Interpretación de Copenhague

La interpretación de Copenhague es una colección de puntos de vista sobre el significado de la mecánica cuántica , que se derivan del trabajo de Niels Bohr , Werner Heisenberg , Max Born y otros. ^[1] Si bien "Copenhague" se refiere a la ciudad danesa, el uso como "interpretación" fue aparentemente acuñado por Heisenberg durante la década de 1950 para referirse a las ideas desarrolladas en el período 1925-1927, pasando por alto sus desacuerdos con Bohr. ^[2]^[3] En consecuencia, no existe una declaración histórica definitiva de lo que implica la interpretación.

Las características comunes a las distintas versiones de la interpretación de Copenhague incluyen la idea de que la mecánica cuántica es intrínsecamente indeterminista , con probabilidades calculadas utilizando la regla de Born , y el principio de complementariedad , que establece que los objetos tienen ciertos pares de propiedades complementarias que no pueden observarse o medirse simultáneamente. ^[4] Además, el acto de "observar" o "medir" un objeto es irreversible, y no se puede atribuir ninguna verdad a un objeto excepto de acuerdo con los resultados de su medición (es decir, la interpretación de Copenhague rechaza la definición contrafáctica ). Las interpretaciones de tipo Copenhague sostienen que las descripciones cuánticas son objetivas, en el sentido de que son independientes de las creencias personales de los físicos y otros factores mentales arbitrarios. ^[5]^{: 85–90}

A lo largo de los años, se han planteado muchas objeciones a aspectos de las interpretaciones de tipo Copenhague, entre ellas la naturaleza discontinua y estocástica del proceso de "observación" o "medición", la dificultad de definir qué podría considerarse un dispositivo de medición y la aparente dependencia de la física clásica para describir dichos dispositivos. Aun así, incluidas todas las variantes, la interpretación sigue siendo una de las más enseñadas. ^[6]

Fondo

A partir de 1900, las investigaciones sobre los fenómenos atómicos y subatómicos obligaron a revisar los conceptos básicos de la física clásica . Sin embargo, no fue hasta que transcurrió un cuarto de siglo que la revisión alcanzó el estatus de una teoría coherente. Durante el período intermedio, ahora conocido como la época de la " vieja teoría cuántica ", los físicos trabajaron con aproximaciones y correcciones heurísticas a la física clásica. Entre los resultados notables de este período se incluyen el cálculo de Max Planck del espectro de radiación del cuerpo negro , la explicación de Albert Einstein del efecto fotoeléctrico , el trabajo de Einstein y Peter Debye sobre el calor específico de los sólidos, la prueba de Niels Bohr y Hendrika Johanna van Leeuwen de que la física clásica no puede explicar el diamagnetismo , el modelo de Bohr del átomo de hidrógeno y la extensión de Arnold Sommerfeld del modelo de Bohr para incluir efectos relativistas . Desde 1922 hasta 1925, este método de correcciones heurísticas encontró dificultades crecientes; Por ejemplo, el modelo de Bohr-Sommerfeld no podría extenderse del hidrógeno al siguiente caso más simple, el átomo de helio . ^[7]

La transición de la antigua teoría cuántica a la física cuántica en toda regla comenzó en 1925, cuando Werner Heisenberg presentó un tratamiento del comportamiento del electrón basado en discutir únicamente cantidades "observables", es decir, para Heisenberg, las frecuencias de luz que los átomos absorbían y emitían. ^[8] Max Born se dio cuenta entonces de que en la teoría de Heisenberg, las variables clásicas de posición y momento estarían representadas en cambio por matrices , objetos matemáticos que pueden multiplicarse entre sí como números con la diferencia crucial de que el orden de multiplicación importa. Erwin Schrödinger presentó una ecuación que trataba al electrón como una onda, y Born descubrió que la forma de interpretar con éxito la función de onda que aparecía en la ecuación de Schrödinger era como una herramienta para calcular probabilidades . ^[9]

La mecánica cuántica no puede conciliarse fácilmente con el lenguaje y la observación cotidianos, y a menudo ha parecido contraintuitiva para los físicos, incluidos sus inventores. ^{[nota 1]} Las ideas agrupadas como la interpretación de Copenhague sugieren una manera de pensar sobre cómo las matemáticas de la teoría cuántica se relacionan con la realidad física.

Origen y uso del término

La parte "Copenhague" del término se refiere a la ciudad de Copenhague en Dinamarca . A mediados de la década de 1920, Heisenberg había sido asistente de Bohr en su instituto en Copenhague. Juntos ayudaron a originar la teoría de la mecánica cuántica. ^[10]^[11] En la Conferencia Solvay de 1927 , una charla dual de Max Born y Heisenberg declaró "consideramos que la mecánica cuántica es una teoría cerrada, cuyos supuestos físicos y matemáticos fundamentales ya no son susceptibles de ninguna modificación". ^[12]^[13] En 1929, Heisenberg dio una serie de conferencias invitadas en la Universidad de Chicago explicando el nuevo campo de la mecánica cuántica. Las conferencias luego sirvieron como base para su libro de texto, Los principios físicos de la teoría cuántica , publicado en 1930. ^[14] En el prefacio del libro, Heisenberg escribió:

En conjunto, el libro no contiene nada que no se encuentre en publicaciones anteriores, en particular en las investigaciones de Bohr. Me parece que el propósito del libro se cumple si contribuye de alguna manera a la difusión de ese "espíritu de Copenhague de la teoría cuántica", si se me permite expresarme así, que ha guiado todo el desarrollo de la física atómica moderna.

El término "interpretación de Copenhague" sugiere algo más que un simple espíritu, como un conjunto definido de reglas para interpretar el formalismo matemático de la mecánica cuántica, que presumiblemente se remonta a la década de 1920. ^[15] Sin embargo, no existe tal texto, y los escritos de Bohr y Heisenberg se contradicen entre sí en varias cuestiones importantes. ^[3] Parece que el término particular, con su sentido más definido, fue acuñado por Heisenberg alrededor de 1955, ^[16] mientras criticaba "interpretaciones" alternativas (por ejemplo, la de David Bohm ^[17] ) que se habían desarrollado. ^[18]^[19] Las conferencias con los títulos "La interpretación de Copenhague de la teoría cuántica" y "Críticas y contrapropuestas a la interpretación de Copenhague", que Heisenberg pronunció en 1955, se reimprimen en la colección Física y filosofía . ^[20] Antes de que el libro saliera a la venta, Heisenberg expresó en privado su arrepentimiento por haber utilizado el término, debido a que sugería la existencia de otras interpretaciones, que consideraba "una tontería". ^[21] En una reseña del libro de Heisenberg en 1960, el colaborador cercano de Bohr, Léon Rosenfeld, calificó el término de "expresión ambigua" y sugirió que se descartara. ^[22] Sin embargo, esto no sucedió y el término pasó a usarse ampliamente. ^[16]^[19]

Principios

No existe una declaración única y definitiva de la interpretación de Copenhague. ^[3]^[23]^[24]^[25] El término abarca las opiniones desarrolladas por varios científicos y filósofos durante el segundo cuarto del siglo XX. ^[26] Esta falta de una fuente única y autorizada que establezca la interpretación de Copenhague es una dificultad para discutirla; otra complicación es que el trasfondo filosófico familiar para Einstein, Bohr, Heisenberg y sus contemporáneos lo es mucho menos para los físicos e incluso los filósofos de la física en tiempos más recientes. ^[7] Bohr y Heisenberg nunca estuvieron totalmente de acuerdo sobre cómo entender el formalismo matemático de la mecánica cuántica, ^[27] y Bohr se distanció de lo que consideraba la interpretación más subjetiva de Heisenberg. ^[2] Bohr ofreció una interpretación que es independiente de un observador subjetivo, o de la medición, o del colapso; en cambio, un proceso "irreversible" o efectivamente irreversible causa la decadencia de la coherencia cuántica que imparte el comportamiento clásico de "observación" o "medición". ^[28]^[29]^[30]^[31]

Distintos comentaristas e investigadores han asociado diversas ideas con el término. ^[13] Asher Peres señaló que diferentes autores presentan puntos de vista muy diferentes, a veces opuestos, como "la interpretación de Copenhague". ^{[nota 2]} N. David Mermin acuñó la frase "¡Cállate y calcula!" para resumir las opiniones de tipo Copenhague, un dicho que a menudo se atribuye erróneamente a Richard Feynman y que Mermin más tarde consideró insuficientemente matizado. ^[33]^[34] Mermin describió la interpretación de Copenhague como si se presentara en diferentes "versiones", "variedades" o "sabores". ^[35]

Algunos principios básicos generalmente aceptados como parte de la interpretación incluyen los siguientes: ^[2]

La mecánica cuántica es intrínsecamente indeterminista.
El principio de correspondencia : en el límite apropiado, la teoría cuántica llega a parecerse a la física clásica y reproduce las predicciones clásicas.
La regla de Born : la función de onda de un sistema produce probabilidades para los resultados de las mediciones en ese sistema.
Complementariedad : ciertas propiedades no pueden definirse conjuntamente para el mismo sistema al mismo tiempo. Para hablar de una propiedad específica de un sistema, ese sistema debe considerarse dentro del contexto de un arreglo de laboratorio específico. Las cantidades observables correspondientes a arreglos de laboratorio mutuamente excluyentes no pueden predecirse juntas, pero es necesario considerar múltiples experimentos mutuamente excluyentes para caracterizar un sistema.

Hans Primas y Roland Omnès ofrecen un desglose más detallado que, además de lo anterior, incluye lo siguiente: ^[5]^{: 85}

La física cuántica se aplica a objetos individuales. Las probabilidades calculadas mediante la regla de Born no requieren un conjunto o una colección de sistemas "preparados de manera idéntica" para ser comprendidas.
Los resultados que proporcionan los aparatos de medición son esencialmente clásicos y deben describirse en lenguaje corriente. Esto fue especialmente enfatizado por Bohr y aceptado por Heisenberg. ^{[nota 3]}
En el punto anterior, el dispositivo utilizado para observar un sistema debe describirse en lenguaje clásico, mientras que el sistema bajo observación se trata en términos cuánticos. Este es un tema particularmente sutil para el cual Bohr y Heisenberg llegaron a conclusiones diferentes. Según Heisenberg, el límite entre lo clásico y lo cuántico puede desplazarse en cualquier dirección a discreción del observador. Es decir, el observador tiene la libertad de mover lo que se conocería como el " corte de Heisenberg " sin cambiar ninguna predicción físicamente significativa. ^[5]^{: 86} Por otro lado, Bohr argumentó que ambos sistemas son cuánticos en principio, y la distinción objeto-instrumento (el "corte") está dictada por la disposición experimental. Para Bohr, el "corte" no era un cambio en las leyes dinámicas que gobiernan los sistemas en cuestión, sino un cambio en el lenguaje aplicado a ellos. ^[3]^[38]
Durante una observación , el sistema debe interactuar con un dispositivo de laboratorio. Cuando ese dispositivo realiza una medición, la función de onda del sistema colapsa , reduciéndose irreversiblemente a un estado propio del observable que queda registrado. El resultado de este proceso es un registro tangible del evento, realizado por una potencialidad que se convierte en actualidad. ^{[nota 4]}
Las afirmaciones sobre mediciones que no se han realizado realmente no tienen sentido. Por ejemplo, no tiene sentido afirmar que un fotón ha recorrido la trayectoria superior de un interferómetro de Mach-Zehnder a menos que el interferómetro se haya construido de tal manera que se detecte y registre la trayectoria seguida por el fotón. ^[5]^{: 88}
Las funciones de onda son objetivas, en el sentido de que no dependen de opiniones personales de físicos individuales ni de otras influencias arbitrarias similares. ^[5]^{: 509–512}

Existen algunos acuerdos y desacuerdos fundamentales entre las opiniones de Bohr y Heisenberg. Por ejemplo, Heisenberg hizo hincapié en un "corte" agudo entre el observador (o el instrumento) y el sistema observado, ^[39]^{: 133} mientras que Bohr ofreció una interpretación que es independiente de un observador subjetivo o de una medición o colapso, que se basa en un proceso "irreversible" o efectivamente irreversible, que podría tener lugar dentro del sistema cuántico. ^[28]

Otro tema de importancia en el que Bohr y Heisenberg no estaban de acuerdo era la dualidad onda-partícula . Bohr sostenía que la distinción entre una visión ondulatoria y una visión corpuscular se definía por una distinción entre configuraciones experimentales, mientras que Heisenberg sostenía que se definía por la posibilidad de considerar las fórmulas matemáticas como referidas a ondas o partículas. Bohr pensaba que una configuración experimental particular mostraría una imagen ondulatoria o una imagen corpuscular, pero no ambas. Heisenberg pensaba que cada formulación matemática era capaz de dar interpretaciones tanto ondulatorias como corpusculares. ^[40]^[41]

Naturaleza de la función de onda

Una función de onda es una entidad matemática que proporciona una distribución de probabilidad para los resultados de cada medición posible en un sistema. El conocimiento de la función de onda junto con las reglas para la evolución del sistema en el tiempo agota todo lo que se puede predecir sobre el comportamiento del sistema. En general, las interpretaciones de tipo Copenhague niegan que la función de onda proporcione una imagen directamente aprehensible de un cuerpo material ordinario o un componente discernible de alguno de ellos, ^[42]^[43] o algo más que un concepto teórico.

Probabilidades a través de la regla de Born

La regla de Born es esencial para la interpretación de Copenhague. ^[44] Formulada por Max Born en 1926, da la probabilidad de que una medición de un sistema cuántico produzca un resultado determinado. En su forma más simple, establece que la densidad de probabilidad de encontrar una partícula en un punto dado, cuando se mide, es proporcional al cuadrado de la magnitud de la función de onda de la partícula en ese punto. ^{[nota 5]}

Colapsar

El concepto de colapso de la función de onda postula que la función de onda de un sistema puede cambiar de forma repentina y discontinua al realizar una medición. Antes de una medición, una función de onda implica las distintas probabilidades de los diferentes resultados potenciales de esa medición. Pero cuando el aparato registra uno de esos resultados, no quedan rastros de los demás. Como Bohr no consideraba la función de onda como algo físico, nunca habla de "colapso". Sin embargo, muchos físicos y filósofos asocian el colapso con la interpretación de Copenhague. ^[2]^[16]

Heisenberg habló de la función de onda como representante del conocimiento disponible de un sistema, y no utilizó el término "colapso", sino que lo denominó "reducción" de la función de onda a un nuevo estado que representa el cambio en el conocimiento disponible que ocurre una vez que el aparato registra un fenómeno particular. ^[49]

Papel del observador

Debido a que afirman que la existencia de un valor observado depende de la intercesión del observador, las interpretaciones de tipo Copenhague a veces se denominan "subjetivas". ^[50] Todos los protagonistas originales de Copenhague consideraban que el proceso de observación era mecánico e independiente de la individualidad del observador. ^[51] Wolfgang Pauli , por ejemplo, insistió en que los resultados de las mediciones podían obtenerse y registrarse mediante "aparatos de registro objetivos". ^[39]^{: 117–123} Como escribió Heisenberg,

Por supuesto, la introducción del observador no debe interpretarse erróneamente como una indicación de que se deben incluir en la descripción de la naturaleza algunas características subjetivas. El observador, más bien, sólo tiene la función de registrar decisiones, es decir, procesos en el espacio y el tiempo, y no importa si el observador es un aparato o un ser humano; pero el registro, es decir, la transición de lo "posible" a lo "real", es absolutamente necesario en este caso y no puede omitirse de la interpretación de la teoría cuántica. ^[20]^{: 137}

En las décadas de 1970 y 1980, la teoría de la decoherencia ayudó a explicar la aparición de realidades cuasi-clásicas que surgían de la teoría cuántica, ^[52] pero fue insuficiente para proporcionar una explicación técnica del aparente colapso de la función de onda. ^[53]

¿Completar mediante variables ocultas?

En términos metafísicos, la interpretación de Copenhague considera que la mecánica cuántica proporciona conocimiento de los fenómenos, pero no que señala “objetos realmente existentes”, que considera residuos de la intuición ordinaria. Esto la convierte en una teoría epistémica . Esto puede contrastarse con la visión de Einstein, de que la física debería buscar “objetos realmente existentes”, lo que la convierte en una teoría óntica . ^[54]

A veces se plantea la pregunta metafísica: "¿Podría extenderse la mecánica cuántica añadiendo las llamadas "variables ocultas" al formalismo matemático, para convertirla de una teoría epistémica a una óntica?". La interpretación de Copenhague responde a esto con un rotundo "no". ^[55] A veces se alega, por ejemplo por JS Bell , que Einstein se opuso a la interpretación de Copenhague porque creía que la respuesta a esa pregunta de las "variables ocultas" era "sí". Por el contrario, Max Jammer escribe "Einstein nunca propuso una teoría de variables ocultas". ^[56] Einstein exploró la posibilidad de una teoría de variables ocultas y escribió un artículo que describía su exploración, pero lo retiró de la publicación porque sintió que era defectuoso. ^[57]^[58]

Aceptación entre los físicos

Durante las décadas de 1930 y 1940, las opiniones sobre la mecánica cuántica atribuidas a Bohr y que enfatizaban la complementariedad se volvieron comunes entre los físicos. Los libros de texto de la época generalmente mantenían el principio de que el valor numérico de una cantidad física no es significativo o no existe hasta que se mide. ^[59]^{: 248} Entre los físicos prominentes asociados con las interpretaciones de tipo Copenhague se incluyen Lev Landau , ^[59]^[60] Wolfgang Pauli , ^[60] Rudolf Peierls , ^[61] Asher Peres , ^[62] Léon Rosenfeld , ^[3] y Ray Streater . ^[63]

Durante gran parte del siglo XX, la tradición de Copenhague tuvo una aceptación abrumadora entre los físicos. ^[59]^[64] Según una encuesta muy informal (algunas personas votaron por múltiples interpretaciones) realizada en una conferencia de mecánica cuántica en 1997, ^[65] la interpretación de Copenhague siguió siendo la etiqueta más aceptada que los físicos aplicaron a sus propias opiniones. Un resultado similar se obtuvo en una encuesta realizada en 2011. ^[66]

Consecuencias

La naturaleza de la interpretación de Copenhague se expone considerando una serie de experimentos y paradojas.

El gato de Schrödinger

Este experimento mental pone de relieve las implicaciones que tiene para los objetos macroscópicos la aceptación de la incertidumbre a nivel microscópico. Se coloca a un gato en una caja sellada, y su vida o muerte dependen del estado de una partícula subatómica. ^[5]^{: 91} De este modo, una descripción del gato durante el transcurso del experimento —habiéndose enredado con el estado de una partícula subatómica— se convierte en una «mancha» de «gato vivo y gato muerto». Pero esto no puede ser exacto porque implica que el gato está en realidad vivo y muerto hasta que se abre la caja para comprobarlo. Pero el gato, si sobrevive, sólo recordará haber estado vivo. Schrödinger se resiste a «aceptar tan ingenuamente como válido un «modelo borroso» para representar la realidad». ^[67] ¿Cómo puede el gato estar vivo y muerto a la vez?

En las visiones de tipo Copenhague, la función de onda refleja nuestro conocimiento del sistema. La función de onda significa que, una vez observado el gato, hay un 50% de posibilidades de que esté muerto y un 50% de posibilidades de que esté vivo. ^[62] (Algunas versiones de la interpretación de Copenhague rechazan la idea de que se pueda asignar una función de onda a un sistema físico que cumpla con la definición cotidiana de "gato"; en esta visión, la descripción mecánica cuántica correcta del sistema gato-partícula debe incluir una regla de superselección . ^[63]^{: 51} ) $(|{\text{dead}}\rangle +|{\text{alive}}\rangle )/{\sqrt {2}}$

El amigo de Wigner

"El amigo de Wigner" es un experimento mental destinado a hacer que el del gato de Schrödinger sea más sorprendente al involucrar a dos seres conscientes, tradicionalmente conocidos como Wigner y su amigo. ^[5]^{: 91–92} (En la literatura más reciente, también pueden ser conocidos como Alice y Bob , según la convención de describir protocolos en la teoría de la información . ^[68] ) Wigner pone a su amigo con el gato. El observador externo cree que el sistema está en estado . Sin embargo, su amigo está convencido de que el gato está vivo, es decir, para él, el gato está en el estado . ¿Cómo pueden Wigner y su amigo ver diferentes funciones de onda? $(|{\text{dead}}\rangle +|{\text{alive}}\rangle )/{\sqrt {2}}$ $|{\text{alive}}\rangle$

En una visión heisenbergiana, la respuesta depende de la posición del corte de Heisenberg , que puede ubicarse arbitrariamente (al menos según Heisenberg, aunque no para Bohr ^[3] ). Si el amigo de Wigner está ubicado en el mismo lado del corte que el observador externo, sus mediciones colapsan la función de onda para ambos observadores. Si está ubicado en el lado del gato, su interacción con el gato no se considera una medición. ^[69] Diferentes interpretaciones de tipo Copenhague adoptan diferentes posiciones en cuanto a si los observadores pueden ubicarse en el lado cuántico del corte. ^[69]

Experimento de doble rendija

En la versión básica de este experimento, una fuente de luz, como un rayo láser , ilumina una placa perforada por dos rendijas paralelas, y la luz que pasa a través de las rendijas se observa en una pantalla detrás de la placa. La naturaleza ondulatoria de la luz hace que las ondas de luz que pasan a través de las dos rendijas interfieran , produciendo bandas brillantes y oscuras en la pantalla, un resultado que no se esperaría si la luz estuviera compuesta de partículas clásicas. Sin embargo, siempre se descubre que la luz se absorbe en la pantalla en puntos discretos, como partículas individuales (no ondas); el patrón de interferencia aparece a través de la densidad variable de estas partículas que golpean la pantalla. Además, las versiones del experimento que incluyen detectores en las rendijas descubren que cada fotón detectado pasa a través de una rendija (como lo haría una partícula clásica), y no a través de ambas rendijas (como lo haría una onda). Tales experimentos demuestran que las partículas no forman el patrón de interferencia si uno detecta por qué rendija pasan. ^[70]^{: 73–76}

Según el principio de complementariedad de Bohr , la luz no es ni una onda ni una corriente de partículas . Un experimento particular puede demostrar el comportamiento de una partícula (pasando a través de una rendija definida) o el comportamiento de una onda (interferencia), pero no ambos al mismo tiempo. ^[71]

Se ha realizado el mismo experimento para la luz, los electrones, los átomos y las moléculas. ^[72]^[73] La longitud de onda de De Broglie extremadamente pequeña de los objetos con mayor masa hace que los experimentos sean cada vez más difíciles, ^[74] pero en general la mecánica cuántica considera que toda la materia posee comportamientos tanto de partículas como de ondas.

Paradoja de Einstein-Podolsky-Rosen

Este experimento mental involucra un par de partículas preparadas en lo que autores posteriores llamarían un estado entrelazado . En un artículo de 1935, Einstein, Boris Podolsky y Nathan Rosen señalaron que, en este estado, si se medía la posición de la primera partícula, se podía predecir el resultado de medir la posición de la segunda partícula. Si, en cambio, se medía el momento de la primera partícula, se podía predecir el resultado de medir el momento de la segunda partícula. Argumentaron que ninguna acción realizada sobre la primera partícula podría afectar instantáneamente a la otra, ya que esto implicaría que la información se transmitiera más rápido que la luz, lo que está prohibido por la teoría de la relatividad . Invocaron un principio, más tarde conocido como el "criterio de realidad de Einstein-Podolsky-Rosen (EPR)", que postula que "si, sin perturbar de ninguna manera un sistema, podemos predecir con certeza (es decir, con probabilidad igual a la unidad) el valor de una cantidad física, entonces existe un elemento de realidad correspondiente a esa cantidad". De esto, dedujeron que la segunda partícula debe tener un valor definido de posición y de momento antes de que cualquiera de ellos pueda ser medido. ^[75]

La respuesta de Bohr al artículo de EPR se publicó en la revista Physical Review más tarde ese mismo año. ^[76] Argumentó que EPR había razonado de manera falaz. Debido a que las mediciones de posición y de momento son complementarias , la elección de medir una excluye la posibilidad de medir la otra. En consecuencia, un hecho deducido con respecto a una disposición de aparatos de laboratorio no podía combinarse con un hecho deducido por medio del otro y, por lo tanto, la inferencia de valores predeterminados de posición y momento para la segunda partícula no era válida. Bohr concluyó que los "argumentos de EPR no justifican su conclusión de que la descripción cuántica resulta ser esencialmente incompleta". ^[76]

Crítica

Incompletitud e indeterminismo

Einstein fue un temprano y persistente partidario de la realidad objetiva. Bohr y Heisenberg defendieron la posición de que ninguna propiedad física podía entenderse sin un acto de medición, mientras que Einstein se negó a aceptar esto. Abraham Pais recordó un paseo con Einstein cuando los dos discutieron sobre mecánica cuántica: "Einstein se detuvo de repente, se volvió hacia mí y me preguntó si realmente creía que la luna existe solo cuando la miro". ^[77] Si bien Einstein no dudaba de que la mecánica cuántica fuera una teoría física correcta en el sentido de que daba predicciones correctas, sostuvo que no podía ser una teoría completa . El producto más famoso de sus esfuerzos por argumentar la incompletitud de la teoría cuántica es el experimento mental de Einstein-Podolsky-Rosen , que pretendía demostrar que las propiedades físicas como la posición y el momento tienen valores incluso si no se miden. ^{[nota 6]} El argumento de EPR no fue generalmente persuasivo para otros físicos. ^[59]^{: 189–251}

Carl Friedrich von Weizsäcker , durante su participación en un coloquio en Cambridge, negó que la interpretación de Copenhague afirmase que «lo que no se puede observar no existe». En cambio, sugirió que la interpretación de Copenhague sigue el principio «lo que se observa ciertamente existe; sobre lo que no se observa todavía somos libres de hacer suposiciones adecuadas. Usamos esa libertad para evitar paradojas». ^[23]

Einstein tampoco estaba satisfecho con el indeterminismo de la teoría cuántica. En cuanto a la posibilidad de aleatoriedad en la naturaleza, Einstein dijo que estaba "convencido de que Él [Dios] no tira dados". ^[82] Bohr, en respuesta, supuestamente dijo que "no nos corresponde a nosotros decirle a Dios cómo debe gobernar el mundo". ^{[nota 7]}

El corte de Heisenberg

Gran parte de las críticas a las interpretaciones de tipo Copenhague se han centrado en la necesidad de un dominio clásico en el que puedan residir los observadores o los dispositivos de medición, y en la imprecisión de cómo se podría definir el límite entre lo cuántico y lo clásico. Este límite llegó a denominarse el corte de Heisenberg (mientras que John Bell lo llamó despectivamente la "división cambiante" ^[28] ). Como se suele representar, las interpretaciones de tipo Copenhague implican dos tipos diferentes de evolución temporal para las funciones de onda, el flujo determinista según la ecuación de Schrödinger y el salto probabilístico durante la medición, sin un criterio claro sobre cuándo se aplica cada tipo. ¿Por qué deberían existir estos dos procesos diferentes, cuando los físicos y el equipo de laboratorio están hechos de la misma materia que el resto del universo? ^[83] Y si de alguna manera hay una división, ¿dónde debería ubicarse? Steven Weinberg escribe que la presentación tradicional "no ofrece ninguna manera de localizar el límite entre los reinos en los que [...] la mecánica cuántica se aplica o no". ^[84]

El problema de pensar en términos de mediciones clásicas de un sistema cuántico se vuelve particularmente agudo en el campo de la cosmología cuántica , donde el sistema cuántico es el universo. ^[85]^[86] ¿Cómo se sitúa un observador fuera del universo para medirlo, y quién estaba allí para observar el universo en sus primeras etapas? Los defensores de las interpretaciones de tipo Copenhague han cuestionado la seriedad de estas objeciones. Rudolf Peierls señaló que "el observador no tiene que ser contemporáneo del evento"; por ejemplo, estudiamos el universo primitivo a través del fondo cósmico de microondas , y podemos aplicar la mecánica cuántica a eso tan bien como a cualquier campo electromagnético. ^[61] Del mismo modo, Asher Peres argumentó que los físicos están , conceptualmente, fuera de esos grados de libertad que estudia la cosmología, y aplicar la mecánica cuántica al radio del universo mientras se descuida a los físicos en él no es diferente de cuantificar la corriente eléctrica en un superconductor mientras se descuidan los detalles de nivel atómico. ^[38]

Podrás objetar que sólo hay un universo, pero, de la misma manera, sólo hay un CALAMAR en mi laboratorio. ^[38]

Alternativas

Han aparecido un gran número de interpretaciones alternativas que comparten algunos aspectos de la interpretación de Copenhague y ofrecen alternativas a otros aspectos. La interpretación de conjunto es similar; ofrece una interpretación de la función de onda, pero no para partículas individuales. La interpretación de historias consistentes se anuncia a sí misma como "Copenhague bien hecho". ^[87] Más recientemente, han aparecido interpretaciones inspiradas en la teoría de la información cuántica como el QBismo ^[88] y la mecánica cuántica relacional ^[89] . Los expertos en cuestiones fundamentales cuánticas siguen favoreciendo la interpretación de Copenhague sobre otras alternativas. ^[66] Entre los físicos que han sugerido que es necesario desarrollar o ampliar la tradición de Copenhague se encuentran Rudolf Haag y Anton Zeilinger . ^[86]^[90]

Bajo el realismo y el determinismo , si la función de onda se considera ontológicamente real y se rechaza por completo el colapso, se obtiene una interpretación de múltiples mundos . Si el colapso de la función de onda también se considera ontológicamente real, se obtiene una teoría objetiva del colapso . La mecánica de Bohm muestra que es posible reformular la mecánica cuántica para hacerla determinista, al precio de hacerla explícitamente no local. Atribuye no solo una función de onda a un sistema físico, sino además una posición real, que evoluciona determinísticamente bajo una ecuación guía no local. La evolución de un sistema físico está dada en todo momento por la ecuación de Schrödinger junto con la ecuación guía; nunca hay un colapso de la función de onda. ^[91] La interpretación transaccional también es explícitamente no local. ^[92]

Algunos físicos defendieron puntos de vista en el "espíritu de Copenhague" y luego pasaron a defender otras interpretaciones. Por ejemplo, David Bohm y Alfred Landé escribieron libros de texto que planteaban ideas en la tradición de Bohr-Heisenberg, y más tarde promovieron las variables ocultas no locales y una interpretación de conjunto respectivamente. ^[59]^{: 453} John Archibald Wheeler comenzó su carrera como un "apóstol de Niels Bohr"; ^[93] luego supervisó la tesis doctoral de Hugh Everett que proponía la interpretación de los muchos mundos. Después de apoyar el trabajo de Everett durante varios años, comenzó a distanciarse de la interpretación de los muchos mundos en la década de 1970. ^[94]^[95] Más tarde en su vida, escribió que si bien la interpretación de Copenhague podría llamarse con justicia "la niebla del norte", "sigue siendo la mejor interpretación del cuanto que tenemos". ^[96]

Otros físicos, aunque influenciados por la tradición de Copenhague, han expresado su frustración por cómo se tomó el formalismo matemático de la teoría cuántica como dado, en lugar de tratar de entender cómo podría surgir de algo más fundamental. ( ET Jaynes describió el formalismo matemático de la física cuántica como "una mezcla peculiar que describe en parte realidades de la Naturaleza, en parte información humana incompleta sobre la Naturaleza, todo revuelto por Heisenberg y Bohr en una tortilla que nadie ha sabido cómo desenredar". ^[97] ) Esta insatisfacción ha motivado nuevas variantes interpretativas, así como trabajo técnico en los fundamentos cuánticos . ^[64]^[98]

Véase también

Notas

^ Como escribió Heisenberg en Física y Filosofía (1958): "Recuerdo discusiones con Bohr que duraron muchas horas hasta muy tarde en la noche y terminaron casi en la desesperación; y cuando al final de la discusión fui solo a caminar por el parque vecino, me repetí una y otra vez la pregunta: ¿Es posible que la naturaleza sea tan absurda como nos parecía en estos experimentos atómicos?"
^ "Parece que hay al menos tantas interpretaciones diferentes de Copenhague como personas que utilizan ese término, probablemente haya más. Por ejemplo, en dos artículos clásicos sobre los fundamentos de la mecánica cuántica, Ballentine (1970) y Stapp (1972) dan definiciones diametralmente opuestas de 'Copenhague'". ^[32]
^ Bohr declaró: "En primer lugar, debemos reconocer que una medición no puede significar otra cosa que la comparación inequívoca de alguna propiedad del objeto bajo investigación con una propiedad correspondiente de otro sistema, que sirve como instrumento de medición, y para el cual esta propiedad es directamente determinable según su definición en el lenguaje cotidiano o en la terminología de la física clásica". ^[36] Heisenberg escribió: "Toda descripción de fenómenos, de experimentos y sus resultados, se basa en el lenguaje como único medio de comunicación. Las palabras de este lenguaje representan los conceptos de la vida ordinaria, que en el lenguaje científico de la física pueden refinarse hasta convertirse en los conceptos de la física clásica. Estos conceptos son las únicas herramientas para una comunicación inequívoca sobre los eventos, sobre el establecimiento de experimentos y sobre sus resultados". ^[37]^{: 127}
^ Heisenberg escribió: "Es bien sabido que la 'reducción de los paquetes de ondas' siempre aparece en la interpretación de Copenhague cuando se completa la transición de lo posible a lo real. La función de probabilidad, que cubría un amplio rango de posibilidades, se reduce de repente a un rango mucho más estrecho por el hecho de que el experimento ha llevado a un resultado definido, que realmente ha sucedido un cierto evento. En el formalismo, esta reducción requiere que la llamada interferencia de probabilidades, que es el fenómeno más característico [ sic ] de la teoría cuántica, sea destruida por las interacciones parcialmente indefinibles e irreversibles del sistema con el aparato de medición y el resto del mundo". ^[37]^{: 125} Bohr sugirió que la "irreversibilidad" era "característica del concepto mismo de observación", una idea que Weizsäcker desarrollaría más tarde, tratando de formular una noción matemática rigurosa de irreversibilidad utilizando la termodinámica, y así demostrar que la irreversibilidad da como resultado la aproximación clásica del mundo. ^[3] Véase también Stenholm. ^[30]
^ Aunque el propio Born describió su contribución como la "interpretación estadística" de la función de onda, ^[45]^[46] el término "interpretación estadística" también se ha utilizado como sinónimo de interpretación de conjunto . ^[47]^[48]
^ La forma publicada del argumento EPR se debió a Podolsky, y el propio Einstein no estaba satisfecho con ella. En sus propias publicaciones y correspondencia, Einstein utilizó un argumento diferente para insistir en que la mecánica cuántica es una teoría incompleta. ^[78]^[79]^[80]^[81]
^ Bohr recordó su respuesta a Einstein en el Congreso Solvay de 1927 en su ensayo "Discusión con Einstein sobre problemas epistemológicos en física atómica", en Albert Einstein, Philosopher–Scientist , ed. Paul Arthur Shilpp, Harper, 1949, p. 211: "... a pesar de todas las divergencias de enfoque y opinión, un espíritu de lo más humorístico animó las discusiones. Por su parte, Einstein nos preguntó burlonamente si realmente podíamos creer que las autoridades providenciales recurrieran al juego de dados (" ob der liebe Gott würfelt "), a lo que respondí señalando la gran cautela, ya exigida por los pensadores antiguos, al atribuir atributos a la Providencia en el lenguaje cotidiano". Werner Heisenberg, que también asistió al congreso, recordó el intercambio en Encounters with Einstein , Princeton University Press, 1983, p. 117: "Pero él [Einstein] seguía fiel a su consigna, que revestió con las palabras: 'Dios no juega a los dados'. A lo que Bohr sólo pudo responder: 'Pero aun así, no nos corresponde a nosotros decirle a Dios cómo debe gobernar el mundo'".

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