El Gato de Schrodinger.

Cuando tenía 21 años, mi tío me prestó un libro de Física Cuántica, no recuerdo al autor de ese libro, pero si recuerdo mis primeras lecciones de física cuántica; como el fenómeno de superposición cuántica, el entrelazamiento cuántico, el efecto túnel, el principio de incertidumbre de Heisenberg, la dualidad onda partícula, etc, todo un mundo fascinante donde las contradicciones, las incongruencias, las paradojas, las rarezas, cobraban vida. No me considero un experto en física cuántica, sin embargo me he tomado la molestia de analizar y sintetizar de una manera más “realista” la paradoja del Gato de Schrodinger, esto a raíz de que he visto en internet, sobre todo en Youtube varios videos sobre el Gato de Schrodinger que lo explican mal o no lo explican de manera adecuada, incluso he visto videos de youtubers donde se trata este tema de una manera muy frívola, muy superficial, como un chiste de mal gusto, hasta casi como una burla. He visto también algunos videos que lo explican bien, pero como que les faltaba algo, que no me llegaba a saciar, a colmar, a satisfacer y es por eso que me he tomado la molestia de hacer mi propia explicación para explicar la paradoja más popular de la Mecánica Cuántica y que espero les guste. Por lo que he visto en muchos comentarios, sobretodo en Youtube, debo decir que mucha gente solo ve la punta del iceberg de lo que realmente significa este experimento ideado por el físico austriaco Erwin Schrödinger, considerado como uno de los padres de la Física Cuántica, especialmente por haber desarrollado una ecuación de onda que describe la evolución temporal de una partícula subatómica, llamada la “Ecuación de Schrodinger”, es por este valioso trabajo que Schrondiger gana el premio Nobel de Física en 1933. Aquí, nos detendremos, y pasaremos a distanciarnos de las demás explicaciones, para que puedan “entender”, lo que Erwin Schrodinger nos quiso decir realmente con su famoso experimento. Antes de empezar con la explicación formal del famoso experimento, es necesario poner bien en claro dos premisas para que no haya problemas para su posterior comprensión. 1.- La clave de este experimento y que no deben de olvidar nunca, es que el Gato de Schrodinger es un experimento imaginario, un experimento mental, un ejemplo ficticio, una metáfora que trata de explicar un hecho natural anti-intuitivo que sucede en el mundo de lo muy pequeño o microscópico, donde rige la física cuántica, extrapolándolo al mundo de muy grande o macroscópico, donde rige la física clásica (osea la física newtoniana). Erwin Schrodinger formuló este experimento imaginario para mostrarnos lo absurdo que podía ser la Física Cuántica al aplicarlo al mundo en que vivimos. 2.- Cuando hablamos del gato, en realidad estamos hablando de una partícula subatómica, los gatos no son sistemas cuánticos. Las leyes de la Física Cuántica actúan a escala subatómica, bajo ciertas condiciones y sólo es válida con sistemas de partículas aisladas, no aplica en sistemas donde hay calor, pues el calor es el movimiento de los átomos interactuando y el gato es materia, un ser con vida caliente, un sistema macroscópico no cuántico. Por lo tanto cualquier interacción de las partículas subatómicas del gato con su entorno hace que las leyes cuánticas dejen de aplicarse. El Gato de Schrödinger explora la forma en la que un sistema cuántico, como un átomo o un fotón, pueden existir en varios estados a la vez, un fenómeno conocido que los físicos llaman: Superposición Cuántica. Este concepto asume que la realidad no está definida sino que es un entresijo, un enmarañado de distintas posiblidades. Son múltiples realidades en potencia y es solo cuando tú decides “observar”, cuando una de ellas se define como realidad. A este acto de “observar o medir” se le llama colapso de la función de onda. Al grano entonces, vamos al meollo del asunto que motivó este video, El Gato de Schrodinger, en sus aspectos esenciales dice lo siguiente: “Un gato se halla en una cámara herméticamente cerrada donde hay una pequeña muestra de sustancia radiactiva tal que la probabilidad de que al cabo de 10 minutos emita radiación, es de 50 %. Esta radiación se amplifica mediante una serie de dispositivos, lo que finalmente hace que una ampolla que contiene un gas altamente tóxico se rompa, matando así al gato”. La cuestión es, ¿qué pasa si se abre la cámara a los diez minutos y un segundo de comenzar el experimento?... El sentido común dice que existe un 50% de probabilidad de que el gato se encuentre vivo y un 50% de probabilidad de que el gato se encuentre muerto. Dicho de otra manera, si hiciéramos el mismo experimento 100 veces, 50 veces encontraríamos al gato vivo y en otras 50 veces el gato estará muerto, esto es lo que predice la ley de las probabilidades dentro del entorno de la física “clásica”. Pero, la interpretación del resultado no es tan sencillo, recuerden lo que les dije en la segunda premisa para entender este asunto; cuando hablamos del gato, en realidad estamos hablando de una partícula subatómica y estas partículas no se rigen por la física clásica, sino por leyes extrañas bajo el ámbito de la física cuántica, es por eso que al interpolar el mundo de los muy pequeño a lo muy grande surgen paradojas, la naturaleza del proceso sigue siendo una incógnita, es por eso que esto ha dado lugar a varias interpretaciones que tratan de explicar, qué es lo que realmente ocurre con el Gato de Schrodinger. 1.- LA INTERPRETACIÓN DE COPENHAGUE La interpretación que realiza la visión cuántica ortodoxa o interpretación de Copenhague, dice que antes de observar el interior de la cámara no sólo no podemos decir si el gato está vivo o está muerto, sino que podemos decir que no está en ninguna de esas situaciones, se halla en un estado cuántico que corresponde a una superposición de ambos, llamada “Superposición Cuántica”, un estado que no tiene correspondencia en el mundo clásico de nuestras experiencias. El paso de una superposición de estados a un estado definido, se produce como consecuencia del proceso de medida, y no puede predecirse el estado final del sistema: solo la probabilidad de obtener cada resultado. Esto quiere decir que en el momento que abrimos la caja, la sola acción de observar, modifica el estado del sistema, tal es así que solo podemos observar o bien un gato vivo o bien un gato muerto. Esto significa que el gato (que en realidad es una partícula subatómica) ha sufrido un colapso de la función de onda, esto quiere decir que el acto mismo de la observación es un proceso definitorio, irreversible e inevitable en el proceso de medida y es este proceso lo que define la realidad. Recordemos, que la Física Cuántica dice que toda partícula subatómica está definida por una “Función de Onda”, esta función de onda que en realidad es una ecuación, mide la probabilidad de encontrar dicha partícula en un determinado punto del tiempo y del espacio. La teoría cuántica también nos dice que nunca se conoce el estado de una partícula hasta que se haya hecho una observación, la partícula puede estar en una de una diversidad de estados descrita por la Función de Onda de Schrodinger, es como si la partícula estuviera en un estado “ultradimensional”, y en ese estado tiene al mismo tiempo la suma de todos los estados posibles, pero sólo hasta que se realiza una medida u observación, la realidad salta a la vista. Es increíble pero así dice la visión cuántica más ortodoxa. 2.- LA INTERPRETACIÓN DE LOS MULTIPLES UNIVERSOS Esta interpretación supone que cada evento involucra un punto de ramificación en el tiempo, el gato está vivo y muerto, incluso antes de que la caja se abra, pero los gatos «vivos» y «muertos» están en diferentes ramificaciones del universo, por lo que ambos son igualmente reales, pero no puede interactuar el uno con el otro. Formulada por Hugh Everett en 1957, esta teoría nos dice que el proceso de medida supone una ramificación en la evolución temporal de la función de onda. La propuesta de Everett es que cada medida «desdobla» nuestro universo en una serie de posibilidades, aunque no está claro cómo logran “conectar” entre sí esos universos paralelos para que en cada uno de ellos suceda algo diferente. Por ahora, los científicos no tienen una explicación racional de como sucede este proceso, aunque matemáticamente si es posible desdoblar el Universo. Por lo demás, es una explicación lógicamente coherente y posible, aunque inicialmente esta propuesta no despertó mucho entusiasmo. Incluso, en un inicio esta interpretación fue ridiculizada, tomada como una teoría fantástica y durante varios años estuvo olvidada, pero con los años científicos famosos como Bryce Dewitt, N. Graham y Stephen Hawking han respaldado esta teoría. Así como existe una función de onda de las partículas, Stephe Hawking dice que existe una ecuación de onda del Universo. Esta nueva teoría de Hawking consiste en tratar al Universo como si fuera una partícula cuántica, según la cual nuestro universo es solo una posibilidad de entre un conjunto de infinitos universos paralelos. Suena fantástico, pero los científicos más destacados del mundo lo toman en serio, no todos claro, por ejemplo Roger Penrose y otros, no están de acuerdo con esa hipótesis. 3.- LA INTERPRETACIÓN ESTADÍSTICA La interpretación estadística, interpreta la función de onda como una combinación estadística de múltiples sistemas idénticos. En otras palabras la función de onda describe sólo ciertas propiedades estadísticas de un conjunto de sistemas que fueron preparados de un modo similar. Es decir, para las interpretaciones estadísticas la función de onda es una función estadística abstracta, que se aplica únicamente a procedimientos similares que se repiten. Bajo el marco de esta interpretación, la superposición cuántica es solo una abstracción matemática que describe este conjunto de sistemas idénticos; pero cuando observamos un sistema individual, el resultado es uno de los estados posibles. Esta interpretación tiene como consecuencia que la indeterminación ya no es una propiedad ontológica, sino un principio de dispersión estadística. Las medidas de dispersión muestran la variabilidad de una distribución, indicando por medio de un número, si las diferentes puntuaciones de una variable están muy alejadas de la media. Cuanto mayor sea ese valor, mayor será la variabilidad, cuanto menor sea, más homogénea será a la media. Así se sabe si todos los casos son parecidos o varían mucho entre ellos. En general, las interpretaciones estadísticas consideran a la mecánica cuántica como una teoría clásica de procesos probabilísticos o estocásticos y exclusivamente interpretan su formalismo sin modificarlo. Sin embargo, esta interpretación es incapaz de explicar fenómenos experimentales asociados a partículas individuales, como la interferencia de un solo fotón en la versión cuántica del experimento de Young. El experimento de Young, es el famoso experimento de la doble rendija, realizado en 1801 por Thomas Young, en un intento por explicar la naturaleza corpuscular y ondulatoria de la luz. Nota: Para calcular la variabilidad que una distribución tiene respecto de su media, se calcula la media de las desviaciones de las puntuaciones respecto a la media aritmética. Pero la suma de las desviaciones es siempre cero, así que se adoptan dos clases de estrategias para salvar este problema. Una es tomando las desviaciones en valor absoluto (desviación media) y otra es tomando las desviaciones al cuadrado (varianza). La varianza es una medida estadística que mide la dispersión de los valores respecto a un valor central (media) 4.- LA INTERPRETACIÓN RELACIONAL La interpretación relacional rechaza una interpretación objetiva del sistema, y propone en cambio que los estados del sistema son estados de relación entre el observador y el sistema. Distintos observadores, por tanto, describirán el mismo sistema mediante distintas funciones de onda. Antes de abrir la caja, el gato (partícula subatómica) tiene información sobre el estado del dispositivo, pero el experimentador no tiene esa información sobre lo que ha ocurrido en la caja. Así, para el gato, la función de onda del aparato ya ha colapsado, mientras que para el experimentador el contenido de la caja está aún en un estado de superposición. Solamente cuando la caja se abre, y ambos observadores tienen la misma información sobre lo que ha pasado, las dos descripciones del sistema colapsan en el mismo resultado. 5.- LA INTERPRETACIÓN DEL COLAPSO OBJETIVO Esta interpretación nos dice que la superposición de estados se destruye aunque no se produzca observación, difiriendo las teorías en qué magnitud física es la que provoca la destrucción (tiempo, gravitación, temperatura, etc.), dando lugar a una reducción del estado del sistema. Esa destrucción es lo que evita las ramas que aparecen en la teoría de los multi universos. La palabra "objetivo" procede del hecho de que en esta interpretación tanto la función de onda como el colapso de la misma son "reales", que sucede inexorablemente. En la interpretación de los muchos-mundos, el colapso no es objetivo, y en la de Copenhague es una hipótesis ad hoc. Entre los defensores de esta teoría que proponen un colapso objetivo del estado cuántico destacan Roger Penrose y Giancarlo Ghirardi, Alberto Rimini, Weber (Teoría GRW). Sir Roger Penrose, propuso considerar los efectos gravitacionales en la estructura de la mecánica cuántica. Sugirió así “gravitacionar” la mecánica cuántica, en lugar de seguir el camino habitual de intentar cuantizar la relatividad (Penrose 2014). Bajo estos supuestos, postuló que la causa del fenómeno de reducción del estado cuántico es gravitacional, y predijo que los estados cuánticos permanecen en un estado de superposición sólo hasta que la diferencia entre las energías de los estados que lo componen alcanza un nivel determinado. A este valor crítico lo llamó energía de un gravitón. Es decir, Penrose sostuvo que los estados cuánticos en superposición tienen un tiempo de vida finito, debido a que las inestabilidades de las superposiciones cuánticas implican desplazamientos significativos de masa, que si bien pueden ocurrir en el aparato de medición y en la recepción de un fotón en la retina o nervio óptico del observador, tienen mayoritariamente lugar en el entorno. Por esta razón, cuando el entorno se encuentra entrelazado con el sistema cuántico en estudio, la reducción espontánea del estado cuántico del entorno también es necesariamente acompañada de una reducción de los sistemas cuánticos entrelazados con él. En 1986, Ghirardi, Rimini y Weber (GRW) propusieron que el colapso de la función de onda se produce de forma espontánea continuamente. La modificación que sugieren, consiste en añadir a la ecuación de Schrödinger determinista y lineal un término estadístico y no-lineal. Esta incorporación permite que el estado de un sistema cuántico pueda sufrir un colapso espontáneamente durante su evolución natural. En la teoría GRW una partícula concreta sufre un colapso cada 1016segundos (unos 100 millones de años) de forma espontánea y estocástica, luego su efecto es indetectable en los experimentos cuánticos. Sin embargo, un sistema macroscópico, como un gato, formado por un número de partículas del orden del número de Avogadro sufrirá uno de estos colapsos cada 10–8 segundos, en promedio. En el proceso de medida, una partícula interacciona con un detector macroscópico y el colapso del vector de estado se produce de forma dinámica. La propuesta de GRW se mantiene dentro del formalismo cuántico tradicional y admite el indeterminismo, pero comporta, de un modo natural, que los sistemas macroscópicos se mantengan en estados bien definidos y da una explicación consistente del proceso de medida. La mecánica cuántica es una teoría indeterminista, pero la evolución de la función de onda descrita por la ecuación de Schrödinger es determinista. El indeterminismo proviene del colapso del estado cuántico en el proceso de medida (una interacción irreversible entre el sistema medido y el aparato de medida). El colapso determina el valor actual del estado entre todos los valores posibles. En la interpretación estándar de la mecánica cuántica, el colapso no es una interacción física. La “Decoherencia” inducida por el ambiente explica el colapso de la función de onda por la irreversibilidad de la interacción del sistema con el ambiente. NOTA: Hasta aquí se han explicado 5 interpretaciones científicas sobre el experimento del Gato de Shrodinger, sin embargo un nuevo concepto que reinventa la interpretación de Copenhague, viene calando con fuerza. Este concepto sustituye el colapso de la función por un proceso de “Decoherencia Cuántica”. En este sentido, la explicación teniendo en cuenta el concepto de “decoherencia”, sería la evolución moderna de la interpretación de Copenhague, la cual pretende describir un proceso físico real, más no proponer una nueva interpretación. De esta forma este concepto estaría validando la interpretación de Copenhague, en el sentido de entender el colapso de la función de onda como un proceso físico. QUÉ ES LA DECOHERENCIA CUÁNTICA: El concepto fundamental para entender la transición entre un sistema cuántico y un sistema clásico, o dicho de otro modo, entre un sistema microscópico a un sistema macroscópico, es el concepto de “Decoherencia”. Introducido por Hans Dieter Zeh en 1970. Este concepto se popularizó entre los expertos a principios de los 1980 gracias al trabajo de Wojciech Zurek en 1981 y 1982. Hoy en día, la idea de “Decoherencia Cuántica” forma parte de la ortodoxia, forma parte íntegra de la interpretación estándar de la mecánica cuántica, la “Interpretación de Copenhague”. Hoy en día, gracias a la decoherencia de Zeh y Zurek, el sistema de medida también se trata como un sistema cuántico. La Decoherencia Cuántica, permite explicar la ausencia de superposiciones cuánticas en los estados macroscópicos de la materia, sin necesidad de la intervención de un observador (evitando todo tipo de paradojas asociadas a que el observador debe ser consciente del resultado de la medida). Es decir, considera al tradicional colapso como una consecuencia de las interacciones espontáneas entre el sistema y su entorno, capaces de seleccionar los estados privilegiados y de eliminar los fenómenos de interferencia entre los estados superpuestos, recuperando así un patrón clásico de probabilidades. En cada observación de un sistema hay tres subsistemas implicados: el objeto a medir, el aparato de medida y el entorno. Según los modelos de decoherencia el entrelazamiento estos tres subsistemas y, en concreto, la interacción entre el objeto a medir y el entorno, diluye la superposición de estados cuánticos; el gato de Schrödinger o está vivo o está muerto, porque al ser un objeto macroscópico su interacción con el entorno es muy fuerte. Por ejemplo, por qué la luz en la habitación en la que estás parece una onda clásica y no muestra su carácter cuántico. Según la decoherencia, como describieron Erich Joos y el propio Zeh, la razón es la interacción (dispersión) de los fotones en las moléculas del aire de la habitación. Esta dispersión provoca una decoherencia muy rápida que localiza los paquetes de luz, contrarrestando la dispersión predicha por la ecuación de Schrödinger. La luz parece formada por partículas localizadas porque el entorno está constantemente midiendo su posición. La Decoherencia Cuántica explica como un subsistema pasa de ser cuántico a clásico, pero no explica qué ocurre con el sistema global. Actualmente se considera a la Decoherencia como el principal mecanismo que nos priva de observar más fenómenos cuánticos en el laboratorio. Según este fenómeno, nunca podremos ver los efectos cuánticos de superposición e interferencia en los sistemas complejos debido a la interacción con el entorno, incluso a energías bajas, donde la acción es muy baja, los sistemas pierden rápidamente su carácter cuántico al entrelazarse con el sistema que los rodea. Hace falta conseguir presiones muy bajas, para reducir la interacción con las moléculas colindantes, y temperaturas también muy bajas, para evitar la interacción con los fotones térmicos. En el caso del Gato de Schrödinger, la decoherencia negaría la posibilidad de una superposición como la que sucede con partículas aisladas. Un gato es un sistema muy complejo, un cuerpo caliente, muy difícil de aislar del entorno (aparte de que la fuerza de la gravedad no se puede apantallar) y en muy poco tiempo la superposición pasa a ser una mezcla de estados incoherentes en donde el gato, o bien estará vivo, o bien muerto, independientemente del observador. Bajo esta premisa, la Luna continúa existiendo ahí fuera aunque nadie la mire porque es imposible que se mantenga en una superposición coherente. “Hay que puntualizar aquí una cosa, y es que nadie está negando que los efectos cuánticos se den a escala macroscópica. Lo que la decoherencia explica es la imposibilidad de observarlos, lo cual por otra parte es lo que nos dice la vida cotidiana, nuestra realidad”. La Decoherencia es por lo tanto un proceso de pérdida de información, y está relacionado por lo tanto con los procesos irreversibles. Y un ejemplo de esto sería el colapso de la función de onda. Mientras que la evolución de una función de onda es unitaria y reversible, el colapso es un proceso irreversible cuyos detalles serían justificados por este fenómeno. CONCLUCION: En un intento por mostrar la naturaleza extraña de la superposición cuántica, Schrodinger llevó la descripción cuántica a sus extremos, aplicándola a un sistema macroscópico, para que veamos cómo se hace evidentemente misterioso, desconcertante y paradójico las leyes que rigen la Física Cuántica interactuando con nuestra realidad. Y es aquí donde encontramos la separación definitiva entre el mundo clásico y el mundo cuántico, generando actualmente los problemas conceptuales más profundos de la Física y que a pesar de nuevos descubrimientos, nuevos estudios, nuevos avances, la interpretación oficial es que el mundo cuántico sigue siendo hasta ahora, un mundo paradójico. Autor: José Antonio