É possível realizar medições quânticas sem um observador?

Niels Bohr , Werner Heisenberg , John von Neumann e Eugene Wigner
insistiram que uma medição depende da mente de um observador consciente.

Pascual Jordan , David Bohm , John Bell e autores de livros didáticos como Landau e Lifshitz, Albert Messiah e Kurt Gottfried negaram isso.

Hugh Everett inventou equipamentos de medição automáticos sem mente. John Bell perguntou se o observador precisa de um doutorado.

Sem informações registradas, não é possível fazer uma observação.

Toda interação entre sistemas quânticos pode levar ao colapso da função de onda . Mas a maioria dos colapsos nunca é registrada .

Quando uma mudança de estado quântico é registrada como informação em um aparato macroscópico, ela se torna disponível para observação posterior. A maioria das medições em física quântica é feita por aparatos complexos controlados por computador, cujos dados podem esperar dias, semanas ou até meses para serem completamente analisados e interpretados pelos físicos.

Uma vez gravado, o observador pode então olhar para o "observável".

Quando a nova informação é observada (registrada na mente humana), ela se torna uma observação. Esta última etapa não tem efeito sobre a medição ( é posterior ao fato! ),
mas aumenta o conhecimento humano .

Então, quando a função de onda colapsa na ausência de um observador?

Em algum momento e lugar aleatórios, antes dos quais a evolução de ψ é unitária, reversível no tempo e determinística. Por exemplo, quando um núcleo radioativo decai, quando um fóton espontâneo é emitido, quando um elétron salta entre autoestados de um átomo ou quando uma colisão entre átomos altera seus estados internos.

Se pudéssemos prever exatamente quando esses eventos ocorrerão, não seria mecânica quântica .

Werner Heisenberg descreveu o colapso da função de onda como exigindo um "corte" ( Schnitt em alemão) em algum ponto da transição do sistema quântico microscópico, passando pelo aparato "clássico", até o observador e o " conhecimento " deste sobre o sistema quântico. Ele perguntou: "Onde deve ocorrer o corte entre a descrição pela função de onda e a descrição clássica" Ele respondeu que não importava onde esse corte fosse feito, pois a matemática produziria os mesmos resultados experimentais independentemente de onde ele estivesse localizado.

Assim como Niels Bohr , seu objetivo era descrever observações da mecânica quântica na linguagem cotidiana, utilizando um sistema de medição classicamente compreensível. Para Heisenberg, um sistema de observação poderia ser o olho humano ou uma fotografia familiar, pois, para a " Interpretação de Copenhague " de Bohr-Heisenberg, o objetivo final da física é descrever experimentos e seus resultados da mesma forma que descrevemos as coisas e os eventos do dia a dia, ou seja, por meio de conceitos intuitivos e de senso comum do mundo espaço-temporal e com as palavras que usamos para descrever esse mundo espaço-temporal clássico.

O "corte" é frequentemente confundido com a " transição quântica para clássica" , o ponto em que as leis "clássicas" da física, por exemplo, as leis do movimento de Newton, emergem do mundo quântico.

Houve muita controvérsia e confusão sobre a localização deste corte. Eugene Wigner o colocou fora de uma sala que inclui o aparelho de medição e um observador A, e imediatamente antes de o observador B realizar uma medição do estado físico da sala, que se imagina evoluir deterministicamente de acordo com o "processo 2" de John von Neumann, segundo a equação de Schrödinger.

Acredita-se que o caso do Gato de Schrödinger apresente um problema paradoxal semelhante. O gato está simultaneamente (em uma "superposição") morto e vivo pouco antes de o observador descobrir qual dos dois está A resposta simples é que vivo e morto são "possibilidades", com probabilidades calculáveis.

John von Neumann contribuiu muito para essa confusão em sua discussão sobre percepções subjetivas e "paralelismo psicofísico", que foi incentivada por Niels Bohr . Bohr interpretou seu "princípio da complementaridade" como uma explicação para a diferença entre subjetividade e objetividade (bem como para vários outros dualismos ). Von Neumann escreveu:

A diferença entre esses dois processos é fundamental: além dos comportamentos distintos em relação ao princípio da causalidade, eles também diferem no fato de o primeiro ser (termodinamicamente) reversível, enquanto o segundo não o é.

Vamos agora comparar essas circunstâncias com aquelas que de fato existem na natureza ou em sua observação. Primeiro, é inerentemente correto afirmar que a medição ou o processo relacionado à percepção subjetiva é uma nova entidade em relação ao ambiente físico e não se reduz a este. De fato, a percepção subjetiva nos conduz à vida intelectual interior do indivíduo, que é extraobservacional por sua própria natureza (já que deve ser tomada como certa por qualquer observação ou experimento concebível).

Não obstante, é um requisito fundamental do ponto de vista científico — o chamado princípio do paralelismo psicofísico — que seja possível descrever o processo extrafísico da percepção subjetiva como se ele estivesse de fato no mundo físico — isto é, atribuir às suas partes processos físicos equivalentes no ambiente objetivo, no espaço ordinário. (É claro que, nesse procedimento de correlação, surge a frequente necessidade de localizar alguns desses processos em pontos que se encontram dentro da porção do espaço ocupada por nossos próprios corpos. Mas isso não altera o fato de eles pertencerem ao "mundo ao nosso redor", o ambiente objetivo mencionado acima.)

Em um exemplo simples, esses conceitos podem ser aplicados da seguinte forma: Desejamos medir uma temperatura. Se quisermos, podemos realizar esse processo numericamente até obtermos a temperatura do ambiente do recipiente de mercúrio do termômetro e, então, afirmar: essa temperatura é medida pelo termômetro. Mas podemos levar o cálculo adiante e, a partir das propriedades do mercúrio, que podem ser explicadas em termos cinéticos e moleculares, podemos calcular seu aquecimento, expansão e o comprimento resultante da coluna de mercúrio, e então afirmar: esse comprimento é observado pelo observador.

Indo ainda mais longe, e levando em consideração a fonte de luz, poderíamos descobrir a reflexão dos quanta de luz na coluna de mercúrio opaca, o caminho dos quanta de luz restantes até o olho do observador, sua refração na lente do olho e a formação de uma imagem na retina, e então diríamos: esta imagem é registrada pela retina do observador.

E se nosso conhecimento fisiológico fosse mais preciso do que é hoje, poderíamos ir ainda mais longe, rastreando as reações químicas que produzem a impressão dessa imagem na retina, no trato do nervo óptico e no cérebro, e então, por fim, dizer: essas alterações químicas em suas células cerebrais são percebidas pelo observador. Mas, em qualquer caso, não importa o quão longe calculemos — até o recipiente de mercúrio, a escala do termômetro, a retina ou o cérebro —, em algum momento devemos dizer: e isso é percebido pelo observador. Ou seja, devemos sempre dividir o mundo em duas partes: o sistema observado e o observador. No primeiro, podemos acompanhar todos os processos físicos (pelo menos em princípio) com uma precisão arbitrária. No segundo, isso não faz sentido.

o Schnitt

A fronteira entre os dois é, em grande medida, arbitrária. Em particular, vimos nas quatro possibilidades diferentes do exemplo acima que o observador, nesse sentido, não precisa se identificar com o corpo do observador real: em um dos casos do exemplo acima, incluímos até mesmo o termômetro, enquanto em outro, nem mesmo os olhos e o trato do nervo óptico foram incluídos. O fato de essa fronteira poder ser arbitrariamente estendida para o interior do corpo do observador real é a essência do princípio do paralelismo psicofísico — mas isso não altera o fato de que, em cada método de descrição, a fronteira deve ser estabelecida em algum lugar, para que o método não proceda de forma fútil, ou seja, para que uma comparação com a experimentação seja possível. De fato, a experiência só produz afirmações deste tipo: um observador fez uma determinada observação (subjetiva); e nunca afirmações como esta: uma grandeza física tem um determinado valor.

Agora, a mecânica quântica descreve os eventos que ocorrem nas porções observadas do mundo, desde que não interajam com a porção observadora, com o auxílio do processo 2, mas assim que tal interação ocorre, isto é, uma medição, ela requer a aplicação do processo 1. A forma dual é, portanto, justificada.* No entanto, o perigo reside no fato de que o princípio do paralelismo psicofísico é violado, enquanto não for demonstrado que a fronteira entre o sistema observado e o observador pode ser deslocada arbitrariamente no sentido dado acima.

* N. Bohr, Naturwiss. 17 (1929), foi o primeiro a apontar que a descrição dual, necessária devido ao formalismo da descrição mecânica quântica da natureza, é plenamente justificada pela natureza física das coisas, podendo ser relacionada com o princípio do paralelismo psicofísico.

( Os fundamentos matemáticos da mecânica quântica , pp. 418-21)

Na física da informação, o limite ou a fronteira se estabelece no local e no momento da criação da informação . Somente após a criação da informação é que um observador pode fazer uma observação. Antes disso, não há informação a ser observada.

A criação de informação ocorre como resultado da interação entre o sistema microscópico e o aparelho de medição. Foi um caso grave de antropomorfismo pensar que era necessária a consciência de um observador para que a função de onda colapsasse.

O colapso de uma função de onda e a criação de informação vêm ocorrendo no universo há bilhões de anos, muito antes do surgimento da consciência humana.

Cinquenta anos depois de Heisenberg e von Neumann, John Bell desenhou um diagrama das possíveis localizações do "corte", que ele chamou de sua "cisão instável". O diagrama de Bell identifica o momento exato em que a informação irreversível entra no universo.

Na solução da física da informação para o problema da medição , o momento e a localização da "divisão instável" de Bell (o "corte" ou "Schnitt" de Heisenberg e von Neumann ) são identificados com a interação entre o sistema quântico e o aparato clássico, que deixa o aparato em um estado estável irreversível, fornecendo informações ao observador.

Como Bell talvez tenha percebido, não é uma "medição" por um observador consciente que é necessária para "colapsar" as funções de onda. É a interação irreversível do sistema quântico com outro sistema, seja ele quântico ou aproximadamente clássico. A interação deve ser capaz de alterar a informação sobre o sistema. E isso significa uma diminuição da entropia local (a informação registrada) e um aumento da entropia geral para tornar a informação suficientemente estável para ser observada por um experimentador e, portanto, constituir uma medição.

Normal | Professor | Pesquisador