¿Qué significa realmente la interpretación cuando se trata de la teoría cuántica?
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Si le preguntaras a mil físicos, todos no estarían de acuerdo. Esta declaración podría aplicarse a cualquier cantidad de temas, ya sea que el universo sea infinito, de qué está hecha la materia oscura, cómo hacer que los cables se realicen perfectamente, pero no es solo abstracto. Hace unas semanas, un equipo en Naturaleza planteó una pregunta que dividió el campo precisamente de esta manera. Ellos encuestados 1100 físicos Para preguntar su interpretación favorita de la mecánica cuántica. El resultado? Ellos “no están de acuerdo salvajemente”.
Eso no me sorprende: me encuentro con físicos que interpretan los hallazgos de los experimentos cuánticos de manera diferente todo el tiempo en mis informes. Es decir, cada uno puede mirar el mismo conjunto de ecuaciones o resultados experimentales y salir con una idea diferente de lo que eso nos dice sobre la realidad.
Entonces, ¿cuánto importa este desacuerdo y el problema de la interpretación en sí misma? En primer lugar, es extraño que ocurra con respecto a la mecánica cuántica, una rama de la física que Ahora hemos pasado 100 años sometiendo a una batería implacable de pruebas. No hay forma de negarlo: la teoría de la mecánica cuántica, un conjunto de leyes de física a menudo contradictorias que rigen el comportamiento de todo muy pequeño o muy frío, es un éxito científico increíble. No solo ha pasado todas nuestras pruebas con colores de vuelo, sino que nos ha permitido construir tecnologías como los transistores que alimentan nuestros dispositivos electrónicos y los fibreópticos que hacen posible Internet. “La mecánica cuántica realiza su negocio increíblemente exitosamente, tanto teóricamente como en un sentido aplicado”, dice Peter Lewis en Dartmouth College en New Hampshire.
Sin embargo, para decirlo crudamente, solo porque los físicos saben cómo escribir ecuaciones y construir dispositivos, no siempre saben, o de acuerdo, sobre lo que todo significa. Simplemente no pueden estar de acuerdo en cómo e incluso si la mecánica cuántica captura la realidad física objetiva de nuestro mundo. El Naturaleza La encuesta muestra tanto: la interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica, lo que desalienta a los físicos de preguntar sobre la verdadera naturaleza de los objetos cuánticos, como el electrón, y les imploran que “se cierren y calculen”, porque las palabras no pueden igualar inequívocamente a algo objetivamente real, obtuvieron la mayor participación de los votos, pero aún así obtuvieron la confianza del 36 % del 36 % de los encuestados. Otros pusieron sus acciones en el Interpretación de muchos mundosque requiere que uno se suscriba a un universo infinitamente grande, o teorías superdeterministasque se acerca desconcertantemente a eliminar el libre albedrío y postulando que todo está predeterminado, entre varias respuestas posibles. Sorprendentemente, el porcentaje de físicos que confiaban en que su interpretación preferida era correcta era un bajo 24 por ciento.
Los desacuerdos también surgieron cuando se les preguntó a los físicos sobre algunos de los productos básicos de la teoría cuántica: su objeto matemático central llamado funciones de onda, el vínculo inextricable entre las partículas llamadas enredos cuánticos e incluso el famoso experimento de doble cola, que estableció eso Toda la materia tiene una naturaleza oculta de ola. “Además, algunos científicos que parecían estar en el mismo campamento no dieron las mismas respuestas a las preguntas de seguimiento, lo que sugiere una comprensión inconsistente o dispar de la interpretación que eligieron”, escribió Elizabeth Gibney en su análisis de la encuesta, lo que subraya cuánto no solo el desacuerdo sino también es pura confusión sobre los fundamentos de las mecánicas cuánticas hay entre los físicos.
Lewis dice que esta situación, la combinación de un sorprendente éxito técnico y un desorden filosófico absoluto, es única en la historia de la ciencia. Qué hacer con esta situación tampoco está claro. Un físico sugirió que es vergonzoso para el campo, pero otro argumentó que una diversidad de puntos de vista es algo positivo. Al tratar de decidir sobre la que más me inclino, me di cuenta de que estaba atrapado en la palabra “interpretación”. ¿Qué significa realmente y qué hace que una interpretación sea plausible o competitiva? Entonces, volví a la fuente, para mí, de todos modos: llamé a mi primer profesor de mecánica cuántica.
“Cuando pienso en las interpretaciones de la mecánica cuántica, para mí, eso significa algo que no es tanta física, pero es más filosofía, tal vez psicología”, dice Jeffrey Harvey en la Universidad de Chicago. Recuerdo que su clase fue matemáticamente desafiante, y los recuerdos de mi emoción al enterarse de que las funciones de onda “viven” en el “espacio de Hilbert” matemáticamente abstracto son vívidos en mi mente. Pero no pude recordar discusiones explícitas sobre cómo interpretar las consecuencias más extrañas de las matemáticas con las que estábamos lidiando. Harvey dice que es reacio a enseñar a los estudiantes sobre diferentes interpretaciones porque son “modelos mentales” de la competencia, en lugar de marcos que podrían distinguirse experimentalmente. Si dos interpretaciones provienen de las mismas ecuaciones y predicen el mismo conjunto de observaciones experimentales, ¿por qué preferir una sobre otra? “Este es una especie de punto de vista agnóstico. Prefiero mantener una mente abierta sobre algo que la evidencia no me ve obligado a tomar una decisión”, dice Harvey.
Jonte Hance en la Universidad de Newcastle en el Reino Unido, por otro lado, advierte contra el uso de la palabra interpretación demasiado libremente. Algunas interpretaciones son en realidad extensiones de la mecánica cuántica, ya que agregan o modifican las ecuaciones en el corazón de la teoría. “Parte del problema aquí es que las personas no están de acuerdo en qué es una interpretación y qué se requiere, cuáles son exactamente los problemas que enfrenta la mecánica cuántica”, dice Lewis. El Naturaleza La encuesta desglosó las respuestas de los encuestados en ocho interpretaciones, y Lewis señala que, si bien algunos agregan ingredientes a las reglas básicas de la mecánica cuántica, otras eliminan las reglas, y algunos, como la interpretación de Copenhague, desvían la cuestión de la necesidad de interpretar estas reglas en absoluto.
Para entender esto, es útil pensar en La famosa ecuación de Schrödingerque a menudo es la ecuación que un físico intentará resolver para determinar o predecir, bueno, cualquier cosa sobre un objeto cuántico. Algunas interpretaciones de la mecánica cuántica, por ejemplo, la interpretación de muchos mundos, usan la ecuación de Schrödinger como se escribe originalmente, sin cambiarla. Otra interpretación llamada teoría del colapso espontáneo, que tiene como objetivo resolver por qué no vemos los efectos cuánticos en la vida cotidiana, agrega símbolos y números adicionales, que representan un nuevo proceso físico, a la ecuación de Schrödinger. Hance dice que esto técnicamente hace que este último sea una extensión en lugar de una interpretación. En este caso, puede ser posible formular una prueba experimental que determine si nuestro mundo realmente exige que la ecuación de Schrödinger sea enmendada.
Esta sería la evidencia que podría obligar a los investigadores como Harvey a dejar atrás el agnosticismo. Hance dice que una extensión exitosa de la mecánica cuántica podría explicar los muchos experimentos que la teoría ya coincide excepcionalmente bien, pero también tendría que hacer predicciones inequívocamente diferentes y concretamente probables.
Al mismo tiempo, los tres investigadores con los que hablé admití que muchos físicos pueden realizar feliz y con éxito su trabajo diario sin tener que enfrentar problemas de interpretaciones de la mecánica cuántica, otra función de cuán notablemente exitosa es la mecánica cuántica. Esto es, en parte, por qué mi clase con Harvey no incluía una lección sobre la interpretación de la mecánica cuántica: simplemente estaba siendo entrenado para usarla. “En cuanto a la mayoría de los tipos de innovación y aplicación de la mecánica cuántica, no veo eso [interpretation] asuntos. Solo importa desde una especie de perspectiva filosófica ”, dice Lewis.
Pero eso no significa que no haya valor en pensar en interpretaciones, incluso, en el sentido más estricto de la palabra, aquellos lugares donde las interpretaciones competidoras no producen predicciones experimentales competidoras. “Los modelos mentales que los físicos tienen podrían no ser parte de la física, pero pueden ser una parte importante de cómo las personas desarrollan nuevas ideas. En ese sentido, creo que una diversidad de modelos mentales es probablemente algo bueno en el sentido de que ayuda a los físicos a explorar nuevas ideas que surgen de la mecánica cuántica de diferentes maneras”, dice Harvey.
Más allá de eso, y especialmente cuando se trata de extensiones de mecánica cuántica, la perspectiva filosófica tampoco es nada para estornudar. Para Lewis, esta brecha históricamente sin precedentes entre la utilidad y el significado de la mecánica cuántica puede contener lecciones sobre los límites de la ciencia y cómo pensamos sobre lo que la ciencia puede y no puedo hacer. El hecho de que la mecánica cuántica sea un modelo matemático del mundo que lo describe realmente bien, pero no podemos desarrollar y estar de acuerdo con lo que significa, es algo que vale la pena desempacar, dice.
Hance argumenta de manera similar que la creación del significado es una parte integral de la física. Cuando hablamos, me preguntan si he visto a Elon Musk publicar en las redes sociales sobre cómo no hay investigadores, solo ingenieros. No lo he hecho, pero me sorprende lo reductora que es la afirmación. “Para mí … simplemente arrancar las ecuaciones es solo hacer ingenieros de nosotros. Algunas personas eligen ser ingenieros, pero definitivamente no lo hice. Estoy aquí porque quiero descubrir qué está pasando realmente”, dice Hance. Esto no quiere decir que los ingenieros no sean impulsados por la curiosidad, pero yo también siento una cierta cepa de disturbios existenciales, de querer saber no solo cómo hacer que una cosa funcione sino también cuál es su cosa fundamental, por así decirlo. Esa es una pregunta que ha mantenido a los físicos en la noche durante siglos, y casi definitivamente continuará haciéndolo.
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