Colapso de la función de onda

Conciencia de colapso de la función de onda

¿Por qué tantos físicos y filósofos de la ciencia serios están tan descontentos con este concepto, que era una parte fundamental de la teoría «ortodoxa» propuesta a finales de los años 20 por los «fundadores» de la mecánica cuántica: Werner Heisenberg, Niels Bohr, Max Born, Paul Dirac, Wolfgang Pauli y Pascual Jordan?

Podemos dar la respuesta más sencilla en una sola palabra: azar. Albert Einstein, el científico más importante de todos los tiempos (e irónicamente el descubridor del azar en la mecánica cuántica, que no le gustaba pero que nunca negó que formara parte de la teoría cuántica, hasta donde se podía llegar en su época) se opuso rotundamente a la idea de «incertidumbre» o «indeterminismo», la idea de que algunas cosas del universo no estaban causadas (o sólo lo estaban estadísticamente).

La idea de la función de onda en la mecánica cuántica y su colapso indeterminista durante una medición es sin duda el problema más controvertido de la física actual. De las diversas «interpretaciones» de la mecánica cuántica, más de la mitad niegan el colapso de la función de onda. Algunas de ellas niegan los saltos cuánticos e incluso la existencia de partículas.

Generación de procedimientos de colapso de la función de onda

Sé que la función de onda es una probabilidad de la ubicación de la partícula, y que disparar los electrones a través de las dobles rendijas provoca un patrón de interferencia asociado a múltiples ondas. Esto, aunque no tiene sentido intuitivo (en relación a cómo algo puede existir como una onda), es algo que puedo seguir.

Sin embargo, he leído/escuchado que un «observador» colapsa la función de onda en un solo punto. Esto es lo que hizo que los electrones aparecieran en la pared detrás de la rendija; sin embargo, Feynman (hay que admitirlo, como un experimento mental) sugirió que poner un «observador» antes de las rendijas haría que los electrones volaran a través de ellas como partículas, y no dejarían ningún patrón de interferencia en la pared trasera.

Cuando el electrón interactúa con cualquier otro sistema de tal manera que el comportamiento del otro sistema depende del del electrón (por ejemplo, registra una cosa si el electrón fue a la izquierda y otra si fue a la derecha), entonces el electrón ya no tiene una función de onda propia: el sistema electrón+»detector» tiene un estado conjunto. Los dos están entrelazados.

Gif del colapso de la función de onda

El colapso de la función de onda se produce siempre que el sistema cuántico descrito inicialmente por la función de onda se enreda con el entorno, es decir, con la parte del Universo que no fue rastreada por la función de onda. Puede tratarse de un ser humano, pero también podría ser una cámara de vídeo. Si la función de onda inicial describía el sistema observado y la cámara, entonces el colapso se produce cuando el estado de ambos se enreda con otra cosa, cuyo ser un ser vivo vuelve a ser irrelevante.

Dividimos el «universo» en el sistema (la pequeña cosa que nos importa) y el entorno (lo que modelamos clásicamente). El colapso se produce cada vez que el sistema interactúa con el entorno o lanza una partícula al entorno (ambas cosas se llaman «mediciones»). La naturaleza de dicha interacción determina cómo colapsamos la función de onda.

Tenemos un compromiso de precisión-velocidad: si hacemos el sistema demasiado grande, perdemos tiempo, pero seguimos obteniendo la respuesta correcta. Si hacemos el sistema demasiado pequeño, corremos el riesgo de obtener una respuesta errónea: Nuestras matemáticas suponen que aquello con lo que el sistema interactúa no está previamente enredado con el sistema. Las interacciones entre las cosas generan enredo, rompiendo esta suposición. Afortunadamente, la mayoría de los entornos diluyen esto hasta hacerlo insignificante para la elección «obvia» de lo que pertenece al «entorno».

Experimento de colapso de la función de onda

En una de las primeras clases sobre QM siempre nos enseñan sobre el experimento de Young y cómo las partículas se comportan como ondas o como partículas dependiendo de si son observadas o no. Quiero saber qué es lo que provoca este cambio en la observación.

Un electrón, de hecho cualquier partícula, no es ni una partícula ni una onda. Describir el electrón como una partícula es un modelo matemático que funciona bien en algunas circunstancias, mientras que describirlo como una onda es un modelo matemático diferente que funciona bien en otras circunstancias. Cuando eliges hacer un cálculo del comportamiento del electrón que lo trata como una partícula o como una onda, no estás diciendo que el electrón es una partícula o es una onda: sólo estás eligiendo el modelo matemático que hace más fácil hacer el cálculo.

La siguiente pregunta es: ¿qué es entonces un electrón? Por el momento, nuestra mejor descripción es que el electrón es una excitación de un campo cuántico. El uso de la teoría cuántica de campos nos permite calcular el comportamiento de los electrones, tanto si están implicados en interacciones de tipo partícula como de tipo onda. Esto no significa que el electrón sea un campo cuántico, y es casi seguro que sustituiremos la teoría cuántica de campos por otra aún más complicada, por ejemplo, algún desarrollo futuro de la teoría de cuerdas.