espanolEn el trabajo se presenta el calculo de probabilidades como una teoria matematica abstracta. Para ello seguimos los enfoques de Kolrnogoroff y Renyi. Se prueba que el enfoque de Renyi es mas rico que el de Kolmogoroff, pues incluye a este. Dado el caracter abstracto del calculo de probabilidades, puede ser interpretado de forma diferente: como propensidad, azar o cambio objetivo y, estadisticamente, como frecuencia observada. En cuanto a la interpretacion como propensidad, se da una interpretacion de la mecanica cuantica no-relatlvista siguiendo a Bohr. Es decir, las probabilidades que aparecen en esta teoria fisica se interpetan como irreducibles (por tanto, no expresan ninguna subjetividad del observador) que hacen referencia a la potencialidad o propensidad que posee un sistema cuantico en un cierto medio ambiente. La probabilidad se refiere, por tanto, a relaciones, como una y otra vez ha repetido Bohr. Tales potencialidades unicamente se actualizan en determinadas ocasiones: una de ellas cuando se realiza la medlcion. EnglishWe sketch the calculus of probability as a mathematical abstract theory. In doing so, we follow Kolmogoroff's approach. Also we deal with Renyi's approach. We prove that Renyi's approach is richer than Kolmogoroff's. Since probability is an abstract mathematical theory devoid of any specific factual content, we can interpret it in some different ways: propensity, randomness and statistical. Following Bohr we take it that quantunt mechanics deals with relations, where probabilities refer to the potentiality that exists in some given conditions before any interaction takes place.
espanolEn el trabajo se presenta el calculo de probabilidades como una teoria matematica abstracta. Para ello seguimos los enfoques de Kolrnogoroff y Renyi. Se prueba que el enfoque de Renyi es mas rico que el de Kolmogoroff, pues incluye a este. Dado el caracter abstracto del calculo de probabilidades, puede ser interpretado de forma diferente: como propensidad, azar o cambio objetivo y, estadisticamente, como frecuencia observada. En cuanto a la interpretacion como propensidad, se da una interpretacion de la mecanica cuantica no-relatlvista siguiendo a Bohr. Es decir, las probabilidades que aparecen en esta teoria fisica se interpetan como irreducibles (por tanto, no expresan ninguna subjetividad del observador) que hacen referencia a la potencialidad o propensidad que posee un sistema cuantico en un cierto medio ambiente. La probabilidad se refiere, por tanto, a relaciones, como una y otra vez ha repetido Bohr. Tales potencialidades unicamente se actualizan en determinadas ocasiones: una de ellas cuando se realiza la medlcion. EnglishWe sketch the calculus of probability as a mathematical abstract theory. In doing so, we follow Kolmogoroff's approach. Also we deal with Renyi's approach. We prove that Renyi's approach is richer than Kolmogoroff's. Since probability is an abstract mathematical theory devoid of any specific factual content, we can interpret it in some different ways: propensity, randomness and statistical. Following Bohr we take it that quantunt mechanics deals with relations, where probabilities refer to the potentiality that exists in some given conditions before any interaction takes place.
El objetivo del presente trabajo es explorar el problema de las probabilidades en mecánica cuántica y cómo el concepto de propensión ha resurgido en ciertas interpretaciones realistas de esta teoría. Tanto Suárez (2007), Dorato y Esfeld (2010) como Lombardi y Castagnino (2008) han defendido la idea de considerar a las probabilidades como probabilidades objetivas del mundo físico, articulándolas en términos de propensiones. En este trabajo buscaremos dilucidar, en primer lugar, qué es lo que caracteriza a las posiciones que defienden las propensiones como la manera más adecuada de interpretar las probabilidades en mecánica cuántica; en segundo lugar, especificar en qué medida difieren entre sí las distintas posiciones en disputa y, por último, defender la tesis planteada tanto por Lombardi y Castagnino (2008) como por da Costa, Lombardi y Lastiri (2013) en el sentido que el mejor modo de comprender el rol de las probabilidades del mundo cuántico son las propensiones. Dentro de una ontología de propiedades como la propuesta por la interpretación Modal-Hamiltoniana, las propensiones constituyen propiedades-tipo de segundo orden que determinan la tendencia a actualizarse de dichas propiedades en un contexto preferente de actualización.
En desacuerdo crítico con la interpretación propensiva popperiana, sostengo la tesis de que el concepto matemático de probabilidad puede ser interpretado como el grado de posibilidad física.Sea el suceso singular e el estado final de la evolución de un sistema físico S, dado un estado inicial específico de S, entonces e es físicamente posible, relativamente a una teoría T, si el estado inicial de S es descriptible por T y la descripción del suceso e es prescriptible por las leyes de T.En la teoría cuántica, el carácter objetivo de esta propuesta radica en que las descripciones probabilistas cuánticas son irreductibles a descripciones clásicas con variables ocultas locales. Sustento esta interpretación mostrando que hay una representación implícita de enunciados probabilistas cuánticos referentes a los resultados posibles de procesos experimentales de observables con un espectro discreto de valores propios.
El debate sobre el determinismo e indeterminismo en la física ha alcanzado una enorme expansión con el advenimiento de la mecánica cuántica, una teoría formulada en términos probabilísticos dado que su ecuación fundamental, la ecuación de Schrödinger, no determina la dinámica de las propiedades de un sistema, sino la dinámica de sus probabilidades. Al tratar exclusivamente con probabilidades, la física cuántica parece evidenciar un indeterminismo ontológico en los valores que adquieren las variables de un sistema físico (típicamente posición, velocidad, energía, etc.). Sin embargo la evolución del estado del sistema, gobernada por la ecuación de Schrödinger, es perfectamente determinista. Dado el estado a un tiempo inicial, la ecuación de Schrödinger predice de manera determinista el estado en todo tiempo posterior. Pero las probabilidades entran en juego al predecir resultados en el proceso de medición. Según la interpretación ortodoxa, a partir de ahí la evolución es indeterminista y sólo se puede recurrir a las probabilidades que permiten calcular el estado, que hasta ese momento evolucionó manera determinista. La mecánica cuántica parece incorporar así, tanto aspectos determínisticos como indetermínisticos, y la medición parece jugar un rol central en esto.Esta característica ha dado origen un sinnúmero de interpretaciones y no poca controversia entre ellas. Bajo la visión realista, se ha intentado interpretar las probabilidades en términos epistemológicos, es decir, en términos de ignorancia subjetiva del observador. De este modo, las probabilidades sólo estarían cuantificando un indeterminismo epistemológico. Sin embargo muchos de estos intentos demostraron no estar exentos de inconsistencias al punto de poner en juego hasta la misma noción de realismo. Desde una postura no realista, por el contrario, la mecánica cuántica parece imponer un indeterminismo ontológico antes no evidenciado por la mecánica clásica, principalmente porque no es posible asignar valores bien definidos a todas las variables.En las siguientes secciones indagaremos la dualidad entre determinismo e indeterminismo que exhibe la teoría cuántica. La primera sección centra su recorrido en las interpretaciones modales, para analizar desde ella algunas características relevantes de la teoría. En la segunda sección, se desarrollará la formulación Bohmiana de la mecánica cuántica, que tratándose de una formulación realista, pone de relieve la posibilidad de un indeterminismo epistemológico compatible con determinismo ontológico.
La théorie des probabilités et la théorie quantique, l’une mathématique et l’autre physique, s’apparentent dans la mesure où chacune admet plusieurs interprétations fort différentes. Certains ont proposé que les problèmes conceptuels de la théorie quantique puissent être, sinon résolus, du moins atténués par une interprétation adéquate des probabilités. Nous montrerons plutôt, à travers un survol historique et analytique des probabilités et de la théorie quantique, que si certaines interprétations de l’une et de l’autre s’agencent particulièrement bien, aucune ne s’impose de façon unique. * * * The theory of probability and the quantum theory, the one mathematical and the other physical, are related in that each admits a number of very different interpretations. It has been proposed that the conceptual problems of the quantum theory could be, if not resolved, at least mitigated by a proper interpretation of probabilities. We rather show, through a historical and analytical overview of probabilities and quantum theory, that if some interpretations of the one and the other go along particularly well, none follows in a unique way.
[ES] Hoy en día hay sobradas razones para considerar la teoría cuántica como uno de los mayores éxitos de la física moderna. Después de unos primeros años dificultosos, inaugurados por el descubrimiento del cuanto de acción por Max Planck en 1900, la teoría física cuántica acumula éxitos y consigue describir una cantidad de fenómenos cada vez mayor. No obstante, también es una teoría que desafía a nuestra intuición, pues choca con las nociones más elementales de la física clásica. La validez del formalismo de la mecánica cuántica está fuera de toda duda, pero de este no se desprende inmediatamente una imagen de la realidad microscópica. Esto supone un problema serio, ya que el objetivo de la física es dar una descripción de la realidad, además de permitirnos manipularla. Profundizar en este tema es el motivo principal para hacer este trabajo. Una de las primeras soluciones al problema presentado, y también la más dominante,1 es la interpretación de Copenhague. Se asocian comúnmente a esta físicos como Max Born, Werner Heisenberg y Niels Bohr. Esta interpretación suele entenderse como sinónimo de indeterminismo, el principio de correspondencia de Bohr, la interpretación estadística de la función de onda de Born y la interpretación complementaria de Bohr de ciertos fenómenos atómicos.2 Sin embargo, a día de hoy se dispone de suficiente información para saber que bajo este término se agrupan interpretaciones muy diferentes entre sí.3 A pesar de las divergencias entre los autores mencionados, está ampliamente aceptado que la perspectiva general que comparten tiene su origen en el trabajo de Bohr.4 Así, he centrado el trabajo en su solución al problema de la física cuántica y en su filosofía de la física.
El tema central de la tesis doctoral es el análisis de los sistemas cuánticos abiertos. Estos sistemas se caracterizan por estar sometidos a la interacción con el entorno, lo que provoca que su evolución deje de ser unitaria. Es por tanto necesario considerar modelos más allá de la ecuación de Schrödinger. Los sistemas cuánticos abiertos aparecen en numerosos campos, como la Física del Estado Sólido y la Dinámica Molecular. Por este motivo, un análisis detallado de sus propiedades y su dinámica es un tema digno de estudio con un gran abanico de aplicaciones. El enfoque elegido en esta tesis es el desarrollo de un formalismo geométrico que describa de forma adecuada las características de los sistemas cuánticos abiertos. La geometría diferencial ha demostrado ser una herramienta muy útil en el análisis de sistemas físicos. Desde mediados del siglo XX, se ha desarrollado con gran éxito una descripción geométrica de la Mecánica Clásica, principalmente en torno a las mecánicas lagrangiana y hamiltoniana. Por este motivo, resulta natural describir también los sistemas cuánticos en términos geométricos. Las ventajas de un formalismo geométrico resultan claras. Cuando tanto los sistemas clásicos como los cuánticos se describen en los mismos términos, es sencillo describir situaciones en las que existan interacciones clásico-cuánticas. Éste es el caso, por ejemplo, de muchos modelos de Dinámica Molecular, en los que los núcleos y los electrones son considerados respectivamente como partículas clásicas y cuánticas. Por otra parte, un formalismo geométrico de la Mecánica Cuántica posibilita un mejor entendimiento de las diferencias intrínsecas entre las teorías clásicas y las cuánticas. Dada su relevancia a lo largo de la tesis, el Capítulo 1 está enfocado al resumen y el análisis de la descripción geométrica de la imagen de Schrödinger de la Mecánica Cuántica. En formulación usual (algebraica), esta imagen se basa en la representación de los estados de los sistemas cuánticos mediante vectores en un espacio de Hilbert complejo. La transición a una formulación basada en geometría diferencial es inmediata para sistemas finito-dimensionales, dado que los espacios lineales de dimensión finita son casos triviales de variedades diferenciables. Las estructuras adicionales, en concreto el producto hermítico propio de los espacios de Hilbert y los escalares complejos, se describen mediante campos tensoriales en dichas variedades diferenciables, formando lo que se conoce como una estructura Kähler. Todos los ingredientes necesarios para el análisis de sistemas cuánticos pueden describirse en estas variedades de Kähler. Los observables se representan mediante funciones diferenciables, mientras que la dinámica se describe mediante curvas integrales de campos vectoriales hamiltonianos respecto a la forma simpléctica de la estructura Kähler. Esta caracterización puede llevarse a cabo en el espacio de Hilbert asociado a cualquier sistema cuántico finito-dimensional. Además, es posible analizar las propiedades geométricas del espacio proyectivo de Hilbert, el cual constituye el conjunto de estados puros del sistema. Su estructura Kähler puede ser deducida mediante un proceso de reducción de la estructura previamente obtenida en el espacio de Hilbert. Como aspecto novedoso, la tesis presenta en detalle este proceso de reducción, dotándolo de una descripción matemática adecuada. Todas las características de la imagen de Schrödinger pueden describirse de forma geométrica, lo que permite utilizar nuevas herramientas en el análisis de los sistemas cuánticos. Éste es precisamente el tema principal del Capítulo 2, en el cual se utilizan los sistemas de Lie-Kähler para resolver la ecuación de Schrödinger dependiente del tiempo. En geometría diferencial, un sistema de Lie es un sistema no homogéneo de ecuaciones diferenciales que admite una regla de superposición. En general, la obtención de esta regla de superposición es una ardua tarea, la cual puede aligerarse en presencia de estructuras adicionales que sean preservadas por la acción del sistema de Lie. De esta forma, según la estructura preservada, es posible hablar de sistemas de Lie-Hamilton, Lie-Dirac, etc. En el caso de la Mecánica Cuántica, una ecuación de Schrödinger dependiente del tiempo es un sistema de Lie que preserva la estructura de Kähler previamente descrita. Es por tanto un nuevo tipo de sistema de Lie, al que resulta natural denominar de Lie-Kähler. El Capítulo 2 presenta las propiedades de estos nuevos sistemas y describe un método riguroso para la obtención de sus reglas de superposición. El formalismo geométrico puede extenderse más allá de la imagen de Schrödinger, lo que resulta necesario en el contexto de los sistemas cuánticos abiertos, dado que tanto estados puros como estados mezcla son necesarios para su descripción. Por este motivo, el Capítulo 3 resume la imagen de Heisenberg de la Mecánica Cuántica y su representación de los estados puros y mezcla como funcionales lineales en el álgebra de Lie-Jordan de observables. Se explica también como las estructuras algebraicas de los observables pueden representarse geométricamente en el espacio dual de funcionales lineales en el álgebra. Este es el punto de partida de una de las principales contribuciones de la tesis. Un proceso de reducción, similar al realizado en el análisis de la imagen de Schrödinger, permite describir las propiedades geométricas de la variedad de estados puros y mezcla del sistema. De esta forma, se obtienen dos campos tensoriales en la variedad de estados, los cuales representan correctamente las estructuras algebraicas de los observables. Puede por tanto concluirse que el formalismo geométrico presentado en la tesis es completamente equivalente a la descripción algebraica tradicional, ya que se logra describir adecuadamente todas las propiedades de los sistemas cuánticos. Además, el formalismo geométrico ofrece una visión más clara de las propiedades intrínsecas de la Mecánica Cuántica, lo que facilita una mejor comprensión de la teoría. Por otra parte, un análisis geométrico de la variedad de estados permite estudiar su estratificación y sus propiedades. La tesis demuestra que se trata de una variedad con borde, cuyos puntos extremales son precisamente los estados puros del sistema. La estratificación de esta variedad resulta importante a la hora de considerar la dinámica inducida por campos gradiente y hamiltonianos. Con el objetivo de ilustrar todas estas propiedades, se analizan unos casos sencillos pero con relevancia física. A lo largo de la tesis, se muestran diversas aplicaciones del formalismo geométrico al análisis de sistemas cuánticos abiertos. El Capítulo 4 presenta la descripción de la evolución markoviana de sistemas cuánticos abiertos. Se dice que una evolución es markoviana si depende únicamente en el estado actual del sistema y no de los estados en instantes anteriores, es decir, si el sistema "no tiene memoria". En Mecánica Cuántica, la evolución markoviana se obtiene a partir de la ecuación de Kossakowski-Lindblad, una ecuación diferencial de primer orden en la variedad de estados puros y mezcla de un sistema cuántico abierto. El formalismo geométrico describe esta ecuación como un campo tensorial en esta variedad, lo que permite analizar las propiedades de sus curvas integrales. De esta manera, es posible considerar diversos aspectos de la evolución markoviana desde un punto de vista geométrico. Cualquier evolución no-unitaria determina un cambio en las propiedades algebraicas de los observables cuánticos, lo que puede resultar en una contracción del álgebra. En términos geométricos, esta contracción puede entenderse mediante el límite de una familia de campos tensoriales definida por el flujo del campo tensorial de Kossakowski-Lindblad. Otra característica importante de esta evolución es la existencia de variedades límite. Sus propiedades pueden determinarse gracias a la estructura afín existente, lo que a su vez permite investigar su relación con las contracciones de álgebras de observables. Por último, se ofrece una descripción geométrica de los problemas de control de sistemas cuánticos abiertos. Un análisis geométrico de la Mecánica Cuántica permite aplicar a estos problemas los resultados de la teoría de control de grupos de Lie. Como consecuencia, es posible realizar una clasificación de los sistemas cuánticos abiertos según sus propiedades de controlabilidad. Otro ejemplo de sistemas cuánticos abiertos aparece en el contexto de la Dinámica Molecular. En el estudio de sistemas moleculares, debido al gran número de partículas presentes, la ecuación de Schrödinger no puede ser resuelta ni siquiera por métodos numéricos. Por tanto, resulta útil considerar aproximaciones a la ecuación de Schrödinger. En particular, existen muchos modelos que consideran un comportamiento clásico de algunas de las partículas, normalmente los núcleos. El Capítulo 5 resume las propiedades estos modelos moleculares, y en particular del conocido como modelo de Ehrenfest. Es posible llevar a cabo una descripción geométrica de este modelo, basándose en las descripciones de los subsistemas clásico y cuántico. Como resultado, las ecuaciones del modelo pueden escribirse como ecuaciones hamiltonianas en una variedad de Poisson. A partir de estas propiedades, la tesis presenta una generalización del modelo de Ehrenfest a distribuciones estadísticas. Este es un paso importante, ya que se demuestra que esta descripción estadística predice la aparición de efectos relacionados con el fenómeno de decoherencia, algo que no ocurre en el modelo de Ehrenfest estándar. Se han realizado simulaciones numéricas, cuyos resultados respaldan la descripción de sistemas moleculares mediante el modelo estadístico de Ehrenfest. Por último, en este contexto resulta posible considerar distribuciones estadísticas con temperatura. La tesis presenta estas dist