Il Ruolo Della Decoerenza Nella Meccanica Quantistica

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Il ruolo della decoerenza nella meccanica quantistica

Pubblicato per la prima volta lunedì 3 novembre 2003; revisione sostanziale gio 23 ago 2007

Interference phenomena are a well-known and crucial feature of quantum mechanics, the two-slit experiment providing a standard example. There are situations, however, in which interference effects are (artificially or spontaneously) suppressed. We shall need to make precise what this means, but the theory of decoherence is the study of (spontaneous) interactions between a system and its environment that lead to such suppression of interference. This study includes detailed modelling of system-environment interactions, derivation of equations (‘master equations’) for the (reduced) state of the system, discussion of time-scales etc. A discussion of the concept of suppression of interference and a simplified survey of the theory is given in Section 2, emphasising features that will be relevant to the following discussion (and restricted to standard non-relativistic particle quantum mechanics.[1] A partially overlapping field is that of decoherent histories, which proceeds from an abstract definition of loss of interference, but which we shall not be considering in any detail.

La decoerenza è rilevante (o si afferma che sia rilevante) per una varietà di domande che vanno dal problema di misurazione alla freccia del tempo, e in particolare alla questione se e come il "mondo classico" possa emergere dalla meccanica quantistica. Questa voce si occupa principalmente del ruolo della decoerenza in relazione ai principali problemi e approcci nelle basi della meccanica quantistica. La sezione 3 analizza l'affermazione secondo cui la decoerenza risolve il problema di misurazione, nonché l'ampliamento del problema attraverso l'inclusione delle interazioni ambientali, l'idea di emergere della classicità e la motivazione per discutere della decoerenza insieme ad approcci ai fondamenti della meccanica quantistica. La sezione 4 esamina quindi la relazione di decoerenza con alcuni dei principali approcci di base. Finalmente,nella sezione 5 citiamo le applicazioni suggerite che spingono ulteriormente il ruolo della decoerenza.

La soppressione delle interferenze è ovviamente apparsa in molti articoli sin dall'inizio della meccanica quantistica, come l'analisi di Mott (1929) delle tracce di particelle alfa. I moderni inizi della decoerenza come soggetto a sé stante sono probabilmente le carte di HD Zeh dei primi anni '70 (Zeh 1970; 1973). Molto noti sono anche i lavori di W. Zurek dei primi anni '80 (Zurek 1981; 1982). Alcuni di questi esempi precedenti di decoerenza (ad esempio, la soppressione dell'interferenza tra stati mancini e destrorsi di una molecola) sono matematicamente più accessibili di quelli più recenti. Un'introduzione concisa e leggibile alla teoria è fornita da Zurek in Physics Today (1991). Questo articolo è stato seguito dalla pubblicazione di diverse lettere con le risposte di Zurek (1993), che evidenziano questioni controverse. Sondaggi più recenti sono Zeh 1995,che dedica molto spazio all'interpretazione della decoerenza, e Zurek 2003. Il libro di testo sulla decoerenza di Giulini et al. (1996) e il libro molto recente di Schlosshauer (2007) sono anch'essi altamente raccomandati.[2]

2. Nozioni di base sulla decoerenza

2.1 Interferenza e soppressione delle interferenze

L'esperimento a due fenditure è un esempio paradigmatico di un esperimento di interferenza. Uno invia ripetutamente elettroni o altre particelle attraverso uno schermo con due sottili fessure, gli elettroni incidono su un secondo schermo e chiediamo la distribuzione di probabilità dei rilevamenti sulla superficie dello schermo. Per calcolare questo, non si può semplicemente prendere le probabilità di passaggio attraverso le fenditure, moltiplicarsi con le probabilità di rilevamento sullo schermo in base al passaggio attraverso una fessura e sommare i contributi delle due fenditure. [3] Esiste un cosiddetto termine di interferenza nell'espressione corretta per la probabilità, e questo termine dipende da entrambi i componenti dell'onda che passano attraverso le fessure.

Pertanto, l'esperimento mostra che la corretta descrizione dell'elettrone in termini di funzioni dell'onda quantistica è in effetti quella in cui l'onda passa attraverso entrambe le fenditure. Lo stato quantico dell'elettrone non è dato da un'onda che passa attraverso la fessura superiore o da un'onda che passa attraverso la fessura inferiore, nemmeno con una misura probabilistica di ignoranza.

Vi sono, tuttavia, situazioni in cui questo termine di interferenza non viene rispettato, ovvero in cui si applica la formula della probabilità classica. Ciò accade ad esempio quando eseguiamo un rilevamento alle fessure, indipendentemente dal fatto che crediamo o meno che le misurazioni siano correlate a un "vero" collasso della funzione d'onda (cioè che solo uno dei componenti sopravvive alla misurazione e procede a colpire lo schermo). La scomparsa del termine di interferenza, tuttavia, può avvenire anche spontaneamente, anche quando non si presume che si verifichi un "vero collasso", vale a dire se alcuni altri sistemi (diciamo, abbastanza molte particelle cosmiche vaganti che si disperdono dall'elettrone) interagiscono opportunamente con l'onda tra le fessure e lo schermo. In questo caso, il termine di interferenza non viene rispettato,perché l'elettrone si è impigliato con le particelle vaganti (vedi la voce sull'entanglement quantico e le informazioni).[4] La relazione di fase tra i due componenti che è responsabile dell'interferenza è ben definita solo a livello del sistema più grande composto da elettroni e particelle vaganti, e può produrre interferenze solo in un esperimento adatto incluso il sistema più grande. Le probabilità di risultati delle misurazioni sono calcolate come se la funzione d'onda fosse collassata all'una o all'altra delle sue due componenti, ma le relazioni di fase sono state semplicemente distribuite su un sistema più grande.

È questo fenomeno di soppressione delle interferenze attraverso un'adeguata interazione con l'ambiente a cui ci riferiamo per "soppressione delle interferenze", e che è studiato nella teoria della decoerenza. [5]Per completezza, menzioniamo il concetto sovrapposto ma distinto di storie decoerenti (o coerenti). La decoerenza nel senso di questo formalismo astratto è definita semplicemente dalla condizione che le probabilità (quantistiche) per i componenti dell'onda in un secondo momento possano essere calcolate da quelle per i componenti dell'onda in un momento precedente e le probabilità (quantistiche) condizionali, secondo lo standard formula classica, cioè come se l'onda fosse crollata. Vi sono alcune controversie, che lasciamo da parte, riguardo alle affermazioni che circondano lo status di questo formalismo come approccio fondamentale a sé stante. Senza queste affermazioni, il formalismo è interpretativamente neutrale e può essere utile nel descrivere situazioni di soppressione delle interferenze. Infatti,la definizione astratta ha il merito di mettere in evidenza due punti concettuali che sono cruciali per l'idea di decoerenza e che saranno enfatizzati di seguito: che i componenti dell'onda possono essere identificati nel tempo e che se lo facciamo, possiamo identificare formalmente " traiettorie 'per il sistema.[6]

2.2 Caratteristiche di decoerenza

La teoria della decoerenza (a volte definita anche decoerenza 'dinamica') studia interazioni spontanee concrete che portano alla soppressione delle interferenze.

Diverse caratteristiche di interesse sorgono in modelli di tali interazioni (anche se non tutte le caratteristiche sono comuni a tutti i modelli):

  • La soppressione delle interferenze può essere un processo estremamente rapido, a seconda del sistema e dell'ambiente considerato. [7]
  • L'ambiente tenderà a accoppiarsi e a sopprimere le interferenze tra un insieme preferito di stati, sia esso un insieme discreto (stati per mancini e destrimani in modelli di molecole chirali) o alcuni insiemi continui (stati "coerenti" di un oscillatore armonico).
  • Questi stati preferiti possono essere caratterizzati in termini di "robustezza" o "stabilità" rispetto all'interazione con l'ambiente. In parole povere, mentre il sistema si impiglia nell'ambiente, gli stati tra i quali viene soppressa l'interferenza sono quelli che meno si intrecciano con l'ambiente stesso sotto ulteriore interazione. Questo punto ci conduce a vari altri aspetti (interconnessi) della decoerenza.
  • Prima di tutto, un quadro intuitivo dell'interazione tra sistema e ambiente può essere fornito dall'analogia con un'interazione di misurazione (vedere le voci sulla meccanica quantistica e la misurazione nella teoria quantistica): l'ambiente sta "monitorando" il sistema, è spontaneamente "eseguendo una misurazione" (più precisamente lasciando che il sistema subisca un'interazione come in una misurazione) degli stati preferiti. L'analogia con le misure quantistiche idealizzate standard sarà molto vicina nel caso, diciamo, della molecola chirale. Nel caso, diciamo, degli stati coerenti dell'oscillatore armonico, si dovrebbe pensare invece a misurazioni approssimative di posizione (o in effetti a misurazioni articolari approssimative di posizione e quantità di moto, poiché anche le informazioni sul tempo di volo sono registrate nell'ambiente).
  • In secondo luogo, la robustezza degli stati preferiti è legata al fatto che le informazioni su di essi sono archiviate in modo ridondante nell'ambiente (diciamo, perché il gatto Schrödinger ha interagito con così tante particelle vaganti - fotoni, molecole d'aria, polvere). In seguito è possibile accedervi da un osservatore senza disturbare ulteriormente il sistema (misuriamo - tuttavia ciò può essere interpretato - se il gatto è vivo o morto intercettando sulla nostra retina una piccola frazione della luce che ha interagito con il gatto).
  • In terzo luogo, in questo contesto si dice spesso che la decoerenza induce "regole di superselezione efficaci". Il concetto di una (severa) regola di superselezione è qualcosa che richiede una generalizzazione del formalismo della meccanica quantistica e significa che ci sono alcuni osservabili - chiamati "classici" nella terminologia tecnica - che permutano con tutti gli osservabili (per una recensione, vedi Wightman 1995). Intuitivamente, questi osservabili sono infinitamente robusti, poiché nessuna possibile interazione può disturbarli (almeno fintanto che l'interazione hamiltoniana è considerata osservabile). Con un'efficace regola di superselezione si intende che, in modo approssimativamente analogo, alcuni osservabili (ad esempio, la chiralità) non saranno disturbati dalle interazioni che avvengono effettivamente. (Vedi anche i commenti sulla regola di super-selezione della carica nella Sezione 5 di seguito).
  • In quarto luogo, e forse ancora più importante, la robustezza ha a che fare con la possibilità o la reidentificazione di una componente dell'onda nel tempo, e quindi parlando di traiettorie, spaziali o meno (la componente dell'onda dell'elettrone che attraversa la fessura superiore colpisce lo schermo a un luogo particolare con una certa probabilità; la componente sinistra dello stato di una molecola chirale in qualche momento t si evolve nella componente sinistra dello stato forse leggermente alterato della molecola in un secondo momento t '). Si noti che in molti dei primi articoli sulla decoerenza l'enfasi è posta sugli stati preferiti stessi o su come si evolve lo stato (ridotto) del sistema: in particolare su come lo stato del sistema diventa approssimativamente diagonale nella base definita dal preferito stati. Questa enfasi su (per così dire) aspetti cinematici non deve fuorviare uno: gli aspetti dinamici della reidentificazione nel tempo e la formazione della traiettoria sono altrettanto importanti se non il più importante per il concetto di decoerenza e la sua comprensione.
  • Nel caso delle interazioni di decoerenza della forma della posizione approssimativa dell'articolazione e delle misurazioni del momento, gli stati preferiti sono ovviamente le onde di Schrödinger localizzate (strette) sia nella posizione che nel momento (essenzialmente gli "stati coerenti" del sistema). In effetti, possono essere molto stretti. Un granello di polvere di raggio a = 10 -5 cm fluttuante nell'aria avrà una soppressione delle interferenze tra i componenti (di posizione) con una larghezza ('lunghezza di coerenza') di 10 -13 cm. [8]
  • In questo caso, le traiettorie a livello dei componenti (le traiettorie degli stati preferiti) si avvicinano sorprendentemente bene alle corrispondenti traiettorie classiche (newtoniane). Intuitivamente, si può spiegare questo osservando che se gli stati preferiti, che sono "pacchetti d'onda" che sono sia stretti in posizione che restanti stretti (perché stretti nel momento), tendono ad impigliarsi meno con l'ambiente, tenderanno a seguire più o meno senza distrazioni dell'equazione di Schrödinger. Ma in effetti, i pacchetti di onde strette seguiranno approssimativamente le traiettorie newtoniane (se i potenziali esterni in cui si muovono sono abbastanza uniformi lungo la larghezza dei pacchetti: risultati di questo tipo sono noti come "teoremi di Ehrenfest"). Pertanto, le "storie risultanti" 'sarà vicino a quelli newtoniani (sulle scale pertinenti). [9]L'esempio fisico più intuitivo per questo sono le traiettorie osservate delle particelle alfa in una camera a bolle, che sono in effetti estremamente vicine a quelle newtoniane, ad eccezione di ulteriori piccoli "nodi". [10]

Nessuna di queste funzionalità è richiesta per ottenere in tutti i casi di interazione con alcuni ambienti. Si tratta di un'indagine fisica dettagliata per valutare quali sistemi presentano quali caratteristiche e in che misura le lezioni che possiamo imparare dallo studio di modelli specifici. In particolare, bisogna fare attenzione alle generalizzazioni eccessive comuni. Ad esempio, la decoerenza non influenza solo e tutti i "sistemi macroscopici". Veri oggetti di medie dimensioni, per esempio, sulla superficie terrestre saranno molto efficacemente decerati dall'aria nell'atmosfera, e questo è un eccellente esempio di decoerenza al lavoro. D'altra parte, ci sono anche ottimi esempi di interazioni simil-decoerenza che influenzano i sistemi microscopici, come nell'interazione delle particelle alfa con il gas in una camera a bolle. E inoltre,ci sono probabilmente sistemi macroscopici per i quali gli effetti di interferenza non vengono soppressi. Ad esempio, è stato dimostrato che è possibile proteggere sufficientemente i SQUIDI (un tipo di dispositivi superconduttori) dalla decoerenza allo scopo di osservare sovrapposizioni di diverse correnti macroscopiche - contrariamente a quanto ci si aspettava (vedi ad esempio Leggett 1984; ed esp. 2002, sezione 5.4). Anglin, Paz e Zurek (1997) esaminano alcuni modelli meno decisi di decoerenza e forniscono un utile correttivo sui limiti della decoerenza. Sezione 5.4). Anglin, Paz e Zurek (1997) esaminano alcuni modelli meno decisi di decoerenza e forniscono un utile correttivo sui limiti della decoerenza. Sezione 5.4). Anglin, Paz e Zurek (1997) esaminano alcuni modelli meno decisi di decoerenza e forniscono un utile correttivo sui limiti della decoerenza.

3. Valutazione concettuale

3.1 Risoluzione del problema di misurazione?

Il fatto che l'interferenza sia in genere molto ben soppressa tra stati localizzati di oggetti macroscopici suggerisce che è rilevante il motivo per cui gli oggetti macroscopici in effetti ci sembrano essere in stati localizzati. Un'affermazione più forte è che la decoerenza non è solo rilevante per questa domanda, ma di per sé fornisce già la risposta completa. Nel caso speciale dell'apparato di misurazione, spiegherebbe perché non osserviamo mai un apparato che punta, diciamo, a due risultati diversi, vale a dire che la decoerenza fornirebbe una soluzione al problema di misurazione. Come sottolineato da molti autori, tuttavia (recentemente ad esempio Adler 2003; Zeh 1995, pagg. 14-15), questa affermazione non è sostenibile.

Il problema di misurazione, in breve, funziona come segue. I sistemi meccanici quantistici sono descritti da oggetti matematici simili a onde (vettori) di cui si possono formare somme (sovrapposizioni) (vedere la voce sulla meccanica quantistica). L'evoluzione temporale (l'equazione di Schrödinger) conserva tali somme. Quindi, se un sistema meccanico quantistico (diciamo un elettrone) è descritto da una sovrapposizione di due stati dati, diciamo, ruotiamo in direzione x uguale a +1/2 e ruotiamo in direzione x uguale a -1/2, e lasciamo interagisce con un apparato di misura che si accoppia a questi stati, lo stato quantico finale del composito sarà una somma di due componenti, uno in cui l'apparato si è accoppiato (ha registrato) x -spin = +1/2, e uno in cui l'apparato ha accoppiato (ha registrato) x -spin = -1/2. Il problema è che mentre possiamo accettare l'idea di sistemi microscopici descritti da tali somme, non possiamo nemmeno iniziare a immaginare cosa significherebbe per l'apparato (composito di elettroni e) essere così descritto.

Ora, cosa succede se includiamo la decoerenza nella descrizione? La decoerenza ci dice, tra le altre cose, che ci sono molte interazioni in cui stati di sistemi macroscopici diversamente localizzati si accoppiano a diversi stati del loro ambiente. In particolare, gli stati diversamente localizzati del sistema macroscopico potrebbero essere gli stati del puntatore dell'apparato che registra i diversi valori di x-spin dell'elettrone. Con lo stesso argomento di cui sopra, il composito di elettrone, apparato e ambiente sarà la somma di uno stato corrispondente all'accoppiamento ambientale con l'accoppiamento dell'apparato a sua volta al valore +1/2 per lo spin e di uno stato corrispondente a l'accoppiamento ambientale con l'accoppiamento dell'apparato a sua volta al valore -1/2 per lo spin. Quindi, ancora una volta, non possiamo immaginare cosa significherebbe per il sistema composito essere descritto da tale somma.

Ci resta la scelta seguente se includere o meno la decoerenza: o il sistema composito non è descritto da una tale somma, perché l'equazione di Schrödinger si rompe effettivamente e deve essere modificata, oppure lo è, ma allora dobbiamo capire cosa ciò significa, e ciò richiede una interpretazione appropriata della meccanica quantistica. Pertanto, la decoerenza in quanto tale non fornisce una soluzione al problema di misurazione, almeno a meno che non sia combinata con una interpretazione appropriata della funzione d'onda. E in effetti, come vedremo, alcuni dei principali lavoratori del settore come Zeh (2000) e Zurek (1998) suggeriscono che la decoerenza è più naturalmente compresa in termini di interpretazioni simili a Everett (vedere la Sezione 4.3 di seguito, e le voci sull'interpretazione dello stato relativo di Everett e sull'interpretazione a molti mondi).

Sfortunatamente, affermazioni ingenui del tipo sopra fanno ancora parte del 'folklore' della decoerenza e attraggono meritatamente l'ira dei fisici (ad esempio, Pearle 1997) e dei filosofi (ad esempio, Bub 1999, Cap. 8). (Ad essere onesti, questa posizione "folk" ha il merito di tentare di sottoporre le interazioni di misurazione a un'ulteriore analisi fisica, senza supporre che le misurazioni siano un elemento fondamentale della teoria.)

3.2 Compound del problema di misurazione

La decoerenza non è chiaramente né un'evoluzione dinamica in contraddizione con l'equazione di Schrödinger, né una nuova interpretazione della funzione d'onda. Come discuteremo, tuttavia, entrambi rivelano importanti effetti dinamici all'interno dell'evoluzione di Schrödinger e possono suggerire possibili interpretazioni della funzione d'onda.

Come tale, ha altre cose da offrire alla filosofia della meccanica quantistica. All'inizio, tuttavia, sembra che la discussione sulle interazioni ambientali esasperi persino i problemi. Intuitivamente, se l'ambiente sta eseguendo, senza il nostro intervento, molte misurazioni approssimative della posizione, il problema di misurazione dovrebbe applicarsi più ampiamente, anche a queste misurazioni spontanee.

Infatti, mentre è noto che gli stati localizzati di oggetti macroscopici si diffondono molto lentamente sotto l'evoluzione libera di Schrödinger (cioè, se non ci sono interazioni), la situazione risulta diversa se interagiscono con l'ambiente. Sebbene i diversi componenti che si accoppiano all'ambiente saranno individualmente incredibilmente localizzati, collettivamente possono avere una diffusione di molti ordini di grandezza più grande. Cioè, lo stato dell'oggetto e l'ambiente potrebbero essere una sovrapposizione di miliardi di termini molto ben localizzati, ciascuno con posizioni leggermente diverse, e che sono distribuiti collettivamente su una distanza macroscopica, anche nel caso di oggetti di uso quotidiano. [11]

Dato che gli oggetti macroscopici di tutti i giorni sono particolarmente soggetti alle interazioni di decoerenza, ciò solleva la questione se la meccanica quantistica possa spiegare l'aspetto del mondo quotidiano anche al di là del problema di misurazione in senso stretto. Per dirla in modo grossolano: se tutto è in interazione con tutto il resto, tutto è impigliato con tutto il resto, e questo è un problema peggiore del groviglio di strumenti di misurazione con le sonde misurate. E in effetti, discutere del problema di misurazione senza tener conto (pienamente) della decoerenza potrebbe non essere sufficiente, come illustreremo nel caso di alcune versioni dell'interpretazione modale nella sezione 4.4.

3.3 Emersione della classicità

Ciò che suggerisce che la decoerenza può essere rilevante per il problema dell'aspetto classico del mondo quotidiano è che a livello di componenti la descrizione quantistica dei fenomeni di decoerenza può mostrare aspetti allettanti classici. La domanda è quindi se, se considerati nel contesto di uno dei principali approcci fondamentali alla meccanica quantistica, questi aspetti classici possono essere presi per spiegare i corrispondenti aspetti classici dei fenomeni. La risposta, forse non sorprende, risulta dipendere dall'approccio scelto, e nella prossima sezione discuteremo a sua volta la relazione tra decoerenza e alcuni dei principali approcci ai fondamenti della meccanica quantistica.

Ancor più in generale, ci si potrebbe chiedere se i risultati della decoerenza potrebbero quindi essere usati per spiegare l'emergere dell'intera classicità del mondo quotidiano, vale a dire per spiegare sia le caratteristiche cinematiche come la localizzazione macroscopica sia le caratteristiche dinamiche come le traiettorie approssimativamente newtoniane o browniane, ogni volta che capita di essere descrizioni fenomenologicamente adeguate. Come abbiamo accennato, ci sono casi in cui una descrizione classica non è una buona descrizione di un fenomeno, anche se il fenomeno coinvolge sistemi macroscopici. Ci sono anche casi, in particolare misurazioni quantistiche, in cui gli aspetti classici del mondo quotidiano sono solo cinematici (chiarezza delle letture dei puntatori), mentre la dinamica è altamente non classica (risposta indeterministica dell'apparato). In un senso,il mondo di tutti i giorni è il mondo dei concetti classici come presupposto da Bohr (vedi la voce sull'interpretazione di Copenaghen) per descrivere in primo luogo i "fenomeni quantistici", che a loro volta diventerebbero quindi una conseguenza della decoerenza (Zeh 1995, p 33; vedi anche Bacciagaluppi 2002, Sezione 6.2). La questione di spiegare la classicità del mondo quotidiano diventa la questione se si possa derivare dalla meccanica quantistica le condizioni necessarie per scoprire e praticare la meccanica quantistica stessa, e quindi, nelle parole di Shimony (1989), chiudendo il cerchio. Sezione 6.2). La questione di spiegare la classicità del mondo quotidiano diventa la questione se si possa derivare dalla meccanica quantistica le condizioni necessarie per scoprire e praticare la meccanica quantistica stessa, e quindi, nelle parole di Shimony (1989), chiudendo il cerchio. Sezione 6.2). La questione di spiegare la classicità del mondo quotidiano diventa la questione se si possa derivare dalla meccanica quantistica le condizioni necessarie per scoprire e praticare la meccanica quantistica stessa, e quindi, nelle parole di Shimony (1989), chiudendo il cerchio.

In questa generalità, la domanda è chiaramente troppo difficile da rispondere, a seconda del modo in cui il programma fisico di decoerenza (Zeh 1995, p. 9) può essere sviluppato con successo. In tal modo rinviamo la discussione (in parte speculativa) su fino a che punto il programma di decoerenza potrebbe andare fino alla sezione 5.

4. Decoerenza e approcci alla meccanica quantistica

Esiste una vasta gamma di approcci ai fondamenti della meccanica quantistica. Il termine "approccio" qui è più appropriato del termine "interpretazione", poiché molti di questi approcci sono in realtà modifiche della teoria, o almeno introducono alcuni nuovi importanti aspetti teorici. Un modo conveniente per classificare questi approcci è in termini di strategie per affrontare il problema di misurazione.

Alcuni approcci, i cosiddetti approcci di collasso, cercano di modificare l'equazione di Schrödinger, in modo tale che non sorgano sovrapposizioni di diversi stati "quotidiani" o che siano molto instabili. Tali approcci possono avere intuitivamente poco a che fare con la decoerenza poiché cercano di sopprimere precisamente quelle sovrapposizioni create dalla decoerenza. Tuttavia la loro relazione con la decoerenza è interessante. Tra gli approcci al collasso, discuteremo (nella Sezione 4.1) il postulato sul collasso di von Neumann e le teorie della localizzazione spontanea (vedi la voce sulle teorie del collasso).

Altri approcci, noti come approcci a "variabili nascoste", cercano di spiegare i fenomeni quantistici come effetti statistici di equilibrio derivanti da una teoria a un livello più profondo, piuttosto fortemente in analogia con i tentativi di comprendere la termodinamica in termini di meccanica statistica (vedere la voce sulla filosofia di meccanica statistica). Di questi, i più sviluppati sono le cosiddette teorie delle onde pilota, in particolare la teoria di de Broglie e Bohm (vedi la voce sulla meccanica bohmiana), di cui discutiamo la relazione con la decoerenza nella Sezione 4.2.

Infine, ci sono approcci che cercano di risolvere rigorosamente il problema di misurazione fornendo un'interpretazione appropriata della teoria. Leggermente ironico, si possono raggruppare in questa rubrica approcci diversi come le interpretazioni di Everett (vedere le voci sull'interpretazione dello stato relativo di Everett e sull'interpretazione dei molti mondi), le interpretazioni modali e l'interpretazione di Bohr a Copenaghen (sezioni 4.3, 4.4 e 4.5, rispettivamente).

Analizzeremo questi approcci specificamente nella loro relazione con la decoerenza. Per ulteriori dettagli e valutazioni o critiche più generali, indirizziamo il lettore verso le voci pertinenti.

4.1 Approcci di compressione

4.1.1 Von Neumann

È noto che von Neumann (1932) propose che la coscienza dell'osservatore fosse in qualche modo correlata a quello che chiamava Processo I, altrimenti noto come postulato di collasso o postulato di proiezione, che nel suo libro è trattato alla pari dell'equazione di Schrödinger (la sua Processo II). C'è qualche ambiguità nel modo di interpretare von Neumann. Potrebbe aver sostenuto una sorta di accesso speciale alla nostra coscienza che ci fa sembrare che la funzione d'onda sia crollata, giustificando così una lettura fenomenologica del Processo I. In alternativa, potrebbe aver proposto che la coscienza svolga un ruolo causale nel precipitare il crollo, nel qual caso il processo I è un processo fisico alla pari con il processo II. [12]

In entrambi i casi, l'interpretazione di von Neumann si basa sull'insensibilità delle previsioni finali (per ciò che registriamo consapevolmente) su dove e quando il Processo I viene utilizzato per modellare l'evoluzione del sistema quantistico. Questo è spesso indicato come la mobilità del taglio di von Neumann tra il soggetto e l'oggetto, o una frase simile. Il collasso può verificarsi quando una particella colpisce uno schermo, o quando lo schermo si annerisce, o quando viene eseguita una stampa automatica del risultato, o nella nostra retina, o lungo il nervo ottico, o quando alla fine è coinvolta la coscienza. Prima e dopo il crollo, l'equazione di Schrödinger avrebbe descritto l'evoluzione del sistema.

Von Neumann mostra che tutti questi modelli sono equivalenti, per quanto riguarda le previsioni finali, in modo che possa effettivamente sostenere che il collasso è legato alla coscienza, mentre in pratica applica il postulato di proiezione in una fase molto più precoce (e più pratica) nella descrizione. Ciò che consente a von Neumann di derivare questo risultato, tuttavia, è l'assunzione di assenza di interferenza tra i diversi componenti della funzione d'onda. In effetti, se le interferenze fossero altrimenti presenti, i tempi del collasso influenzerebbero le statistiche finali, proprio come nel caso dell'esperimento a due fenditure (collasso dietro le fenditure o allo schermo). Pertanto, anche se von Neumann è (almeno in alcune letture) un vero approccio al collasso, la sua dipendenza dal decoerenza è in effetti cruciale.

4.1.2 Teorie del collasso spontaneo

La teoria più nota del collasso spontaneo è la cosiddetta teoria GRW (Ghirardi Rimini & Weber 1986), in cui una particella materiale subisce spontaneamente la localizzazione, nel senso che in momenti casuali si verifica un collasso della forma utilizzata per descrivere le misurazioni approssimative della posizione. [13] Nel modello originale, il collasso si verifica in modo indipendente per ogni particella (un gran numero di particelle che quindi "innescano" collassano molto più frequentemente); nei modelli successivi la frequenza per ogni particella è ponderata dalla sua massa e la frequenza complessiva per il collasso è quindi legata alla densità di massa. [14]

Pertanto, formalmente, l'effetto del collasso spontaneo è lo stesso di alcuni dei modelli di decoerenza, almeno per una particella. [15] D'altra parte due differenze cruciali sono che abbiamo un collasso "vero" invece della soppressione delle interferenze (vedi sopra la Sezione 2) e che il collasso spontaneo si verifica senza che vi sia alcuna interazione tra il sistema e qualsiasi altra cosa, mentre nel il caso della soppressione della decoerenza delle interferenze insorge ovviamente attraverso l'interazione con l'ambiente.

La decoerenza può essere utilizzata in GRW? La situazione potrebbe essere un po 'complessa quando l'interazione di decoerenza non privilegia approssimativamente la posizione (ad esempio, correnti in uno SQUID), perché il collasso e la decoerenza potrebbero effettivamente "tirare" in direzioni diverse. [16]Ma in quei casi in cui l'interazione di decoerenza principale assume anche la forma di misurazioni approssimative della posizione, la risposta si riduce a un confronto quantitativo. Se il collasso si verifica più rapidamente della decoerenza, allora la sovrapposizione di componenti rilevanti per la decoerenza non avrà il tempo di sorgere, e nella misura in cui la teoria del collasso riesce a recuperare i fenomeni classici, la decoerenza non ha alcun ruolo in questo recupero. Invece, se la decoerenza avviene più velocemente del collasso, allora (come nel caso di von Neumann) il meccanismo del collasso può trovare strutture "già pronte" su cui far crollare veramente la funzione d'onda. Ciò è in effetti confermato da un confronto dettagliato (Tegmark 1993, in particolare la tabella 2). Pertanto, sembra che la decoerenza abbia un ruolo anche nelle teorie del collasso spontaneo.

Un punto correlato è se la decoerenza abbia implicazioni per la testabilità sperimentale delle teorie del collasso spontaneo. In effetti, a condizione che la decoerenza possa essere utilizzata anche in approcci senza collasso come l'onda pilota o Everett (possibilità che discuteremo nelle prossime sottosezioni), quindi in tutti i casi in cui la decoerenza è più veloce del collasso, quale potrebbe essere interpretato come prova del collasso potrebbe essere reinterpretato come una "semplice" soppressione delle interferenze (pensate a risultati di misurazione definiti!), e solo i casi in cui la teoria del collasso prevede il collasso ma il sistema è protetto dalla decoerenza (o forse in cui i due si avvicinano direzioni diverse) potrebbero essere utilizzate per testare sperimentalmente le teorie del collasso.

Uno scenario particolarmente negativo per la testabilità sperimentale è legato alla speculazione (nel contesto della versione di "densità di massa") secondo cui la causa del collasso spontaneo potrebbe essere connessa alla gravitazione. Tegmark 1993 (Tabella 2) cita alcune stime dichiaratamente incerte per la soppressione delle interferenze dovute a una gravità quantistica putativa, ma sono quantitativamente molto vicine alla velocità di distruzione delle interferenze dovuta al collasso del GRW (almeno al di fuori del dominio microscopico). Conclusioni simili sono state raggiunte da Kay (1998). Se esiste davvero una simile somiglianza quantitativa tra questi possibili effetti, allora sarebbe estremamente difficile distinguere tra i due (con la suddetta condizione). In presenza di gravitazione, qualsiasi effetto positivo potrebbe essere interpretato come supporto per il collasso o la decoerenza. E in quei casi in cui il sistema è effettivamente protetto dalla decoerenza (diciamo, se l'esperimento viene eseguito in caduta libera), se la meccanica del collasso è effettivamente innescata da effetti gravitazionali, allora non ci si può aspettare nemmeno un collasso. La relazione tra decoerenza e teorie del collasso spontaneo è quindi lungi dall'essere semplice.

4.2 Teorie sull'onda pilota

Le teorie dell'onda pilota sono formulazioni senza collasso della meccanica quantistica che assegnano alla funzione d'onda il ruolo di determinare l'evoluzione di ("pilotaggio", "guida") delle variabili che caratterizzano il sistema, diciamo le configurazioni delle particelle, come in de Broglie (1928) e la teoria di Bohm (1952), o densità dei numeri di fermioni, come nella teoria dei campi quantici "beable" di Bell (1987, Cap. 19), o ancora confugurazioni dei campi, come nelle proposte di Valentini per le teorie dei campi quantistici delle onde pilota (Valentini, in preparazione; vedi anche Valentini 1996).

L'idea di De Broglie era stata quella di modificare la meccanica classica hamiltoniana in modo da renderla analoga all'ottica delle onde classiche, sostituendo la funzione di azione di Hamilton e Jacobi con la fase S di un'onda fisica. Una tale "meccanica ondulatoria" produce naturalmente movimenti non classici, ma per capire in che modo la dinamica di de Broglie si collega ai tipici fenomeni quantistici, dobbiamo includere l'analisi di Bohm (1952, parte II) dell'aspetto del collasso. Nel caso delle misurazioni, Bohm ha sostenuto che la funzione d'onda si evolve in una sovrapposizione di componenti che sono e rimangono separati nello spazio di configurazione totale del sistema e dell'apparato misurati, in modo che la configurazione totale sia "intrappolata" all'interno di un singolo componente dell'onda funzione, che guiderà la sua ulteriore evoluzione,come se l'onda fosse collassata (funzione d'onda "efficace"). Questa analisi consente di recuperare qualitativamente il crollo della misurazione e, per estensione, caratteristiche quantistiche tipiche come il principio di incertezza e le correlazioni perfette in un esperimento EPR (stiamo ignorando qui gli aspetti quantitativi ben sviluppati della teoria).

Un'idea naturale è ora che questa analisi dovrebbe essere estesa dal caso delle misure indotte da un apparato a quello delle "misure spontanee" eseguite dall'ambiente nella teoria della decoerenza, applicando così la stessa strategia per recuperare sia i fenomeni quantistici che classici. L'immagine risultante è quella in cui la teoria di de Broglie-Bohm, in caso di decoerenza, descriverà il movimento di particelle intrappolate all'interno di uno dei componenti estremamente ben localizzati selezionati dall'interazione di decoerenza. Pertanto, le traiettorie di de Broglie-Bohm parteciperanno ai moti classici al livello definito dalla decoerenza (la larghezza dei componenti). Questo uso della decoerenza risolverebbe probabilmente gli enigmi discussi, ad esempio, dall'Olanda (1996) per quanto riguarda la possibilità di un "limite classico" della teoria di de Broglie. Un problema sconcertante è per esempio che le possibili traiettorie della teoria di Broglie-Bohm che differiscono nelle loro condizioni iniziali non possono attraversare, perché l'onda guida le particelle attraverso un'equazione del primo ordine, mentre le equazioni di Newton sono di secondo ordine, come noto e possibili traiettorie si incrociano. Tuttavia, i componenti non interferenti prodotti dalla decoerenza possono effettivamente incrociarsi, così come le traiettorie delle particelle intrappolate al loro interno.e così anche le traiettorie delle particelle intrappolate al loro interno.e così anche le traiettorie delle particelle intrappolate al loro interno.

L'immagine sopra è naturale, ma non è ovvio. La teoria e la decoerenza di De Broglie-Bohm contemplano due meccanismi distinti a priori collegati al collasso apparente: rispettivamente, separazione dei componenti nello spazio di configurazione e soppressione delle interferenze. Mentre il primo implica ovviamente il secondo, è altrettanto evidente che la decoerenza non implica necessariamente la separazione nello spazio di configurazione. Tuttavia, ci si può aspettare che lo facciano le interazioni di decoerenza della forma di misurazioni approssimative della posizione.

Se le principali istanze di decoerenza sono effettivamente coestensive con istanze di separazione nella configurazione, la teoria di de Broglie-Bohm può quindi utilizzare i risultati della decoerenza relativi alla formazione di strutture classiche, fornendo al contempo un'interpretazione della meccanica quantistica che spiega perché queste strutture sono effettivamente rilevante dal punto di vista osservazionale. La domanda che si pone per la teoria di de Broglie-Bohm è quindi l'estensione della nota domanda se tutti i crolli di misura apparenti possano essere associati alla separazione nella configurazione (sostenendo che ad un certo punto tutti i risultati delle misurazioni sono registrati in configurazioni macroscopicamente diverse) alla domanda se tutta l'apparenza della classicità possa essere associata alla separazione nello spazio di configurazione. [17]

Una discussione sul ruolo della decoerenza nella teoria delle onde pilota nella forma suggerita sopra è ancora in gran parte eccezionale. Una discussione informale è data in Bohm e Hiley (1993, cap. 8), risultati parziali sono forniti da Appleby (1999) e un approccio diverso è suggerito da Allori (2001; vedere anche Allori & Zanghì 2001). Appleby discute le traiettorie in un modello di decoerenza e ottiene traiettorie approssimativamente classiche, ma con un presupposto speciale. [18]Allori indaga in primo luogo il limite di "lunghezza d'onda corta" della teoria di de Broglie-Bohm (suggerito dall'analogia con il limite geometrico nell'ottica delle onde). Il ruolo della decoerenza nella sua analisi è cruciale ma limitato al mantenimento del comportamento classico ottenuto nelle condizioni di lunghezza d'onda corte appropriate, poiché il comportamento altrimenti si disgregherebbe dopo un certo tempo.

4.3 Interpretazioni di Everett

Le interpretazioni di Everett sono molto diverse e possibilmente condividono solo l'intuizione fondamentale che una funzione a onda singola dell'universo dovrebbe essere interpretata in termini di una molteplicità di "realtà" a un certo livello o altro. Questa molteplicità, per quanto compresa, è formalmente associata a componenti della funzione d'onda in qualche decomposizione. [19]

Varie interpretazioni di Everett, approssimativamente parlando, differiscono su come identificare i componenti rilevanti della funzione d'onda universale e su come giustificare tale identificazione (il cosiddetto problema della "base preferita" - sebbene questo possa essere un termine improprio), e differiscono su come interpretare la molteplicità risultante (vari "molti mondi" o varie interpretazioni di "molte menti"), in particolare per quanto riguarda l'interpretazione delle probabilità (emergenti?) a livello dei componenti (problema di il "significato delle probabilità").

L'ultimo problema è forse l'aspetto più dibattuto di Everett. Chiaramente, la decoerenza consente la reidentificazione nel tempo di entrambi gli osservatori e dei risultati di misurazioni ripetute e quindi la definizione di frequenze empiriche. Negli ultimi anni sono stati compiuti progressi soprattutto in linea con l'interpretazione delle probabilità in termini teorici delle decisioni per un agente "separatore" (vedi in particolare Wallace 2003b, e la sua prestampa più lunga, Wallace 2002). [20]

L'applicazione più utile di decoerenza a Everett, tuttavia, sembra essere nel contesto del problema della base preferita. La decoerenza sembra fornire una soluzione (forse parziale) al problema, in quanto identifica naturalmente una classe di stati "preferiti" (non necessariamente una base ortonormale!) E consente persino di identificarli nuovamente nel tempo, in modo da poter identificare " mondi "con le traiettorie definite dalla decoerenza (o più astrattamente con storie decoerenti). [21]Se parte dell'obiettivo di Everett è interpretare la meccanica quantistica senza introdurre una struttura aggiuntiva, in particolare senza postulare l'esistenza di una base preferita, allora si cercherà di identificare la struttura che è già presente nella funzione d'onda a livello di componenti (vedi ad es. Wallace, 2003a). In questo senso, la decoerenza è un candidato ideale per identificare i componenti rilevanti.

Una giustificazione per questa identificazione può quindi essere variamente suggerita suggerendo che un "mondo" dovrebbe essere una struttura estesa nel tempo e quindi la reidentificazione nel tempo sarà una condizione necessaria per identificare i mondi, o allo stesso modo suggerendo che per far evolvere gli osservatori è necessario essere registri stabili di eventi passati (Saunders 1993 e Gell-Mann & Hartle 1994 inediti (vedere la sezione Altre risorse Internet di seguito) o che gli osservatori devono essere in grado di accedere a stati robusti, preferibilmente attraverso l'esistenza di informazioni ridondanti nell'ambiente ("Interpretazione esistenziale" di Zurek, 1998).

In alternativa a una nozione globale di "mondo", si possono esaminare i componenti dello stato (misto) di un sistema (locale), sia dal punto di vista che i diversi componenti definiti dalla decoerenza influenzeranno separatamente (i diversi componenti di lo stato di) un altro sistema o dal punto di vista che sottostanno separatamente all'esperienza cosciente (se presente) del sistema. Il primo si adatta bene alla nozione originale di Everett (1957) di stato relativo, e all'interpretazione relazionale di Everett preferita da Saunders (ad esempio, 1993) e, sembrerebbe, Zurek (1998). Quest'ultimo porta direttamente all'idea delle interpretazioni di molte menti (vedere la voce sull'interpretazione dello stato relativo di Everett e il sito web su "Un'interpretazione di molte menti della teoria quantistica" a cui si fa riferimento nelle Altre risorse di Internet). Se si presume che la mentalità possa essere associata solo a determinate strutture di disinteresse di grande complessità, ciò potrebbe avere il vantaggio di ridurre ulteriormente l'ambiguità residua rispetto alla "base" preferita.

L'idea di molte menti fu suggerita all'inizio da Zeh (2000; anche 1995, p. 24). Come dice Zeh, la motivazione di von Neumann per introdurre il collasso era quella di salvare quello che chiamava parallelismo psico-fisico (probabilmente la supervenienza del mentale sul fisico: si sperimenta un solo stato mentale, quindi dovrebbe esserci solo un componente corrispondente nello stato fisico). In un universo senza collasso discontinuo si può invece introdurre un nuovo parallelismo psico-fisico, in cui le menti individuali si sovrappongono ad ogni componente non interferente nello stato fisico. Zeh suggerisce infatti che, data la decoerenza, questa è l'interpretazione più naturale della meccanica quantistica. [22]

4.4 Interpretazioni modali

Le interpretazioni modali sono nate con Van Fraassen (1973, 1991) come pure reinterpretazioni della meccanica quantistica (altre versioni successive che assomigliano a teorie di variabili più nascoste). L'intuizione di base di Van Fraassen era che lo stato quantico di un sistema dovesse essere inteso come una raccolta di possibilità, rappresentata da componenti nello stato quantico (misto). La sua proposta considera solo le scomposizioni in singoli istanti ed è agnostica riguardo alla reidentificazione nel tempo. Pertanto, può sfruttare direttamente solo il fatto che la decoerenza produce descrizioni in termini di stati di tipo classico, che conteranno come possibilità nell'interpretazione di Van Fraassen. Ciò garantisce "adeguatezza empirica" della descrizione quantistica (un concetto cruciale nella filosofia scientifica di Van Fraassen). Gli aspetti dinamici della decoerenza possono essere sfruttati indirettamente, in quanto i componenti monouso mostreranno registrazioni del passato, che garantiscono l'adeguatezza rispetto alle osservazioni, ma sulla cui veridicità Van Fraassen rimane agnostica.

Un diverso filone di interpretazioni modali è vagamente associato alle visioni (distinte) di Kochen (1985), Healey (1989) e Dieks e Vermaas (ad esempio, 1998). Ci concentriamo sull'ultimo di questi per fissare le idee. Le possibili decomposizioni di Van Fraassen sono limitate a una scelta da un criterio matematico (correlato al cosiddetto teorema di decomposizione biorthogonale), e viene esplicitamente cercato un quadro dinamico (che è stato successivamente sviluppato). Nel caso di una misura quantistica ideale (non approssimativa), questa speciale decomposizione coincide con quella definita dagli automi degli stati misurati osservabili e dei corrispondenti puntatori, e quindi l'interpretazione sembra risolvere il problema di misurazione (in senso stretto).

Almeno nelle intenzioni originali di Dieks, tuttavia, l'approccio era inteso a fornire un'interpretazione attraente della meccanica quantistica anche nel caso delle interazioni di decoerenza, poiché almeno nei semplici modelli di decoerenza lo stesso tipo di decomposizione individua più o meno anche quegli stati tra cui viene soppressa l'interferenza (con una condizione sugli stati molto degeneri).

Tuttavia, questo approccio fallisce male se applicato ad altri modelli di decoerenza, ad esempio quello di Joos e Zeh (1985, Sezione III.2). In effetti, sembra che in generale i componenti individuati da questa versione dell'interpretazione modale siano dati da stati delocalizzati, a differenza dei componenti che sorgono naturalmente nella teoria della decoerenza (Bacciagaluppi 2000; Donald 1998). Si noti che l'interpretazione originale di van Fraassen non è toccata da questo problema, e quindi probabilmente sono alcune interpretazioni modali o modali più recenti di Spekkens e Sipe (2001), Bene e Dieks (2002) e Berkovitz ed Hemmo (in preparazione).

Infine, alcune delle opinioni espresse nella letteratura sulle storie decoerenti potrebbero essere considerate affini alle opinioni di Van Fraassen, identificando le possibilità, tuttavia, a livello di possibili corsi della storia mondiale. Tali "mondi possibili" sarebbero quelle sequenze temporali di proposizioni (quantistiche) che soddisfano la condizione di decoerenza e in questo senso supportano una descrizione in termini di evoluzione probabilistica. Questa visione userebbe la decoerenza come ingrediente essenziale, e in effetti potrebbe rivelarsi il modo più fruttuoso di implementare idee modali; una discussione in questi termini deve ancora essere svolta in dettaglio, ma si veda Hemmo (1996).

4.5 Interpretazione di Copenaghen di Bohr

Sembra che Bohr sostenesse più o meno la seguente visione. I concetti di ogni giorno, in effetti i concetti di fisica classica, sono indispensabili per la descrizione di qualsiasi fenomeno fisico (in un certo senso - e terminologia - che ricorda molto gli argomenti trascendentali di Kant). Tuttavia, l'evidenza sperimentale dei fenomeni atomici mostra che i concetti classici hanno limiti fondamentali nella loro applicabilità: possono solo fornire immagini parziali (complementari) di oggetti fisici. Mentre queste limitazioni sono quantitativamente trascurabili per la maggior parte degli scopi nel trattare con oggetti macroscopici, si applicano anche a quel livello (come mostrato dalla volontà di Bohr di applicare le relazioni di incertezza a parti dell'apparato sperimentale nei dibattiti di Einstein-Bohr), e sono di importanza fondamentale quando si tratta di oggetti microscopici. Infatti,modellano le caratteristiche dei fenomeni quantistici, ad esempio l'indeterminismo. Lo stato quantico non è una rappresentazione "intuitiva" (anschaulich, tradotta anche come "visualizzabile") di un oggetto quantico, ma solo una rappresentazione "simbolica", una scorciatoia per i fenomeni quantistici costituiti dall'applicazione delle varie immagini classiche complementari.

Sebbene sia difficile individuare esattamente quali fossero le opinioni di Bohr (il concetto e persino il termine "interpretazione di Copenaghen" sembrano essere un costrutto successivo; vedi Howard 2003), è chiaro che, secondo Bohr, i concetti classici sono autonomi e concettualmente prima della teoria quantistica. Se comprendiamo la teoria della decoerenza come indicante come i concetti classici potrebbero effettivamente emergere dalla meccanica quantistica, questo sembra minare la posizione di base di Bohr. Naturalmente sarebbe un errore affermare che la decoerenza (una parte della teoria dei quanti) contraddice l'approccio di Copenaghen (un'interpretazione della teoria dei quanti). Tuttavia, la decoerenza suggerisce che si potrebbe voler adottare interpretazioni alternative, in cui sono i concetti quantistici che precedono quelli classici, o, più precisamente,i concetti classici a livello quotidiano emergono dalla meccanica quantistica (indipendentemente dal fatto che esistano concetti ancora più fondamentali, come nelle teorie delle onde pilota). In questo senso, se il programma di decoerenza ha successo come indicato nella Sezione 3.3, sarà davvero un duro colpo per l'interpretazione di Bohr proveniente dalla fisica quantistica stessa.

D'altra parte, l'intuizione di Bohr secondo cui la meccanica quantistica, come quella praticata, richiede un dominio classico sarebbe di fatto confermata dalla decoerenza, se si scopre che la decoerenza è davvero la base della fenomenologia della meccanica quantistica, come suggeriscono l'analisi everettiana e forse bohmiana. È un dato di fatto, Zurek (2003) individua la sua interpretazione esistenziale a metà strada tra Bohr ed Everett. È forse una gentile ironia che sulla scia della decoerenza, le basi della meccanica quantistica potrebbero finire per rivalutare questa parte del pensiero di Bohr.

5. Ambito di Decoherence

Abbiamo già menzionato nella Sezione 2.2 che occorre prestare attenzione affinché non si possano trarre conclusioni eccessive sulla base dell'esame solo di modelli di decoerenza ben educati. D'altra parte, al fine di valutare il programma di spiegazione dell'emergere della classicità usando la decoerenza (insieme con approcci fondanti appropriati), si deve sondare fino a che punto possono essere spinte le applicazioni della decoerenza. In questa sezione finale, esaminiamo alcune delle ulteriori applicazioni che sono state proposte per la decoerenza, oltre agli esempi più semplici che abbiamo visto come la chiralità o le tracce di particelle alfa. Se la decoerenza possa effettivamente essere applicata con successo a tutti questi settori sarà in parte una questione da valutare ulteriormente, poiché vengono proposti modelli più dettagliati.

Zurek e Paz (1994) hanno utilizzato un'applicazione semplice delle tecniche che consentono di derivare traiettorie newtoniane a livello di componenti per derivare traiettorie caotiche nella meccanica quantistica. Il problema con la descrizione quantistica del comportamento caotico è che prima facie non dovrebbe essercene nessuno. Il caos è caratterizzato approssimativamente come estrema sensibilità nel comportamento di un sistema nelle sue condizioni iniziali, dove la distanza tra le traiettorie derivante da diverse condizioni iniziali aumenta esponenzialmente nel tempo. Poiché l'evoluzione di Schrödinger è unitaria, conserva tutti i prodotti scalari e tutte le distanze tra i vettori dello stato quantico. Pertanto, sembrerebbe che condizioni iniziali ravvicinate portino a traiettorie uniformemente chiuse per tutto il tempo e che non sia possibile alcun comportamento caotico ("problema del caos quantistico"). Il punto cruciale che consente l'analisi di Zurek e Paz è che le traiettorie rilevanti nella teoria della decoerenza sono a livello di componenti dello stato del sistema. L'unitarietà è preservata perché i vettori nell'ambiente a cui sono accoppiati questi diversi componenti sono e rimangono ortogonali: come i componenti stessi si evolvono è irrilevante. La modellazione esplicita produce un'immagine del caos quantistico in cui si diramano diverse traiettorie (una caratteristica assente dal caos classico, che è deterministica) e quindi divergono in modo esponenziale. Come per l'attraversamento delle traiettorie nella teoria di Broglie-Bohm (Sezione 4.2), si ha un comportamento a livello di componenti qualitativamente diverso dal comportamento derivato dalle funzioni d'onda di un sistema isolato.l'analisi è che le traiettorie rilevanti nella teoria della decoerenza sono a livello di componenti dello stato del sistema. L'unitarietà è preservata perché i vettori nell'ambiente a cui sono accoppiati questi diversi componenti sono e rimangono ortogonali: come i componenti stessi si evolvono è irrilevante. La modellazione esplicita produce un'immagine del caos quantistico in cui si diramano diverse traiettorie (una caratteristica assente dal caos classico, che è deterministica) e quindi divergono in modo esponenziale. Come per l'attraversamento delle traiettorie nella teoria di Broglie-Bohm (Sezione 4.2), si ha un comportamento a livello di componenti qualitativamente diverso dal comportamento derivato dalle funzioni d'onda di un sistema isolato.l'analisi è che le traiettorie rilevanti nella teoria della decoerenza sono a livello di componenti dello stato del sistema. L'unitarietà è preservata perché i vettori nell'ambiente a cui sono accoppiati questi diversi componenti sono e rimangono ortogonali: come i componenti stessi si evolvono è irrilevante. La modellazione esplicita produce un'immagine del caos quantistico in cui si diramano diverse traiettorie (una caratteristica assente dal caos classico, che è deterministica) e quindi divergono in modo esponenziale. Come per l'attraversamento delle traiettorie nella teoria di Broglie-Bohm (Sezione 4.2), si ha un comportamento a livello di componenti qualitativamente diverso dal comportamento derivato dalle funzioni d'onda di un sistema isolato. L'unitarietà è preservata perché i vettori nell'ambiente a cui sono accoppiati questi diversi componenti sono e rimangono ortogonali: come i componenti stessi si evolvono è irrilevante. La modellazione esplicita produce un'immagine del caos quantistico in cui si diramano diverse traiettorie (una caratteristica assente dal caos classico, che è deterministica) e quindi divergono in modo esponenziale. Come per l'attraversamento delle traiettorie nella teoria di Broglie-Bohm (Sezione 4.2), si ha un comportamento a livello di componenti qualitativamente diverso dal comportamento derivato dalle funzioni d'onda di un sistema isolato. L'unitarietà è preservata perché i vettori nell'ambiente a cui sono accoppiati questi diversi componenti sono e rimangono ortogonali: come i componenti stessi si evolvono è irrilevante. La modellazione esplicita produce un'immagine del caos quantistico in cui si diramano diverse traiettorie (una caratteristica assente dal caos classico, che è deterministica) e quindi divergono in modo esponenziale. Come per l'attraversamento delle traiettorie nella teoria di Broglie-Bohm (Sezione 4.2), si ha un comportamento a livello di componenti qualitativamente diverso dal comportamento derivato dalle funzioni d'onda di un sistema isolato. La modellazione esplicita produce un'immagine del caos quantistico in cui si diramano diverse traiettorie (una caratteristica assente dal caos classico, che è deterministica) e quindi divergono in modo esponenziale. Come per l'attraversamento delle traiettorie nella teoria di Broglie-Bohm (Sezione 4.2), si ha un comportamento a livello di componenti qualitativamente diverso dal comportamento derivato dalle funzioni d'onda di un sistema isolato. La modellazione esplicita produce un'immagine del caos quantistico in cui si diramano diverse traiettorie (una caratteristica assente dal caos classico, che è deterministica) e quindi divergono in modo esponenziale. Come per l'attraversamento delle traiettorie nella teoria di Broglie-Bohm (Sezione 4.2), si ha un comportamento a livello di componenti qualitativamente diverso dal comportamento derivato dalle funzioni d'onda di un sistema isolato.

L'idea di regole di superselezione efficaci è stata menzionata nella Sezione 2.2. Come sottolineato da Giulini, Kiefer e Zeh (1995, vedi anche Giulini et al. 1996, Sezione 6.4), la giustificazione per la (severa) regola di superselezione per la carica nella teoria dei campi quantistici può anche essere formulata in termini di decoerenza. L'idea è semplice: una carica elettrica è circondata da un campo di Coulomb (che elettrostaticamente si estende all'infinito; l'argomento può essere portato a termine anche usando il campo ritardato). Gli stati di carica elettrica diversa di una particella sono quindi accoppiati a stati diversi, presumibilmente ortogonali, del suo campo elettrico. Si può considerare il campo lontano come un ambiente effettivamente incontrollabile che decifra la particella (e il campo vicino), in modo che le sovrapposizioni di cariche diverse non vengano mai effettivamente osservate.

Un'altra affermazione sul significato della decoerenza riguarda l'asimmetria temporale (vedi ad esempio, le voci sull'asimmetria temporale nella termodinamica e la filosofia della meccanica statistica), in particolare se la decoerenza può spiegare l'apparente direttività temporale nel nostro mondo (classico). Il problema riguarda ancora una volta la direzione temporale a livello di componenti che emergono da un'evoluzione simmetrica temporale a livello della funzione d'onda universale (presumibilmente con condizioni iniziali speciali). Nella misura in cui il collasso (apparente) è in effetti un processo diretto nel tempo, la decoerenza avrà una rilevanza diretta per l'emergere di questa "freccia meccanica quantistica del tempo" (per una serie di discussioni, vedi Zeh 2001, Cap. 4; Hartle 1998, e riferimenti in essa e Bacciagaluppi 2002, Sezione 6.1). Se la decoerenza sia connessa alle altre familiari frecce del tempo è una domanda più specifica, le cui varie discussioni sono date, ad esempio, da Zurek e Paz (1994), Hemmo e Shenker (2001) e l'inedito Wallace (2001) (vedi il Altre sezioni sulle risorse Internet di seguito).

In un recente articolo, Zeh (2003) sostiene l'idea che la decoerenza può spiegare "fenomeni quantistici" come i rilevamenti di particelle secondo cui il concetto di particella nella teoria dei campi quantistici è di per sé una conseguenza della decoerenza. Ossia, solo i campi devono essere inclusi nei concetti fondamentali e le "particelle" sono un concetto derivato, a differenza di quanto suggerito dall'introduzione consueta dei campi attraverso un processo di "seconda quantizzazione". Quindi la decoerenza sembra fornire un ulteriore potente argomento per il primato concettuale dei campi sulle particelle nella questione dell'interpretazione della teoria dei campi quantistici.

Infine, è stato suggerito che la decoerenza potrebbe essere un ingrediente utile in una teoria della gravità quantistica, per due ragioni. Primo, perché un'adeguata generalizzazione della teoria della decoerenza a una teoria completa della gravità quantistica dovrebbe produrre la soppressione delle interferenze tra i diversi tempi spaziali classici (Giulini et al. 1996, Sezione 4.2). In secondo luogo, si ipotizza che la decoerenza possa risolvere il cosiddetto problema del tempo, che si pone come un enigma prominente nell'approccio (canonico) alla gravità quantistica. Questo è il problema che l'equazione fondamentale del candidato (in questo approccio) - l'equazione di Wheeler-DeWitt - è un analogo di un'equazione di Schrödinger indipendente dal tempo e non contiene affatto tempo. Il problema è quindi semplicemente: da dove viene il tempo? Nel contesto della teoria della decoerenza,si possono costruire modelli giocattolo in cui l'analogo della funzione d'onda di Wheeler-DeWitt si decompone in componenti non interferenti (per un sottosistema adatto) che soddisfano ciascuno un'equazione di Schrödinger dipendente dal tempo, in modo che la decoerenza appaia effettivamente come la fonte del tempo.[23] Un'introduzione accessibile e una discussione filosofica di questi modelli è data da Ridderbos (1999), con riferimenti ai documenti originali.

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Altre risorse Internet

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  • L'archivio e-Print di arXiv.org, precedentemente l'archivio di Los Alamos. Questo è il principale archivio di prestampa di fisica; la maggior parte dei collegamenti sopra sono indirizzati a questo archivio.
  • L'archivio Phil-Sci di Pittsburgh. Questa è la filosofia principale dell'archivio prestampato della scienza; alcuni dei link sopra sono a questo archivio.
  • Un'interpretazione di molte menti della teoria quantistica, curata da Matthew Donald (Cavendish Lab, Fisica, Università di Cambridge). Questa pagina contiene dettagli sulla sua interpretazione di molte menti, nonché discussioni su alcuni dei libri e dei documenti citati sopra (e altri di interesse). Segui anche il link alle "Domande frequenti", alcune delle quali (e il dialogo che segue) contengono utili discussioni sulla decoerenza.
  • Meccanica quantistica su larga scala, gestita da Philip Stamp (Physics, University of British Columbia). Questa pagina contiene collegamenti ai discorsi disponibili del seminario di Vancouver menzionato nella nota 2; vedere in particolare gli articoli di Tony Leggett e di Philip Stamp.
  • Sito Web di Decoherence, gestito da Erich Joos. Questo è un sito con informazioni, riferimenti e ulteriori collegamenti a persone e istituti che lavorano sulla decoerenza, specialmente in Germania e nel resto d'Europa.

Voci correlate

Einstein, Albert: dibattiti su Einstein-Bohr | meccanica quantistica | meccanica quantistica: meccanica bohmiana | meccanica quantistica: teorie del collasso | meccanica quantistica: interpretazione di Copenhagen di | meccanica quantistica: la formulazione di stato relativo di Everett di | meccanica quantistica: interpretazione a molti mondi di | teoria quantistica: misurazione in | teoria quantistica: entanglement quantico e informazione | teoria quantistica: teoria dei campi quantistici | teoria quantistica: gravità quantistica | teoria quantistica: l'argomento di Einstein-Podolsky-Rosen in | fisica statistica: filosofia della meccanica statistica | tempo: asimmetria termodinamica in | Principio di incertezza

Ringraziamenti

Vorrei pensare a molte persone in discussione con le quali ho plasmato la mia comprensione della decoerenza nel corso degli anni, in particolare Marcus Appleby, Matthew Donald, Beatrice Filkin, Meir Hemmo, Simon Saunders, David Wallace e Wojtek Zurek. Per le discussioni e la corrispondenza più recenti relative a questo articolo, desidero ringraziare Valia Allori, Peter Holland, Martin Jones, Tony Leggett, Hans Primas, Alberto Rimini, Philip Stamp e Bill Unruh. Riconosco anche con gratitudine il mio debito con Steve Savitt e Philip Stamp per un invito a parlare all'università della British Columbia, e con Claudius Gros per un invito all'Università della Saarland e per le opportunità di discussione derivanti da questi colloqui. Infine, desidero ringraziare l'arbitro di questa voce, sempre David Wallace, per il suo commento chiaro e costruttivo,il mio collega soggetto editor John Norton, che mi corrispondeva ampiamente con una versione precedente di parte del materiale e di cui avevo preso a cuore i suggerimenti, il mio caporedattore Edward N. Zalta per la sua santa pazienza, e il mio amico e predecessore come redattore soggetto, il defunto Rob Clifton, che mi ha invitato a scrivere su questo argomento in primo luogo.

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