Problema de medição - Measurement problem

Na mecânica quântica , o problema de medição considera como, ou se, ocorre o colapso da função de onda . A incapacidade de observar tal colapso diretamente deu origem a diferentes interpretações da mecânica quântica e apresenta um conjunto-chave de questões que cada interpretação deve responder.

A função de onda na mecânica quântica evolui deterministicamente de acordo com a equação de Schrödinger como uma superposição linear de diferentes estados. No entanto, as medições reais sempre encontram o sistema físico em um estado definido. Qualquer evolução futura da função de onda é baseada no estado em que o sistema foi descoberto quando a medição foi feita, o que significa que a medição "fez algo" ao sistema que não é obviamente uma consequência da evolução de Schrödinger . O problema de medição é descrever o que é esse "algo", como uma superposição de muitos valores possíveis se torna um único valor medido.

Para expressar as coisas de maneira diferente (parafraseando Steven Weinberg ), a equação de onda de Schrödinger determina a função de onda em qualquer momento posterior. Se os observadores e seus aparatos de medição são descritos por uma função de onda determinística, por que não podemos prever resultados precisos para medições, mas apenas probabilidades? Como uma questão geral: como estabelecer uma correspondência entre a realidade quântica e a realidade clássica?

gato de Schrodinger

Um experimento mental frequentemente usado para ilustrar o problema da medição é o "paradoxo" do gato de Schrödinger . Um mecanismo é organizado para matar um gato se um evento quântico, como a decadência de um átomo radioativo, ocorrer. Assim, o destino de um objeto de grande escala, o gato, está emaranhado com o destino de um objeto quântico, o átomo. Antes da observação, de acordo com a equação de Schrödinger e numerosos experimentos com partículas, o átomo está em uma superposição quântica , uma combinação linear de estados decaídos e não decaídos, que evoluem com o tempo. Portanto, o gato também deve estar em uma superposição, uma combinação linear de estados que podem ser caracterizados como um "gato vivo" e estados que podem ser caracterizados como um "gato morto". Cada uma dessas possibilidades está associada a uma amplitude de probabilidade diferente de zero específica . No entanto, uma única observação particular do gato não encontra uma superposição: ele sempre encontra um gato vivo ou um gato morto. Após a medição, o gato está definitivamente vivo ou morto. A questão é: Como as probabilidades são convertidas em um resultado clássico real e bem definido?

Interpretações

As visões frequentemente agrupadas como a interpretação de Copenhague são as mais antigas e, coletivamente, provavelmente ainda a atitude mais amplamente aceita sobre a mecânica quântica. N. David Mermin cunhou a frase "Cale a boca e calcule!" para resumir as visões do tipo de Copenhague, um ditado frequentemente atribuído a Richard Feynman e que Mermin mais tarde considerou insuficientemente matizado.

Geralmente, as visões na tradição de Copenhague postulam algo no ato da observação que resulta no colapso da função de onda . Este conceito, embora muitas vezes atribuído a Niels Bohr , foi devido a Werner Heisenberg , cujos escritos posteriores obscureceram muitas divergências que ele e Bohr tiveram durante sua colaboração e que os dois nunca resolveram. Nessas escolas de pensamento, as funções de onda podem ser consideradas informações estatísticas sobre um sistema quântico, e o colapso da função de onda é a atualização dessas informações em resposta a novos dados. Exatamente como entender esse processo continua sendo um tópico de controvérsia.

Bohr ofereceu uma interpretação que é independente de um observador subjetivo, ou medição, ou colapso; em vez disso, um processo "irreversível" ou efetivamente irreversível causa a decadência da coerência quântica que confere o comportamento clássico de "observação" ou "medição".

Hugh Everett 's muitos mundos interpretação tentativas para resolver o problema, sugerindo que existe apenas uma função de onda, a sobreposição da totalidade do universo, e ele nunca entra em colapso-assim não há nenhum problema de medição. Em vez disso, o ato de medição é simplesmente uma interação entre entidades quânticas, por exemplo, observador, instrumento de medição, elétron / pósitron etc., que se enredam para formar uma única entidade maior, por exemplo, gato vivo / cientista feliz . Everett também tentou demonstrar como a natureza probabilística da mecânica quântica apareceria nas medições, um trabalho posteriormente estendido por Bryce DeWitt . No entanto, os proponentes do programa Everettiano ainda não chegaram a um consenso sobre a maneira correta de justificar o uso da regra de Born para calcular probabilidades.

A teoria de De Broglie-Bohm tenta resolver o problema de medição de maneira muito diferente: a informação que descreve o sistema contém não apenas a função de onda, mas também dados suplementares (uma trajetória) dando a posição da (s) partícula (s). O papel da função de onda é gerar o campo de velocidade para as partículas. Essas velocidades são tais que a distribuição de probabilidade da partícula permanece consistente com as previsões da mecânica quântica ortodoxa. De acordo com a teoria de de Broglie-Bohm, a interação com o ambiente durante um procedimento de medição separa os pacotes de ondas no espaço de configuração, que é de onde o colapso aparente da função de onda vem, mesmo que não haja colapso real.

Uma quarta abordagem é dada por modelos de colapso objetivo . Em tais modelos, a equação de Schrödinger é modificada e obtém termos não lineares. Essas modificações não lineares são de natureza estocástica e levam a um comportamento que, para objetos quânticos microscópicos, por exemplo, elétrons ou átomos, é incomensuravelmente próximo ao dado pela equação de Schrödinger usual. Para objetos macroscópicos, no entanto, a modificação não linear torna-se importante e induz o colapso da função de onda. Modelos de colapso objetivo são teorias eficazes . Acredita-se que a modificação estocástica se origine de algum campo não quântico externo, mas a natureza desse campo é desconhecida. Um possível candidato é a interação gravitacional como nos modelos de Diósi e Penrose . A principal diferença dos modelos de colapso objetivo em comparação com as outras abordagens é que eles fazem previsões falsificáveis que diferem da mecânica quântica padrão. Os experimentos já estão se aproximando do regime de parâmetros onde essas previsões podem ser testadas. A teoria de Ghirardi – Rimini – Weber (GRW) propõe que o colapso da função de onda acontece espontaneamente como parte da dinâmica. As partículas têm uma probabilidade diferente de zero de sofrer um "golpe", ou colapso espontâneo da função de onda, da ordem de uma vez a cada cem milhões de anos. Embora o colapso seja extremamente raro, o número absoluto de partículas em um sistema de medição significa que a probabilidade de um colapso ocorrer em algum lugar do sistema é alta. Uma vez que todo o sistema de medição está emaranhado (por emaranhamento quântico), o colapso de uma única partícula inicia o colapso de todo o aparato de medição. Como a teoria GRW faz previsões diferentes da mecânica quântica ortodoxa em algumas condições, ela não é uma interpretação da mecânica quântica em sentido estrito.

O papel da decoerência

Erich Joos e Heinz-Dieter Zeh afirmam que o fenômeno da decoerência quântica , que foi consolidado na década de 1980, resolve o problema. A ideia é que o ambiente provoca o aparecimento clássico de objetos macroscópicos. Zeh afirma ainda que a decoerência torna possível identificar a fronteira difusa entre o micromundo quântico e o mundo onde a intuição clássica é aplicável. A decoerência quântica se torna uma parte importante de algumas atualizações modernas da interpretação de Copenhague com base em histórias consistentes . A decoerência quântica não descreve o colapso real da função de onda, mas explica a conversão das probabilidades quânticas (que exibem efeitos de interferência ) para as probabilidades clássicas comuns. Veja, por exemplo, Zurek, Zeh e Schlosshauer.

A situação atual está lentamente se esclarecendo, descrita em um artigo de 2006 por Schlosshauer como segue:

Várias propostas não relacionadas à decoerência foram apresentadas no passado para elucidar o significado das probabilidades e chegar à regra de Born ... É justo dizer que nenhuma conclusão decisiva parece ter sido alcançada quanto ao sucesso dessas derivações. ...

Como é bem sabido, [muitos artigos de Bohr insistem] no papel fundamental dos conceitos clássicos. A evidência experimental de superposições de estados macroscopicamente distintos em escalas de comprimento cada vez maiores contesta essa afirmação. As superposições parecem ser estados novos e individualmente existentes, muitas vezes sem quaisquer contrapartes clássicas. Somente as interações físicas entre os sistemas determinam uma decomposição particular em estados clássicos do ponto de vista de cada sistema particular. Assim, os conceitos clássicos devem ser entendidos como localmente emergentes em um sentido de estado relativo e não devem mais reivindicar um papel fundamental na teoria física.

Veja também

Para um tratamento mais técnico da matemática envolvida no tópico, consulte Medição em mecânica quântica .

Referências e notas

Leitura adicional