Reivindicación de la Interpretación de von Neumann de la Mecánica Cuántica al Revelar una Inconsistencia Lógica del Experimento Gedanken: El Físico Vivo-Muerto

^{Por: Amal Pushp, Físico Afiliado de Resonance Science Foundation} 

Los fundamentos de la mecánica cuántica son una subdisciplina de la física cuántica que se ocupa esencialmente de cuestiones relativas a la naturaleza de la función de onda, si ésta representa un estado óntico o epistémico, el problema de la medición y el proceso de colapso de la función de onda, etc. Se han propuesto varias interpretaciones para abordar estos problemas, pero la comunidad de físicos carece de un consenso sustancial, incluso después de décadas de trabajo.

Físicos y filósofos de la física siguen creando modelos novedosos para explicar los fenómenos cuánticos y aportar una interpretación que creen que explica la dinámica interna de tales fenómenos. Recientemente, dos físicos, Carlo Roselli y Bruno Raffaele Stella, propusieron un experimento mental llamado el Físico Vivo-Muerto DAP (por sus siglas en inglés) y afirmaron que falsifica la interpretación de von Neumann de la mecánica cuántica [1, 2]. En respuesta a su artículo, publiqué un análisis crítico en el que destacaba algunos de los principales malentendidos y fallos de su modelo [3].

Nuestra principal preocupación era argumentar que la interpretación se considera en la misma categoría que otras  interpretaciones de la mecánica cuántica sin ser esencialmente tendenciosa. En este artículo, nuestro objetivo es discutir brevemente el experimento mental (o experimento gedanken) y destacar las inconsistencias clave descubiertas que ayudan a reivindicar la interpretación de von Neumann en cuestión.

^{Crédito: Foundations of Physics (2021)} 

La figura anterior muestra el montaje del experimento mental DAP en el que participa un físico dentro de una habitación sellada. En el techo, se ha colocado una fuente de fotones L, programada para emitir un único fotón en un momento determinado, seguida de un divisor de rayos BS, alineado verticalmente con la fuente de fotones. Dos fotodetectores D y D' están fijados más allá del divisor de haz y se supone que la eficiencia de ambos es del 100%. D está situado a lo largo de la trayectoria del fotón y está fijado en la parte superior de una caja. D y D' tienen una separación angular de 90 grados. Ahora, dentro de la caja, hay un martillo y un matraz de vidrio que contiene un gas fatal llamado LGD. El fotón emitido desde L estaría en un estado de superposición después de alcanzar el divisor de rayos BS.

Se supone que el experimento funciona de la siguiente manera algorítmica: El fotón llega al detector D -> El martillo se activa -> El matraz se rompe, se libera gas -> el físico muere. Si se activa D, el físico queda en estado "Muerto" y si se activa D' el resultado es el estado "Vivo". El experimento se ha formulado siguiendo líneas similares a las del escenario del gato de Schrödinger. Mientras que este último se basa en la desintegración radiactiva del átomo, el primero depende del comportamiento probabilístico del fotón. 

Sin embargo, en el experimento mental DAP, los autores han introducido un factor que distingue el modelo de todos los demás escenarios relacionados, por ejemplo, el gato de Schrödinger. El factor es el consumo de una droga, que actúa como interruptor de percepciones conscientes (CPB) por parte del físico que realiza el experimento, de modo que no puede observar directamente el experimento y está inconsciente durante todo el transcurso del mismo. El físico vuelve a su experiencia normal sólo en un momento determinado. Como se explica en [3], el fallo interpretativo de los autores asociado a esta estrategia es una de las razones clave que les lleva a afirmar la falsación de la interpretación de von Neumann.

Antes de seguir adelante, veamos algunas de las características más destacadas del análisis DAP:

• Los autores señalan que, en el caso de que no se utilizara el CPB, la conciencia de P provocaría el colapso de la función de onda en cuanto P fuera consciente de si estaba destinado a morir o a sobrevivir. Esto concuerda con los principios de la interpretación de von Neumann.
• Los autores aceptan el hecho de que, en un experimento de física cuántica, el observador debe realizar una medición/observación necesaria para adquirir conocimientos sobre el estado del sistema y que, en este caso, la conciencia es transitiva, lo que significa que desempeña un papel activo en el entorno físico circundante. De nuevo, este punto se correlaciona con las observaciones empíricas, como las de la doble rendija con partículas elementales como los electrones. 
• Según el modelo, la introducción del CPB significa que el físico desempeña un papel pasivo en el escenario. Sin embargo, como se argumenta en [3] esto no es muy exacto.
• Todo el sistema funciona en función del comportamiento probabilístico del fotón, que decide si el matraz que contiene LGD se romperá o permanecerá intacto.
• Más adelante en el experimento mental, entra otra persona, digamos W, cuya intención es comprobar si P está vivo o muerto. W es partidario de la interpretación de von Neumann de la MC, a diferencia de P.En el documento original, se han planteado dos posibilidades desde que W entra en el escenario. De acuerdo con el primer resultado, W encontraría a P en el estado "Muerto" y conjeturaría que fue su propio acto lo que causó el colapso de la función de onda del estado de superposición al estado propio definido "Muerto". Por otro lado, el segundo resultado expresa que W encontraría a P en el estado "Vivo" y le preguntaría sobre el experimento, a lo que la respuesta de P es que está consciente desde hace media hora. W concluye entonces que el colapso de la función de onda se produjo a la 1:00 p.m. en punto, eliminando así el estado muerto de la superposición cuántica.

^{Representación esquemática de un experimento mental del amigo de Wigner. Fuente de la figura: Fortschritte der Physik (Progress of Physics), Wiley} 

Roselli y Stella han argumentado enérgicamente que su modelo falsifica la interpretación de von Neumann. El razonamiento ha sido discutido de manera fácil de entender en el artículo de Andrew Knight, que reproducimos aquí. Él dice, 

“Esencialmente, es un experimento mental al estilo del amigo de Wigner, en el que un contenedor de veneno se rompe o no se rompe a las 12:00 p.m. según un resultado de la Mecánica Cuántica, pero la persona en la habitación estará inconsciente hasta la 1:00 p. m. Eso es todo. Si la CCCH es correcta, entonces el colapso de la función de onda no se producirá hasta que la persona esté consciente a la 1:00 de la tarde... pero si está consciente a la 1:00 de la tarde, ¿cómo es posible que el estado de onda colapse a un resultado en el que la persona muera al mediodía?". 

Ya hemos tratado toda la dinámica de este experimento mental en nuestro artículo [3]. Esencialmente, nos hemos dado cuenta de que hay dos puntos clave que descubrimos durante la investigación y que son cruciales para darnos cuenta de la incoherencia inherente al modelo DAP. (Es importante que el lector tenga en cuenta que aquí sólo tratamos la esencia de algunos de los puntos para que el argumento sea sucinto. Para más detalles, es aconsejable consultar nuestro artículo [3]).

En primer lugar, tenemos que aceptar el hecho de que cuando dos o más observadores participan en el mismo experimento que implica un estado de superposición, el mismo colapso de la función de onda no puede ser compatible para todos los observadores en ausencia de un canal de comunicación instantáneo.Por lo tanto, los resultados de las mediciones dependen significativamente del marco de referencia de cada observador individual. Este hecho, completamente ignorado en el modelo DAP, se basa esencialmente en características conocidas de la mecánica cuántica. Por ejemplo, consideremos a Alice y Bob, toman medidas de observables no conmutativos A y B en el mismo sistema, pero Alice mide A y luego B, mientras que Bob mide B y luego A. Entonces al final de esto, el sistema es una eigenfunción de B para Alice, pero una eigenfunción de A para Bob.

En segundo lugar, Roselli y Stella han llegado a una conclusión paradójica al final de la sección 4 de su artículo, según la cual, la conciencia de P surge como efecto del colapso de la función de onda, así como de la desaparición de la reacción CPB.

Es bastante contraintuitivo ver cómo ambas podrían ser consistentemente ciertas ya que la lógica sugiere que la reacción CPB se desvanece, lo que resulta en que P se vuelva consciente y lo que finalmente colapsa la función de onda para P. Así, la conciencia de P emerge esencialmente porque la reacción se ha ido, y el colapso sólo ocurre unos momentos después de esto (específicamente para P). Sin embargo, también es difícil ignorar el hecho de que causa y efecto están íntimamente relacionados en este caso. La reducción de la función de onda no puede ocurrir sin que P vuelva a la consciencia e igualmente, hasta que la función de onda se reduce, P se encuentra en un estado de superposición por lo que no puede identificarse como verdaderamente consciente hasta que esto ocurra.

Lo anterior quedaría más claro a través de esto - Consideremos dos resultados: a) medición por P a la 1:00 p.m. (de su estado), b) No medición a las 1:00 p.m. Según la primera posibilidad, P recupera la consciencia a la 1:00 p.m. y confirma que está vivo. Considerando ahora la segunda posibilidad, a la 1:00 p.m. no tiene lugar ninguna medición, por lo que la forma de onda no se colapsa, de modo que P permanece en una superposición cuántica a la 1:00 p.m., y obviamente sigue estando en la misma a partir de entonces. Sin embargo, una de las posibilidades en la superposición es que el fotón alcance a D' a las 12:00 p.m. Esto significa que P volvió a la consciencia a la 1:00 p.m. (después de que el efecto CPB haya terminado), realizando así la medición. Esto está en contradicción con la suposición de que no tiene lugar ninguna medición a la 1:00 PM, por lo que el estado no puede estar en superposición después de la 1:00 p.m. Es evidente que nos encontramos ante una gran incoherencia.

Los puntos discutidos anteriormente bastan para mostrar la inconsistencia del modelo DAP. Esto a su vez significa que la interpretación de von Neumann de la mecánica cuántica es estrictamente no trivial y ha sido defendida en un caso más. Sin embargo, son modelos como éstos los que ayudan a refinar las teorías y marcos existentes de la física, por lo que deben abordarse de forma constructiva y considerarse una contribución útil al tema. Al mismo tiempo, interpretaciones como la de von Neumann deberían considerarse en la misma categoría que todas las demás interpretaciones cuánticas sin estar sesgadas hacia una en particular. Esta es la intención clave de nuestra propuesta que hemos intentado transmitir aquí.

Referencias 

[1] C. Roselli, B.R. Stella, “The Dead-Alive Physicist experiment: a case-study against the hypothesis that consciousness causes the wave-function collapse in the quantum mechanical measurement process”, Foundations of Physics 51 Article number: 21 (2021). 

[2] C. Roselli, B.R. Stella, “Correction to: The Dead-Alive Physicist Experiment: A Case-Study Against the Hypothesis that Consciousness Causes the Wave-Function Collapse in the Quantum Mechanical Measurement Process”, Foundations of Physics 51 Article number: 51 (2021). 

[3] A. Pushp, “The Dead Alive Physicist Gedankenexperiment Debunked”, Quant. Phys. Lett. 11 (1): 1-7 (2022).