Siempre que la precisión de las mediciones se acerca al límite de incertidumbre fijado por la mecánica cuántica, los resultados pasan a depender de la dinámica de interacción entre el dispositivo de medición y el sistema. Este hallazgo podría explicar por qué los experimentos cuánticos producen a menudo resultados discordantes y pueden contradecir supuestos básicos sobre la realidad física.
Análisis y resultados de la investigación
Dos físicos cuánticos de la Universidad de Hiroshima analizaron recientemente la dinámica de una interacción de medición, en la que el valor de una propiedad física se identifica con un cambio cuantitativo en el estado del medidor. Se trata de un problema difícil, porque la teoría cuántica no identifica el valor de una propiedad física a menos que el sistema se encuentre en uno de los llamados "estados propios" de esa propiedad física, un conjunto muy pequeño de estados cuánticos especiales para los que la propiedad física tiene un valor fijo.
Los investigadores resolvieron este problema fundamental combinando información sobre el pasado del sistema con información sobre su futuro en una descripción de la dinámica del sistema durante la interacción de la medición, demostrando que los valores observables de un sistema físico dependen de la dinámica de la interacción de la medición por la cual son observados.
© Tomonori Matsushita and Holger F. Hofmann, Hiroshima UniversitySegún la teoría cuántica, los resultados de las mediciones están determinados por los cambios en la relación entre el pasado y el futuro de un sistema causados por la interacción de medición.
"Hay mucho desacuerdo sobre la interpretación de la mecánica cuántica porque los distintos resultados experimentales no pueden conciliarse con la misma realidad física", afirma Holger Hofmann, profesor de la Escuela de Posgrado de Ciencia e Ingeniería Avanzadas de la Universidad de Hiroshima (Japón).
"En este trabajo, investigamos cómo las superposiciones cuánticas en la dinámica de la interacción de medida dan forma a la realidad observable de un sistema visto en la respuesta de un medidor. Se trata de un gran paso hacia la explicación del significado de "superposición" en mecánica cuántica", afirma Hofmann.
Superposición y realidad física
En mecánica cuántica, una superposición describe una situación en la que dos realidades posibles parecen coexistir, aunque puedan distinguirse claramente cuando se realiza una medición adecuada. El análisis del estudio del equipo sugiere que las superposiciones describen distintos tipos de realidad cuando se realizan mediciones diferentes. La realidad de un objeto depende de las interacciones de este con su entorno.
"Nuestros resultados demuestran que la realidad física de un objeto no puede separarse del contexto de todas sus interacciones con el entorno, pasadas, presentes y futuras, lo que aporta pruebas contundentes contra la creencia generalizada de que nuestro mundo puede reducirse a una mera configuración de bloques de construcción materiales", afirma Hofmann.
Según la teoría cuántica, el desplazamiento del medidor que representa el valor de la propiedad física observada en una medición depende de la dinámica del sistema causada por las fluctuaciones de la acción de retroceso por la que el medidor perturba el estado del sistema. Las superposiciones cuánticas entre las distintas dinámicas posibles del sistema conforman la respuesta del medidor y le asignan valores específicos.
Los autores explicaron además que las fluctuaciones de la dinámica del sistema dependen de la fuerza de la interacción de medición. En el límite de las interacciones débiles, las fluctuaciones de la dinámica del sistema son insignificantes y el desplazamiento del medidor puede determinarse a partir de la ecuación de Hamilton-Jacobi, una ecuación diferencial clásica que expresa la relación entre una propiedad física y la dinámica asociada a ella.
Cuando la interacción de medida es más fuerte, se observan complicados efectos de interferencia cuántica entre las distintas dinámicas del sistema. Las mediciones totalmente resueltas requieren una aleatorización completa de la dinámica del sistema. Esto corresponde a una superposición de todas las dinámicas posibles del sistema, donde los efectos de interferencia cuántica seleccionan sólo aquellos componentes del proceso cuántico que corresponden a los valores propios de la propiedad física.
Los eigenvalores son los valores que la mecánica cuántica general asigna a los resultados de las mediciones -número exacto de fotones, espín arriba o espín abajo, etc.-. Como muestran los nuevos resultados, estos valores son el resultado de la completa aleatorización de la dinámica. Hay que considerar valores diferentes cuando la dinámica del sistema no está completamente aleatorizada por la medición.
Implicaciones para la comprensión de las medidas cuánticas
Curiosamente, esta observación ofrece una nueva perspectiva sobre el uso de los resultados de las mediciones en las descripciones de la realidad. Es habitual asumir que las partículas localizadas o los valores enteros de espín son elementos de la realidad independientes de las mediciones, pero los resultados de esta investigación sugieren que estos valores sólo se crean por interferencias cuánticas en mediciones suficientemente fuertes. Nuestra comprensión del significado de los datos experimentales podría necesitar una revisión fundamental.
Hofmann y su equipo esperan seguir aclarando los resultados contradictorios observados en muchos experimentos cuánticos. "Las realidades dependientes del contexto pueden explicar una amplia gama de efectos cuánticos aparentemente paradójicos. Ahora estamos trabajando en mejores explicaciones de estos fenómenos. En última instancia, el objetivo es desarrollar una comprensión más intuitiva de los conceptos fundamentales de la mecánica cuántica que evite los malentendidos causados por una creencia ingenua en la realidad de los objetos microscópicos", afirma Hofmann.
Referencia: "Dependence of measurement outcomes on the dynamics of quantum coherent interactions between the system and the meter" por Tomonori Matsushita y Holger F. Hofmann, 31 de julio de 2023, Physical Review Research.
DOI: 10.1103/PhysRevResearch.5.033064
El estudio fue financiado por la Agencia de Ciencia y Tecnología de Japón.
Comentario: Pensemos en las implicaciones que esto tiene para nuestro planeta, donde miles de millones de personas perciben y evalúan el mundo a través de las mentiras de los grandes medios de comunicación; ¿qué impacto debe tener esto en ellos, así como en la propia realidad?
Sin embargo, también parece que muchas de esas mismas personas se están dando cuenta rápidamente de los engaños y están empezando a ver la realidad con más precisión, y uno se pregunta ¿qué impacto, si lo hay, tendrá esto en ellos como personas, así como en la realidad que se está observando?