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teoría del colapso objetivo

Las teorías de colapso objetivo , también conocidas como modelos de colapso espontáneo [ 1 ] o modelos de reducción dinámica [ 2 ] , son soluciones propuestas al problema de la ...

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Las teorías de colapso objetivo , también conocidas como modelos de colapso espontáneo [ 1 ] o modelos de reducción dinámica [ 2 ] , son soluciones propuestas al problema de la medición en mecánica cuántica [ 3 ] . Al igual que otras interpretaciones de la mecánica cuántica , son posibles explicaciones de por qué y cómo las mediciones cuánticas siempre dan resultados definidos, no una superposición de ellos como predice la ecuación de Schrödinger , y más generalmente cómo el mundo clásico emerge de la teoría cuántica. La idea fundamental es que la evolución unitaria de la función de onda que describe el estado de un sistema cuántico es aproximada. Funciona bien para sistemas microscópicos, pero pierde progresivamente su validez cuando aumenta la masa/complejidad del sistema.

En las teorías de colapso, la ecuación de Schrödinger se complementa con términos no lineales y estocásticos adicionales (colapsos espontáneos) que localizan la función de onda en el espacio. La dinámica resultante es tal que, para sistemas microscópicos aislados, los nuevos términos tienen un efecto insignificante; por lo tanto, se recuperan las propiedades cuánticas habituales, salvo desviaciones mínimas. Dichas desviaciones podrían detectarse en experimentos específicos, y se están intensificando los esfuerzos a nivel mundial para comprobarlas.

Un mecanismo de amplificación integrado garantiza que, para sistemas macroscópicos compuestos por muchas partículas, el colapso sea más fuerte que la dinámica cuántica. De este modo, su función de onda permanece siempre bien localizada en el espacio, tan bien localizada que, a efectos prácticos, se comporta como un punto que se mueve en el espacio según las leyes de Newton.

En este sentido, los modelos de colapso proporcionan una descripción unificada de los sistemas microscópicos y macroscópicos, evitando los problemas conceptuales asociados a las mediciones en la teoría cuántica.

Los ejemplos más conocidos de este tipo de teorías son:

Las teorías del colapso se oponen a las teorías de la interpretación de los muchos mundos , ya que sostienen que un proceso de colapso de la función de onda limita la ramificación de la función de onda y elimina el comportamiento no observado.

Historia de las teorías del colapso

El artículo de Philip Pearle de 1976 fue pionero en las ecuaciones estocásticas no lineales cuánticas para modelar el colapso de la función de onda de manera dinámica; [ 4 ] : 477 [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] este formalismo se utilizó posteriormente para el modelo CSL. Sin embargo, estos modelos carecían del carácter de "universalidad" de la dinámica, es decir, su aplicabilidad a un sistema físico arbitrario (al menos a nivel no relativista), una condición necesaria para que cualquier modelo se convierta en una opción viable.

El siguiente gran avance se produjo en 1986, cuando Ghirardi, Rimini y Weber publicaron el artículo con el significativo título "Dinámica unificada para sistemas microscópicos y macroscópicos", [ 4 ] [ 8 ] donde presentaron lo que ahora se conoce como el modelo GRW, por las iniciales de los autores. El modelo tiene dos principios rectores: [ 4 ]

  1. Los estados base de posición se utilizan en la reducción de estado dinámica (la "base preferida" es la posición);
  2. La modificación debe reducir las superposiciones para objetos macroscópicos sin alterar las predicciones microscópicas.

En 1990, los esfuerzos del grupo GRW, por un lado, y de P. Pearle, por otro, se unieron para formular el modelo de Localización Espontánea Continua (CSL), [ 9 ] [ 10 ] donde la dinámica de Schrödinger y un campo clásico que fluctúa aleatoriamente producen un colapso en autoestados espacialmente localizados. [ 4 ] : 478

A finales de los años 80 y 90, Diosi [ 11 ] [ 12 ] y Penrose [ 13 ] [ 14 ] y otros [ 4 ] : 508 formularon independientemente la idea de que el colapso de la función de onda está relacionado con la gravedad. La ecuación dinámica es estructuralmente similar a la ecuación CSL.

En la literatura se discuten con mayor frecuencia tres modelos:

  • Modelo de Ghirardi-Rimini-Weber (GRW) : [ 8 ] Se supone que cada componente de un sistema físico experimenta colapsos espontáneos de forma independiente. Los colapsos son aleatorios en el tiempo, distribuidos según una distribución de Poisson; son aleatorios en el espacio y tienen mayor probabilidad de ocurrir donde la función de onda es mayor. Entre colapsos, la función de onda evoluciona según la ecuación de Schrödinger. Para sistemas compuestos, el colapso de cada componente provoca el colapso de las funciones de onda del centro de masa.
  • Modelo de localización espontánea continua (CSL) : [ 10 ] La ecuación de Schrödinger se complementa con un proceso de difusión estocástico y no lineal impulsado por un ruido universal adecuadamente elegido, acoplado a la densidad de masa del sistema, que contrarresta la dispersión cuántica de la función de onda. Al igual que en el modelo GRW, cuanto mayor es el sistema, más fuerte es el colapso, lo que explica la transición cuántico-clásica como una ruptura progresiva de la linealidad cuántica cuando aumenta la masa del sistema. El modelo CSL se formula en términos de partículas idénticas.
  • Modelo de Diósi-Penrose (DP) : [ 12 ] [ 13 ] Diósi y Penrose formularon la idea de que la gravedad es responsable del colapso de la función de onda. Penrose argumentó que, en un escenario de gravedad cuántica donde una superposición espacial crea la superposición de dos curvaturas espaciotemporales diferentes, la gravedad no tolera tales superposiciones y las colapsa espontáneamente. También proporcionó una fórmula fenomenológica para el tiempo de colapso. De forma independiente y antes que Penrose, Diósi presentó un modelo dinámico que colapsa la función de onda con la misma escala de tiempo sugerida por Penrose.

También cabe mencionar el modelo de Mecánica Cuántica con Localización de Posición Universal (QMUPL) [ 12 ] , una extensión del modelo GRW para partículas idénticas formulado por Tumulka, [ 15 ] que demuestra varios resultados matemáticos importantes con respecto a las ecuaciones de colapso. [ 16 ]

En todos los modelos mencionados hasta ahora, el ruido responsable del colapso es markoviano (sin memoria): ya sea un proceso de Poisson en el modelo GRW discreto o ruido blanco en los modelos continuos. Los modelos pueden generalizarse para incluir ruidos arbitrarios (coloreados), posiblemente con un límite de frecuencia: el modelo CSL se ha extendido a su versión coloreada [ 17 ] [ 18 ] (cCSL), al igual que el modelo QMUPL [ 19 ] [ 20 ] (cQMUPL). En estos nuevos modelos, las propiedades del colapso permanecen básicamente inalteradas, pero las predicciones físicas específicas pueden cambiar significativamente.

En todos los modelos de colapso, el efecto del ruido debe impedir la linealidad y la unitariedad de la mecánica cuántica y, por lo tanto, no puede describirse dentro de la mecánica cuántica. [ 21 ] : 423 Debido a que el ruido responsable del colapso induce movimiento browniano en cada constituyente de un sistema físico, la energía no se conserva. La energía cinética aumenta a una tasa constante. Esta característica puede modificarse, sin alterar las propiedades de colapso, incluyendo efectos disipativos apropiados en la dinámica. Esto se logra para los modelos GRW, CSL, QMUPL y DP, obteniendo sus contrapartes disipativas (dGRW, [ 22 ] dCSL, [ 23 ] [ 24 ] dQMUPL, [ 25 ] DP [ 26 ] [ 24 ] ). El modelo QMUPL se ha generalizado aún más para incluir tanto ruido coloreado como efectos disipativos [ 27 ] [ 28 ] (modelo dcQMUPL).

Pruebas de modelos de colapso

Los modelos de colapso modifican la ecuación de Schrödinger; por lo tanto, hacen predicciones que difieren de las predicciones estándar de la mecánica cuántica. Aunque las desviaciones son difíciles de detectar, existe un número creciente de experimentos que buscan efectos de colapso espontáneo. Estos se pueden clasificar en dos grupos:

  • Experimentos interferométricos. Son versiones refinadas del experimento de la doble rendija, que demuestran la naturaleza ondulatoria de la materia (y la luz). Las versiones modernas buscan aumentar la masa del sistema, el tiempo de vuelo y/o la distancia de deslocalización para crear superposiciones cada vez mayores. Los experimentos más destacados de este tipo se realizan con átomos, moléculas y fonones .
  • Experimentos no interferométricos. Se basan en el hecho de que el ruido de colapso, además de colapsar la función de onda, también induce una difusión sobre el movimiento de las partículas, que actúa siempre, incluso cuando la función de onda ya está localizada. Los experimentos de este tipo involucran átomos fríos, sistemas optomecánicos, detectores de ondas gravitacionales y experimentos subterráneos. [ 29 ]

Problemas y críticas a las teorías del colapso

Violación del principio de conservación de la energía

Según las teorías de colapso, la energía no se conserva, ni siquiera para partículas aisladas. Más precisamente, en los modelos GRW, CSL y DP, la energía cinética aumenta a un ritmo constante, que es pequeño pero distinto de cero.

Esto se suele presentar como una consecuencia inevitable del principio de incertidumbre de Heisenberg: el colapso de posición provoca una mayor incertidumbre en el momento. Esta explicación es errónea; en las teorías de colapso, el colapso de posición también determina una localización en el momento, lo que lleva a la función de onda a un estado de incertidumbre casi mínima tanto en posición como en momento, [ 16 ] compatible con el principio de Heisenberg. La razón por la que aumenta la energía es que el ruido del colapso difunde la partícula, acelerándola.

Esta es la misma situación que en el movimiento browniano clásico, y de manera similar este aumento puede detenerse agregando efectos disipativos. Existen versiones disipativas de los modelos QMUPL, GRW, CSL y DP, [ 22 ] [ 23 ] [ 25 ] [ 24 ] donde las propiedades de colapso se dejan inalteradas con respecto a los modelos originales, mientras que la energía se termaliza a un valor finito (por lo tanto, incluso puede disminuir, dependiendo de su valor inicial).

Sin embargo, en el modelo disipativo la energía no se conserva estrictamente. Una posible solución a esta situación podría consistir en considerar el ruido también como una variable dinámica con energía propia, la cual se intercambia con el sistema cuántico de tal manera que la energía total del sistema y del ruido se conserve conjuntamente.

Modelos de colapso relativista

Uno de los mayores desafíos en las teorías del colapso es hacerlas compatibles con los requisitos relativistas. Los modelos GRW, CSL y DP no lo son. La mayor dificultad radica en cómo combinar el carácter no local del colapso, necesario para que sea compatible con la violación de las desigualdades de Bell verificada experimentalmente, con el principio relativista de localidad. Existen modelos [ 30 ] [ 31 ] que intentan generalizar en un sentido relativista los modelos GRW y CSL, pero su estatus como teorías relativistas aún no está claro. La formulación de una teoría covariante de Lorentz adecuada para el colapso objetivo continuo sigue siendo objeto de investigación.

Problema de las colas

En todas las teorías de colapso, la función de onda nunca está completamente contenida dentro de una (pequeña) región del espacio, porque el término de Schrödinger de la dinámica siempre la extenderá hacia afuera. Por lo tanto, las funciones de onda siempre contienen colas que se extienden hasta el infinito, aunque su "peso" es menor en sistemas más grandes. Los críticos de las teorías de colapso argumentan que no está claro cómo interpretar estas colas . Se han discutido dos problemas distintos en la literatura. El primero es el problema de las colas "desnudas": no está claro cómo interpretar estas colas porque equivalen a que el sistema nunca está realmente completamente localizado en el espacio. Un caso especial de este problema se conoce como la "anomalía de conteo". [ 32 ] [ 33 ] Los partidarios de las teorías de colapso en su mayoría desestiman esta crítica como una mala interpretación de la teoría, [ 34 ] [ 35 ] ya que en el contexto de las teorías de colapso dinámico, el cuadrado absoluto de la función de onda se interpreta como una densidad de materia real. En este caso, las colas simplemente representan una cantidad inconmensurablemente pequeña de materia difusa . Esto nos lleva al segundo problema, el llamado "problema de las colas estructuradas": no está claro cómo interpretar estas colas porque, aunque su "cantidad de materia" es pequeña, esa materia está estructurada como un mundo perfectamente legítimo. Así, después de que se abre la caja y el gato de Schrödinger colapsa al estado "vivo", todavía existe una cola de la función de onda que contiene una entidad de "baja materia" estructurada como un gato muerto. Los teóricos del colapso han ofrecido diversas soluciones posibles al problema de las colas estructuradas, pero sigue siendo un problema abierto. [ 36 ]

Véase también

Referencias

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