo de la mecánica cuántica durante 1925-1927, y sigue siendo una de las más comúnmente enseñadas. ^{[ 16 ] [ 17 ]} No existe una declaración histórica definitiva sobre qué es la interpretación de Copenhague, y hubo desacuerdos fundamentales entre los puntos de vista de Bohr y Heisenberg. ^{[ 18 ] [ 19 ]} Por ejemplo, Heisenberg enfatizó un "corte" nítido entre el observador (o el instrumento) y el sistema observado, ^{[ 20 ] : 133} mientras que Bohr ofreció una interpretación independiente de un observador subjetivo o medición o colapso, que se basa en un proceso "irreversible" o efectivamente irreversible que imparte el comportamiento clásico de "observación" o "medición". ^{[ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]}

Las características comunes a las interpretaciones de tipo Copenhague incluyen la idea de que la mecánica cuántica es intrínsecamente indeterminista, con probabilidades calculadas mediante la regla de Born , y el principio de complementariedad , que establece que ciertos pares de propiedades complementarias no pueden ser observadas o medidas simultáneamente. Además, las propiedades solo resultan del acto de "observar" o "medir"; la teoría evita asumir valores definidos a partir de experimentos no realizados . Las interpretaciones de tipo Copenhague sostienen que las descripciones cuánticas son objetivas, en el sentido de que son independientes de la arbitrariedad mental de los físicos. ^{[ 25 ] : 85–90} La interpretación estadística de las funciones de onda debida a Max Born difiere marcadamente de la intención original de Schrödinger, que era tener una teoría con evolución temporal continua y en la que las funciones de onda describieran directamente la realidad física. ^{[ 4 ] : 24–33 [ 26 ]}

La interpretación de los muchos mundos es una interpretación de la mecánica cuántica en la que una función de onda universal obedece las mismas leyes deterministas y reversibles en todo momento; en particular, no existe un colapso de la función de onda (indeterminista e irreversible ) asociado a la medición. Se afirma que los fenómenos asociados a la medición se explican por la decoherencia , que ocurre cuando los estados interactúan con el entorno. Más precisamente, las partes de la función de onda que describen a los observadores se entrelazan cada vez más con las partes de la función de onda que describen sus experimentos. Si bien todos los resultados posibles de los experimentos siguen estando en el soporte de la función de onda, los momentos en que se correlacionan con los observadores efectivamente "dividen" el universo en historias alternativas mutuamente inobservables .

Los enfoques de información cuántica ^{[ 27 ] [ 28 ]} han atraído un apoyo creciente. ^{[ 29 ] [ 10 ]} Se subdividen en dos tipos. ^{[ 30 ]}

• Ontologías de la información, como la de JA Wheeler, " it from bit ". Estos enfoques se han descrito como un resurgimiento del inmaterialismo . ^{[ 30 ]}
• Interpretaciones donde se dice que la mecánica cuántica describe el conocimiento del mundo por parte de un observador, en lugar del mundo mismo. Este enfoque tiene cierta similitud con el pensamiento de Bohr. ^{[ 31 ]} El colapso (también conocido como reducción) a menudo se interpreta como un observador que adquiere información a partir de una medición, en lugar de como un evento objetivo. James Hartle escribe:

El estado no es una propiedad objetiva de un sistema individual, sino información obtenida a partir del conocimiento de cómo se preparó dicho sistema, la cual puede utilizarse para realizar predicciones sobre mediciones futuras. ...Un estado cuántico, al ser un resumen de la información del observador sobre un sistema físico individual, cambia tanto por leyes dinámicas como cuando el observador adquiere nueva información sobre el sistema mediante el proceso de medición. La existencia de dos leyes para la evolución del vector de estado  ... se vuelve problemática solo si se cree que el vector de estado es una propiedad objetiva del sistema  ... La "reducción del paquete de ondas" tiene lugar en la conciencia del observador, no debido a ningún proceso físico único que ocurra allí, sino solo porque el estado es una construcción del observador y no una propiedad objetiva del sistema físico. ^{[ 32 ]}

La idea fundamental de la mecánica cuántica relacional , siguiendo el precedente de la relatividad especial , es que distintos observadores pueden dar diferentes descripciones de la misma serie de eventos: por ejemplo, para un observador en un momento dado, un sistema puede estar en un único autoestado "colapsado" , mientras que para otro observador en el mismo instante, puede estar en una superposición de dos o más estados. En consecuencia, si la mecánica cuántica pretende ser una teoría completa, la mecánica cuántica relacional sostiene que la noción de "estado" no describe el sistema observado en sí, sino la relación, o correlación, entre el sistema y su(s) observador(es). El vector de estado de la mecánica cuántica convencional se convierte en una descripción de la correlación de ciertos grados de libertad del observador con respecto al sistema observado. Sin embargo, la mecánica cuántica relacional sostiene que esto se aplica a todos los objetos físicos, sean conscientes o macroscópicos. Cualquier "evento de medición" se considera simplemente una interacción física ordinaria, el establecimiento del tipo de correlación antes mencionado. Así, el contenido físico de la teoría no tiene que ver con los objetos en sí mismos, sino con las relaciones entre ellos. ^{[ 33 ] [ 34 ]}

El QBismo (pronunciado cube-ismo), que originalmente significaba "bayesianismo cuántico", es una interpretación de la mecánica cuántica que considera las acciones y experiencias de un agente como el eje central de la teoría. Esta interpretación se distingue por el uso de una concepción bayesiana subjetiva de las probabilidades para comprender la regla de Born de la mecánica cuántica como un complemento normativo para la toma de decisiones acertadas. El QBismo se nutre de los campos de la información cuántica y la probabilidad bayesiana , y busca eliminar los dilemas interpretativos que han afectado a la teoría cuántica.

El QBismo aborda cuestiones comunes en la interpretación de la teoría cuántica sobre la naturaleza de la superposición de funciones de onda , la medición cuántica y el entrelazamiento . ^{[ 35 ] [ 36 ]} Según el QBismo, muchos, pero no todos, los aspectos del formalismo cuántico son de naturaleza subjetiva. Por ejemplo, en esta interpretación, un estado cuántico no es un elemento de la realidad, sino que representa los grados de creencia que un agente tiene sobre los posibles resultados de las mediciones. Por esta razón, algunos filósofos de la ciencia han considerado el QBismo una forma de antirrealismo . ^{[ 37 ] [ 38 ]} Los creadores de la interpretación discrepan de esta caracterización, proponiendo en cambio que la teoría se alinea más apropiadamente con un tipo de realismo que denominan «realismo participativo», en el que la realidad consiste en más de lo que puede ser capturado por cualquier supuesta descripción en tercera persona. ^{[ 39 ] [ 40 ]}

La interpretación de las historias consistentes generaliza la interpretación convencional de Copenhague e intenta proporcionar una interpretación natural de la cosmología cuántica . La teoría se basa en un criterio de consistencia que permite describir la historia de un sistema de manera que las probabilidades de cada historia obedezcan las reglas aditivas de la probabilidad clásica. Se afirma que es consistente con la ecuación de Schrödinger .

Según esta interpretación, el propósito de una teoría cuántico-mecánica es predecir las probabilidades relativas de diversas historias alternativas (por ejemplo, de una partícula).

La interpretación de conjunto , también llamada interpretación estadística, puede considerarse una interpretación minimalista. Es decir, afirma realizar la menor cantidad de supuestos asociados con las matemáticas estándar. Lleva la interpretación estadística de Born a su máxima expresión. Esta interpretación establece que la función de onda no se aplica a un sistema individual —por ejemplo, una sola partícula— sino que es una magnitud estadística abstracta que solo se aplica a un conjunto (una vasta multitud) de sistemas o partículas preparados de manera similar. En palabras de Einstein:  

El intento de concebir la descripción cuántico-teórica como la descripción completa de los sistemas individuales conduce a interpretaciones teóricas poco naturales, que se vuelven inmediatamente innecesarias si se acepta la interpretación de que la descripción se refiere a conjuntos de sistemas y no a sistemas individuales.

La defensora más destacada de la interpretación de conjunto en la actualidad es Leslie E. Ballentine, profesora de la Universidad Simon Fraser y autora del libro de texto Mecánica cuántica: un desarrollo moderno .

La teoría de mecánica cuántica de De Broglie-Bohm (también conocida como teoría de la onda piloto ) es una teoría de Louis de Broglie , extendida posteriormente por David Bohm para incluir mediciones. Las partículas, que siempre tienen posiciones, se guían por la función de onda. Esta función de onda evoluciona según la ecuación de onda de Schrödinger y nunca colapsa. La teoría se desarrolla en un único espaciotiempo, es no local y determinista. La determinación simultánea de la posición y la velocidad de una partícula está sujeta a la restricción habitual del principio de incertidumbre . Se considera una teoría de variables ocultas y, al abarcar la no localidad, satisface la desigualdad de Bell . El problema de la medición se resuelve, ya que las partículas tienen posiciones definidas en todo momento. ^{[ 41 ]} El colapso se explica como fenomenológico . ^{[ 42 ]}

La interpretación transaccional de la mecánica cuántica (TIQM) de John G. Cramer es una interpretación de la mecánica cuántica inspirada en la teoría del absorbedor de Wheeler-Feynman . ^{[ 43 ]} Describe el colapso de la función de onda como resultado de una transacción simétrica en el tiempo entre una onda de posibilidad de la fuente al receptor (la función de onda) y una onda de posibilidad del receptor a la fuente (el conjugado complejo de la función de onda). Esta interpretación de la mecánica cuántica es única porque no solo considera la función de onda como una entidad real, sino también su conjugado complejo, que aparece en la regla de Born para calcular el valor esperado de una observable.

Eugene Wigner argumentó que la conciencia del experimentador humano (o quizás incluso la conciencia animal) era fundamental para el colapso de la función de onda, pero posteriormente abandonó esta interpretación tras conocer la decoherencia cuántica . ^{[ 44 ] [ 45 ]} Se ha demostrado que algunas propuestas específicas sobre el colapso de la función de onda causado por la conciencia son infalsificables , y una suposición más general y razonable sobre la conciencia conduce a la misma conclusión. ^{[ 46 ]}

La lógica cuántica puede considerarse un tipo de lógica proposicional adecuada para comprender las aparentes anomalías de la medición cuántica, sobre todo las relativas a la composición de operaciones de medición de variables complementarias. Esta área de investigación y su nombre tienen su origen en el artículo de 1936 de Garrett Birkhoff y John von Neumann , quienes intentaron conciliar algunas de las aparentes inconsistencias de la lógica booleana clásica con los hechos relacionados con la medición y la observación en la mecánica cuántica.

Las interpretaciones modales de la mecánica cuántica fueron concebidas por primera vez en 1972 por Bas van Fraassen , en su artículo "Un enfoque formal de la filosofía de la ciencia". Van Fraassen introdujo una distinción entre un estado dinámico , que describe lo que podría ser cierto acerca de un sistema y que siempre evoluciona según la ecuación de Schrödinger, y un estado de valor , que indica lo que es realmente cierto acerca de un sistema en un momento dado. El término "interpretación modal" se utiliza ahora para describir un conjunto más amplio de modelos que surgieron de este enfoque. La Enciclopedia de Filosofía de Stanford describe varias versiones, incluidas propuestas de Simon B. Kochen , Dennis Dieks , Rob Clifton, Michael Dickson y Jeffrey Bub . ^{[ 47 ]} Según Michel Bitbol , ​​las ideas de Schrödinger sobre cómo interpretar la mecánica cuántica progresaron a través de hasta cuatro etapas, terminando con una visión de no colapso que en aspectos se asemeja a las interpretaciones de Everett y Van Fraassen. Debido a que Schrödinger se adhirió a una especie de monismo neutral posmachiano , en el que "materia" y "mente" son solo diferentes aspectos o arreglos de los mismos elementos comunes, tratar la función de onda como óntica y tratarla como epistémica se volvió intercambiable. ^{[ 48 ]}

Las interpretaciones simétricas en el tiempo de la mecánica cuántica fueron sugeridas por primera vez por Walter Schottky en 1921. ^{[ 49 ] [ 50 ]} Se han propuesto varias teorías que modifican las ecuaciones de la mecánica cuántica para que sean simétricas con respecto a la inversión temporal. ^{[ 51 ] [ 52 ] [ 53 ] [ 54 ] [ 55 ] [ 56 ]} (Véase la teoría simétrica en el tiempo de Wheeler-Feynman ). Esto crea retrocausalidad : los eventos en el futuro pueden afectar a los del pasado, exactamente como los eventos del pasado pueden afectar a los del futuro. En estas teorías, una sola medición no puede determinar completamente el estado de un sistema (lo que las convierte en un tipo de teoría de variables ocultas ), pero dadas dos mediciones realizadas en diferentes momentos, es posible calcular el estado exacto del sistema en todos los momentos intermedios. El colapso de la función de onda no es, por lo tanto, un cambio físico en el sistema, sino solo un cambio en nuestro conocimiento del mismo debido a la segunda medición. De forma similar, explican el entrelazamiento como algo que no es un estado físico real, sino una mera ilusión creada al ignorar la retrocausalidad. El punto en el que dos partículas parecen "entrelazarse" es simplemente un punto en el que cada partícula se ve influenciada por eventos que le ocurrirán a la otra partícula en el futuro.

No todos los defensores de la causalidad simétrica en el tiempo favorecen la modificación de la dinámica unitaria de la mecánica cuántica estándar. Así, un destacado exponente del formalismo vectorial de dos estados, Lev Vaidman , afirma que dicho formalismo encaja bien con la interpretación de los muchos mundos de Hugh Everett . ^{[ 57 ]}

Además de las interpretaciones convencionales mencionadas anteriormente, se han propuesto otras que, por diversas razones, no han tenido un impacto científico significativo. Estas abarcan desde propuestas de físicos convencionales hasta ideas más esotéricas del misticismo cuántico .

El darwinismo cuántico es una teoría que busca explicar la aparición del mundo clásico a partir del mundo cuántico como resultado de un proceso de selección natural darwiniana inducido por la interacción del entorno con el sistema cuántico; donde los múltiples estados cuánticos posibles son descartados en favor de un estado puntero estable . Fue propuesta en 2003 por Wojciech Zurek y un grupo de colaboradores, entre ellos Ollivier, Poulin, Paz y Blume-Kohout. El desarrollo de la teoría se debe a la integración de varios temas de investigación que Zurek desarrolló durante veinticinco años, incluyendo estados puntero, selección natural y decoherencia .

Las teorías de colapso objetivo difieren de la interpretación de Copenhague al considerar tanto la función de onda como el proceso de colapso como ontológicamente objetivos (lo que significa que existen y ocurren independientemente del observador). En las teorías objetivas, el colapso ocurre de forma aleatoria ("localización espontánea") o cuando se alcanza algún umbral físico, sin que los observadores tengan un papel especial. Por lo tanto, las teorías de colapso objetivo son realistas, indeterministas y sin variables ocultas. La mecánica cuántica estándar no especifica ningún mecanismo de colapso; la mecánica cuántica tendría que extenderse si el colapso objetivo fuera correcto. El requisito de una extensión significa que las teorías de colapso objetivo son alternativas a la mecánica cuántica, en lugar de interpretaciones de la misma. Algunos ejemplos incluyen:

• la teoría de Ghirardi-Rimini-Weber ^{[ 58 ]}
• el modelo de localización espontánea continua
• la interpretación de Penrose