La historia del gato más famoso de la física es familiar para muchos, pero ¿cuál es la historia interna del felino tan exigente que requiere su propio Universo y cómo ilustra la rareza del mundo cuántico? (Roberto Lea)

De todos los elementos contrarios a la intuición de la física cuántica presentados al público desde sus inicios en los primeros días del siglo XX, es muy posible que la idea de que un sistema puede ser dos (o más) cosas contradictorias a la vez, podría ser el más desafiante.

Además de desafiar un aspecto bien conocido de la lógica, la ley de la no contradicción, lo que irritaba a los especialistas en logística, esta idea de la coexistencia de estados, o superposición, fue incluso un desafío para los padres de la física cuántica. El principal de ellos es Erwin Schrdinger, quien sugirió un experimento mental diabólico que mostraría lo que él creía sobre la naturaleza ridícula de un sistema que existe en estados contradictorios.

El experimento mental se convertiría en quizás el más conocido en la historia de la física, abriéndose paso hasta ingeniosas camisetas, sombreros, bolsos e insignias, infiltrándose en la cultura pop, la televisión y el cine. Esta es la extraña historia del gato de Schrödinger y lo que nos puede enseñar sobre la física cuántica y la naturaleza de la realidad misma.

Antes de profundizar en el experimento que ideó Schringer, vale la pena examinar las circunstancias que lo llevaron a plantearse la absurda situación de un gato que está vivo y muerto al mismo tiempo.

¡Se busca vivo o muerto! Cómo metieron al gato en la caja

En muchos sentidos, el lugar de Erwin Schrdinger en la historia de la mecánica cuántica se ve eclipsado por su experimento mental basado en felinos. El físico austriaco fue responsable de sentar las bases de una comprensión teórica de la física cuántica con la introducción de su ecuación de onda homónima en 1926. Como describe Joy Manners en el libro Quantum Physics: An Introduction :

La ecuación de Schrödinger hizo por la mecánica cuántica lo que las leyes del movimiento de Newton habían hecho por la mecánica clásica 250 años antes.

Joy Manners, Física cuántica: una introducción

Lo que muestra la ecuación de Schrödinger es que el estado de un sistema, el conjunto de todas sus cualidades medibles, puede describirse como una función de onda representada por la letra griega Psi (). Esta función de onda contiene toda la información de un sistema que es posible retener. Cada función de onda es una solución a la ecuación de Schrödinger, pero aquí está la parte loca; dos funciones de onda se pueden combinar para formar una tercera, y esta función de onda resultante puede contener información completamente contradictoria.

Cuando las funciones de onda de un sistema se combinan, se encuentra en un estado de superposición. Tampoco hay límite sobre cuántas de estas funciones de onda se pueden combinar para formar una superposición.

Sin embargo, por infinita que pueda ser una función de onda, eterna no lo es. El acto de tomar una medida en el sistema en cuestión parece hacer que la función de onda colapse, algo para lo que aún no existe una descripción física o matemática. Hay, sin embargo, interpretaciones de lo que sucede, que van al corazón mismo de la realidad.

Antes de abordar estas interpretaciones, primero debemos llegar a nuestro gato en la caja antes de que se impaciente demasiado.

Un dispositivo más diabólico

Fue en 1935, mientras vivía en Oxford huyendo del ascenso de los nazis, que Schrdinger publicó por primera vez un artículo que expresaba su preocupación por la idea de la medición, el colapso de la función de onda y los estados contradictorios en la mecánica cuántica. Poco sabría él, lo llevaría a convertirse en el teórico-asesino-de-gatos más infame de la historia.

Una ilustración común del experimento mental del Gato de Schrödinger (Dhatfield / CCbySA 3.0)

A continuación, Schrdinger describe la terrible situación en la que se encuentra su desafortunado moggy.

Se coloca un gato en una cámara de acero con el siguiente artilugio infernal: en un contador Gieger, se coloca una pequeña cantidad de una sustancia radiactiva, de modo que tal vez dentro de una hora uno de los átomos se descomponga, pero es igualmente probable que ningún átomo se desintegre.

Por lo tanto, hay una probabilidad de 1/2 de que un átomo de las sustancias se descomponga y haga que el Gieger marque la hora de duración del experimento.

Si uno se descompone, el contador activa un pequeño martillo que rompe un recipiente de cianuro.

Entonces, si el átomo se desintegra durante una hora, el gato muere. Si no lo hace, el gato sobrevive. Tratando a la caja y al gato como un sistema cuántico, ¿cómo describiríamos su función de onda ()?

La función de onda del sistema existe ahora en una superposición de la función de onda individual que describe al gato como vivo y la que lo declara muerto. De acuerdo con las reglas de la física cuántica, el gato actualmente está vivo y muerto.

Sin embargo, nuestro desafortunado felino no está condenado a vivir su existencia como un extraño zombi cuántico. Un vistazo rápido al interior de la caja constituye una medida del sistema. Por lo tanto, al abrir la caja colapsamos la función de onda y determinamos el destino del gato de Schrödinger. Realmente es la curiosidad la que mata al gato, en este caso.

Terminemos nuestra analogía con una nota feliz. Abrimos nuestra caja y afortunadamente la sustancia no ha sufrido descomposición. La botella de cianuro permanece intacta. Nuestro moggy sobrevive, ileso si está irritado. La función de onda colapsó dejando intacta la función de onda secundaria azul, pero ¿qué sucedió realmente aquí? ¿Cómo se determinó el destino de los gatos?

La respuesta corta es que no lo sabemos, pero tenemos algunas interpretaciones. A continuación, comparamos los dos más destacados.

Mucho más que nueve vidas. La interpretación de los muchos mundos

Lo que hemos discutido hasta ahora consiste en una descripción muy aproximada de la interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica. La razón por la cual es de sentido común presentar esto primero es que generalmente es la interpretación que se acepta y se enseña más ampliamente.

Como has visto, la interpretación de Copenhague describe un sistema sin valores establecidos hasta que se produce o se toma una medida y surge un valor en nuestro caso vivo. Si esto suena profundamente insatisfactorio, bueno, lo es. Una de las preguntas que deja abierta es ¿por qué colapsa la función de onda?

En 1957, un físico estadounidense, Hugh Everett III, hizo una pregunta diferente: ¿Qué pasa si la función de onda no colapsa en absoluto? ¿Y si crece? De esto surgió la formulación del estado relativo de Everett, mejor conocida por los fanáticos de la ciencia ficción, los cómics y la fantasía como la Hipótesis/interpretación de los Muchos Mundos.

A continuación vemos lo que sucede con la función de onda en la interpretación de Copenhague. La caja se abre y la función de onda colapsa.

Entonces, ¿qué sucede en la interpretación de muchos mundos? En lugar de colapsar, cuando se abre la caja, la función de onda se expande. El gato no deja de estar en una superposición, pero esa superposición ahora incluye a los investigadores y al propio universo que habitan. Nos convertimos en parte del sistema.

En la interpretación de muchos mundos, los investigadores no abren la caja para descubrir si el gato está vivo o muerto, abren la caja para ver si están en el universo donde sobrevivió el gato o en el universo en el que fue enviado. Ellos y su mundo se han convertido en parte de la función de onda. Un universo completamente nuevo en superposición con el viejo. La unica diferencia.

Un gato menos.

Gatitos de Schrödinger: Algunas palabras de advertencia

Nuevamente, como con la interpretación de Copenhague, no hay evidencia experimental real del concepto de muchos mundos. En muchos sentidos, cualquier interpretación de la mecánica cuántica es realmente más un ámbito de la filosofía que de la ciencia. Además, al considerar muchos mundos, vale la pena señalar que este es un concepto diferente a la idea de un multiverso de diferentes universos creado al principio de los tiempos.

Además de esto, hay algunos problemas reales al considerar el gato en una caja como un sistema cuántico. Los investigadores encuentran constantemente efectos cuánticos en sistemas cada vez más grandes, el récord actual parece ser de 2000 átomos colocados en una superposición. Para poner eso en perspectiva; ¡una humilde golosina para gatos contiene alrededor de 10 átomos!

Muchos físicos han sugerido razones por las que los sistemas más grandes no muestran efectos cuánticos, y Roger Penrose sugirió que cualquier sistema que tenga suficiente masa para afectar el espacio-tiempo a través de la teoría de la relatividad general de Einstein no puede aislarse. A través de la influencia de la gravedad, constantemente se toman medidas. Esto definitivamente se aplicaría incluso al moggy más minúsculo.

Vale la pena señalar aquí que la descripción general del experimento mental y la apertura de la caja han llevado a algunos a especular que es la adición de una conciencia lo que en realidad causa el colapso de la función de onda.

Esta es una idea que ha vendido más o menos un millón de libros sobre corte cuántico y surge de la desafortunada nomenclatura de la física cuántica. El uso de las palabras medir y observar implica la intervención de un observador consciente. La verdad es que cualquier interacción con otro sistema es suficiente para colapsar una función de onda cuántica, ya que tienden a existir en estados increíblemente delicados y fácilmente perturbables.

Fuentes y lecturas adicionales

Schrödinger. MI,

Griffiths. D. J, Introducción a la mecánica cuántica, [2017], Cambridge University Press.

Broadhurst. D, taponadora. D, Dubin. D, et al, Física cuántica: una introducción, [2008], Open University Press.

Nomura. Y, Poirer. B, Terning. J, Física cuántica, miniagujeros negros y el multiverso,

Orzel. C, Cómo enseñar física cuántica a tu perro, [2009], Simon & Schuster.

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