Realidad cuántica

Tras un breve resumen de las crisis experimentales (como la catástrofe ultravioleta ) que motivaron la teoría cuántica, Herbert identifica cuatro formulaciones principales de la teoría cuántica: la mecánica matricial de Werner Heisenberg , la mecánica ondulatoria de Erwin Schrödinger , la teoría de la transformación de Paul Dirac y la formulación de suma sobre historias de Richard Feynman . ^{[ 2 ] : 41–53}

Al introducir los objetos cuánticos (a los que denomina "quons"), Herbert describe cómo las propiedades cuánticas son inherentes a una función de onda , que sirve como aproximación para la medición de dichas propiedades. Compara el proceso de medición cuántica con el tratamiento matemático de la función de onda como una suma de formas de onda de una familia particular, donde diversas familias corresponden a propiedades específicas. El ancho de banda del espectro de estas formas de onda representa la incertidumbre en la medición cuántica. Herbert demuestra que, para pares de variables conjugadas , como la posición y el momento, estos anchos de banda están vinculados de tal manera que su producto tiene un límite inferior finito, ilustrando así la base del principio de incertidumbre de Heisenberg : cualquier propiedad individual puede medirse con precisión arbitraria, pero las propiedades conjugadas no pueden conocerse simultáneamente con precisión arbitraria. ^{[ 2 ] : 71–112}

Herbert identifica dos problemas filosóficos que plantea la teoría cuántica: la cuestión de la interpretación , relativa a la naturaleza física de la realidad subyacente a la observación; y el problema de la medición , relativo al papel aparentemente especial del acto de medición en la teoría cuántica y a los diversos enfoques para definir formalmente dicho acto. ^{[ 2 ] : 113–156}

Herbert identifica ocho interpretaciones de la mecánica cuántica , todas consistentes con la observación y con los formalismos matemáticos mencionados. Compara estas diferentes interpretaciones con la historia de los ciegos y el elefante : distintos enfoques de la misma realidad subyacente, que dan lugar a imágenes notablemente diferentes (aunque a menudo coincidentes). Las interpretaciones identificadas por Herbert son:

1. La interpretación de Copenhague , Parte I («No existe una realidad profunda»). Si bien se asocia principalmente con Niels Bohr y Werner Heisenberg , Herbert la identifica como la interpretación más ampliamente aceptada entre los físicos. En esta interpretación, los atributos dinámicos no describen la realidad de los objetos cuánticos en sí mismos, sino que residen en la relación entre el objeto observado y el dispositivo de medición. ^{[ 2 ] : 158–164}
2. La interpretación de Copenhague, Parte II («La realidad se crea mediante la observación.») En esta variante de la interpretación de Copenhague, asociada a John Archibald Wheeler , la realidad de los atributos cuánticos se crea en el acto de la observación , como ilustra el ejemplo del experimento de elección retardada de Wheeler . ^{[ 2 ] : 164–168}
3. «La realidad es una totalidad indivisa». Esta interpretación, asociada a David Bohm y Walter Heitler , sugiere que el estado de todo el universo puede estar implicado en cualquier medición cuántica. Herbert destaca la aparente interacción de partículas entrelazadas muy separadas, que pueden representarse mediante una única función de onda combinada, o «realidad compartida», en un espacio de configuración de alta dimensión . ^{[ 2 ] : 168–172}
4. La interpretación de los muchos mundos . Ideada por Hugh Everett , esta interpretación elimina el problema conceptual del colapso de la función de onda al suponer que todos los resultados posibles ocurren por igual, en un árbol de universos paralelos que se ramifica constantemente. ^{[ 2 ] : 172–175}
5. Lógica cuántica («El mundo obedece a un tipo de razonamiento no humano»). Asociada a John von Neumann , Garrett Birkhoff y David Finkelstein , esta interpretación sostiene que los objetos cuánticos poseen atributos innatos, pero que las relaciones entre estos atributos se rigen por una red no distributiva , o «lógica ondulatoria», a diferencia de la red booleana que rige los objetos clásicos. En el ejemplo de la «paradoja de los tres polarizadores », dos polarizadores apilados y orientados ortogonalmente no permiten el paso de la luz (la intersección de los conjuntos de fotones que atraviesan cada filtro es nula ); sin embargo, la inserción de un polarizador orientado diagonalmente entre ellos permite que pase algo de luz a través de la pila. La paradoja puede entenderse considerando un haz polarizado como una superposición , con componentes diagonales que interfieren destructivamente. ^{[ 2 ] : 177–185}
6. El neorrealismo («El mundo está hecho de objetos ordinarios»), desarrollado por David Bohm y asociado también con Louis de Broglie , sostiene que los objetos cuánticos poseen atributos definidos, pero que estos atributos pueden cambiar de valor instantáneamente en respuesta a eventos en cualquier parte del universo. Esta información se codifica en una onda piloto física que debe viajar más rápido que la luz . Otros físicos intentaron construir modelos basados ​​en objetos que eliminaran esta comunicación superlumínica, pero el teorema de Bell demostró posteriormente su imposibilidad. Por esta razón, según Herbert, la mayor parte de la comunidad científica rechaza el neorrealismo. ^{[ 2 ] : 185–189}
7. « La consciencia provoca el colapso » . Propuesta inicialmente por Eugene Wigner , esta interpretación otorga un estatus especial a las mentes conscientes como el lugar donde se produce el colapso de la función de onda , en el que la miríada de posibilidades de un sistema cuántico se reducen a un único estado observado. A diferencia de la interpretación de Copenhague, en la que el observador selecciona qué atributo se verá con un valor definido, pero no determina el valor en sí, von Neumann sostuvo que el valor real del atributo se determina en un colapso que ocurre en la interfaz entre el cerebro y la mente. ^{[ 2 ] : 189–193}
8. «El mundo dual de Werner Heisenberg ». Heisenberg reconoció una división inherente a la interpretación de Copenhague entre la realidad concreta ( fenómeno ) de las observaciones y el rango de potencialidad ( noúmeno ) descrito por la función de onda. Al intentar abordar la naturaleza ontológica del mundo no observado, consideró que la teoría cuántica no era simplemente una analogía matemática exitosa, sino una descripción literal de la realidad subyacente. En la descripción que Herbert hace de la visión de Heisenberg, el mundo no observado es un mundo compuesto de posibilidad, cualitativamente menos real que el mundo de los hechos observados. ^{[ 2 ] : 193–195}

Añadiendo una complejidad más a la naturaleza de la realidad cuántica, Herbert presenta la paradoja EPR y su resolución en forma del teorema de Bell . La paradoja EPR, basada en la antigua suposición de localidad , sugiere la existencia de «elementos de la realidad» —atributos cuánticos no medidos que, sin embargo, son reales— que no están predichos por la teoría cuántica. El teorema de Bell resuelve esta paradoja al demostrar que la localidad queda descartada por la observación; es decir, que cualquier modelo de la realidad consistente con la observación debe permitir la interacción no local. Sin embargo, Herbert aclara que el teorema de Bell no implica ninguna predicción de fenómenos no locales observables experimentalmente , ni permite la comunicación superlumínica. ^{[ 2 ] : 211–231}

Herbert reevalúa entonces las interpretaciones antes mencionadas de la realidad cuántica a la luz del teorema de Bell:

• En el caso de la interpretación de Copenhague, el «dispositivo experimental» de entidad observada y dispositivo de medición en el que residen los atributos cuánticos —considerado por Bohr limitado a la interacción local— debe ampliarse para incluir objetos potencialmente distantes con los que estos sistemas pueden estar entrelazados. ^{[ 2 ] : 240–241}
• Según Herbert, el teorema de Bell respalda la noción bohmiana de la realidad subyacente como una totalidad indivisa. ^{[ 2 ] : 241–242}
• Aunque Herbert afirma que la interpretación de los muchos mundos carece de la definitividad contrafactual necesaria para probar el teorema de Bell, sostiene que la visión de los muchos mundos es inherentemente no local, según cualquier concepción razonable de localidad. ^{[ 2 ] : 242}
• En opinión de Herbert, el resultado de Bell supone un duro golpe para los modelos neorrealistas, al demostrar que la onda piloto, aparentemente real, debe violar el límite de velocidad universal de Einstein . ^{[ 2 ] : 243–244}

Herbert concluye que, si bien el teorema de Bell no excluye ninguna de las interpretaciones de la mecánica cuántica antes mencionadas, insiste en que cualquier interpretación válida debe permitir la interacción no local. ^{[ 2 ] : 245}