Problema di misurazione quantistica

Il problema della misurazione quantistica consiste infatti in un insieme di problemi, che evidenziano le difficoltà di correlazione tra i postulati della meccanica quantistica e il mondo macroscopico come ci appare o come viene misurato.

Questi problemi sono:

1. Poiché l'evoluzione della funzione d'onda è causale e deterministica ( postulato 6 ), e rappresenta tutte le informazioni conoscibili su un sistema ( postulato 1 ), perché il risultato di una misurazione quantistica è fondamentalmente indeterministico ( postulato 4 e postulato 5 )?
2. Poiché l'evoluzione della funzione d'onda è lineare e unitaria ( postulato 6 ), come possono scomparire le sovrapposizioni quantistiche ( postulato 5 ), mentre la linearità / unitarietà porta naturalmente a una conservazione degli stati sovrapposti?

Anche se questi due problemi sono correlati, è importante distinguerli perché alcune soluzioni come la decoerenza forniscono una risposta al problema 2, ma non al problema 1.

Presentazione

Storico

Il problema della misurazione fu formalizzato per la prima volta da John von Neumann nel 1932 nel suo libro The Mathematical Foundations of Quantum Mechanics (Capitolo VI). Successivamente, nel 1935, fu reso popolare da Erwin Schrödinger con il suo famoso "  paradosso del gatto  ".

Dal momento che questo problema è stato oggetto di molti dibattiti e ancora nel XXI °  secolo oggetto di controversia, anche se le soluzioni sono stati stabiliti e sono accettati dalla maggior parte (ma non tutti) dei fisici.

Presentazione approfondita

Ricordiamo rapidamente i postulati della meccanica quantistica discussi nel resto dell'articolo:

• postulato 1  : postulato dello stato quantistico
• postulato 2  : principio di corrispondenza
• postulato 3  : postulato di misurazione
• postulato 4  : interpretazione probabilistica
• postulato 5  : postulato della riduzione del pacchetto d'onda
• postulato 6  : postulato di evoluzione unitaria

Il problema della misurazione consiste infatti in un insieme di problemi, che evidenziano le difficoltà di correlazione tra i postulati della meccanica quantistica e il mondo macroscopico come ci appare o come viene misurato.

Questi problemi sono:

• PMQ1  : L'evoluzione della funzione d'onda essendo causale e deterministica (postulato 6), e rappresentando tutte le informazioni conoscibili su un sistema (postulato 1), perché il risultato di una misurazione quantistica è fondamentalmente indeterministico (postulato 4 e postulato 5)?

• PMQ2  : L'evoluzione della funzione d'onda essendo lineare e unitaria (postulato 6), come possono scomparire le sovrapposizioni quantistiche (postulato 5), mentre la linearità / unità porta naturalmente a una conservazione degli stati sovrapposti?

Anche se questi due problemi sono correlati, è importante distinguerli perché alcune soluzioni come la decoerenza forniscono una risposta a PMQ2, ma non a PMQ1.

Sviluppo e spiegazione

Il postulato 5 può essere visto come matematicamente e logicamente incoerente con il postulato 6. Infatti, secondo i postulati 1 e 6, lo stato fisico e la sua evoluzione sono completamente e completamente descritti da un vettore e la sua evoluzione dall'equazione di Schrödinger . Il postulato 5 (che descrive anche una certa “evoluzione” della funzione d'onda ) non ha quindi alcuna ragione logica di esistere e dovrebbe normalmente essere “contenuto” in modo nascosto nel postulato 6 se il postulato 1. è corretto.

Tuttavia, è difficile vedere, a priori , come il postulato 5 potrebbe essere derivato dal postulato 6:

• Secondo John von Neumann , l'evoluzione unitaria della funzione d'onda descritta dal postulato 6 è termodinamicamente reversibile , mentre il collasso della funzione d'onda descritto dal postulato 5 è termodinamicamente irreversibile . Possiamo riformulare questa osservazione dicendo che l'evoluzione unitaria è causale, o deterministica, mentre il collasso della funzione d'onda è acausale e indeterministico (PMQ1).

• Un altro grosso problema con PMQ1 è che il risultato di una misurazione è unico , mentre la funzione d'onda descrive una realtà multipla e non conduce - matematicamente e fisicamente - a una singola realtà. Anche in questo caso, c'è conflitto e incoerenza tra il postulato 5 e il postulato 6. È il "problema dell'unicità" ( Roland Omnès ) o il problema dell '"o-e" ( John Bell ).

• L'evoluzione della funzione d'onda ha un carattere fondamentalmente continuo , mentre il collasso della funzione d'onda ha un carattere discontinuo (legato al PMQ2).

• Infine, e soprattutto, l'evoluzione descritta nel postulato 6 è unitaria , vale a dire che preserva la norma e quindi il prodotto scalare. Tuttavia, il processo descritto dal postulato 5 è fondamentalmente non unitario e non mantiene il prodotto scalare, poiché c'è proiezione . Ad un certo momento, la probabilità (che è - postulato 4 - data da un prodotto scalare) di trovarsi in un certo stato è ad un certo valore 0 < P <1, e all'istante successivo (secondo il postulato 5) questo la probabilità diventa 1 o 0 (PMQ2).

Si pone anche la questione, in relazione a questo problema, di sapere quando (o su quali criteri) utilizzare il postulato 5 piuttosto che il postulato 6 (o viceversa) per affrontare l'evoluzione di un sistema. Non esiste un criterio matematico formale per sapere se è necessario, di fronte a un certo sistema quantistico, utilizzare l'uno o l'altro piuttosto per affrontare la sua evoluzione.

Quest'ultima domanda è di capitale importanza per quanto riguarda il calcolo quantistico poiché quest'ultimo poggia sulla padronanza dell'evoluzione di un sistema quantistico, e l'applicazione del postulato 5 (ottenendo il risultato di un algoritmo quantistico) rispetto al postulato 6 (che governa il meccanismo dell'algoritmo quantistico stesso). Ci sono quindi, in relazione a questo problema, nuovi elementi di risposta da attendersi dallo sviluppo di questa disciplina.

Soluzioni

Queste considerazioni hanno portato molti fisici a mettere in discussione il postulato 1 (teorie con variabili nascoste non locali, intervento della coscienza) o il postulato 5 (universi multipli, decoerenza). L'unica soluzione che non mette in discussione alcun postulato è l' interpretazione di Copenhagen .

Non esiste ancora una soluzione unanimemente riconosciuta dalla comunità dei fisici, anche se alcune sono più accettate di altre.

Approccio positivista

Secondo l'approccio positivista, la meccanica quantistica non intende descrivere la realtà. Questo approccio si basa sull'osservazione che non vi è alcun problema reale a meno che non si consideri che i postulati della meccanica quantistica hanno una certa ontologia e descrivono (almeno parzialmente) la realtà. Se prendiamo la posizione che i postulati non descrivono la realtà in sé , ma ciò che possiamo pragmaticamente sapere su di essa, allora questi problemi diventano privi di significato perché questi problemi non riguardano più la realtà in sé, ma un assiomatico che è "così com'è" e che non deve giustificare le sue incongruenze purché dia risultati corretti a tutti gli effetti. Ancor meno deve giustificare la mancanza di coerenza tra il suo formalismo e le nostre idee preconcette su come dovrebbe essere il mondo. Come scrive WH Zurek  : "L'unico fallimento della meccanica quantistica è che non poteva essere d'accordo con i nostri pregiudizi".

Questo approccio pragmatico e positivista è inoltre l'essenza dell'interpretazione di Copenhagen della fisica quantistica.

Interpretazione di Copenaghen

Questo approccio si basa sulla convinzione che la meccanica quantistica sia solo una descrizione di tutto ciò che possiamo sapere sulla realtà, ma non descrive la realtà stessa.

Inoltre, essendo di obbedienza positivista, questo approccio nega che il concetto di "realtà" abbia un significato scientifico, e qualsiasi ragionamento o problema di natura scientifica in relazione a una "realtà" è escluso. In particolare, questa interpretazione afferma che la questione di sapere quale sia lo stato reale di una particella tra due misurazioni non ha senso.

Stephen Hawking riassume bene questo approccio, con il senso della frase: “Non sto chiedendo che una teoria corrisponda alla realtà, perché non so cosa sia la realtà. Non è qualcosa che può essere testato con carta pH . Tutto ciò che conta per me è che la teoria predice correttamente il risultato di un esperimento. "

Questo approccio è al XXI °  secolo, la "soluzione ufficiale" del problema di misura, ed è un parere di maggioranza tra i fisici, anche se un numero crescente di essi stanno pagando interesse per la teoria della decoerenza .

Fisici rappresentativi di questo approccio

Niels Bohr (ideatore dell'interpretazione di Copenhagen), Stephen Hawking

Altri approcci positivisti

Dall'interpretazione di Copenhagen, la corrente positivista ha continuato a commentare il problema della misurazione, tenendo conto dell'epistemologia moderna. Oltre a fisici, epistemologi e filosofi hanno affrontato questo problema.

Corrente wittgensteiniana

Questa corrente tenta di dimostrare che il problema della misurazione è un problema dovuto all'imprecisione del linguaggio in cui è formulata la teoria quantistica da un lato e il paradosso stesso dall'altro.

Esempio 1

Frase 1: "Dopo aver preparato gatto di Schrödinger è in stato di  : . " (|viovanont⟩+|mort⟩)/2{\ displaystyle {(| alive \ rangle + | dead \ rangle)} / {\ sqrt {2}}}

Frase 2: "Abbiamo scoperto sperimentalmente che il gatto è nello stato " vivente "sia nello stato " morte ". "

Senza la parola comune stato , le due frasi non si contraddirebbero a vicenda.

Nella frase 1, è uno stato dinamico: "Come si evolverebbe il sistema se fosse isolato? "

Nella frase 2, è uno stato di valore: "Quali osservabili hanno un valore, e qual è quel valore?" "

Esempio 2

“Qual è la soluzione al problema di misurazione? Dico che è questo: quando misuriamo X con autostati , il risultato è osservato con la probabilità :, dove è lo stato iniziale. Questo è ciò su cui torniamo, e sarà anche un buon punto di partenza "( S. Saunders , 1994) |Xio⟩{\ displaystyle | X_ {i} \ rangle}Xio{\ displaystyle x_ {i}}|⟨ψ|Xio⟩|2{\ displaystyle | \ langle \ psi | X_ {i} \ rangle | ^ {2}}|ψ⟩{\ displaystyle | \ psi \ rangle}

Negazione del postulato 5

Alcuni positivisti seguono la stessa strada della teoria della decoerenza (vedi sotto) per risolvere il PMQ2, negando il postulato 5 . Questa posizione è quella dei positivisti più grandi e più “duri” (i positivisti standard prescrivono solo usando il Postulato 5 come una “ricetta” utile). Bas van Fraassen scrive: "Né il postulato della proiezione né alcun altro principio di interpretazione è necessario per spiegare la ripetibilità". Non è necessario "ridurre" il vettore di stato per tenere conto delle informazioni acquisite durante una sequenza di esperimenti precedenti. Non occorre in particolare “ridurlo” per spiegare che la probabilità di ripetere lo stesso risultato in caso di una seconda identica misura subito dopo è uguale a 1. Lo “stato dinamico” non deve essere modificato improvvisamente; si evolve, si intreccia , ma non deve mai essere "ridotto". Roland Omnès , lungi dall'essere un positivista, ha dimostrato che possiamo fare a meno del postulato 5 . A seconda del risultato, non è essenziale seguire la consueta sequenza: (a) preparazione, (b) definizione di un vettore di stato, (c) prima misurazione, (d) riduzione del vettore di stato, quindi (e) calcolo del probabilità per il risultato di una nuova misurazione dal vettore di stato ridotto. Possiamo invece calcolare, direttamente dal vettore di stato iniziale, la probabilità condizionata di ottenere un risultato durante la seconda misurazione se tale risultato fosse stato ottenuto per la prima misurazione. Questo risultato supporta la frase di Saunders che suggerisce che tutto ciò di cui si ha bisogno per "interpretare" la meccanica quantistica nel modo più economico possibile è applicare estensivamente il Postulato 4 della valutazione delle probabilità.

Questo approccio, come la teoria della decoerenza, non risponde completamente al PMQ1.

Elementi a favore dell'approccio positivista

• Corrisponde all'epistemologia latente di una parte della comunità dei fisici (vedi Stephen Hawking ): una teoria scientifica deve (quasi per definizione, o almeno in buona pratica) essere di natura positivista: limitarsi a predizioni ed evitare aspetti ontologici .
• Non può essere contraddetto, fintanto che i risultati della misurazione concordano con la teoria.

Elementi a discapito dell'approccio positivista

• Questo approccio non risponde al problema della misurazione, ma afferma che questo problema non ha senso scientifico. Questo può essere considerato insoddisfacente.
• "Questa è una dissoluzione e non una soluzione al problema della misurazione quantistica" ( Michel Bitbol )

Rimane comunque aperta la questione di sapere se questo sia un elemento sfavorevole o favorevole all'interpretazione positivista. Dopotutto, può essere utile in determinate fasi dello sviluppo della scienza mostrare che un problema è mal posto o non esiste. Basti pensare a Galileo che riteneva che non ci fosse bisogno di chiedersi, tra due cellulari in traduzione uniforme l'uno rispetto all'altro, chi è "veramente" fermo e chi "veramente" si muove. All'epoca gli aristotelici lo criticarono per non voler rispondere a una domanda scientifica "reale"; ma Galileo mantenne la sua posizione secondo cui il suo principio di relatività rende priva di significato la questione del movimento "reale".

• La maggior parte degli approcci positivisti non affrontano frontalmente, o passano sotto silenzio, il problema dell'incoerenza matematica tra il postulato 6 e il postulato 5, mentre è un problema puramente matematico e non dipende da nessuna ontologia o terminologia.
• Gli altri tentano di risolvere il problema di incoerenza negando il Postulato 5, ma lasciano PMQ1 non completamente risolto.

Approcci realistici

Contrariamente all'approccio positivista, un certo numero di fisici crede che i postulati della meccanica quantistica ci dicano qualcosa sulla realtà fisica e quindi cercano la coerenza e il significato dei postulati e la loro adeguatezza con la realtà stessa.

La meccanica quantistica descrive totalmente la realtà

I diversi approcci di questa categoria si basano sulla convinzione che i postulati 1 e 6 siano corretti, vale a dire che la realtà è interamente determinata da un vettore di stato , la cui evoluzione è governata dall'equazione di Schrödinger .

Il postulato 5 viene quindi negato o dedotto dal postulato 6.

Mondi multipli o "teoria degli stati relativi"

Questo approccio, avviato da Hugh Everett nel 1957, porta il partito a considerare che tutta la realtà è descritta dal postulato 6 e stipula che il postulato 5 è solo un'illusione .

Ciò significa che, quando una misurazione quantistica può dare più risultati diversi, l'insieme delle sovrapposizioni di tutti i possibili valori della misurazione coesiste in un multiverso , ma saremmo consapevoli solo di un'eventualità perché la nostra coscienza (che è per ipotesi , in questa teoria, un fenomeno puramente fisico) si trova quanticamente entangled con uno e un solo risultato della misurazione.

In altre parole, sia uno stato quantistico che deve essere misurato da un osservabile A, scomposto in un insieme completo di proiettori ortogonali . |ψ⟩{\ displaystyle | \ psi \ rangle} Eio{\ displaystyle E_ {i}}

Secondo il postulato 5, lo stato quantistico evolve in uno stato (determinato casualmente) dopo una misurazione da questo osservabile. |ψ⟩{\ displaystyle | \ psi \ rangle}Eio|ψ⟩{\ displaystyle E_ {i} | \ psi \ rangle}

Secondo la teoria dei mondi multipli, lo stato quantistico , dopo aver misurato lo stesso osservabile, si evolve in: |ψ⟩{\ displaystyle | \ psi \ rangle}

E1|ψ⟩|Etat de vsononSvsioenonvse1⟩+E2|ψ⟩|Etat de vsononSvsioenonvse2⟩+...+Enon|ψ⟩|Etat de vsononSvsioenonvsenon⟩{\ displaystyle E_ {1} | \ psi \ rangle | Stato \ di \ conscience_ {1} \ rangle + E_ {2} | \ psi \ rangle | Stato \ di \ conscience_ {2} \ rangle + ... + E_ {n} | \ psi \ rangle | Stato \ di \ conscience_ {n} \ rangle}

L'osservatore (e la parte dell'universo in entanglement con lui) quindi "si divide" ogni volta che una misurazione quantistica può fornire diversi risultati.

È quindi impossibile, per un dato stato di coscienza, percepire l'insieme degli stati sovrapposti, per quanto reali secondo questa teoria. Questo dà significato al postulato 5 che quindi non descrive la realtà, ma un'illusione dovuta alla nostra coscienza.

Si spiegano quindi PMQ1 e PMQ2: l'aspetto casuale e discontinuo (PMQ1) dell'evoluzione della funzione d'onda, così come la rottura di linearità e unitarietà (PMQ2) è solo un'apparenza ingannevole e n non esiste a livello multiverso.

È importante notare che, sebbene coinvolga la nozione di coscienza, questo approccio deve essere distinto da altri approcci che coinvolgono la coscienza. Nella teoria dei mondi multipli, la coscienza è un fenomeno fisico che rientra interamente nell'ambito del postulato 6 . In altri approcci che coinvolgono la coscienza, la coscienza è al di fuori delle leggi quantistiche o è descritta dalla fisica quantistica modificata. Potremmo parlare altrettanto facilmente di "stato dell'apparato di misura" piuttosto che di "stato di coscienza".

Elementi a favore di questo approccio

• Questo approccio ha il merito di fornire una risposta chiara sia a PMQ1 che a PMQ2.
• Inoltre, va bene (e fornisce ontologia ) al percorso completo di Richard Feynman .
• Fornisce anche una risposta al problema della contrafattualità .

Elementi contro questo approccio

• Non fornisce una risposta chiara sul processo di misurazione stesso:
  • Da che momento, e su quali criteri, entrano in gioco i riflettori e gli universi (e le coscienze) vengono suddivisi?
  • Non fornisce una spiegazione per il postulato 4 (regola per il calcolo delle probabilità)
• L'inconcepibilmente grande numero (o addirittura, secondo d'Espagnat un infinito continuo) di universi paralleli implicati da questa teoria. L'universo è davvero così "costoso"?
• Cosa pensare della moltitudine di "alter ego" che ogni individuo cosciente possiede in questa teoria?

Fisici rappresentativi di questo approccio

Hugh Everett , David Deutsch , John Wheeler , DeWitt e Graham

Decoerenza

Questo approccio mira a dimostrare che il postulato 5 è una conseguenza del postulato 6, sebbene questi due postulati sembrino a priori incompatibili. L'idea di questo approccio è che, se un sistema quantistico non può essere perfettamente isolato, la sua interazione con il suo ambiente porta necessariamente alla scomparsa delle sovrapposizioni quantistiche.

In altre parole, secondo questo approccio, la realtà è effettivamente descritta solo e interamente dal postulato 6, ma il fatto che un sistema quantistico non possa mai essere "puro" e decorato con il suo ambiente comporta la necessità del postulato 5.

La decoerenza è modellata utilizzando il formalismo della matrice di densità . Possiamo quindi mostrare che la matrice di densità corrispondente a un sistema quantistico tende molto rapidamente a diventare diagonale quando questo sistema quantistico viene messo in interazione con un "ambiente". Il fatto che la matrice di densità diventi “diagonale” significa che gli stati sovrapposti (particella in due stati contemporaneamente per esempio) tendono a scomparire. Ci troviamo quindi in una situazione molto vicina a quella prevista dal postulato 5.

È importante notare che il postulato 5 non è strettamente e rigorosamente dimostrato e dedotto da questa teoria. Le differenze rispetto al postulato 5 sono:

• gli elementi non diagonali tendono allo zero ma non diventano mai rigorosamente zero (il che è logico, perché tutto questo si deduce dal postulato 6, che matematicamente non consente la totale scomparsa degli stati sovrapposti, per linearità e unitarietà).
• il collasso non avviene istantaneamente come affermato nel postulato 5, ma in un tempo estremamente breve.
• e soprattutto, lo stato che si ottiene dopo una misurazione non è uno stato scelto tra più stati possibili come stipulato nel postulato 5, ma piuttosto una coesistenza di più stati non correlati (problema dell '"or-and" di John Bell ).

Pertanto, il Postulato 5 è visto da questa teoria solo come un'approssimazione (eccellente) di ciò che effettivamente accade durante un processo di misurazione quantistica.

Questo approccio fornisce quindi una risposta al PMQ2: gli stati sovrapposti tendono a scomparire (diventano non rilevabili), e in pratica possiamo solo rilevare gli stati quantistici aventi un valore definito, da cui il postulato 5.

Al contrario, questo approccio lascia il PMQ1 inspiegabile. Ecco una citazione di Erich Joos su questo argomento: “La decoerenza risolve il problema della misurazione? Certamente no. Ad un certo punto o in un altro dovremo ancora applicare le solite regole probabilistiche della teoria quantistica. Ad esempio, sono nascosti nelle matrici di densità. "

Elementi a favore di questo approccio

• Teoria sufficientemente formalizzata per poter fare previsioni verificabili per esperienza.
• Un numero crescente di esperimenti che mostrano un buon accordo tra teoria e risultati di misurazione).

Elementi contro questo approccio

• Non dice nulla su PMQ1
• Non riproduce del tutto il postulato 5
• Il problema "or-and" di John Bell (vedi Unicità di misura )

Fisici rappresentativi di questo approccio

Hans Dieter Zeh , Wojciech Hubert Zurek , Erich Joos , Serge Haroche

Storie coerenti

Questo approccio è stato proposto da Robert B. Griffiths nel 1984, ed è stato poi ripreso e sviluppato da Roland Omnès 1987 e Murray Gell-Mann nel 1990.

Consiste nel modellare l'evoluzione di un sistema quantistico mediante una "storia coerente". Una storia è una sequenza di sottospazi vettoriali (che, ricordiamolo, secondo il postulato 1, rappresentano ciascuno uno stato quantistico del sistema), a volte . F1,..,Fnon{\ displaystyle F_ {1}, .., F_ {n}}t1,..,tnon{\ displaystyle t_ {1}, .., t_ {n}}

I tempi non sono casuali, ma sono caratterizzati da un evento particolare, o da cambiamenti nelle proprietà del sistema , a seconda dell'esperienza svolta e del sistema descritto. Ogni volta è associato a un osservabile che a sua volta si scompone in un insieme completo di proiettori ortogonali . t1,..,tnon{\ displaystyle t_ {1}, .., t_ {n}}tio{\ displaystyle t_ {i}} Aio{\ displaystyle A_ {i}} Ej{\ displaystyle E_ {j}}

In ogni momento , l'osservabile associato suddivide la storia corrente in n storie diverse, essendo n il numero di proiettori ortogonali dell'osservabile. Ad esempio, da uno stato (un sottospazio vettoriale) alla volta , abbiamo n sottospazi F 2.1 , F 2.2 , .., F 2.n al tempo ecc. Abbiamo quindi un albero della storia che si ramifica ogni volta t. tio{\ displaystyle t_ {i}}Aio{\ displaystyle A_ {i}}F1{\ displaystyle F_ {1}}t1{\ displaystyle t_ {1}}t2{\ displaystyle t_ {2}}

Una storia consiste quindi nel seguire un percorso in questo albero, selezionando di volta in volta t un sottospazio tra tutti quelli possibili.

Tra tutte queste storie, tutti questi percorsi, alcuni sono qualificati come coerenti , se soddisfano determinate condizioni. Queste condizioni esprimono essenzialmente che, quali che siano i sottospazi presi in una storia, gli stati corrispondenti sono privi di interferenza quantistica, cioè si escludono a vicenda. Queste sono le uniche storie trattenute nei calcoli, le altre sono considerate "irreali". (Fio,Fj){\ displaystyle (F_ {i}, F_ {j})}

Questo modello permette di trovare le regole di calcolo delle probabilità descritte dal postulato 4 e di fare alcune previsioni sperimentali verificate. Ciò giustifica che le storie incoerenti siano davvero irreali. In queste condizioni, ciò rende possibile fornire una risposta al PMQ2: gli stati sovrapposti sono irreali, e poiché non partiamo dal postulato 6 per arrivare a questa conclusione (ma da un modello), non c'è contraddizione con il postulato 6, che consente anche di rispondere a PMQ1.

Fisici rappresentativi di questo approccio

Robert B. Griffiths , Roland Omnès , Murray Gell-Mann , Jim Hartle

La meccanica quantistica deve essere cambiata

Le soluzioni viste finora si basano, in tutto o in parte, sui postulati della meccanica quantistica ritenuti corretti. Le soluzioni in questo capitolo, al contrario, considerano che soluzioni reali al problema della misurazione possono essere trovate solo interrogando più o meno fondamentalmente questi postulati.

Broglie / Bohm Pilot Wave

Questo approccio fu ideato nel 1927 dal fisico francese Louis de Broglie per risolvere il problema della dualità onda / particella. L'idea di base è che la realtà quantistica è composta da due componenti fondamentali: un'onda, nota come onda pilota (senza un substrato materiale), e gli stessi corpuscoli. L'onda è governata secondo l'equazione di Schrödinger. I corpuscoli dovrebbero essere "guidati" da questa onda e sarebbe più probabile che seguano una certa direzione nello spazio poiché l'onda ha un modulo elevato in questa regione. La natura fisica dell'onda pilota non è spiegata: è considerata come la manifestazione di variabili nascoste, non locali.

Questo approccio, inizialmente abbandonato da de Broglie, fu perfezionato da David Bohm nel 1952 fino a quando non fu in grado di riprodurre, qualitativamente e quantitativamente, tutte le previsioni della meccanica quantistica standard.

In questo formalismo, la funzione d'onda (onda pilota) non è sufficiente per descrivere completamente lo stato di un sistema, è necessario aggiungervi una posizione (la posizione del centro di massa del sistema). Come per la meccanica classica, dove il rischio è rimosso dalla conoscenza completa e precisa delle condizioni iniziali, il rischio di misurazione nella meccanica quantistica è, secondo questa teoria, rimosso dalla conoscenza della posizione iniziale.

Questa teoria spiega quindi molto bene il problema della misura, perché, per PMQ1, l'indeterminismo è generato da una mancanza di conoscenza iniziale del sistema (considerate come " variabili nascoste "). Inoltre, durante una misurazione, non misuriamo mai la funzione d'onda, ma l'impatto delle particelle e, secondo questa teoria, la posizione delle particelle esiste prima della misurazione. La misurazione rivela solo queste posizioni. Questa teoria spiega quindi molto bene il PMQ2, perché la sovrapposizione quantistica riguarda solo l'onda e non le posizioni.

D'altra parte, questa teoria non potrebbe essere completamente riconciliata con la relatività e non è completamente covariante (vale a dire che le sue leggi non sono espresse allo stesso modo in tutti i quadri di riferimento).

Elementi a favore di questo approccio

• Spiegazione semplice e chiara di PMQ1 e PMQ2.
• Riproduce in modo assoluto tutte le previsioni della meccanica quantistica standard.

Elementi contro questo approccio

• Nessuna previsione aggiuntiva rispetto alla meccanica quantistica standard.
• Si presume che l'onda pilota sia "fisica" senza specificarne la natura.
• Incompatibilità (senza però conseguenza osservativa) con l'assunto di universalità del principio di relatività del moto.

Fisici rappresentativi di questo approccio

Louis de Broglie , David Joseph Bohm , Jean-Pierre Vigier , John Stewart Bell , Basil Hiley , Sheldon Goldstein , Jean Bricmont .

Obiettivo riduzione del pacchetto d'onda

Questo approccio affronta il problema nel modo più frontale e diretto: poiché il postulato 5 è (secondo i sostenitori di questo approccio) irrimediabilmente incompatibile con il postulato 6, dobbiamo dedurre che esistono ancora fenomeni fisici sconosciuti che oggettivamente causano (vale a dire senza l'intervento di una coscienza che sarebbe al di fuori del fisico) il collasso della funzione d'onda. Questo approccio quindi coinvolge "variabili nascoste", non locali, che sarebbero responsabili del postulato 5.

Questo approccio quindi aggiunge termini aggiuntivi non lineari all'equazione di Schrödinger per trovare i risultati del postulato 5. Questi termini rappresentano fenomeni fisici variabili secondo gli autori:

• Ghirardi / Rimini / Weber (GRW) propongono che l'equazione di Schrödinger sia disturbata casualmente, ogni 100 milioni di anni circa (per una data particella), da un fenomeno che ha l'effetto di moltiplicare la funzione d'onda per una gaussiana localizzata, provocandone il collasso della funzione d'onda.
• Penrose ritiene che la gravità possa influenzare l'evoluzione dell'equazione di Schrödinger.

Questi approcci condividono una serie di inconvenienti.

Primo, come l' approccio di Bohm , i termini non lineari associati a variabili nascoste trovano difficile essere relativamente covarianti . Tuttavia, lavori recenti (es. Una versione relativistica del modello Ghirardi-Rimini-Weber ) tendono a superare queste difficoltà.

Quindi, si può criticare, per queste teorie, un approccio ad hoc (vale a dire che la teoria è inventata in base ai risultati attesi, e non basata su una teoria esistente che porterebbe naturalmente a questi risultati).

Fino ad ora, queste teorie sono state criticate per non essere confutabili , ma anche in questo caso i recenti progressi portano proposte di esperimenti (ad esempio Verso le sovrapposizioni quantistiche di uno specchio ).

D'altra parte, con questi approcci, PMQ1 e PMQ2 ottengono risposte chiare e dirette. L'ingrediente "non deterministico" è fornito dalle variabili nascoste. E la non linearità del postulato 5 deriva dalla non linearità dei termini aggiuntivi.

Elementi a favore di questo approccio

• Spiega PMQ1 e PMQ2 in modo semplice e diretto.
• Approccio tra i più "ragionevoli", nel senso che non assume elementi straordinari come universi paralleli o una coscienza al di fuori del fisico.
• Confutabile per le versioni più avanzate.

Elementi contro questo approccio

• Problemi con la relatività speciale.
• Problemi con il risparmio energetico.
• Basato su ipotesi ad hoc o ipotesi fisiche non ancora dimostrate.

Fisici rappresentativi di questo approccio

Roger Penrose , Ghirardi / Rimini / Weber

Approccio idealistico

Intervento della coscienza

Questa interpretazione parte dall'osservazione che il problema della misurazione esiste solo se ci sono individui coscienti che prendono conoscenza del risultato di una misurazione. Infatti, finché non si è a conoscenza del risultato di una misurazione su un sistema (ad esempio l'apertura della scatola contenente il gatto di Schrödinger ), non c'è assolutamente nulla che induca a pensare che il sistema non sia, in realtà, in uno stato di sovrapposizione implicito nel postulato 6. Da qui l'affinità che sembra esistere, agli occhi dei sostenitori di questa teoria, tra la coscienza e il postulato 5.

Per loro, la coscienza è un fenomeno al di fuori della fisica e che sfugge alla descrizione dalla meccanica quantistica , ed è questo che causa il collasso della funzione d'onda descritta dal postulato 5. Pertanto, l'incongruenza matematica e logica tra i postulati 5 e 6 è comprensibile, perché è solo il riflesso dell'opposizione tra un mondo fisico e un mondo non fisico. È quindi una risposta diretta al PMQ2, così come al PMQ1 perché è la coscienza che fornisce l'ingrediente "indeterminista" della misurazione quantistica.

Ma se risponde al problema della misurazione, questo approccio apre altre domande che potrebbero non essere più facili da risolvere. Cos'è questa componente "non fisica" dell'universo? In che momento la Terra è passata da uno stato di sovrapposizione a uno stato definito, quando è apparso il primo essere cosciente?

Elementi a favore di questo approccio

• Risponde a PMQ1 e PMQ2
• Spiega l'affinità che sembra esistere tra la coscienza e il problema della misurazione.

Elementi contro questo approccio

• Introduce una componente "non fisica", che apre la porta a derive scientifiche o mistiche.
• Com'era lo stato dell'universo quando non c'era nessuno a guardarlo prima che la vita apparisse?

Fisici rappresentativi di questo approccio

John von Neumann , Eugene Wigner , Fritz London , Edmond Bauer , Henry Stapp .

Note e riferimenti

1. (in) Netherlands van Fraassen , Meccanica quantistica: una visione empirica , New York, Oxford University Press,26 settembre 1991, 560  p. ( ISBN  978-0-19-823980-2 )

Vedi anche

Bibliografia

• Tim Folger, "  Un ponte tra due mondi  ", Pour la science , hors-série , n o  107,Maggio-giugno 2020, p.  36-43

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