Home » Articole » RO » Știință » Fizica » Mecanica cuantică » Interpretarea probabilităților (problema măsurătorilor) în mecanica cuantică

Interpretarea probabilităților (problema măsurătorilor) în mecanica cuantică

Problema măsurării în mecanica cuantică este problema modului în care (sau dacă) se produce colapsul funcțiilor de undă. Incapacitatea de a observa acest proces este direct legată de diferite interpretări ale mecanicii cuantice și reprezintă un set cheie de întrebări la care fiecare interpretare trebuie să răspundă. Funcția de undă în mecanica cuantică evoluează nedeterminist conform ecuației Schrödinger ca o superpoziție liniară a diferitelor stări, dar măsurătorile reale găsesc întotdeauna sistemul fizic într-o stare definită. Orice evoluție viitoare se bazează pe conceptul de măsurare, ceea ce nu este evident o consecință a evoluției lui Schrödinger.

Pentru a exprima lucrurile în mod diferit (pentru a parafraza pe Steven Weinberg), ecuația undei Schrödinger determină funcția de undă în orice moment ulterior. Dacă observatorii și aparatele lor de măsurare sunt descrise de o funcție de undă deterministă, de ce nu putem anticipa rezultate exacte pentru măsurători, ci doar probabilități? Întrebarea generală: Cum se poate stabili o relație între realitatea cuantică și cea clasică?

Pisica lui Schrödinger

Pisica lui Schrodinger
Sursa: https://en.wikipedia.org/wiki/File:Schrodingers_cat.svg 

(În experimentul pisicii lui Schrödinger, o pisică este în mod paradoxal vie și moartă în același timp.)

Cel mai cunoscut exemplu este „paradoxul” pisicii lui Schrödinger. Un mecanism este aranjat pentru a omorî o pisică dacă apre un eveniment cuantic, cum ar fi dezintegrarea unui atom radioactiv. Astfel, soarta unui obiect pe scară largă, pisica, este inseparată cu soarta unui obiect cuantic, atomul. Înainte de observare, conform ecuației Schrödinger, pisica se pare că evolua într-o combinație liniară de stări care pot fi caracterizate ca o „pisică vie“ și stări care pot fi caracterizate ca o „pisică moartă“. Fiecare dintre aceste posibilități este asociată cu o amplitudine specifică de probabilitate nonzero; pisica pare a fi într-un tip de stări ”combinate” numit „suprapunere cuantică”. Cu toate acestea, o singură observație particulară a pisicii nu măsoară probabilitățile: întotdeauna se găsește o pisică vie sau o pisică moartă. După măsurare pisica este definitiv vie sau moartă. Întrebarea este: Cum se convertesc probabilitățile într-un rezultat real, bine definit?

Interpretări

Interpretarea de la Copenhaga este cea mai veche și probabil cea mai răspândită interpretare a mecanicii cuantice. La modul general ea consideră ceva în actul de observație care are ca rezultat colapsul funcției de undă. Conform interpretării von Neumann-Wigner, agentul cauzator în acest colaps este conștiința. Cum ar putea să se întâmple acest lucru este larg contestat.

Interpretarea multor lumi a lui Hugh Everett încearcă să rezolve problema sugerând că este vorba de o singură funcție de undă, de suprapunerea întregului univers, și nu colapsează niciodată – deci nu există nicio problemă de măsurare. În schimb, actul de măsurare este pur și simplu o interacțiune între entitățile cuantice, de exemplu observarea, instrumentul de măsurare, electron/positron, etc., care devin inseparabile pentru a forma o singură entitate mai mare, de exemplu pisica vie/omul de știință. Everett a încercat, de asemenea, să demonstreze modul în care apar măsurătorile de natură probabilistică în mecanica cuantică; lucrarea a fost extinsă ulterior de Bryce DeWitt.

Teoria lui De Broglie-Bohm încearcă să rezolve problema foarte diferit: informația descrie sistemul care conține nu numai funcția de undă, dar și date suplimentare (o traiectorie) care dă poziția particulelor. Rolul funcției de undă este de a genera câmpul de viteză pentru particule. Aceste viteze sunt de așa natură încât distribuția de probabilitate a particulei rămâne în concordanță cu predicțiile mecanicii ortodoxe cuantice. Conform teoriei lui Broglie-Bohm, interacțiunea cu mediul în timpul unei proceduri de măsurare nu este o problemă.

Teoria Ghirardi-Rimini-Weber diferă de alte teorii de colaps, propunând opcurența spontană a colapsului funcției de val. Particulele au o probabilitate diferită de zero de a suferi o lovire sau o colapsare spontană a funcției de undă, de ordineul o dată la fiecare o sută de milioane de ani. Deși colapsul este extrem de rar, numărul mare de particule dintr-o măsurătoare a sistemului face ca probabilitatea unui colaps undeva în sistem să fie mare. Deoarece întregul sistem de măsurare este inseparat (prin inseparare cuantică), colapsul unui singur sistem de particule inițiază colapsul întregului aparat de măsurare.

Erich Joos și Heinz-Dieter Zeh susțin că fenomenul decoerenței cuantice, care a fost pus pe un teren ferm în anii 1980, rezolvă problema. Ideea este că mediul provoacă apariția clasică a obiectelor macroscopice. Zeh susține în continuare că decoerența face posibilă identificarea limitei fuzzy dintre microlumea cuantică și lumea în care intuiția clasică este aplicabilă. Decoerența cuantică a fost propusă în contextul interpretării multor lumi, dar ea a devenit, de asemenea, o parte importantă a unor actualizări moderne ale interpretării de la Copenhaga bazate pe istorii consistente. Decoerența cuantică nu descrie procesul actual al colapsului funcției, dar explică conversia probabilităților cuantice (care prezintă efecte de interferență) la probabilitățile ordinare clasice.

Situația actuală se clarifică încet, după cum se arată într-o lucrare recentă a lui Schlosshauer:

”Mai multe propuneri fără legătură cu decoerența au fost prezentate în trecut pentru a elucida sensul probabilităților și a ajunge la regula Born … Este corect să spunem că se pare nu s-a ajuns la nicio concluzie decisivă cu privire la succesul acestor derivații…

”După cum se știe, multe lucrări ale lui Bohr insistă asupra rolului fundamental al conceptelor clasice. Dovezile experimentale pentru suprapuneri de stări distincte macroscopic la scară largă merg în această direcție. Suprapunerile par a fi stări noi și existente individuale, adesea fără omologi clasici. Numai interacțiunile fizice dintre sisteme determină apoi o descompunere particulară în stările clasice ale sistemului. Astfel conceptele clasice trebuie înțelese ca emergență locală într-un sens de stare relativă și nu mai trebuie să se pretindă un rol fundamental în teoria fizică.”

O a patra abordare este dată de modelele de colaps obiectiv. În astfel de modele, ecuația Schrödinger este modificată și se obțin termeni neliniari. Aceste schimbări neliniare sunt de natură stocastică și conduc la un comportament care pentru obiecte cuantice microscopice, de ex. electroni sau atomi, nu se poate măsura aproape de cel dat de ecuația obișnuită Schrödinger. Cu toate acestea, pentru obiectele macroscopice, modificarea neliniară devine importantă și induce colapsul funcției de undă. Modelele colapsului obiectiv sunt teorii efective. Modificarea stocastică este considerată a fi a unui câmp extern non-cuantic, dar natura acestui câmp este necunoscută. Un candidat posibil este interacțiunea gravitațională ca în modelele lui Diósi și Penrose. Principala diferență a modelelor de colaps obiectiv comparativ cu celelalte abordări este aceea că acestea fac previziuni falsificabile care diferă de mecanica cuantică standard. Experimentele se apropie deja de regimul de parametri în care aceste predicții pot fi testate.

O soluție interesantă pentru rezolvarea problemei de măsurare este, de asemenea, furnizată de interpretarea măsurătorilor ascunse ale mecanicii cuantice. Ipoteza de la baza acestei abordări este că într-o măsurare tipică cuantică există o condiție a lipsei de cunoaștere cu privire la interacțiunea dintre entitățile măsurate și aparatul de măsură este actualizat la fiecare rulare a experimentului. Se poate arăta apoi că regula Born poate fi derivată luând în considerare o medie uniformă peste toate aceste posibile interacțiuni de măsurare.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *